电弧炉炉体设计.doc

攀枝花学院本科毕业设计（论文）2t滚动轴承钢电弧炉炉体设计学生姓名： 温 勋 学生学号： 200811103068 院（系）： 材料工程学院 年级专业： 2008级冶金工程一班 指导教师： 王能为 讲师 助理指导教师： 二一二年六月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要电弧炉炼钢是靠电弧进行加热的，其温度可以高达2000以上，热效率比平炉、转炉炼钢高。由于没有可燃烧气体，根据工艺要求可在各种不同的气氛中进行加热，这能保证冶炼含磷、硫、氧低的优质钢，用各种元素来使钢合金化，也炼出各种类型的优质钢和合金钢。本课题针对产量为2t滚动轴承钢进行电弧炉炉体设计，设计的内容包括电弧炉炉型的尺寸和耐火材料的厚度、辅助的水冷壁、偏心底出钢的位置、变压器功率和电参数、配料计算等，利用CAD软件完成电弧炉炉体及耐火材料的图形绘制。设计的电弧炉用材经济节省，结构合理，尺寸设计准确，能满足滚动轴承钢小规模化生产要求。关键字：电弧炉，炉体，耐火材料，滚动轴承钢，CAD攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTSteel making by electric arc furnace depends on electric arc heating, its temperature can be up to more than 2000 degrees centigrade, and thermal efficiency is higher than Martin furnace and converter steel-making. Lack of combustible gas, steelmaking can be processed according to technique requirements in the heated atmosphere of various gases, which will guarantee high-quality steel with low amount of phosphate, sulfur and oxygen. Meanwhile, with different kinds of elements added to the steel-making, this process can refine a variety of types of high quality steel and alloy steel. This paper aims to make a design of electric arc furnace for 2t rolling bearing steel, which includes size of the electric arc furnace, the thickness of the refractory matter, auxiliary water-cooling wall, location of the eccentric bottom tapping, transformer power, electrical parameters, ingredientscalculation and so on. CAD software will be taken in the drawing procedure of the electric arc furnace and refractory matter. The designed electric arc furnace has some features such as economical and timber saving, properly structured and accurate size of the design and it can meet the small-scale production requirement of rolling bearing steel.Keywords: Electric arc, Furnace, Refractory matter, Roll bearing steel, CAD 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1前言11.2关于电弧炉的概述11.2.1 电弧炉的优缺点11.2.2电弧炉的分类21.2.3电弧炉的特征及组成31.2.4电弧炉对耐火材料的要求31.2.5电弧炉的冶炼工艺41.3 滚动轴承钢的概述41.4本课题研究的意义及内容52 电弧炉炉型尺寸设计62.1电弧炉设计要求62.2熔池的形状72.2.1熔池直径和深度设计82.2.2熔炼室尺寸设计82.3电弧炉炉衬及厚度的确定102.3.1电弧炉炉墙、炉底用耐火材料设计112.3.2炉盖用耐火材料143 水冷炉壁设计173.1水冷壁的主要参数及特点183.2水冷组件材质选择193.3水冷炉壁冷却水耗量的确定193.3.1炉壁最大热流的选择193.3.2水冷面积的确定203.3.3冷却水流量的确定203.3.4炉壁水冷组件管径的选择213.3.5 平衡挂渣层厚度设计213.3.6水冷炉壁结构223.4水冷炉盖233.5水冷炉壁、水冷炉盖的安装234 偏心底出钢（EBT）设计244.1出钢口偏心距E的确定244.2出钢箱切角244.3出钢箱高度245 变压器功率和电参数的确定255.1变压器功率的确定255.2电极直径设计255.3电极心圆直径设计265.4电压级数设计266 配料计算286.1对配料的基本要求286.1.1准确配料286.1.2钢铁料的使用原则286.2配料计算公式296.2.1炉料成分的配定原则296.2.2配料计算公式306.2.3 配料计算316.2.4配料组成32结论33参考文献34致谢36攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论1.1前言近现代主要冶炼钢方法包括转炉炼钢、平炉炼钢法和电炉炼钢法法。但平炉炼钢法已基本淘汰，而电炉已取得长足的发展。转炉炼钢与电炉炼钢法最基本的区别在于，电炉炼钢法是靠电能作为热源，而且电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼钢方法，转炉由钢水本身供热1。我们通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。电弧炉炼钢得到迅速发展的主要原因2：1) 废钢量逐年增加2) 钢铁工业迅速增长。由于发电设备大型化和技术不断发展，可利煤用部分劣质粉发电，电的供应和价格相对比较稳定，使电炉炼钢有了比较可靠的能源基础。此外，电炉用废钢比高炉、平炉炼钢的能耗低。3) 电炉趋向大型化、超高功率化，冶炼工艺化。4) 投资少，基建速度快，投资回收时间短。5) 钢液温度、成份易控制，品种适应性强，可冶炼牌号的钢多，同时还能间断性生产。1.2关于电弧炉的概述1.2.1 电弧炉的优缺点电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有以下的优点3： 电炉炼钢的设备投资少、基建速度快； 炼钢的热能来自于电弧上，温度可高达40006000，并且直接作用在炉料上，热效率比较高，一般在65以上。此外，冶炼中含有难熔元素W、Mo等高合金钢； 电炉炼钢可以去除钢中含有的夹杂物和有害气体，以及去硫、脱氧、合会化等，以此来冶炼出高质量的特殊钢； 电炉炼钢可采用热装或冷装，不的受炉料的限制； 适应性强，可连续生产也可间断生产。电弧炼钢的缺点有： 电弧是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池各部位温差较大； 炉气或水分，在电弧的作用下，能解离出大量的H、N，而使钢中的气体含量增高。随着电弧炉技术的发展和完善，以及废钢等代用品的开发与应用，电弧炉流程可以使用废铁、废钢作为代用品，甚至可以使用比较多的生铁进行生产冶炼。因此，在全球角度看，以电弧炉炼钢技术为代表的短流程钢厂生产的前景十分广阔2。1.2.2电弧炉的分类电弧炉炼钢是利用电极上电弧产生的高温来熔炼金属和矿石的电炉。然而在气体放电形成的电弧时能量非常集中，弧区温度达到在3000以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺效率更高，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的冶炼。电弧炉可以按电弧的形式来分为单相电弧炉、电阻电弧炉和自耗电弧炉等类型。电弧炼的炉体由炉盖、炉身、炉门出钢槽和出钢槽组成，炉壁和炉底用酸性耐火材料或碱性耐火材料砌筑。电弧炼根据能耗分为普通功率电弧炉、高功率电弧炉和超高功率电弧炉。电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间的电弧为热源进行炼钢。电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利。电弧炉炼钢发明后不久，就用于冶炼合金钢，并得到较大的发展。随着电弧炉设备的改进以及冶炼技术的提高，电力工业的发展，电弧炉炼钢的成本不断下降，现在电弧炉炼钢不但用于生产合金钢，而且大量用来生产普通碳素钢，其产量在主要工业国家钢总产量中的比重，不断上升。单相电弧炉：这类电弧炉用单相交流电供电,炉料在电弧间接加热,单相电弧炉多用于铜和铜合金的熔炼。电阻电弧炉：炉子结构与炼钢电弧炉相似。工作时，电极下端埋在炉料内起弧，除电极与炉料间的电弧发出热量外。由于，炉料也有很大的电阻，因此电流通过炉料时炉料电阻也产生很大的热量。这类电弧炉主要用于矿石的冶炼,因此又称矿热炉。自耗电弧炉：这种电弧炉的电极作为被熔炼钢的原料。熔炼时，随着原料的不断被熔化，电极不断下降。熔化的钢水滴入用水冷却的紫铜筒形坩埚内，冷凝成钢锭。这种炉子主要用于合金钢的熔炼。用于熔炼钛、锆、钨、钼、钽、铌等活泼金属和难熔金属的自耗电弧炉，常在真空下工作，故称为真空自耗电弧炉。从工业上应用上电弧炉可以分为三类： 第一类直接加热式，电弧是发生在专用的电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接由来电弧加热。主要用于炼钢，其次还用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。 第二类间接加热式，是在两根专用电极棒之间产生电弧，炉料受到电弧的辐射热，多用于熔炼铜、铜合金等。这种电弧炉由于噪声大，熔炼质量差，所已逐渐被其它炉类所取代。 第三类矿热炉，主要是以高电阻率的矿石为原料，在冶炼过程中电极的下部一般是埋在炉料中的。该电炉加热原理是：利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时利用了炉料和电极间的电弧产生的热量。所以又称为电弧电阻炉。1.2.3电弧炉的特征及组成电弧炉是利用电极上的电弧产生的高温来金属和熔炼矿石的电炉。气体放电形成电弧的能量很集中，弧区温度在3000以上。对于熔炼金属，电弧炉比其它炼钢炉工艺灵活性大，能更有效地去除磷、硫等杂质，炉温更容易控制，设备占地面积小，更加适于优质的合金钢的熔炼。电弧炉按电弧形式可分为三相电弧炉、自耗电弧炉、单相电弧炉和电阻电弧炉等类型4。电弧炼钢炉的炉体由炉盖、炉门、出钢槽和炉身组成，炉底和炉壁用碱性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。电弧炼钢炉按每吨炉容量所配变压器容量的多少分为普通功率电弧炉、高功率电弧炉和超高功率电弧炉。电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢。电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利 。 电弧炉炼钢发明后不久，就用于冶炼合金钢，并得到较大的发展。 电弧炉的组成包括： 电源部分：电炉变压器（整流器）、高压供电、低压电气控制柜等； 电极部分：电极升降装置、导电横臂、电极类等； 炉体部分：炉壳、炉盖、炉体倾转机构等； 短网部分：导电铜排、水冷电缆等； 冷却水系统。1.2.4电弧炉对耐火材料的要求耐火材料通常是指主要有无机非金属材料组成的且耐火度不低于1580的材料和制品。耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化变形程度时的温度，它标志的材料抵抗高温性能5。耐火材料是为高温技术服务的基础材料。它与高温冶炼工业的发展有着密切的关系，相互依存，互为促进，共同发展。在一定条件下，耐火材料的质量品种是高温技术的发展期的关键。 炼钢电炉系由炉顶、炉墙和炉底等几个大部分组成。以前多采用硅砖砌筑，而现在普遍使用高铝砖、碱性砖和耐火浇注料或耐火捣打料，也有采用水冷炉衬的。电炉炼钢主要使用电弧辐射进行加热，有时用重油或吹氧加速熔炼，以降低电能消耗，提高产量。电炉炉内温度高，气氛变化大，冶炼周期短，同时在冷态时进炉料。因此，电炉炉衬常处于高温、熔渣侵蚀和急冷急热的状态，工作条件苛刻。电炉炉衬因部位不同，采用的耐火材料及其损毁机理也是不同的。电炉炉顶(即炉盖)带有电极孔和排烟孔的球面形结构外环部分称为主炉顶，中间部分称为小炉顶。炉顶能吊起成旋转，以便装炉料。 耐火材料的生产主要包括原料的加工、配料与混练、砖坯的成型、砖坯干燥、制品烧成等几个步骤。电弧炉是电炉炼钢的核心设备，电炉设计直接影响到炼钢生产。如果设计不合理造成先天性缺陷，一旦投产就很难再做改动，所以对于电炉设计应予以重视。1.2.5电弧炉的冶炼工艺上炉出钢补炉装料熔化期氧化期还原期出钢补炉：上炉出钢毕，迅速将炉体损坏部位进行修补，以保证下一炉钢的冶炼。新炉子在炉役期的前几炉可不补炉。装料：将配好的炉料按一定规律装入料罐中，然后将料罐吊至炉前，打开炉盖，将炉料一次卸入炉内。一炉钢可视情况一次装料或多次装料。熔化期：从通电至炉料完全熔清称为熔化期。其主要任务是迅速熔化全部炉料，并及早形成一定的炉渣，起到稳定电弧、防止金属挥发与吸气，提早脱P等作用。氧化期：待炉料全部熔清后，取样分析，进入氧化期。其主要任务是最大限度地脱P、去除钢中气体（H、N）和非金属夹杂物，并升温至稍高于出钢温度。还原期：氧化期任务完成后，停电扒除氧化渣，重新造新渣，进入还原期。其主要任务是脱O、脱S，调整钢液的成分和温度。出钢：当钢液成分和温度均符合出钢要求，则打开出钢口，摇炉出钢。出钢时要做到钢渣混冲，利用钢渣在钢包中激烈运动，最大限度地脱S，并防止二次氧化、二次吸气。1.3 滚动轴承钢的概述 滚动轴承通常是用来支撑轴颈和轴上的旋转件，一般都是由内套圈、外套圈、滚动体和保持器等组成。用于制造滚动轴承的钢，称为滚动轴承钢。 滚动轴承工作时，机器旋转部分和固定部分间的载荷通过滚动体传递。在理论上，座圈与滚动体之间为点(或线)接触，承受着集中载荷，通常接触应力高达1500 5000 MPa。在轴承运转时，轴承各点承受着压缩一拉伸循环载荷，受力由零达到最大，再由最大降到零，呈周期性增减，且循环次数极大(一般达数万次/min)。滚动体在座圈中除滚动外，还有相对滑动，因而产生滚动摩擦和滑动摩擦。在某些情况下，轴承还会受到复杂的扭力或一定的冲击。 所以，滚动轴承的破坏形式主要是接触疲劳破坏(多为点蚀、剥落)和磨损。 为了轴承能正常工作，不致早期失效，滚动轴承必须具有高的硬度(69HRC以上)和高的耐磨性；具有高的抗压强度和接触疲劳强度；良好的尺寸稳定性和一定的耐蚀性。对于在特殊条件下使用的轴承，还应当具有耐热性、高的耐蚀性等。 铬轴承钢是制造滚动轴承零件，以及与滚动轴承零件工作条件相似的其他零件所使用的主要钢种，其中用量最大的为GCr15钢，其次是GCr15SiMn钢。铬轴承钢的碳质量分数为0.95%1.05%，高的含碳量使钢在淬火后具有高的强度、硬度与耐磨性。 铬能提高钢的淬透性。在碳的质量分数为1%的过共析钢中，铬能显著地改善钢中碳化物的分布和颗粒大小。铬轴承钢淬火、回火后，具有较好的耐磨性、强度、弹性极限和屈服强度。 铬轴承钢中，锰的质量分数提高到0.9%1.2%硅的质量分数提高到0.40%0.10%，具有这种成分的钢种，如GCr9SiMn和GCr15SiMn，其淬透性、回火抗力与强度均有提高，而韧度不降低1.4本课题研究的意义及内容电弧炉炼钢是靠电弧进行加热的，其温度可以高达2000以上，热效率比平炉、转炉炼钢高。由于没有可燃烧气体，根据工艺要求可在各种不同的气氛中进行加热，这能保证冶炼含磷、硫、氧低的优质钢，用各种元素来使钢合金化，也炼出各种类型的优质钢和合金钢。通过对本课题的设计，可以使学生利用所学的专业知识对电弧炉炼钢的基本工艺，电弧炉炉体传热特点，炉体的构造等加强了解和掌握，能够设计出较理想的电弧炉炉体。本课题要完成2t滚动轴承钢冶炼的配料计算、炉体尺寸、炉体传热过程计算、炉体耐火材料计算、水冷壁厚度等计算、电弧炉炉体的CAD图形绘制。42攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 电弧炉炉型尺寸设计2 电弧炉炉型尺寸设计2.1电弧炉设计要求电弧炉的整体设计是包括机械、电气、热工、冶炼、耐火材料等多个方面。随着钢质量要求不断的提高，冶炼工艺不断革新，因而也向炉子结构设计（包括耐火材料砌衬）设计提出了更高的要求7。正确设计电弧炉应保证炉子生产率高，电能、耐火材料和电极的单位消耗低，同时应满足多品种的钢冶炼时冶金反应的顺利进行。因此必须考虑如下几个方面：1) 选定大功率变压器；2) 提高热效率和电效率，即减少热损失和电损失；3) 采用高质量耐火材料砌筑炉衬；4) 炉子各部分的形状、尺寸和结构设计合理，钢与渣接触面适当增大，以促进熔池中冶金反应顺利进行，提高钢质量；5) 炉子熔炼室容积应能一次装入中等堆比重的全部炉料；6) 炉子倾动3045能保证全部钢液顺利流出。计算参数要求：1) 求出炉内钢液和熔渣的体积，一般常以炉容量的公称吨位来进行计算；2) 计算熔池直径和熔池深度；3) 确定熔炼室直径和熔炼室高度；4) 确定炉顶拱高和炉盖厚度；5) 决定各部分炉衬尺寸和炉壳直径；6) 决定变压器功率与电压级数和大小；7) 求出电极直径；8) 确定电极分布圆直径即三极心圆直径。电弧炉的大小以其额定容量（公称容量）来表示，所谓额定容量是指新设计的电炉熔池所能容纳的钢水量。熔池：容纳钢液和熔渣的那部分容积。熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼的钢液和熔渣，并留有余地。滚动轴承钢的冶炼特点对电弧炉的设计要求：1) 滚动轴承钢出钢温度1700，因而炉衬的荷重软化温度必须达到2000以上；2) 滚动轴承钢合金元素氧化物多为酸性，所以炉衬材料必须为碱性材料；3) 滚动轴承钢成分对耐火材料的成分要求： 滚动轴承钢碳含量在（0.95-1.05）因而耐火砖中碳含量也应在此范围以内； 耐火砖孔隙度不能过大，否则会降低合金元素的吸收率。 2.2熔池的形状电弧炉熔池的形状应利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。目前使用的一般为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如下图所示）。球冠形电炉炉底使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快炉料的熔化并及早造渣去磷。截锥形电炉炉坡便于补炉、炉坡倾角458。熔池尺寸计算：图2.1 电弧炉尺寸图熔池容积V池。根据 式(2.1) 式(2.2)式中 T出钢液量；液-钢液密度，6.87.0t/m3。 式(2.3)式中 G渣-按 氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）；渣34t/m32.2.1熔池直径和深度设计在计算熔池直径D和深度H之前，首先得确定一个合适的D/H值。在熔池容积一定的条件下，D/H越大，熔池越浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面越大，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望D/H大一些。但是D/H太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D壳太大，炉壳散热面积增加，电耗也增大，所以D/H又不能过大。若D/H太小，熔池太深，则钢液加热困难，温度分布不均匀性大。在氧化期内应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以促使金属成分和温度均匀9。当选定炉坡倾角45时，一般取D/H=5左右较合适。由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为： 式(2.4)式中 h1球冠部分高度，一般取h1=H/5；h2截锥部分高度，h2=H-h1=4/5H；D熔池液面直径，通常采取D/H=5，即D=5H；d球冠直径，因d=D-2h2=5H-8/5H=17/5H，整理得： 式(2.5)2.2.2熔炼室尺寸设计熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小需一次装入堆积密度中等的全部炉料。 熔炼室直径D熔为了防止钢液沸腾或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处）时炉渣冲刷炉壁砖，炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100 mm左右，即当选定炉坡倾角为45时： D熔=D+2100 式(2.6) 熔炼室高度H1金属炉门槛至炉顶拱基的高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高80100。从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度H1大些，因为增大熔炼室高度H1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热会相对少一些，炉盖寿命长，另外，熔炼室高度H1大，装轻薄料多。但是如果熔炼室高度H1太大：1)炉壳散热面积大电耗多；2) 电极长电阻大。金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高出80100mm。经验值： 40t电炉炉顶高h3炉顶高度h3与熔池室直径D有如下关系：（因炉顶砖而异） 式(2.8)至此，渣面至炉顶中央高度H2=H1+h3 熔炼室上缘直径D1通常熔炼室要设计成上大下小倾斜形的，即D1D熔，炉壁上部薄下部厚，这种形状的熔炼室增强了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔炼室的容积增大，可多装轻薄料。另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀10。其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H1100）的10%左右；所以： 式(2.9) 炉门尺寸的确定一般电炉设一个加料炉门和一个出钢口，其位置相隔180。确定炉门尺寸要考虑以下因素：便于顺利观察炉况，能良好地修补炉底和整个炉坡，采用加料机加料的炉子，料斗应能自由进入，能顺利取出折断的电极。炉门尺寸的经验值：炉门宽度=（0.250.3）D熔 式(2.10) 炉门高度=0.8炉门宽度 式(2.11)为了密封，门框应向内倾斜812。 出钢口和流钢槽出钢口的位置：出钢口下缘与炉门槛平齐或高出100150mm。出钢口为圆形孔洞，其直径为120150mm。流钢槽：外壳用钢板或角钢，断面为槽型，固定在炉壳上，内衬凹形预制砖（称流钢槽砖）。为了防止打开出钢口以后钢水自动流出，流钢槽应上翘，与水平面成1012的角。流钢槽长度与电炉在车间的布置方式及出钢方式相关，纵向或高架式布置同跨出钢的可以短一些，以减少钢水散热和二次氧化，一般1m以下。横向地面布置异跨出钢的应长些，一般2m以上。电弧炉容量是2吨，根据式式(2.1)到式(2.11)可求出：熔池容积 V池=449/1400 m3 熔池液面直径 D = 1500mm熔池深度 H= 300mm熔炼室高度 H1= 675mm熔池室直径 D熔= 1700mm熔炼室上边缘直径 D1=1815mm 熔炼池高度 H2 = 864mm球冠部分高度 h1 = 60mm球锥部分高度 h2 = 240mm球冠直径 d= 1020mm炉顶高度 h3 = 189mm 炉门槛 h0=100mm炉门宽度= 510mm 炉门高度= 408mm2.3电弧炉炉衬及厚度的确定 由于电弧炉内部生产环境很复杂，因而对耐火材料的使用要求相对苛刻，以适于电弧炉的生产条件，提高生产率，降低生产成本11。1）高耐火度。电弧温度在4000以上，炼钢温度常在15001750，有时甚至高达2000，因此要求耐火材料必须有高的耐火度。2）高荷重软化温度。电弧炉炼钢过程是在高温载荷条件下工作的，并且炉体要受钢水的冲刷，因此耐火材料必须有高的荷重软化温度。3）良好的热稳定性。电弧炉从出钢到装料时间内温度急剧变化，温度由原来的1600左右骤然下降到900以下，因此耐火材料必须具有良好的热稳定性。4） 抗渣性好。 在炼钢过程中，炉渣，炉气，钢液对耐火材料强烈的化学侵蚀，因此耐火材料有良好的抗渣性。5） 高耐压强度。电弧炉衬在装料时受炉料的冲击，冶炼时受钢液的静压，出钢是受钢液的冲刷，操作时又受机械振动，因此耐火材料必须有高的耐压强度。 6）低导热性。为了减少电弧的热损失，降低电能消耗，要求耐火材料的导热性要差，即导热系数要小12。2.3.1电弧炉炉墙、炉底用耐火材料设计 炉墙和炉底的工作条件同炉盖大致相当，易受到电弧的高温辐射，在极高的温度条件下工作，经常受到急冷作用。比炉盖更严重的是炉墙和炉底直接同钢水、炉渣接触，受到钢水的冲刷和炉渣的侵蚀，并且装料时还受到炉料的撞击。因此，选用优质的耐火材料就显得非常重要，尤其是与炉渣接触部位和接近电弧热点的部位要求更高，常用的耐火材料如下： 镁砂镁砂是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来打结炉底和炉坡，也可用来制作镁砖13。同时又是补炉的主要材料。镁砂是由天然的菱镁矿在1650温度下煅烧而成的。镁砂的耐火度可达到2000以上，有较好的抵抗碱性炉渣的侵蚀的能力。但其热稳定性差，导热系数大。镁砂的主要成分是氧化镁85%，也含有少量杂质。 白云石白云石也是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用作炉墙和补炉材料，也可制作成白云石砖。白云石的耐火度也在2000以上，它能抵抗碱性炉渣的侵蚀，热稳定性比镁砂好，但白云石易吸水粉化，因此应尽量缩短白云石从烧成到使用的时间14。 石英砂 石英砂是砌筑酸性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来砌炉底和炉坡，也用作酸性电弧炉的补炉材料。纯的石英砂为水晶透明体，含有少量杂质时为白色，杂质愈多就愈呈暗灰色，电弧炉用的石英砂大多为白色。 各种耐火砖粘土砖主要作为电弧炉炉墙和炉底用的耐火材料，故耐火度和荷重软化温度低，因而用作隔热砖，砌在靠近炉壳的部位。在粘土砖的里面再砌镁砖和其他碱性砖。镁铝砖由于原料缺乏，价格较贵，用的较少。硅砖用于酸性电弧炉。炉衬的组成：炉底和炉墙组成。炉壁衬砖厚度由按耐火材料热阻计算确定，计算依据的是炉壳在操作末期被加热的温度不大于200，防止炉壳变形。总的来说，增加炉壳厚度，炉壳受热及热损失可以减少，这在一定程度上正确的，但是炉壳厚度增加与热损失减少并非线性关系，当厚度达到一定值以后，再增加炉衬厚度，热损失减少不显著，反而因为厚度增加过大，而增加炉壳直径D壳，耐火材料消耗增加，所以比较经济的办法是选择优质材料，使用较薄的炉衬15。炉底的组成：绝热层保护层工作层考虑到用材经济节省，结构合理通过2.1表选出合适的耐火材料：绝热层的组成：石棉板（200-50）硅藻土粉（600-200）粘土砖（1000-600），砖缝应不大于2mm，缝隙用硅藻土粉或者粘土砖粉填充。保护层的组成：镁砖（1400-1000）工作层的组成：镁砖（1700-1400）图2.2 炉底耐火材料绝热层砌筑时砖缝不应大于2mm，缝隙用硅藻土粉或粘土砖粉填充。保温层，其作用是保证熔池的坚固性，防止漏钢砌筑方法有平砌、侧砌和立砌。工作层是容纳钢液和炉渣的部位，因此必须保证它的质量，工作层成形方法分打结、振动和砌筑16。 表2.1 耐火材料参数材料名称材料最高允许温度 t/密 度导 热 率石棉板3077010450.100.14A级硅藻土制品9005000.0395+0.00019tB级硅藻土制品9005500.0477+0.0002t耐火粘土砖13501450180020400.70.84+0.00058t轻质耐火粘土1250130080013000.290.41+0.00026t超轻耐火粘土11002703300.058+0.00017t硅砖1700190019500.93+0.0007t镁砖6001700230026002.1+0.00019t通过单层平壁公式： 式(2.12)以硅藻土粉20mm推算： 式(2.13) ，（0.0395+0.00019400）=0.1155w/(m2k)石棉板：，, 粘土砖：，工作层和保护层都是用的镁砖，所以一起计算它们的厚度镁砖：，, 所以炉底厚度保温层通常紧贴炉壳钢板处用一层石棉板，再砌筑一层粘土砖。工作层直接与钢渣接触，热负荷高，化学腐蚀严重，机械冲刷作用剧烈。砌筑方法有机制小砖砌筑，大块镁砖装配，整体打结和整体振动形成。炉墙的组成 ： 保温层工作层保温层的组成： 石棉板（200-50）粘土砖（1200-200）工作层的组成：镁砖（1700-1200）图2.3 炉墙耐火材料石棉板：，, 粘土砖：，,镁砖：，,所以炉壁厚度2.3.2炉盖用耐火材料炉盖在冶炼过程中长期处于高温状态，并且经常受到温度的剧烈变化的影响，受到化学侵蚀和机械振动作用，所以工作条件十分恶劣17。 炉盖用的耐火材料有以下几种： 硅砖硅砖由天然石英岩或石英砂加工制成。由于硅砖有很高的荷重软化温度，较高的耐火度，同时具有质量小、价格便宜等优点，因此曾是碱性电弧炉炉盖的主要材料。硅砖的热稳定性差。随着电弧炉热负荷的提高，硅砖的耐火度低也成为主要问题。硅砖炉盖使用寿命一般不超过50炉。除酸性电炉外，碱性电炉炉盖已很少使用硅砖。 高铝砖 高铝砖是指含三氧化二铝大于46%的硅酸铝质耐火材料，它的原料是高铝矾土矿。高铝砖与硅砖相比，具有耐火度高、热稳定性好、抗渣性好和耐压强度高等优良性能，加之我国矾土矿储备量又多，所以目前它是我国碱性电弧炉炉盖的主要材料。 碱性砖碱性砖是比较新型的炉盖用砖。现在各国使用的碱性炉盖砖就其材质而言有镁质、白云石质、镁铝质等。它们具有高的耐火度和良好的抗氧化铁渣的能力，在苛刻冶炼条件下的使用性能比高铝砖好，使用寿命长18。但变形厉害和成本高，所以还没有广泛采用，目前主要用在炉盖的易损部位（电极孔、排烟孔、中心部），其余部位还是用高铝砖。 耐火泥在砌制炉盖时用耐火泥与卤水或净水调和成耐火泥浆，其作用是填充砖缝，使砌体具有良好的紧密型，防止气体通过，避免炉渣渗透19。耐火泥有粘土质、硅质、高铝质等几类，它们的主要成分和理化指标与相应的耐火砖基本相同。 耐火混凝土耐火混凝土是一种新型耐火材料，同耐火砖相比，具有制作工艺简单、使用方便、成本低等优点，并且适于机械化制作形状复杂的制品20。电弧炉一般使用以高铝砖熟料为骨料。以磷酸或磷酸铝作为胶结剂的磷酸盐耐火混凝土。炉盖由硅砖组成：， 图2.4 炉盖内圆半径所得： 通过球壳的导热公式： 热流量 式(2.14)必须先求出r1， 式(2.15) 式(2.16) 式(2.17)通过（2-14）到（2-17）计算出： x=4.57m， 炉盖厚度： 炉盖各部分的尺寸应符合要求，砖缝不大于2mm，砖与砖高低凹凸差不大于5mm，砌筑完毕后应进行干燥。2.3.3出钢槽耐火材料设计电弧炉炼钢一般为侧出钢，出钢槽衬体多采用镁质、高铝质、蜡石质、碳质或碳化硅质等材料，可以用砖砌筑，也可以捣打或振动浇注施工21。出钢槽衬体采用小砖砌筑时，砖缝熔损严重，也易渗钢粘渣，难以清理。根据2t电弧炉的炉型相结合选用长度为300 mm高铝碳质大砖，具有良好的导热性、耐侵蚀、抗冲击和不挂渣等特点。 在国内外，电弧炉出钢槽衬体普遍采用不定形耐火材料制作，其整体性好，使用寿命长，成本也低。施工方法分为捣打、振动浇注和预制三种22。目前，后两种方法是使用较多，特别是预制成整体出钢槽，能机械化吊装，发展前景广阔。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 水冷炉壁设计3 水冷炉壁设计水冷炉壁的形式有板式、管式及喷淋式等多种，但使用较广的是管式水冷炉壁。本设计采用管式水冷炉壁。整个水冷炉壁由612个水冷构件组成。水冷炉壁材质为铜质，铜质水冷炉壁在炉壁的下面靠近渣线。水冷炉壁布置，对于偏心底出钢电炉，水冷炉壁布置必须在距渣线200300mm以上的炉壁上，占炉壁面积的80%85%23。另外，采用水冷炉壁后，炉容积扩大，增加了废钢装入量。由于电弧炉的高功率化，是炉内热负荷急剧增加，炉内热量分布不均匀加剧，从而是炉壁寿命大大降低，利用水冷挂渣炉壁来解决上述问题，对于超高功率电弧炉炉壁热量很高，故选用管式水冷挂渣炉壁，其特点如下:一定厚度的此炉壁可以抗击炉料撞击或炉料搭接打弧，以及吹氧不当造成的过热;具有很好的挂渣能力;采用分离式炉壳，易于拆卸和更换。炼钢电弧炉炉龄的高低直接影响到钢的产量、质量、品种、村料消耗及成本等。要得到足够长的炉龄，就要设法使炉壁耐久化，炉壁耐久化的热工条件是热流平衡。此时相当于炉壁内表面温度不再升高，炉壁损耗在客观上处于停顿状态，其炉壁寿命理论上可以达到无限长。那么为了提高炉壁寿命，我们总可以设法让受热负荷接近于散热负荷，以实现炉壁的耐久化。我们知道电弧炉炉璧所受到的热负荷主要取决于电弧功率、电弧电压、电弧距炉壁的距离以及电弧被炉料、炉渣的遮蔽程度24。所以电弧炉炉壁受到的热负荷，对于不同大小的电炉( 功率水平、炉壳直径不同)、不同的操作( 炉渣发泡程度不同) 及不同的冶炼阶段是不同的。 根据实际测算得到采用传统耐火村料的电弧炉炉壁的最大散热能力为。而不同功率水平的电炉精炼期炉壁受到的热负荷见表 3.1。 表3.1 热负荷标准功率水平普通功率高功率超高功率热负荷2.95.9148.4由此可见，传统耐火村料炉壁远不能满足炉壁耐久化的条件，必须采取措施提高炉壁的散热能力。为此人们想尽办法，其中采用水冷构件作为炉壁的一部分是目前乃至将来段时问较理想的办法。但目前在一些普通功率的炉上采用内铸钢管的铸铁块式和焊接水箱式等的炉壁效果不明显。前者制作复杂且散热能力不足，后者冷却损耗大。易开裂褥大。这在高功率、超高功率并增加辅助热源的炉子上问题将更为突出。3.1水冷壁的主要参数及特点 参考国内外资料和分析由国外引进的设备基础上下面我们以2吨超高功率电弧炉，从材质的选择，热流与平挂渣层的计算，到结构形式的确定，为电弧炉管式水冷炉壁的设计依据、 方法及步骤25，参数见表3.2。表3.2 水冷壁参数序号项目单位数值备注1变压器容量MVA202公称容量T303炉壳内径mm18154炉膛直径mm17005炉膛高度mm3006允许废钢堆比t/ m31.2一次装入7水冷壁内直径mm17008水冷壁外直径mm17609炉壁水冷面积M26.6310炉壁水冷块数块611冷却水温升152512平衡挂渣层厚度mm223013水冷炉壁总水量M3/h7014水冷炉壁水压M Pa0.30.35管状水冷系统与其它水冷系统相比具有的优点26：(1) 水冷强度大于高功率、超高功率电炉高热流的需求，水冷面积超过 80% (2) 结构强度高，能在恶劣条件下工作。(3) 水冷组件的工作寿命可达2000炉次，设计时考虑到水冷块不但要具有互换性，而且可在垂直方向旋转180。后继续使用，以提高使用寿命。 (4) 焊缝少，且所有焊缝都能从外部看到，没有任何内焊缝。焊缝的密合性和均一性可以容易测得，因而减少热裂。 (5) 保证大量挂渣，相邻管间距为11mm，组件背后焊有加固条，管前有挂渣钉，这样使耐火村料不但在用前容易打结，用时容易挂渣，而且渣不易脱落。 在管间形成2030mm的波形挂渣层，起到热屏的作用。由于热应力的作用， 在管子与渣层之间会形成一薄的空气层，因而更增加了绝热作用； (6) 冷却水的耗量小（与水箱型系统相比），由于挂渣条件好在温升1525时最大耗量为68；(7) 制造工艺简单，组件本身的机加工量极少 ； (8) 使用安全，由于设计系统能保证任何时间流速都均匀一致，在横截面上各点也无变化不会形成涡流也不会结垢而破坏热传导。因而，不会出现烧穿漏水的危险。由于采用厚壁管子15mm完全能够承受装重废钢时的冲撞，即使在68mm管壁被烧化时，剩下的壁厚仍能经受住内部和外部的压力，而正常工作。 (9) 维护和控制十分简便，设计的组件可实现快速安装、更换、拆卸，冶炼过程中更换一块炉壁水冷块可在15分钟内完成，每个水冷组件都进行压力、温度、流量的测定，并对最低流量60，最高温度55时报警30 。 3.2水冷组件材质选择 对于我们采取的结构形式管状水冷组件，对它的村质要求熔点高、导热系数大、耐热能好、强度大，还要有良好的焊接性能27。根据这些要求，可选YB529-70,20。锅炉用高压无缝铜管也可以用YB231-70,20无缝钢管，均为热轧钢管。 3.3水冷炉壁冷却水耗量的确定 3.3.1炉壁最大热流的选择 电弧炉的主要热源是电弧的辐射热，可视为点热源。所以认为电弧炉炉壁热点区所受到的辐射强度即为炉壁最大热流，它可H.B奥罗柯夫的三相电炉炉壁热点区热流公式计算28： 式(3.1)式中：Pa-电弧功率，变压