冶金新技术讲座1.ppt

冶金新技术讲座,主讲人杨吉春,主要讲授内容,1.概述2.直接还原和熔融还原3.直流电弧炉4.炉外精炼5.近终形连铸6.特种冶金技术7.毛坯生产新技术近终成形8.计算机集成系统与人工智能控制9.钢铁冶金新流程概述,第一章概述,1.钢铁生产发展简史人类历史上从铁器时代开始,钢铁就是兵器及生产工具的主要材料。原因：1）铁资源丰富，约占总资源的5%。2）铁矿石中铁主要以氧化物和碳酸化合物形式存在，且较易被还原制取，生产成本低。3）铁碳合金有较优良的性能。结果：20世纪产业革命以后，世界钢产量迅速增长，钢铁企业日益扩大，优质钢和合金钢比率增大，出现空前繁荣局面。钢产量成为一个国家综合国力的标志。20世纪以来钢铁工业发展的几个阶段：一、19451970年，世界钢铁工业处于高速发展阶段，平均年增长率6.3%背景：第一次及第二次世界大战期间，战争促使钢铁生产的竞赛。,钢铁生产发展简史,二、1970年以后世界钢产量增长缓慢，停滞不前，出现19871996的十年徘徊，世界粗钢产量在7.5亿吨左右波动，这时有了“钢铁工业是夕阳工业”之说。背景：1）工业发达国家钢铁产量已达到社会所需饱和值，人均钢材消费量：日本680Kg，美国660Kg。2）两次石油危机造成能源短缺，降耗才能盈利，促使钢铁工业流程、工艺进一步革新，使传统全流程钢铁企业处于萎缩状态。3）90年代世界格局发生变化，冷战结束，出现“和平与发展”的新阶段，高新技术发展要求钢铁工业从“产量型”向“质量型”转化。4）有色金属及合金、陶瓷材料、塑料、复合材料的发展一定程度上取代了钢材。三、1996年以后，由于高新技术进入产业，引发了“第三次产业革命”、“第四次浪潮”。高新技术的基础是新材料，优质合金钢及超级合金在新材料中占相当比重。背景：各国在发展高新技术过程中，钢铁新材料占到一半以上。,中国钢铁工业的发展历程,2.中国钢铁工业的发展历程1890年中国第一家钢铁厂在汉阳创建；1949年新中国成立，当年钢铁产量只有15.8万吨，居世界第26位，不到当时世界钢铁年总产量的1.6亿吨0.1%；经过第一个五年计划,1957年钢产量就达到535.5万吨；到1978年，我国钢产量达到3178万吨，居世界第五位，占当年世界钢铁产量的4.42%。1979年以后，我国钢铁工业获得了快速发展，新建了宝钢、天津钢管等大型现代化钢铁企业。通过对老企业挖潜改造，钢产量以每年400-500万吨的速度快速增长。1989年，我国钢产量达到6159万吨，首次突破6000万大关，成为继美国、苏联、日本之后第4个产钢大国。,上世纪80年代，我国钢产量平均年增长率5.82%；90年代为6.99%；到1996年,我国钢产量已突破亿吨大关,达到10124万吨,跃居世界第一位；进入21世纪，20002004年的四年间，平均增长率就高达20.71%；2003年，我国钢铁产量突破2亿吨，成为世界上唯一年产钢超过2亿吨的国家；2004年，我国粗钢产量已达到2.72亿吨，占全球钢产量10.5亿吨25.8%。中国粗钢产量已从占世界的10%上升到了25%；2005年，我国钢、铁、材的产量突破3亿吨，只用了短短的两年时间；2007年，我国钢产量突破4.97亿吨。,中国钢铁工业的发展历程,中国钢铁工业的发展历程,突破1亿吨我们用了47年时间；翻一番到2亿吨用了七年时间；从2亿吨到3亿吨用两年时间；从3亿吨到4亿吨用一年时间钢铁生产基本满足了国民经济快速发展的需要，中国钢铁工业为振兴中华做出了重大贡献，已经成为我国经济综合实力的重要标志，成为我国为数不多的具有国际竞争力的行业。占世界五分之一的人口能生产世界31的钢是中国人民的骄傲。,我国钢铁工业现状分析,3.我国钢铁工业现状分析1）我国钢铁产品产量大幅度增长,我国钢铁工业现状分析,2）产品结构优化，板带比增加，关键钢材品种自给率提高,我国钢铁工业现状分析,3）装备水平大幅度提高，主要经济指标不断改善宝钢、鞍钢、武钢、马钢、太钢等大型企业的工艺装备水平已达到或接近世界先进水平焦化已投产机械化焦炉2108座，炼焦能力29890万吨，其中7m焦炉3座，能力占1.07%，已是世界上拥有7m以上焦炉数量最多、能力最大的国家；6m焦炉119座，占19.9%；4.3-5.5m焦炉503座，占51.8%。烧结、球团2006年我国烧结机有400余台，年产烧结矿4.5亿吨，其中300m2以上烧结机26台，180m2以上烧结机34台。炼铁2006年我国炼铁总能力46987万吨，其中1000m3以上大高炉有121座，占全国生产能力的39%；300-1000m3高炉395座，占38%；300m3以下高炉738座，占23%；3000m3以上高炉11座，太钢、马钢4000m3高炉正在建设中，曹妃甸正在建5500m3高炉。,我国钢铁工业现状分析,炼钢2006年炼钢能力超过5亿吨，拥有120吨的转炉74座，产能15400万吨，占炼钢总能力的30.6%；50-100吨电炉33座，能力1890万吨，占3.8%。2006年重点企业钢铁料消耗1085kg/t，转炉炉衬寿命6052炉，连铸比98.6%，达到世界先进水平。轧钢到2006年底，我国共有一次材轧机997套，总生产能力49260万吨，平均单套轧机能力49.4万吨，达到国际先进水平的轧机大幅度增加。铁道用材（钢轨）及大型材各种大型轧机33套，能力2000万吨，其中60%的能力达到世界先进水平，攀钢、包钢、鞍钢、武钢4家重轨生产线，已能生产100m长尺钢轨和高速钢轨，整体装备达到世界先进水平。已建15套H型钢生产线，总能力1100万吨，其工艺装备水平已达世界先进水平，马钢、莱钢已达世界领先水平。在建4套，能力为400万吨，到2010年达2400万吨。,我国钢铁工业现状分析,棒材及钢筋轧机已有220多套，能力1.35亿吨，2006年产量1.27亿吨，其中80%已达世界先进水平，横列式的产能不足20%。在建和计划建30套，能力2700万吨，到2010年总能力达1.6亿吨。线材轧机2006年线材轧机152套，能力7560万吨，2006年产量7151万吨，其中高速线材轧机生产能力占83%，还有17%属于落后的复二重轧机。在建22套，能力1300万吨，2010年达8800万吨。中小型轧机2006年有中小型轧机40套，生产能力1100万吨，2006年产量950万吨，其中65%产能是落后的横列式轧机，是我国轧机装备最落后的品种。中厚板轧机2006年已有中厚板轧机48套，生产能力5000万吨，产量4022万吨，其中属落后的2300-2500mm轧机15套，总能力1000万吨，属国际先进水平轧机占60%以上。在建12套，能力1700万吨，2010年达6700万吨。,我国钢铁工业现状分析,热轧宽带钢轧机2006年已投产的有42套，产能1.36亿吨，2006年产量1.04亿吨，另外在建13套，其中薄板坯连铸连轧（中厚）19套，占22%，炉卷轧机6套，占2%，热连轧工艺装备均达到国际先进水平和国内先进水平，宝钢、鞍钢、武钢、太钢等连轧机达到国际领先水平。热轧宽带钢在建23套，能力8000万吨，能力到2010年将突破2亿，达到21600万吨；宽厚板在建6700万吨，窄带钢5000万吨，板带合计3.3亿吨。无缝管2006年有无缝管轧机380套，生产能力1500万吨，2006年产量1484万吨，其中达到国际先进水平机组10套（8套二辊、2套三辊）能力430万吨，有350-400万轧机属落后能力，占25-29%需淘汰。在建20套，能力700万吨，2010年达2200万吨。另外，有窄带钢轧机82套，能力5000万吨，2006年产量4100万吨。,我国钢铁工业现状分析,冷轧宽带钢轧机目前已有冷连轧机组24套，单机架可逆轧机50台，总生产能力4760万吨，在建15套，能力3300万吨，2010年达8000万吨，连轧机已达国际先进水平，4辊6辊单双机架冷轧也属国内先进水平。热镀锌生产线已有热镀锌线130条以上，生产能力2500万吨。重点企业普遍采用大型化（年产30-40万吨）、高速化（运行速度200m/min以上），达到世界先进水平，在建15套，能力1100万吨，2010年达3600万吨。电镀锌生产线国内有5条，能力135万吨，宝钢2条属国际领先水平。彩涂机组已投产120条生产线，能力1200万吨。硅钢轧机国内已投产冷轧硅钢企业四家（武钢、鞍钢、宝钢和太钢）总生产能力332万吨，其中取向28万吨，如在建投产，总能力达500万吨，取向56万吨。,我国钢铁工业现状分析,4）节能减排取得初步成效吨钢综合能耗由“九五”末的1.387tce降到“十五”末的1.042tce，年均节能率5.5%，5年累计节能量3789万吨标准煤。5）钢铁行业运行稳定，企业效益提高钢协会员单位主营业务收入由2001年的3793亿增加到2006年14587亿，年增加30.9%，钢产量增加2.66倍，收入增加3.846倍。利润由164亿增加到984亿，年均增长43.1%。6）我国钢铁工业具备较强参与国际竞争能力钢铁产品已能满足国民经济需要的95%左右，高附加值的板材、管材品种发展，已占出口钢材总量60%左右。,我国钢铁工业发展存在的主要问题,钢铁产业布局分散，布局不合理，产业集中度低，阻碍参与国际竞争力的提高。铁矿资源对国外依存度增大，进口矿石近几年大幅度增长，炒高矿价、海运费，降低了企业效益。研发资金投入不足，原创性技术研发能力不强。落后装备比例相对较高，节能减排难度大。生产成本增速加快，经营风险提高。,钢铁工业发展关键,4.钢铁工业发展的关键技术1）采用新流程、新技术、新装备代替传统的全流程生产方式，达到高生产率、高效率、产品优质。2）节约资源、能源，降低制造成本、投资成本及劳动成本。3）满足国民经济各部门对钢材使用性能及质量上不断提高的要求。如汽车用深冲钢板要求：钢中C+P+S+O+N+H总和不大于0.01%。4）保护环境，根治污染，保持生态平衡。5.中国需要多少钢从世界各国发展的经验来看,发达国家钢产量在达到一定规模后开始回落,之后将保持一定的需求量,即钢材需求的饱和点。如：美国1973年，1.37亿吨；日本1973年，1.19亿吨；前苏联1988年，1.63亿吨。钢材消耗量及消费强度和国内生产总值及结构间的关系,中国需要多少钢,1）基础建设阶段：钢材消耗量及消费强度随国内生产总值的增加而增加；2）加速工业化阶段：钢材消耗量及消费强度有可能不变。消费强度出现徘徊或降低，但钢材消耗量会继续增加；3）发达阶段：钢材消耗量及消费强度下降。我国处于第二阶段，且处于21世纪，不会再走过去的老路（先工业化后信息化），而是走传统产业和高新技术产业及第三产业协同发展的路子。此外，我国基础差、人口多、地区发展不平衡，钢材消耗量大的阶段会持续时间长一些。如：1955年1970年，我国国民生产总值人均89109美元，钢材消耗量3051420万吨，消费强度0.088kg/美元0.267kg/美元；1970年1995年，我国国民生产总值人均109537美元，钢材消耗量142013194万吨，消费强度0.267kg/美元0.142kg/美元；符合加速化工业阶段的一般情况,中国需要多少钢,设想：人均国民生产总值达到12000美元，国内生产总值18万亿美元，消费强度0.016kg/美元（美国标准），将需要钢材约3亿吨。钢材消耗量及消费强度和人口的关系发达国家：300-500kg/人，2002年我国：141kg/人；地区发展不平衡，发达程度不一样，东南沿海已经或正在进入中等发达程度，这一区域人口约4.5亿，粗略计算：4.53501.57亿吨10.51801.89亿吨合计：3.46亿吨钢材消耗量及消费强度和制造业的关系我国是机电产品出口大国，钢材消耗量会有所增加。综合以上因素，我国钢产量还会有较大的发展空间，约3-3.5亿吨。,2006年美国GDP13.1万亿美元日本GDP4.4万亿美元德国GDP2.8万亿美元中国GDP2.64万亿美元,钢铁工业供大于求的趋势,2010年，钢铁工业综合产能*6.65亿吨/年2010年，我国粗钢需求量，4.955.54亿吨/年过剩1.11.7亿吨/年*按已投产和2007年在建能力测算2006年，轧钢设备总设计产能6.098亿吨/年2007年，已有和在建产能：一次材：6.414亿吨/年二次材：1.7825亿吨/年2007年2010年在建一次材能力：1.488亿吨/年在建二次材能力：1.7825亿吨/年过剩量：约2.2亿吨/年2008年8月统计，全国钢铁投资项目总投资规模7658.5亿元投资热点：宽带钢轧机和中厚板轧机,轧机产能2007年底已有产能2008年在建产能过剩产能热轧薄板1.463亿吨/年0.8532亿吨/年约1亿吨中厚板0.453亿吨/年0.263亿吨/年40%50%,钢铁冶金前沿技术,6.钢铁冶金前沿技术1）传统炼铁流程：由焦化、烧结、高炉工序组成缺点：投资大，流程长，能耗高。尤其是炼焦煤，仅占煤总储量的10%，已告缺。且炼焦排放大量的有害气体（CO2，CO，NOX，SO2等），造成温室效应，严格的排放标准出台后，焦化工序将首先被淘汰。对策：开发用烟煤或天然气作还原剂，不用高炉，将铁矿石还原成海绵铁的直接还原炼铁法以及生产成铁水的熔融还原法。2）交流电弧炉炼钢生产率的提高为降低电耗，缩短冶炼时间，与炉外精炼匹配，超高功率电炉问世，比功率逐年提高，达到1000KVA/t以上。,钢铁冶金前沿技术,缺点：大功率交流电弧炉的电弧稳定性差，对电网冲击大，产生强烈的电压闪烁，造成噪声污染。对策：发展直流电弧炉。3）炉外精炼是提高质量、增加产量，降低成本的有效手段没有炉外精炼，超高功率电炉无法发挥优势，炼钢和连铸得不到衔接和缓冲。增加钢的炉外精炼比例是冶金工业的发展方向。4）连铸技术的发展和扩大应用引发钢铁工业又一次重大革新高效连铸及近终形连铸对现代炼钢和高速连轧起衔接作用，使产品专业化、系列化、优化及高附加值。5）等离子冶金具有潜在优势6）真空冶金是生产超级合金的重要手段目前在凝壳熔炼、悬浮熔炼、冷坩埚熔炼及真空电弧双电极重熔等方面有新的突破。,钢铁冶金前沿技术,7）电渣冶金在21世纪仍具有以下五个方面的优势a.在优质大型及中型锻件生产中，处于垄断地位；b.在优质钢工具钢、模具钢、不锈耐热钢、超高强钢、管坯及冷轧轧辊生产中占绝对优势；c.在超级合金（高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金）生产中与真空冶金处于竞争状态；d.在有色金属生产方面，发展前景广阔；e.电渣重熔空心锭和电渣熔铸异形件具有独到之处，发展前景良好。8）近终成形是金属毛坯制备的新方向它是将金属合成、精炼、凝固、成形集中与一道工序，是物性转变的最佳短流程，可有效控制污染，提高金属性能。9）人工智能及计算机集成系统在冶金的应用日益广泛21世纪在钢铁企业建立CIMS综合管理系统是当务之急，结合钢铁工业短流程技术的发展，实现控制智能化。,第二章直接还原和熔融还原,1.直接还原1)发展背景直接还原工业化试验始于50年代，但成功例子很少。60年代天然气大量开采，1968年美国Midrex法成功，直接还原得到迅速发展。1975年DRI海绵铁产量269万吨，1995年增至3075万吨，在冶金史上实属罕见。,直接还原将铁矿石在固态还原成海绵铁（SpongeIron)的方法。所得产品称为直接还原铁DRI(DirectReductionIron)。熔融还原（SmeltingReduction)用铁矿石和普通烟煤作原料，经流化床直接生产铁水，使渣铁分离的方法。,直接还原和熔融还原,发展的客观原因世界多数国家严重缺乏焦煤，不少国家有优质铁矿及天然气和烟煤资源。如委内瑞拉、印度尼西亚、墨西哥，主要发展气基竖炉；南非、印度、新西兰有丰富的烟煤和优质铁矿，以煤基回转窑为主。电炉短流程的发展，电炉钢产量日益增长，废钢用量供应紧张，需要一部分DRI铁来补充。近年来钢铁工业受高分子材料和硅酸盐材料的竞争，总产量始终未有突破。但以质量、性能及品种取胜的小型特钢厂发展较快，电炉钢选择原料，自然更多选择直接还原铁。世界焦煤储量锐减，环保要求提高，炼焦炉停产，迫使企业选择新的生产流程。直接还原技术上的新突破，促使其发展。,直接还原发展背景,2.煤基回转窑直接还原煤基回转窑直接还原流程见下图：,铁矿石+煤,在1100下，铁矿石呈固态,海绵铁,直接还原铁内含有一定数量的脉石，因是固态反应，不能使铁渣分离，对DRI产品脉石含量有一定限制：,煤基直接还原流程成熟的工艺是德国SL/RN法，英国的DRC法，法国的Codir法。,煤基回转窑直接还原流程图,配料仓,还原窑1100,8-10小时完成还原反应，在冷却塔冷至100以下,气基竖炉直接还原,3.气基竖炉直接还原,气基Midrex法工艺由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组成。,反应式为：,气基法的能耗低，效率高，质量好，易操作，作业温度低，产品无需再分选。,气基Midrex法工艺流程图,还原气温度900,6h完成冶炼,我国直接还原的发展,为保证炼钢用DRI的TFe90%，要求：,是否可用于直接还原的铁矿石的判断标准为：,9不宜用于DRI，仅用于高炉冶炼,此外，直接还原过程不能脱磷，故要求矿石含P0.027%。,国内本钢南芬矿、辽阳棉花堡矿、山东金岭矿、太钢尖山矿、陕西大南沟矿、安徽霍邱矿及海南铁矿均符合DRI要求。,天津大无缝引进英国Davy公司的关键技术和设备，兴建年产30万吨的两条5m80m回转窑，采用进口矿石。,HyL反应罐法,墨西哥的HyL法采用了4个反应罐串联操作，还原煤气用天然气制造,先在换热式转化炉中不充分转化。经过每一个罐反应后都进行脱水、二次转化和提温，煤气在1100的高温下进行还原。第三代的HyL法已放弃四个反应罐，改用一个，接近Midrex法。,流态化法,在流态化法还原中，煤气除用作还原剂及热载体外，还用作散料层的流化介质。流态化还原有直接使用矿粉省去造块的优点，并且由于矿石粒度小而能加速还原。,细粒矿粉易粘结，一般在600700不高的温度下操作，还原速度不大，极易促成CO的析碳反应。流态化海绵铁活性很大，极易氧化自燃，需经处理，才便于保存和运输。,回转窑炼铁操作示意图,PF法直接还原铁新工艺,2007年北京冶金设备研究设计总院研究设计的单孔罐式还原炉在河北唐山工业性试验成功,PF法直接还原铁工艺主要特点：,1、反应室与燃烧室分隔，产品金属化率高。预热段、还原段、冷却段分别采用不同材料和结构，能连续生产，比反应罐法生产率高，能耗低；而且罐体不像隧道窑中那样反复加热、冷却，寿命长。,PF法直接还原铁新工艺,2、能像回转窑和转底炉一样连续生产，但炉体不动而炉料自动下落，炉气逆流上升，设备简单可靠，有利于加热和直接还原反应进行，可方便地控制炉料还原温度和时间，利用系数高、作业率高，能源和原料消耗低；3、直接还原与反应罐法和回转窑法一样采用外配碳，还原剂和脱硫剂可适当过量，确保还原和脱硫效果，又不增加产品灰分，使得原燃料选用范围广、工艺设备简单、产品质量好，而投资少、成本低；4、反应室、燃烧室间隔排列，机构紧凑，每组反应罐都是一座独立的还原设备，若干组并列、组成各种生产能力的还原炉；5、适合作为煤基直接还原铁工艺主体设备，也易改造为气基法竖炉和其他工业炉窑。,PF法直接还原铁新工艺,PF法是一种安全可靠的竖炉直接还原工艺，而且综合了当前几种直接还原铁工艺长处，在节能、环保和工程投资、生产成本等方面有明显改进。,Energiron新一代直接还原技术,达涅利和得兴HYL技术联合体所展现的Energiron工艺代表了全球钢铁市场该领域的顶尖技术。全面控制DRI的金属化程度和高碳含量，以适应长途运输和电炉的高功率。Energiron技术有如下显著特点：该工艺对原料适应性强；DRI质量控制(高碳)（14含碳量）；电炉直接热装DRI；高效率，降低生产成本。通过HytempR气动传输技术，可直接将DRI热送至电炉进行炼钢。,熔融还原,2.熔融还原到目前为止，开发的熔融还原有36种之多。从预还原方式分有竖炉法、液化床法、热旋分离法；从终还原方式分有熔融气化炉、铁浴反应炉。其中以日本的DIOS法、澳大利亚Hismelt法、俄罗斯的PFV法及美国的AISI直接炼钢法具有独到之处。但投入工业生产的只有奥钢联与德国科尔夫公司共同开发的COREX法。南非伊斯科尔钢铁公司建起了世界第一座年产30万吨的熔态还原装置，1989年正式投产。美国、澳大利亚、意大利正在筹建年产150-200万吨的COREX厂，估计到目前有近10座COREX设备投产。COREX的优点如下：1）可用普通煤炭代替焦碳；2）可使用块矿、球团矿及烧结矿；3）投资省，比传统工艺建高炉、焦炉省30%；4）生产成本低，操作及维修人员比传统工艺低1/3；5）产生大量可供发电用的燃气；6）生铁质量优良。,COREX工艺流程图,熔融气化炉,煤与1100还原气接触，煤转为焦,铁矿石还原率达90%,铁水温度1450,COREX工艺流程,煤，氧气还原气化炉（焦碳流化床）焦碳和优质还原气，铁矿石竖炉还原海绵铁粒，煤气还原气化炉（加热熔化）铁水、炉渣建立短流程现代钢铁企业：COREX铁水预处理脱磷、硫转炉复吹二次精炼RH薄板坯连铸连轧CSP冷轧,世界最大、中国第一座COREXC3000熔融还原炼铁装置,年产铁水150万吨，能力较世界上目前仅有的四套已经投运的COREX装置即南非SALDANHA钢铁厂、韩国浦项钢铁厂、印度JINDAL钢铁厂等的COREXC2000型装置提高近1倍。,HIsmelt工艺,金属熔池作为基本的反应媒介，炉料直接注入到金属中，熔炼过程主要通过熔解碳进行。其他熔融还原炼铁的生产工艺一般都采用顶装矿石和煤炭工艺，通过渣层中的碳化物（及少量金属）进行熔炼。与渣中的碳相比，金属中的熔解碳作为还原剂的反应效率更高。,省去了烧结和炼焦工序，可直接使用铁矿粉和非焦煤，并且还可“吃”传统钢厂的废弃物，如钢渣和除尘器排出的污泥，轧钢皮、焦粉和布袋除尘、静电除尘的灰尘也“通吃”。,典型Hismelt和高炉工艺的投资和生产成本,不同工艺生产铁水的化学成分比较表,HIsmelt工艺能提高生产率，缩短炼钢周期，减少吨钢能耗；降低成品钢中的残余夹杂含量，产品质量更加稳定；有效减少造渣剂的消耗量和吨钢耐火材料的消耗量。此外，其开炉、停炉、停产等操作均非常简单易行。,高炉炼铁“十五”目标,3.高炉喷煤技术高炉扩大喷煤量，降低焦比，是炼铁发展最快的技术。目前欧洲一些高炉的平均喷煤比已达到180-200Kg/t；日本1998年五大钢铁公司平均高炉利用系数1.83t/(d)，总燃料比516Kg/t，焦比386Kg/t，喷煤比127.8Kg/t。欧洲和美国高炉喷煤比正向250Kg/t努力。1998-1999年初，宝钢高炉喷煤取得重大突破，1、3#高炉7、8月份喷煤量连续突破200Kg/t。其中1#高炉在1999年1月高炉利用系数达到2.328t/(d)，喷煤比达到233.8Kg/t，焦比270Kg/t，燃料比503.5Kg/t。我国“十五”期间，根据不同原料、燃料和装备条件，分成两个层次，力争达到的主要技术经济指标如下：焦比/Kg/t煤比/Kg/t燃料比/Kg/t一层次300200500二层次400150550利用系数/t/d炉龄/a一层次2.0-2.515二层次2.0-2.312继续推广使用高风温、高顶压、精料、富氧、低硅生铁冶炼等先进技术。,第三章直流电弧炉,1.直流电弧炉发展的必然趋势19世纪70年代，电弧炉萌芽阶段是采用直流发电机组供电；19世纪末三相交流电弧炉问世，以压倒优势发展和运行了近百年，水冷炉壁的发展使超高功率、采用长弧操作，提高生产力和电效率成为现实。交流电弧炉采用了如水冷炉盖、壁，导电横臂，偏心底出钢，氧燃烧嘴，造泡沫渣和底吹搅拌技术等新技术，但多方改进的交流超高功率电弧炉（UHPACEAF）仍有三个致命弱点：1）电弧不稳定，噪音大，闪烁效应使电网受干扰和过度的炉壁烧损；2）热效率不高，电力传输损失大；3）石墨电极消耗大，相当于电耗费用的30%。直流电弧炉基于自身的特性，能克服上述弊端，70年代大功率可控硅整流装置日趋完善，直流电弧炉重新获得发展。1980年，全世界共有10台，生产能力360万吨/a,直流电弧炉,1992年，全世界共有27台（10个国家），生产能力1170万吨/a1995年，全世界共有60台（15个国家），生产能力2700万吨/a1989年，日本建成130吨直流电弧炉，功率大于1000KVA/t，正在建设240吨的炉子，美国正在建设280吨的直流电弧炉。2.直流电弧炉设备结构特点直流电弧炉设备由5个部分组成，即炉体、电源、控制系统、短网、炉底阳极。典型的直流电弧炉如图所示。2.1直流电弧炉电源由整流用变压器、整流器、电抗器及高频滤波器四个部分组成。变压器可超载工作，其输出功率可比额定容量提高20%。2.2直流电弧炉控制系统包括以电极为控制的电压回路和以可控硅为控制的电流控制回路。,直流电弧炉设备简图,50t直流电弧炉,直流电弧炉,2.3短网结构单相直流电弧炉只有一相短网。不存在集肤效应和临近效应，在铜排、铜管、水冷电缆、电极上电损失较小。石墨电极的颤动小，也没有集肤效应，石墨电极电流密度比交流电弧炉高得多。2.4炉底阳极直流电弧炉因底电极与钢水接触，同时又作电路，它比炉床承受更大的热负荷，因此炉底阳极是直流电弧炉的关键设备。目前，使用的炉底阳极分为三类：1）导电炉底型（ABB型）瑞士ABB公司设计，常用镁质石墨砖（含C20%）。优缺点：优点是导电面积大，采用强制风冷安全可靠；不足是导电率高、导热率低的耐火材料较贵，装卸不便，维修困难。,炉底导电板风冷式底阳极图,1-可动电极2-熔渣3-钢液4-碳砖5-固定具6-冷空气入口7-出口8-扇形集电板9-绝缘层10-钢板11-铁柱,炉底阳极类型,2）金属触针型（Un-arc型）德国MAN-GHH公司开发，根据炉子容量在炉底中心区安置80-200根直径为30mm的低碳钢触针，触针连接在炉底集电板上，炉底用镁砂打结。优缺点：具有导电面积大，易于起弧，安全可靠的优点，适用于大容量的直流电弧炉。其缺点是：炉底更换时间长，劳动繁重，且引弧初期某一触针导通时，大电流流过可使触针全部熔化，严重损坏炉底。炉底结构图示3）水冷金属棒型由法国钢铁研究院开发，炉子底电极是圆形的金属水冷电极，低碳钢芯棒穿过炉底直接与钢水接触，钢芯下部装有铜质水套，可使钢芯得到充分冷却。依电流大小，一座炉子可装1-4根底阳极，顶阴极数与底阳极相同。优缺点：布置适当可有效控制弧偏吹，消除炉内热点和冷点，由于使用过程底电极上端高出炉衬，有利于冷起动时废钢与底电极良好接触。其缺点是导电面积小。炉底结构图示,金属触针型底阳极结构图,水冷金属棒式底阳极结构图,1-可动电极2-耐火材料3-炉底4-铁皮5-圆棒6-水冷式导体7-连接钢板8-连接装置,直流电弧特性,3.直流电弧的特性1）热分布：底阳极区发热占电弧热量的43%，阴极区占36%。且72%的热量集中于炉料和熔池上，而交流只有65%。2）无集肤效应和临近效应，导电截面电流分布均匀，通过的电流可增加20-30%。如图所示：,超出部分,直流电弧特性,3)可采用长弧作业,电流和电压均高于交流。在电流电压相同的条件下，直流电弧炉与交流电弧炉的功率分布，如图所示。,直流电弧炉的电弧电流所产生的电动力，使电弧下钢液沿其炉底向外侧炉壁运动，然后沿钢液表面返回电弧下。这种电动力运动方式强烈，因此，直流电弧炉钢液成分、温度比交流电弧炉钢液成分更均匀。,直流电弧特性,交流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系为:,直流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系仍是线性关系:,可以看出，由于直流稳弧性好，可使用更高的电弧电压。在直流电弧供电操作条件下，电弧电流是交流的1.22倍；电弧电压是交流的2.34倍；电弧阻抗是交流的1.9倍，所以直流电弧炉是长弧作业。,直流电弧炉的优点与不足,4.直流电弧炉的优点1）对电网的冲击-闪烁小为了使闪烁控制在允许水平，电网必须有足够大的容量，应满足以下条件：,可见，电网的短路容量应大于炉子变压器额定功率的80倍。对