年产100万吨合格不锈钢铸坯的电炉炼钢厂工艺设计

西安建筑科技大学西安建筑科技大学 本科毕业设计（论文）任务书本科毕业设计（论文）任务书 题 目： 年产100万吨合格不锈钢铸坯 的电炉炼钢厂工艺设计 院（系）：冶金工程学院 专 业：冶金工程 学生姓名： 学 号： 指导教师（签名）： 主管院长（主任） （签名）： 时 间：2012年 2 月 28 日 一、毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数） 1. 进行毕业实习，完成实习任务要求的实习内容； 2. 选择适宜的冶炼设备，并综述其基本特点； 3. 产品方案的确定；物料平衡及各种消耗指标的计算；热平衡及各种消耗指 标的计算；冶金工艺指标的可行性分析；编制配料计算、热平衡计算相应的说 明书； 4. 炼钢生产工艺设计及炉型设计； 5. 炼钢车间生产工艺布置； 6. 主要设备选择（型号规格、数量）； 7. 生产组织编制及各项技术经济指标的确定； 8. 绘制出三张设计图（车间工艺平面布置图；车间工艺布置剖面图；炼钢炉 型图）； 9. 完成专题研究：LF炉外精炼技术及其发展； 10. 翻译冶金工程专业有关英文12篇。 二二、毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量） 1.认真进行毕业实习，写出实习报告； 2.完成设计任务，写出毕业设计说明书； 3.绘制设计图3张； 4.翻译与本专业有关的外文译文12篇，达到要求的工作量； 5.完成专题研究，参照科技论文的格式写出研究报告。 三、毕业设计（论文）进程的安排 序号设计（论文）各阶段任务日 期备 注 1进行毕业实习, 撰写实习报告2.20-3.6 2完成外文译文及专题研究3.7-3.25 3完成物料平衡和热平衡计算3.26-4.5 4完成炉型设计和炼钢工艺设计4.6-4.23 5 完成车间生产工艺布置及主体设备选 型 4.24-4.30 6生产组织编制及技术经济指标确5.8-5.22 7绘制设计图5.23-5.31 8打印毕业设计说明书，进行毕业答辩6.1-6.13 四、主要参考资料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务） 1 钢冶教研室编. 毕业设计参考资料(钢铁冶金专业). 西安建筑科技大学 2 时彦林主编.冶炼机械.化学工业出版社,2004 3 李传薪主编.钢铁厂设计原理（下册）.冶金工业出版社，1994 4 冯聚和编.炼钢设计原理.化工出版社出版，2004 5 王令福主编.炼钢设备及车间设计.冶金工业出版社，2007 6 王成刚,王齐铭主编.金属提取冶金学.西安地图出版社,2000 7 王雅贞等编. 新编连续铸钢工艺及设备.冶金工业出版社，2003 8 金铁城等编.电炉炼钢新工艺、新技术与质量控制实用手册. 当代中国音像 出版社,2005 五、审核批准意见 教研室主任签（章） 设计总说明设计总说明 本文设计了一个年产 100 万吨合格不锈钢的电弧炉炼钢车间，通过产品大 纲的确定、电弧炉炼钢的物料平衡与热平衡计算、超高功率电弧炉的炉型设计、 连铸设备选择、车间工艺设计及车间总体布置，确定了一座 150 吨超高功率电 弧炉、一台 AOD 精练炉、一台连铸机为主要生产设备。并根据国内外炼钢技术 的发展趋势、钢铁产品的发展方向，选择了先进且有较大发展余地的短流程工 艺：废钢超高功率电弧炉AOD 炉精炼连铸。设计方案以技术新、效益高 为原则，充分体现了先进、灵活、多功能的特点，具备可持续发展性。 关键词：超高功率电弧炉，AOD 精炼炉，炼钢 Design Description In this paper, we have designed a electric arc furnace workshop which can produce 1000,000 tons of qualified stainless steel a year.Through the ascertained of the products outline, eaf material balance, thermal equilibrium calculation, ultra-high power electric arc furnaces type design ,the workshop process design and workshop layout, we finaly identified a 1000,000 tons of qualified stainless steel smelting plant with which a 150 tons of ultra-high power electric arc furnace, a chastening AOD furnace and a caster is as the main production equipment.And according to the domestic and foreign steelmaking technology trends, the development direction of the steel product,we finally selected the short flow process，scrap steel ultra-high power electric arc furnaceAOD furnace refineingcontinuous casting, which is advanced and has a bigger development room.The Design scheme based new technology and high efficienc as the principle, fully embodies the advanced, flexible, multi-function characteristic and has the characteristics of sustainable development. Key Words：ultra-high power electric arc furnace，AOD refineing furnace, Steelmaking 目录 绪论 .1 1 电弧炉炼钢车间的设计方案12.4 1.1 电炉车间生产能力计算 .4 1.1.1 电炉容量和台数的确定 .4 1.1.2 电炉车间生产技术指标 .4 1.2 电炉车间设计方案 .5 1.2.1 主要冶炼钢种及产品方案 .5 1.2.2 电炉炼钢车间设计与建设的基础材料 .5 1.2.3 电炉炼钢车间的组成 .6 1.2.4 电炉各车间的布置情况 .6 2 电弧炉炉型设计3.7 2.1 电弧炉炉型设计 .7 2.1.1 电弧炉炉型 .7 2.1.2 熔池的形状和尺寸 .7 2.1.3 熔化室的尺寸 .8 2.1.4 炉衬厚度 的确定 .9 2.1.5 炉壳及厚度 z 的确定 .9 2.1.6 工作门和出钢口 .10 2.2 偏心底出钢箱的设计 .10 2.3 电弧炉变压器功率和电参数的确定 .12 2.3.1 确定变压器的功率 .12 2.3.2 电极直径的确定 .12 2.3.3 电极心圆的尺寸 .13 2.4 水冷挂渣炉壁设计 .13 3 电弧炉炼钢物料平衡和热平衡 .16 3.1 物料平衡计算 .16 3.1.1 熔化期的物料平衡 .16 3.1.2 氧化期的物料平衡 .22 3.2 热平衡计算 .25 3.2.1 计算热收入 QS.25 3.2.2 计算热支出 QZ.26 4 电弧炉炼钢车间工艺布置 .29 4.1 原料跨 .29 4.1.1 原料跨的跨度 .30 4.1.2 原料跨总长度确定 .30 4.1.3 原料跨高度确定 .30 4.2 炉子跨整体布置 .30 4.2.1 炉子跨工作平台高度 .30 4.2.2 炉子的变压器室和控制室 .31 4.2.3 电弧炉出渣和炉渣处理 .31 4.2.4 炉子跨的长度、跨度、高度 .31 4.3 精炼跨 .31 4.3.1 整体布置 .31 4.3.2 AOD 精炼炉的工艺布置 .32 4.4 连铸跨 .32 4.4.1 总体布置 .32 4.4.2 连铸机操作平台的高度、长度、宽度 .32 4.4.3 连铸机总高和本跨吊车轨面标高 .33 4.4.4 连铸机总长度 .33 4.4.5 连铸跨跨度 .34 4.5 出坯跨 .34 4.6 备注 .34 5 电弧炉炼钢车间工艺设计 .36 5.1 废钢 .36 5.2 辅助料 .36 5.2.1 对辅助料的要求 .36 5.2.2 供应方案 .37 5.2.3 配料 .37 5.2.4 装料和补料 .38 5.2.5 电弧炉冶金工艺3.39 5.2.6 精炼工艺4.40 5.2.7 连铸操作工艺 .41 6 车间主要设备的选择 .43 6.1 电弧炉主要设备选择 .43 6.1.1 校核年产量 .43 6.1.2 电极 .43 6.2 精炼炉设备选择 .44 6.3 连铸设备选型5.45 6.3.1 钢包允许的最大浇注时间 .45 6.3.2 拉坯速度 .45 6.3.3 连铸机的流数 .46 6.3.4 弧型半径 .46 6.4 连铸机的生产能力的确定 .47 6.4.1 连铸浇注周期的计算 .47 6.4.2 连铸机作业率 .47 6.4.3 连铸坯收得率 .48 6.4.4 连铸机生产能力的计算 .48 6.5 中间包及其运载设备 .49 6.5.1 中间包的形状和构造 .49 6.5.2 中间包的主要工艺参数 .49 6.5.3 中间包运载装置 .49 6.6 结晶器及其振动装置 .49 6.6.1 结晶器的性能要求及其结构要求 .49 6.6.2 结晶器主要参数选择 .50 6.6.3 结晶器的振动装置 .50 6.7 二次冷却装置 .51 6.7.1 二次冷却装置的基本结构 .51 6.7.2 二次冷却水冷喷嘴的布置 .51 6.7.3 二次冷却水量的计算 .51 6.8 拉矫装置及引锭装置 .51 6.8.1 拉矫装置 .51 6.8.2 引锭装置 .51 6.9 铸坯切割装置 .51 6.10 盛钢桶的选择 .51 6.11 渣罐及渣罐车的选择 .53 6.11.1 车间所需的渣罐数量 .53 6.11.2 车间所需渣罐车数量 .53 6.12 起重机的选择 .53 6.13 其它辅助设备的选择 .54 7 车间人员编制及主要经济技术指标 .55 7.1 技术经济指标 .55 7.1.1 产量指标 .55 7.1.2 质量指标 .55 7.1.3 作业效率指标 .55 7.1.4 连铸生产技术指标 .55 7.2 车间人员编制 .55 参考文献 .58 致谢 .59 专题 .60 绪论 1 不锈钢基本信息不锈钢基本信息 所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在 普通碳钢上形成的氧化铁继续进行氧化，使锈蚀 不断扩大，最终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧 化的金属（例如，锌，镍和铬）进行电镀来保护 碳钢表面，但是，正如人们所知道的那样，这种 保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏，下面的 钢便开始锈蚀 铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素，当钢 中含铬量达到 12%左右时，铬与腐蚀介质中的氧 作用，在钢表面形成一层很薄的氧化膜（自钝化膜） ，可阻止钢的基体进一步 腐蚀。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种 用途对不锈钢组织和性能的要求。 不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低， 有些钢的含碳量甚至低于 0.03%(如 00Cr12)。不锈钢中的主要合金元素 是 Cr，只有当 Cr 含量达到一定值时，钢才有耐蚀性。因此，不锈钢一般 wCr 均 在 13%以上。不锈钢中还含有 Ni、Ti、Mn、N、Nb 等元素。 2 不锈钢历史不锈钢历史 毕业于英国谢菲尔德大学的著名冶金科学家亨利布雷尔利（Harry Brearley）于 20 世纪初期发明了不锈钢。 不锈钢的发明和使用，要追溯到第一次世界大战时期。英国科学家布享利布 雷尔利受英国政府军部兵工厂委托，研究武器的改进工作。那时，士兵用的步 枪枪膛极易磨损，布雷尔利想发明一种不易磨损的合金钢。布雷尔利发明的不 锈钢于 1916 年取得英国专利权并开始大量生产，至此，从垃圾堆中偶然发现 的不锈钢便风靡全球，亨利布雷尔利也被誉为“不锈钢之父” 。 3 不锈钢作用不锈钢作用 不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。不锈钢还是建筑用金属材料中 强度最高的材料之一。由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性，所以它能使结构部件 永久地保持工程设计的完整性。含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身， 易于部件的加工制造，可满足建筑师和结构设计人员的需要 4 不锈钢为什么耐腐蚀？不锈钢为什么耐腐蚀？ 所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在 普通碳钢上形成的氧化铁继续进行氧化，使锈蚀不断扩大，最终形成孔洞。可 以利用油漆 或耐氧化的金属（例如，锌，镍和铬）进行电镀来保证碳钢表面， 但是，正如人们所知道的那样，这种保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏， 下面的钢便开始锈 蚀。不锈钢的耐腐蚀性取决于铬，但是因为铬是钢的组成 部分之一，所以保护方法不尽相同。 在铬的添加量达到 11.7%以上时，钢的耐大气腐蚀性能显著增加，但铬含 量更高时，尽管仍可提 高耐腐蚀性，但不明显。原因是用铬对钢进行合金化 处理时，把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。 这种紧密粘附的富铬氧化物保护表 面，防止进一步地氧化。这种氧化层极薄， 透过它可以看到钢表面的自然光泽，使不锈钢具有独特的表面。而且，如果损 坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反应 进行自我修理，重新形成这种氧 化物钝化膜，继续起保护作用。 因此，所有的不锈钢元素都具有一种共同的特性，即铬含量均在 105%以 上。 5 未来展望未来展望 由于不锈钢已具备建筑材料所要求的许多理想性能，它在金属中可以说是 独一无二的，而其发展仍在继续。为使不锈钢在传统的应用中性能更好，一直 在改进现有 的类型，而且，为了满足高级建筑应用的严格要求，正在开发新 的不锈钢。由于生产效率不断提高，质量不断改进，不锈钢已成为建筑师们选 择的最具有成本效益的 材料之一。 不锈钢集性能、外观和使用特性于一身， 所以不锈钢仍将是世界上最佳的建筑材料之一。中国不锈钢营销网整合了不锈 钢及不锈钢供应链信息的服务平台，通过设立不锈钢行业资讯、行业观察、企 业管理、不锈钢设计、不锈钢论坛、设备材料、展会信息、不锈钢知识、人才 招聘等各种栏目，通过最新信息、资料库、数据库、分析预测、交流平台等为 会员单位和世界各国用户，提供中国不锈钢业以的信息和咨询服务；为不锈钢 业和相关 产业提供贸易信息，寻找商业机会；传播不锈钢文化和家居生活艺 术，提供不锈钢消费知识。 6 不锈钢的标识方法不锈钢的标识方法 （1）用国际化学元素符号和本国的符号来表示化学成份，用阿拉伯字母 来表示成份含量： 如：中国、俄国 12CrNi3A （2）用固定位数数字来表示钢类系列或数字；如：美国、日本、300 系、 400 系、200 系； （3）用拉丁字母和顺序组成序号，只表示用途。 7 不锈钢价格不锈钢价格 对于铁素体不锈钢来说，由于其镍含量很少甚至没有，所以价格比较低廉。 而奥氏体不锈钢由于镍含量较高，价格也相对较高。所以奥氏体不锈钢特别是 304 不锈钢的价格一般跟 LME 镍价正相关。市场上最常见的几种不锈钢按价格 高低依次 为:201202304j1304321316L309D熔，其炉墙内侧斜度，一 般为炉坡水平面至拱基高度（H1-100）的 10%左右。 所以：D1=D熔+2（H1-100）10%=6.495+2（2.644-0.1） 10%=7.004m 2.1.42.1.4 炉衬厚度炉衬厚度 的确定的确定 炉衬组成：炉壳石棉（10mm）绝热层工作层。 比较经济的做法是选择优质材料，使用较轻薄的炉衬，按经验值选，炉顶 炉衬厚度见下表: 表 2-1 炉顶炉衬厚度 吨位/t 40 /mm230300350 对 150t 电弧炉取 350mm。 炉壁部位厚度见下表： 表 2-2 炉壁部位厚度 吨位/t 40 工作层/mm 230345460 绝热层/mm 757575 炉底部位总厚度近似等于熔池深度 对 150t 电弧炉炉壁厚度取工作层 460mm，绝热层 75mm，炉底厚度 1259mm，炉壁厚度为 壁=460+75=535mm。 2.1.52.1.5 炉壳及厚度炉壳及厚度 zz 的确定的确定 炉壳要承受炉衬和炉料的重量，抵抗部分衬砖在受热膨胀时产生的膨胀力， 承受装料时的撞击力。 炉壳厚度一般为炉壳直径的 1/200，即 z=,炉壳厚度与炉壳直径的关 200 D壳 系见下表： 表 2-3 炉壳厚度与炉壳直径的关系 D壳/m 6 z/mm12151520 25 2830 因 D=6.295m，故 D壳6m，因 z与炉壳直径 D 壳的关系为，取 1 200 z=30mm，则：D壳=D熔+2壁+2z=6.495+20.535+20.03=7.625m 2.1.62.1.6 工作门和出钢口工作门和出钢口 现代电弧炉只设一个工作门，用于加料，炉前操作和观察情况。炉门应 该满足以下的要求： (1)能清楚看见炉内的炉料，炉顶中心，并便于观察炉内情况； (2)能方便的修补炉壁和炉底； (3)熔炼过程中，电极折断时能将电极从炉门取出； (4)方便喷吹炉料和氧气。 炉门尺寸的经验值： 炉门宽度 l(0.25-0.3)D熔1.624m 炉门高度 b0.8l1.300m 2.22.2 偏心底出钢箱的设计偏心底出钢箱的设计 （1）出钢箱内口与中心夹角 出钢箱内口与中心夹角 的大小直接影响箱体内钢水的流动性，从而影 响钢水的温度。在一定范围内， 越小，出钢箱内钢水流动性越差，其与炉子 中心温度差越大，一般情况下，出钢箱温度比炉子中心的温度低 5080， 如果过低会造成出钢时箱体内仍有固体冷块料和未熔渣料，出钢时会堵塞出钢 口造成事故。因此出钢箱内口和中心夹角 要确保钢水流动性好，钢水温差 小。=100时钢水在出钢箱的流动性最好。 考虑到弧形架对炉底的支撑，150t 超高功率电弧炉的 取 112。 （2）出港口到炉子中心的距离偏心度 E 出钢口位置的确定应该考虑填料方便，便于检修。如果出钢口到炉子中心 距离偏心度 E 过大，则出钢口到炉子中心的距离越远，箱内钢液的温度与 炉内的钢液的温度差越大。因此，在填料、维修方便的前提下，偏心度越小越 好。 考虑到出钢口填料方便，出钢口到炉体中心的距离为： E=D壳/2+（350400）=4213mm （3）出钢箱远离中心内测距离炉子中心的距离 L 当炉壁厚度 S 为 535mm 时有 L=E+S=4213+535+600=5348mm。 （4）出钢箱高度 出钢箱的高度为箱底炉衬厚度及箱底钢板厚度（38mm）共 1300mm，钢液高 度 838mm，安全高度 1400mm，三者之和为 3538mm。 （5）出钢口直径 出钢口为一个圆形孔洞，其直径一半为 120150mm，为缩短出钢时间，取 出钢口直径为 150mm。 80t 超高功率电弧炉各部分尺寸列于表 3-4，设定值见表 3-5。 表 2-4 150t 超高功率电弧炉各部分尺寸 项目尺寸/mm项目尺寸/mm 熔池容积 V池 24.15 m3 炉衬工作层厚度 460 熔池直径 D 6295 炉衬绝热层厚度 75 熔池深度 H 1259 炉底厚度 1259 球冠部分高度 h1 252 炉壳厚度 z 30 截锥部分高度 h2 1007 炉壳直径 D壳 7625 球冠直径 d 4281 炉门宽度 L 1624 熔炼室下缘直径 D熔 6495 炉门高度 b 1300 熔炼室高度 H1 2644 出钢口直径 150 炉顶高 h3 812 出钢箱内口与中心夹角 112 熔炼室上缘直径 D1 7004 偏心度 E 4213 表 2-5 150t 超高功率电弧炉各部分尺寸设定值 项目尺寸/mm项目尺寸/mm 熔池容积 V池 24.15 m3 炉衬工作层厚度 460 熔池直径 D 6300 炉衬绝热层厚度 75 熔池深度 H 1260 炉底厚度 1260 球冠部分高度 h1 250 炉壳厚度 z 30 截锥部分高度 h2 1010 炉壳直径 D壳 7630 球冠直径 d 4280 炉门宽度 L 1630 熔炼室下缘直径 D熔 6500 炉门高度 b 1300 熔炼室高度 H1 2650 出钢口直径 150 炉顶高 h3 820 出钢箱内口与中心夹角 112 熔炼室上缘直径 D1 7010 偏心度 E 4220 2.32.3 电弧炉变压器功率和电参数的确定电弧炉变压器功率和电参数的确定 2.3.12.3.1 确定变压器的确定变压器的功率功率 由熔化时间来计算变压器功率；熔化期长短主要是由供电功率来确定。变 压器的功率由以计算式来求： P视= 3.32 110D 壳 式中：P视变压器视在功率，KVA； D壳炉壳直径，m； 额定装入量的熔化时间，h，取 40min，即 0.683h。 则 P视=93621KVA，取变压器视在功率为 KVA，即 100MVA。 2.3.22.3.2 电极直径的确定电极直径的确定 d电极= 2 3 0.4061 k 式中：I电极上的电流强度，A； 石墨电极 500时的电阻系数，1010-4/cm； k系数，石墨电极取 2.1w/cm。 其中 I=82479A 1000P 3U 视 1000 100000 3700 最高二次电压 U=15=15=696KV700KV 3P 视 3 100000 计算 d电极=706mm700mm 由所得的电极上的电流强度 I 可得出电流密度 I/S=82479/（/47070）=22A/cm2。故选取的电极直径是合理的。 不同尺寸的电极 I/S 值见表： 表 2-6 电极 I/S 值 d电极/mm 450500550600700 I/S（A/cm 2） 19271827172617251725 2.3.32.3.3 电极心圆的尺寸电极心圆的尺寸 设计依据：若三个电极靠的很近，则电弧炉墙较远，对炉墙寿命有利，但 炉坡上炉料熔化困难，熔池加热不均匀，且炉顶中心的结构强度很难保证，此 时电极把持器上下移动也困难，当电极心圆较大时，电弧靠近炉墙，炉墙的损 耗要加剧，因此电极直径与熔池溶液面直径有关。 电极心圆直径的经验值为： =（0.250.30）Dd极 所以 d 三极心=0.3D=0.306295=1890mm 表 2-7 变压器功率及电参数 项目参数项目参数 P视 100MVA d直 700mm U7000VI/S22A/cm2 I82479A d三极心 1890mm 2.42.4 水冷挂渣炉壁设计水冷挂渣炉壁设计 由于电弧炉的高功率化，使炉内热负荷急剧增加，炉内热量分布不均匀加 剧，从而使炉壁寿命大大降低，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： 1）一定厚度的此炉壁可以抗击炉料撞击或者炉料搭接打弧，以及吹氧不 当造成的过热； 2）具有很好的挂渣能力； 3）采用分离式炉壳，易于拆卸更换。 水冷挂渣炉壁各基本参数确定的主要依据是炉子工作条件下通过炉壁所传 出的热量大小。水冷炉壁应确定几个参数：水冷壁的热流，水冷炉壁的面积， 冷却水流量，流速，冷却水通道的尺寸（冷却水管直径） ；还有计算过程中所 需要的对流换热系数，综合传热系数和最大热流等参数值. （1）电弧炉炉壁的热流：电弧炉炉壁承受的热流主要来自电弧辐射热， 其大小与电弧功率、电弧和炉壁间距等因素有关。冷热点处单位面积上电弧辐 射功率的计算式如下： =q热点 322 2 2 0.912 + 12(1-K) (1) H PK R KK =q冷点 322 2 2 0.912 + 12(1+K) (1) H PK R KK 式中 平均每相电弧功率，其值为 cos