年产150万吨管坯的电炉炼钢分厂工艺设计—毕业设计说明书

1、年产 150 万吨管坯的电炉炼钢分厂工艺设计 摘要 本设计主要是为了阐述当今电弧炉的发展概况以及电弧炉未来发展前景，结合本专业所 学的理论知识，设计年产 150 万吨管坯的电弧炉炼钢车间，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：原料、废钢超高功率 电弧炉LF 炉精炼VOD 炉精炼连铸。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、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，确定了以一 座 180 吨超高功率电弧炉、一台 LF 精炼炉及一台连铸机为主要生产设备。设计方案以技术 新、效益高为原则，充分体现了先进、灵活、多

2、功能的特点，具备可持续发展性。提交的内 容包括设计说明书一份（含专题和冶金专业相关外文文献译文各一篇） ，电弧炉炉型图、车 间平面布置图和剖面图各一张。 关键词： 电弧炉发展，超高功率电弧炉(UHP),EBT，LF 精炼炉，V0D 精炼炉，工艺设计 A A DesignDesign onon ElectronicElectronic ArcArc FurnaceFurnace SteelSteel PlantPlant WithWith AnAn AnnualAnnual ProductivityProductivity ofof 0.9mt0.9mt TonsTons SlabSlab Ab

3、stractAbstract ThisThis isis designeddesigned toto thisthis developmentdevelopment surveysurvey ofof currentcurrent electricelectric arcarc furnacefurnace (eaf(eaf futurefuture developmentdevelopment prospectsprospects andand combinedcombined withwith thethe professionalprofessional theoriestheories

4、 knowledge,knowledge, ElectricElectric arcarc furnacefurnace steelmakingsteelmaking workshopworkshop designeddesigned annualannual outputoutput ofof 1.81.8 millionmillion tonstons ofof billets.accordingbillets.according toto thethe domesticdomestic andand foreignforeign steelmakingsteelmaking techno

5、logytechnology developmentdevelopment trend,trend, steelsteel products,products, chosechose thethe developmentdevelopment directiondirection ofof advancedadvanced andand havehave largerlarger developmentdevelopment roomroom ofof shortshort flowflow process:process: rawraw materials,materials, scraps

6、crap andand highhigh powerpower electricelectric arcarc furnacefurnace andand furnacefurnace refiningrefining - - VODVOD furnacefurnace LFLF castingcasting andand refining.refining. ThroughThrough productsproducts outlineoutline ascertained,ascertained, eafeaf materialmaterial balancebalance andand

7、thethe thermalthermal equilibriumequilibrium calculation,calculation, eafeaf furnacefurnace typetype design,design, equipmentequipment selection,selection, workshopworkshop castingcasting processprocess designdesign andand workshopworkshop layout,layout, identifiedidentified withwith a a 200200 tons

8、tons ofof highhigh powerpower electricelectric arcarc furnace,furnace, a a LFLF finerfiner andand a a castercaster mainmain productionproduction equipment.equipment. ForFor DesignDesign schemesschemes toto technologytechnology andand newnew andand highhigh efficiencyefficiency forfor thethe principl

9、e,principle, fullyfully embodiesembodies thethe advanced,advanced, flexible,flexible, multi-functionmulti-function characteristics,characteristics, withwith sustainablesustainable development.development. TheThe contentcontent includesincludes thethe designdesign specificationsspecifications submitt

10、edsubmitted a a (including(including projectproject andand metallurgymetallurgy professionalprofessional translationtranslation relatedrelated foreignforeign documentsdocuments eacheach anan article),article), eafeaf furnacefurnace typetype figure,figure, workshopworkshop layoutlayout andand section

11、section eacheach one.one. KeyKey words:words: development,UHP-EAF，Steelmaking，LF，VOD，process desig 目 录 1 综 述.1 1 1.1 电弧炉简介.1 1.1.1 电弧炉炼钢发展概况 .1 1.1.2 电弧炉分类 .1 1.1.3 电炉炼钢的发展 .2 1.2 电弧炉炼钢的新技术.3 1.2.1 超高功率电弧炉技术 .3 1.2.2 强化供氧技术 .3 1.2.3 电弧炉智能控制技术(专家系统) .3 1.2.4 直流电弧炉技术 .3 1.2.5 热装铁水技术 .4 1.2.6 电弧炉偏心炉底出钢

12、技术 .4 1.3 电弧炉发展现状.4 1.4 我国电弧炉发展方向及预测.6 1.4.1 我国电弧炉炼钢的发展重点 .6 1.4.2 我国电弧炉炼钢的发展展望 .6 1.4.3 电炉钢产量 .6 1.4.4 废钢替代品 .7 1.4.5 装备水平和工艺特点 .7 1.4.6 节能减排技术 .7 1.5 世界电弧炉发展方向及预测.7 1.5.1 国内外电炉炼钢技术发展趋势 .7 1.5.2 欧洲的电弧炉发展计划 .8 2 电弧炉炼钢车间的设计方案.9 9 2.1 电炉车间生产能力计算 .9 2.1.1 电炉容量和台数的确定 .9 2.1.2 电炉车间生产技术指标 .9 2.2 电炉车间设计方案

13、.10 2.2.1 电炉炼钢车间设计与建设的基础材料 .10 2.2.2 电炉炼钢车间的组成 .11 2.2.3 电炉各车间的布置情况 .11 3 电弧炉炉型设计.1212 3.1 电弧炉炉型设计.12 3.1.1 电弧炉炉型 .12 3.1.2 熔池的形状和尺寸 .12 3.1.3 熔化室的尺寸 .13 3.1.4 炉衬厚度 .14 3.1.5 工作门和出钢口 .14 3.2 偏心底出钢箱的设计 .14 3.2.1 出钢箱切角 .14 3.2.2 出钢箱高度 .14 3.2.3 机械装置 .15 3.2.4 出钢口直径的确定 .15 3.3 电弧炉变压器容量和参数的确定 .15 3.3.1

14、确定变压器的容量 .15 3.3.2 电压级数 .16 3.3.3 电极直径的确定 .16 3.3.4 电极心圆的尺寸 .16 3.4 水冷挂渣炉壁设计 .17 3.4.1 水冷挂渣炉壁参数的选择 .17 3.4.2 炉壁水冷组件管径的选择 .19 3.4.3 水冷炉盖的设计 .19 4 电弧炉炼钢物料平衡和热平衡.2121 4. 1 熔化期的物料平衡.21 4. 2 氧化期的物料平衡.27 4. 3 热平衡计算.32 4. 4 计算热支出 Q .33 5 电弧炉炼钢车间工艺布置.3737 5.1 原料跨 .37 5.1.1 原料跨的宽度 .38 5.1.2 原料跨总长度确定 .38 5.2

15、炉子跨整体布置 .38 5.2.1 炉子跨工作平台高度 .38 5.2.2 炉子的变压器室和控制室 .39 5.2.3 电弧炉出渣和炉渣处理 .39 5.2.4 炉子跨的长度、跨度、高度 .39 5.2.5 钢包回转台的布置 .40 5.2.6 其他布置 .40 5.3 精炼跨 .40 5.3.1 整体布置 .40 5.3.2 LF 精炼炉的工艺布置 .40 5.3.3 钢包回转台的布置 .40 5.3.4 其他布置 .41 5.4 连铸跨.41 5.4.1 总体布置 .41 5.4.2 连铸机操作平台的高度、长度、宽度 .41 5.4.3 连铸机总高和本跨吊车轨面标高 .42 5.4.4 连

16、铸机总长度 .42 5.5 出坯跨.43 5.6 备注 .43 6 电弧炉炼钢车间工艺设计.4444 6.1 原材料的要求 .44 6.1.1 废钢 .44 6.1.2 铁合金 .44 6.1.3 造渣材料 .44 6.1.4 氧化剂 .45 6.1.5 脱氧剂 .45 6.1.6 增碳剂 .45 6.2 电弧炉炼钢车间的工艺特点及要求 .45 6.2.1 冶炼前的准备工作 .45 6.2.2 电弧炉冶炼工艺 .46 6.2.3 出钢条件及操作 .47 6.3 精炼工艺 .47 6.3.1 精炼工艺操作要求 .47 6.3.2 钢中夹杂物的去除 .47 6.3.3 LF 法的冶金功能 .48

17、6.3.4 真空吹氧脱碳炉（VOD 精炼炉） .48 6.4 连铸操作工艺 .48 6.4.1 钢包操作: : .48 6.4.2 中间包操作 .48 6.4.3 连铸操作 .49 7 车间主要设备的选择.5050 7.1 电弧炉主要设备选择 .50 7.1.1 校核年产量 .50 7.1.2 电极 .50 7.2 精炼炉设备选择 .51 7.3 连铸设备选型 .51 7.3.1 钢包允许的最大浇注时间 .51 7.3.2 铸坯断面 .52 7.3.3 拉坯速度 .52 7.3.4 连铸机的流数 .53 7.3.5 弧型半径 .53 7.4 连铸机的生产能力的确定 .54 7.4.1 连铸浇注

18、周期的计算 .54 7.4.2 连铸机作业率 .54 7.4.3 连铸坯收得率 .55 7.4.4 连铸机生产能力的计算 .55 7.5 中间包及其运载设备 .56 7.5.1 中间包的形状和构造 .56 7.5.2 中间包的主要工艺参数 .56 7.5.3 中间包运载装置 .57 7.6 结晶器及其振动装置 .57 7.6.1 结晶器的性能要求及其结构要求 .57 7.6.2 结晶器主要参数选择 .57 7.6.3 结晶器的振动装置 .58 7.7 二次冷却装置 .59 7.7.1 二次冷却装置的基本结构 .59 7.7.2 二次冷却水冷喷嘴的布置 .59 7.7.3 二次冷却水量的计算 .

19、59 7.8 拉矫装置及引锭装置 .59 7.8.1 拉矫装置 .59 7.8.2 引锭装置 .59 7.9 铸坯切割装置 .60 7.10 钢包的选择 .60 7.11 渣罐及渣罐车的选择 .61 7.11.1 车间所需的渣罐数量 .61 7.11.2 车间所需渣罐车数量 .61 7.13 其它辅助设备的选择 .62 8 除尘系统.6363 8.1 电弧炉烟气净化系统 .63 8.2 除尘设备 .64 9 车间人员编制及主要经济技术指标.6565 9.1 技术经济指标 .65 9.1.1 产量指标 .65 9.1.2 质量指标 .65 9.1.3 作业效率指标 .65 9.1.4 连铸生产技

20、术指标 .65 9.2 车间人员编制 .65 专题 现代电弧炉炼钢技术进展 .68 参考文献 .75 致谢 .76 1 综 述 1.1 电弧炉简介 电弧炉（electric arc furnace）利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。气 体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在 3000以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢 炉工艺灵活性大，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。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。

21、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。 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。 1.1.1 电弧炉炼钢发展概况 电弧炉炼钢起源可上溯到 1853 年

22、，法国人皮松(Pisson)用两根水平电极在熔池上方发 生电弧间接加热熔池，熔炼金属成功。1879 年西门子(KwSiemens)改用一根直立电极与 金属熔池直接产生电弧而加热熔池。1899 年，美国有人曾试用两根直立电极直接加热熔池的 方法，但使用的仍是直流电源，功率不足以熔化废钢，未能用于生产。近代电弧炉炼钢的雏 型是 1907 年美国出现的埃鲁(PLTHEroult)式电弧炉-三相交流电弧炉。由于其功率大、 工艺灵活、可用废钢为原料、产品质量高而赢得市场，随后推广到各国。 电弧炉炼钢是向炉内通过 3 个石墨电极输入交流电，电极下端与炉料之间放电产生电弧， 利用电弧的热效应，使电能在弧光中

23、转变为热能并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金 属和炉渣，使炼钢过程得以进行，冶炼出各种成分的钢。 1.1.2 电弧炉分类 1.三相电弧炉 这种电弧炉用三相交流电为电源，一般用碳素电极或石墨电极。电弧发生在电极与被熔 炼的炉料之间，炉料受电弧直接加热。电弧长度靠电极升降调节。 为提高熔炼质量，大型电弧炉在炉底装有电磁搅拌器，驱使炉内熔螎金属沿一定方向循环。 50 吨以上的电弧炉常装有炉体回转机构，炉体能左右旋转一定角度，使炉料受热均匀，金属 液出炉时炉体可以倾斜。三相电弧炉广泛用于炼钢。 2.自耗电弧炉 这种电弧炉的电极就是被熔炼钢的原料。熔炼时，随着钢原料的不断被熔化，电极不断 下降。熔化

24、的钢水滴入用水冷却的紫铜筒形坩埚内，凝结成钢锭。这种炉主要用于合金钢的 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，一般在真空 下工作，因而称为真空自耗电弧炉。 3.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。 4.电阻电弧炉 炉子结构同炼钢电弧炉相似。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，电流通过炉料时炉料电阻也产生相当大的热量。这类电弧炉主要用于矿石的 冶炼,因此又称矿热炉。 1.1.3 电炉炼钢的发展 在过去的 20 年中,我国电炉炼钢得以迅速增长，至 2000 年底已有 19 座

25、70t 超高功率电 弧炉投入运行。电炉钢的迅速增长已成了第二位的炼钢方法。在工业发达国家大部分电弧炉 钢是一般钢种，电弧炉炼钢已成为重要的常规生产技术，而不仅仅是生产特殊钢、合金钢的 特殊生产技术。这项技术之所以能迅速发展得宜于以下几个主要条件： (1) 冶炼周期缩短为 60100min。 (2) 电能充足、电价稳定，吨钢电耗不大于 375kWh。 (3) 电炉趋向大型化,超高功率化,与炉外精炼配合,冶炼工艺强化,生产率大大提高。 (4) 钢液温度和成分容易控制，品种适应性广。 在过去 20 年中，电弧炉炼钢的用氧技术取得了瞩目的发展。氧气的利用已由最初的脱 碳反应跃居为电弧炉的第二热源，部分

26、取代了相对昂贵的电源。现代电弧炉炼钢的供氧量为 2040m3/t，甚至更高。其向熔池提供的化学能占总输入能量的 30%40%。先进的电弧炉广 泛采用强化供氧和泡沫渣冶炼、废钢预热等技术，因而电弧炉的冶炼时间大大缩短，即使 100t 以上的大型电炉，全炉的冶炼时间也只有 6070min，吨钢电耗不大于 375kWh，吨钢 电极消耗不大于 1.5kg。 1.2 电弧炉炼钢的新技术 1.2.1 超高功率电弧炉技术 为提高电弧炉炼钢的生产率和降低成本,1964 年, 在美国矿冶石油工程师协会的电炉会 议上, 美国的 Schwabe 和 Robinson 共同提出了超高功率的概念。超高功率电弧炉具备如下

27、 特征: （1）具备较高的单位功率水平。 （2）高的电弧炉变压器最大功率利用率和时间利用率。 （3）较高的电效率和热效率。 （4）较低的电弧炉短网电阻和电抗, 且短网电抗平衡。 1.2.2 强化供氧技术 近代电弧炉炼钢大量使用氧气, 有的甚至达到 45m3/t, 再加上冶炼周期缩短至 4060min,故有“电炉炼钢转炉化”之说。现代电弧炉炼钢过程中，水冷超音速氧枪已广泛 地用于助熔、脱碳和炉内供氧操作中。近几年国外某公司发明了一种新氧枪即聚流氧 (Co2herentJet) 用于电炉炼钢中。聚流氧枪与超音速氧枪相比, 具有氧气射流长度长、吸 入空气少、射流发散少、衰减慢和射流冲击力大等优点。

28、1.2.3 电弧炉智能控制技术(专家系统) 电弧炉专家系统是一种新型解决工艺优化问题的方法。DanExp 系统在意大利 ABS 炼钢厂 DANARC Plus 工艺中得到了应用。专家系统可以帮助技术人员改进工艺设计和管理,为操作 者提供单炉分析、熔化曲线设计和工艺控制的完整工具。 1.2.4 直流电弧炉技术 直流炼钢电弧炉结构的特点是只有 1 根炉顶石墨电极和相应的炉底电极。直流电没有集 肤效应和邻近效应,因此在石墨电极和导电体截面中电流的分布是均匀的,从而可以减少这些 部件的尺寸和重量。全部电流都要通过炉顶中心的单电极,为此应用电流密度大的超高功率 石墨电极。大型可控直流电源和炉底电极是直流

29、炼钢电弧炉最关键的技术。 直流电弧炉有如下特点： （1）石墨电极消耗大幅度降低； （2）电压波动和闪变小，对前级电网的冲击小； （3）只需一套电极系统，可使用与三相交流电弧炉同直径的石墨电极； （4）缩短冶炼时间，可降低熔炼单位电耗 5 %10 %； （5）噪音水平可降低 1015 dB ； （6）耐火材料消耗可降低 30 %； （7）金属熔池始终存在强烈的循环搅拌。 1.2.5 热装铁水技术 铁水在 1 350 时其热焓为 1221 kJ/kg。因此每加热 1t 铁水即可带入物理热 1.22106kJ，相当于 339 kWh 的电能。从元素氧化释放热量的角度来看，氧化铁水中元素 所释放的热量

30、要比氧化废钢中元素所释放的热量多。以 1t 铁水代替 1t 废钢为例，按 1400 时元素氧化释放的热量计算，铁水氧化后多释放的化学热为 kJ，相当于 155 kWh 的电能。 因此热装 1t 铁水，可节电 339155494 kWh 。电弧炉炼钢法的基础是废钢的稳定供给， 而由高炉向电弧炉直供热装铁水不但可以缓解废钢资源紧缺的压力，同时，热装铁水带入大 量的物理显热，并有大量的 C、Si、Mn 等元素与 O 反应释放大量的化学潜热，可有效地提 高熔池温度，降低冶炼电耗，减少电极等辅助材料的消耗，缩短冶炼周期，从而提高炼钢生 产效率。电弧炉热装铁水能显著降低冶炼能耗与炼钢本身的总能耗，但铁水炼

31、钢是一个从铁 矿石到冶炼的长流程工艺，其总能耗比用废钢为原料的短流程工艺约高出一倍，因此电弧炉 热装铁水只适用于具有多余铁水的钢铁企业。 1.2.6 电弧炉偏心炉底出钢技术 为了实现无渣出钢, 1974 年德国蒂森公司的 50t 超高功率电弧炉首先采用了电弧炉炉 底出钢技术。偏心炉底出钢与传统电弧炉出钢方法相比具有如下优点： （1）炉内能保留 98% 以上的钢渣, 这些液态钢渣有利于下一步炉料的熔化和脱磷， 提 高生产率 15% 左右。 （2）出钢时，电炉倾动角度小于 15 度(传统电炉为 40 45 度) ，炉体能增加水冷炉 壁使用面积，吨钢耐火材料消耗可降低 25%；同时缩短短网长度，降低

32、阻抗 8% 左右。 （3）出钢时钢液垂直下降，呈圆柱形流入钢包,缩短了在空气中的路径，钢液的温降减 少，可降低出钢温度 25 30， 相应节约电力消耗 2025kW /h ，同时减少了钢液的二 次氧化。 （4）偏心炉底出钢提高了钢液的纯净度,，减少了夹杂物的含量, 提高了钢液脱硫效率， 并能防止钢液的回磷。 1.3 电弧炉发展现状 在国际上，电弧炉装备技术的发展大体经历了以下几个价段：20 世纪 70 年代，常规交 流超高功率电炉及其配套技术的开发应用，使电炉的生产效率大大提高，技术经济指标大大 改善；20 世纪 80 年代，直流电弧炉得到大规模工业应用；20 世纪 80 年代后期至 90 年

33、代中 期，利用高温废气对废钢和 CO 进行预热后再燃烧的技术，以及用化学能代替部分电能的各 种节能电炉技术被成功开发并应用。 我国电炉炼钢在 20 世纪 80 年代以前一直处于落后的 状态。当时，全国有 3000 多座容量为 3 吨30 吨的小电炉，功率水平普遍不大于 350kVAt。这些小电炉多采用落后的“老三段”冶炼工艺(即在电炉内完成熔化、氧化、还 原三步冶炼任务)，电炉生产效率低、产品质量差、能源消耗高、生产过程污染严重。 我国 电炉钢生产能力在 90 年代得到发展，在 90 年代中期的 2000 万吨年，提高到 2002 年的 4035 万吨/年。与此同时，电炉炼钢产品的技术经济指标

34、也明显改善，如 2003 年，舞阳钢铁 公司 90 吨电炉的技术经济指标已全面超越了当时国际上指标最先进的德国巴登钢厂。 表 1-1 近年来世界电弧炉钢产量 年份钢总产量，万吨电弧炉钢总产量，万吨电弧炉钢比例，% 19603490934569.9 197059993851914.2 1980716001575222.0 1990769242115427.5 2000841312835233.7 2001842962958835.1 2002897913043933.9 2003961243268234.0 200434812.933.2 200535817.631.8 20063874231.

35、2 表 1-2 世界主要产钢国家电弧炉钢产量所占比例 年份 200020012002200320042005 日本，% 28.827.627.126.426.425.6 美国，% 47.047.450.448.953.656.0 原苏联，% 12.512.612.213.113.416.0 德国，% 28.729.329.330.030.730.7 巴西，% 20.620.220.221.223.222.0 韩国，% 42.843.645.244.843.944.0 年份 200020012002200320042005 中国台湾，% 40.041.042.742.344.346.3 世界合计

36、，% 33.735.133.934.033.231.8 1.4 我国电弧炉发展方向及预测 1.4.1 我国电弧炉炼钢的发展重点 原料多样化及合理供电。电弧炉原料范围得到扩展，包括铁水、DRI/HBI、碳化铁等； 从交流炉向超高功率、高阻抗交流炉及直流炉发展。 能量多元化。为提高能量输入强度以缩短冶炼周期，多种形式的能力利用技术被采用， 如机械式氧碳枪、二次燃烧、炉壁氧-燃烧嘴、底吹气等。 余热利用。电弧炉炼钢技术发展的集中体现，是基于不同的解决方案，各种炉型的不断 涌现，如竖炉、Consteel 炉、双炉壳、CONARC 炉、ECOARC 炉等形式电弧炉。 绿色环保。三级除尘、综合利用电弧炉除

37、尘粉、炉渣再利用等已成为常规的环保措施。 众多电弧炉均重视全封闭冶炼，在控制烟尘放散方面也有专门措施。 1.4.2 我国电弧炉炼钢的发展展望 基于连续生产技术集成的高效节约型生产流程。生产品种的扩展，从起初的长材、扁平 材扩展到板带材；电弧炉容量及短流程生产规模不断扩大；高化学能电弧炉的发展。 以高纯铁源为基础的电弧炉炼钢洁净化生产平台。电弧炉高纯净度炼铁技术的发展受制 于铁源的供应。从实际上看，炼钢的过程是提升铁水纯度的过程，精矿纯度为 65-67%，生铁 中铁的纯度为 93-95%，粗钢中铁的纯度提高到 99%。而随着直接还原制铁技术进一步发展和 产能扩大，若能提供纯度为 99-99.9%

38、的含铁原料，将为电弧炉炼钢流程生产高性能洁净钢提 供技术发展的平台。 与清洁能源技术发展相匹配的低碳或非碳技术，清洁能源的利用的发展，与之密切相关 的电弧炉炼钢技术也将有重大的发展。如直接利用光伏发电技术的无碳或低碳炼钢工艺将可 能是一种未来的方向。 1.4.3 电炉钢产量 世界电炉钢生产发展的历史表明，电炉钢比例逐年增长的总趋势不会改变。 随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电弧炉炼钢技术和二次 精炼技术的飞速发展，电弧炉生产成本会相对下降。未来国家对能源、资源和环保标准的进 一步提高及管理的加强，促使我国电弧炉炼钢走出低谷，与工业发达国家电炉钢生产趋势相 同，预计我

39、国电炉钢比例至 2020 年可达 25%，如采用加 35%铁水的电弧炉冶炼工艺，2020 年 我国电炉钢比例会超过 30%。 1.4.4 废钢替代品 在我国废钢资源短缺的情况下，有必要适度开发直接还原铁等原料替代产品，这既可减 少对废钢的过分依赖，又可提高钢的纯净度。直接还原铁的生产技术进步很快，特别是热压 块(HBI)，为电弧炉炼钢提供了高密度、高化学能的纯净铁源。在世界范围内直接还原铁的 生产技术以气基法为主，气基法在直接还原铁产量中占 90%。然而，由于我国天然气缺乏， 优质铁矿较少，大批量优质、低成本生产直接还原铁尚需一段时间。因此，在电弧炉冶炼废 钢原料匾乏的情况下，有必要适当加大包

40、括煤基法生产直接还原铁在内的技术开发力度，促 进直接还原铁生产技术的发展。 1.4.5 装备水平和工艺特点 未来 70t 电弧炉将是我国电炉钢生产的主体冶炼设备。但是仍应清醒的看到，我国是一 个发展中国家，各类各层次钢铁产品需求不同，地区发展和资源配置又极不平衡，炼钢装备 呈现出“大、中、小结合，先进与落后并存”的多层次局面，不会在很短时间内得到彻底改 变。目前，我国电弧炉冶炼配加铁水工艺，可弥补废钢资源的不足，且缩短冶炼周期，使电 弧炉与连铸更加匹配。在我国废钢和直接还原铁资源尚未达到足够丰富的情况下，考虑到成 本压力，电弧炉配加铁水工艺将在一定时期内存在。 1.4.6 节能减排技术 节能减

41、排技术是未来我国电弧炉冶炼工艺发展的主要方向。随着我国节能环保要求的不 断提高及规范管理的不断加强，电弧炉冶炼工艺需要不断开发完善新型节能环保技术，如电 弧炉烟气的回收利用，除尘设备的技术升级等。目前我国已有企业成功回收利用电弧炉余热 产生蒸汽，并不断完善装备技术水平，回收蒸汽供给真空精炼装置，对于整个生产流程的节 能降耗起到促进作用，值得借鉴和推广。 1.5 世界电弧炉发展方向及预测 1.5.1 国内外电炉炼钢技术发展趋势 超高功率直流电弧炉具有电极消耗低、节电且对渣线耐火材料侵蚀小等特点，是世界范 围内电炉发展的总趋势。并且要充分利用超高功率电弧炉的一些强化冶炼技术，提高电炉生 产能力，逐

42、步缩小与转炉出钢周期的差距，达到电炉转炉化的水平。随着功率级别的提高和 炉子大型化，更大的电流操作运行和对电网的冲击成为超高功率电弧炉的重要限制条件。对 此，近年来出现了高阻抗电弧炉技术，其电气运行特征是高电压、长弧、低电流的操作，优 点是操作稳定、对电网冲击小、实际熔化速率高、电极消耗减少等。 尽可能地利用电炉冶炼废热和化学能，发展废钢预热及烟气二次燃烧技术。竖式电炉不 仅在生产率、能量利用、环境适用性及炉料灵活性等方面占有优势，而且实现电炉炼钢的连 续化，是目前最有发展前途的电炉。但其设备结构的复杂性以及其产生的二嗯英等问题也是 值得注意并有待解决的。 用初级能源代替电能，采用氧燃烧嘴助熔

43、技术，可以降低电耗、降低生产成本、缩短冶 炼时间，尤其是煤一氧助熔技术更有发展前途。 扩大铁源应用范围，除废钢外广泛应用 DRI、HBI、碳化铁、高炉铁水、熔融还原铁、生 铁块等灵活配比，以适应不同地区的原料供应状况。 电炉炼钢应逐步趋向连续化操作，改善劳动条件，提高设备的利用率。为了提高生产率， 必须缩短出钢的时间，增大输入功率，扩大炉容量，简化工艺。无论从提高生产率，还是从 改善质量出发，传统的熔化、氧化、还原三段式工艺已不能适应，必须配以炉外精炼，更何 况还必须与连铸机相匹配。所有电弧炉炼钢技术的现代化都环绕着这个中心在发展。 1.5.2 欧洲的电弧炉发展计划 (1) 废钢。要开发先进的

44、破碎和废钢处理技术,获得稳定的高质量炉料。 (2) 提高生产率,降低能耗,充分利用化学能和废气物理热,如:氧碳喷射、二次燃烧技 术、废钢预热技术;开发新型电弧炉技术,如新型竖炉、中心竖炉、双炉壳等。 (3) 在工艺及操作控制、检测及诊断方面,提高 IT 专家系统软件的应用水平。相对美 国和欧洲,日本制定的计划更为具体,他们甚至提出了完成的具体时间表,他们将把工作重点 放在以下 3 个方面上。 a.研究开发直流电弧炉,虽然直流电弧炉问世已有 20 年,但直流电弧炉炼钢的理论和提 高直流电弧炉的性能解释还有很多未弄清的问题,在操作工艺方面有待于进一步增加。 b.利用余热使废钢返回料预热,虽然都在开

45、发 Consteel 工艺、双罩式炉、立 式炉等的余热新方式使废钢返回料预热,但均未能获得满意的结果。研究者要考虑可操作性, 还要兼顾环境。 c.高效利用电能。要研制低压高电流型高功率变压器,实现现有电弧炉的高效率化,具体 指标为:功率因数85 % ,电弧热功率85 % ,投入电力800 kWh/ t ;要研制下一代电弧 炉,如用强电磁场控制等离子电弧方向,研制超导线圈高输出变压器,全密封、连续投料并可 进行废钢预热的电弧炉。 2 电弧炉炼钢车间的设计方案 2.1 电炉车间生产能力计算 2.1.1 电炉容量和台数的确定 炉子的容量和座数主要与车间的生产规模、冶炼周期和作业率有关。为了确定炉子的

46、容 量和座数，首先要估算每次出钢量 q(t): 由于车间年产钢 150 万吨，良坯收得率为 95%96%,冶炼周期为 50 分钟，初确定炉子容 量为 180 吨。 根据电弧炉的产量计算式： 8760qAty 式中 A车间产品方案中确定的年产量，t； t冶炼周期，h； 8760年日历时间，h； 作业率，=年作业天数/年日历天数*100%， 一般 =90%94%； y=良坯收得率，连铸一般为 95%96%。 计算得 q=172.11t。 根据每次出钢量来选择电炉容量和座数，车间布置 1 座 180 吨电弧炉。 2.1.2 电炉车间生产技术指标 (1)产量指标 年产量 150 万吨； 小时出钢量：1

47、71.2t/h (2)作业率指标 作业率： 94% (3)材料消耗指标 a 金属材料消耗 一般为废钢、返回废钢、生铁、合金料于脱氧合金。 b 炼钢辅助材料消耗 石灰、萤石以及其他造渣材料和脱氧粉剂。 c 耐火材料消耗 主要用于炉衬的各种耐火砖以及钢包的耐火材料。 d 其它原材料消耗 电极和工具材料。 e 能量消耗指标 主要为电能和各种气体以及部分化学能。 (5)连铸生产技术指标 连铸比 100% 铸坯合格率 98.5% 连铸收得率 98.5% 2.2 电炉车间设计方案 2.2.1 电炉炼钢车间设计与建设的基础材料 (1)建厂条件 1)各种原料的供应条件，特别是钢铁材料来源； 2)产品销售对象及

48、其对产品质量的要求； 3)水电资源情况，所在地区的产品加工，配件制作的协作条件； 4)交通运输条件，水路运输及地区公，铁路的现状与发展计划； 5)当地气象，地质条件，环保要求； (2)工艺制度 确定工艺制度是整个工艺设计的基本方案，是设备选择，工艺布置等一系列问题的设计 基础。 1)冶炼方法：利用超高功率电弧炉进行单渣冶炼，然后进行炉外精炼； 2)浇注方法：采用全连铸； 3)连铸坯的冷却处理与精整：铸坯在冷床上冷却并精整； 4)在技术或产量方面应留有一定的余地。 2.2.2 电炉炼钢车间的组成 (1)炼钢主厂房，包括原料跨、炉子跨、精炼跨及钢水连铸跨； (2)废钢料堆场及配料间包括废钢处理设施

49、（预热、烘烤等） ； (3)铁合金及散状材料间； (4)钢锭、坯存放场地； (5)中间渣场； (6)机电修间及快速分析室； (7)炉衬制作与各种备件修理场地； (8)耐材库、备件备品库、车间变、配电室； (9)水处理、烟气净化设施及车间管理、生活服务设施。 2.2.3 电炉各车间的布置情况 由于是一台超高功率电弧炉，且属于大炉容，考虑到物料顺行、劳动安全条件和未来发 展，采用横向高架式布置。 (1)原料跨:此跨主要是为返回废钢，耐火材料，散状料等提供场地。废钢坑可按其块度 大小分几个不同的坑；另外还有金属料库，热装铁水的供应区；合金料和散装料的烘烤区。 (2)炉子跨：此跨配以一台 180t 超

50、高功率的偏心底出钢电弧炉和一台 LF 精炼炉；一台 VOD 精炼炉；炉体彻修区，炉盖修理区，耐火材料干燥室；电炉装料配置，电炉变压器房和 精炼炉变压器房，供氧系统，粉尘处理系统；高架行车进行跨间的整体运输工作。 (3)连铸跨：此跨主要是进行钢坯的凝固工作。还设有连铸机备件，备品检修区，铸坯 精整等。 (4)出坯跨：主要是缓冷区、良锭存放区及配电室等的布置。缓冷区用来存放良锭、坯 件，其间有运输线路直接通到轧钢车间。 3 电弧炉炉型设计 3.1 电弧炉炉型设计 3.1.1 电弧炉炉型 电弧炉炉型是指炉子内部空间的形状和尺寸,不同的熔炼炉因工作条件不同,供热热源不 同而有不同的内部空间。它可分作两

51、大部分，在炉壁下缘以下的容纳钢水和熔渣的部分称作 熔池；熔池以上的空间称作熔化室。现代电弧炉炉体中部是圆筒形，炉底为弧型，炉顶为拱 形。作为发热体，电极端部的三电弧位于炉内中心部位。 炉型的主要参数是根据炉子的公称容量来计算的，确定炉型尺寸时应考虑以下因素： 选用大功率变压器； 保证高的热效率和电流效率； 采用高质量的耐火材料砌筑材料； 炉子各部分形状和尺寸设计布局合理； 炉子熔炼室容积能一次装入堆比量中等的全部炉料； 炉子倾斜 1020能保证钢液顺利流出。 3.1.2 熔池的形状和尺寸 熔池的容积应能容纳全部的钢水和约钢水量 7%8%的熔渣，并留有适当的余量。 熔池的容积 a对于炉子能容纳

52、180 吨钢液，则钢液的体积为：V=180/7.8=23.08m (式中的 钢 3 7.8kg/m 为钢液的密度)； 3 b.炉渣体积为：1800.07=12.6 吨，取炉渣的密度为 3kg/m ，V=12.6/3=4.2m ； 3 渣 3 钢液和炉渣体积的总和即溶池的容积：V= V+ V=23.08+4.2=27.28m 钢渣 3 熔池的深度和直径 钢液面直径 D 和钢液深度 H 之比 D/H 是确定炉型尺寸的基本参数。一般情 况下，比值越大则钢-渣接触面越大，利于钢水精炼。但考虑到本设计的还原期在后续工艺 精炼炉中进行，故 D/H 不应过大。同时考虑到熔池热阻的因素，即 D/H4 时，熔池

53、热阻 显著增加，不利于钢水加热，故选取 D/H=5 比较合适。 a.确定炉缸钢液面直径 D 由经验公式可得：V 池=12.1H3=0.0968D3可求出 D=6.56m 又因为 D/H=5 所以 H=D/5=6.56/5=1.312m 为了减轻炉渣对炉壁与炉坡接缝处的侵蚀，炉缸与炉壁连接面应高于炉门坎面 30-70mm。 由于炉渣深度大约为 0.05-0.07m。炉渣体积可取钢液体积的 10%15%,由此可计算渣层厚度。 故可得炉缸上缘直径（或熔化室直径）D 熔为: D 熔=D+0.1000.200 m，这里取其值为 D 熔=6.71m 图 2-1 电弧炉炉型 3.1.3 熔化室的尺寸 炉缸以

54、上至炉顶以下的空间称为熔化室。熔化室的尺寸高度及为炉壁的高度 H ，熔化室 1 的容积加上炉缸的容积应能容纳电炉所需的废钢，在合理的配料下，其中重型，中型废钢占 有大比例时可按下表 21 来确定： 表 21 电弧炉炉壁高度计算值 炉子容量，t40t 电弧炉40t 电弧炉 炉壁高度 H1，m（0.450.50）D 熔(0.400.44) D 熔 根据所设计的炉子的额定容量 180 吨，可选取 H =0.42 D 熔=2.82m。 1 炉顶拱高：h =0.12 D 熔=0.805m。 3 3.1.4 炉衬厚度 炉衬组成：炉壳石棉（100mm）绝热层工作层 炉壁衬砖厚度通常按耐火材料热阻计算确定，计

55、算依据的条件是炉壳在操作末期被加热 的温度不大于 200，以免炉壳变形。 按经验值选：炉顶砖厚度() 炉顶砖厚度() 吨位/t 40 /230300350 烟壁部位厚度 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 3.1.5 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。 炉门宽度 l=(0.20

56、-0.30)D=0.256.56=1.64m 炉门高度 b=(0.75-0.85)l=0.801.64=1.312m 3.23.2 偏心底出钢箱的设计偏心底出钢箱的设计 3.2.13.2.1 炉壳炉壳 偏心底出钢电弧炉的炉壳上部的炉身为圆形，下部带有突出的圆滑形出钢箱。偏心底出 钢电炉采用全水冷炉壁炉壳，出钢时炉子倾动仅为 15左右，可避免钢水和水冷炉壁的接触， 从而提高炉衬寿命。炉壳上沿的加固圈用钢板或型钢焊成。内通冷却水，用以增加炉壳的刚 度，防止炉壳由于受热而变形，保证炉壳与炉盖接触严密。 3.2.2 炉底 偏心炉底出钢电炉断底设计成浅盘状(即采用焊制的截头圆锥形炉壳底)，以确保无渣出

57、钢。为安全起见，底部排两层镁质耐火砖，下部有层粘土砖，与钢水接触的底部砌有白云耐 火砖，应捣上一层镁质耐火砖。 3.2.3 出钢口 偏心底出钢电弧炉出钢口位于炉壳实出部分出钢箱的底部，利用出钢口开闭机构和炉 体倾动机构，实现顺利出钢及留钢、留渣操作。出钢口类似钢包水口，所用耐火材料材质为 镁碳砖。出钢口用摆动式铰链盖板密封。为防止变形，密封处的盖板和出钢口尾转均有石墨 构成。电炉装料前，出钢口中填入一定粘度的含 Fe2O310%的 MgO-SiO2 混合填料，任其自然 充填牢固，将上部操作口盖板盖好，下部密封处盖板盖牢即可。密封盖固定在一个空心轴上， 轴内通水冷却，轴安装在电弧炉摇架下部，用液

58、压缸将轴快速转动到一定角度，即可实现出 钢口开启和关闭。 3.2.4 机械装置 为了保证不带渣出钢，应避免出钢箱部分的钢水产生漩涡，即应在炉体倾动至最大角度 结束出钢时，使炉内仍保留一部分钢水。为此应使炉体迅速回倾，回倾速度约为 3/s。 偏心炉底出钢电弧炉，向炉门可倾动 10-12，向出钢口最大倾动 15，总倾动角度为 25-27。电炉的倾动液压缸与倾动摇架结构。 3.2.5 出钢箱设计参数 1） 偏心距：偏心距即出钢口中心至炉体中心的距离。确定时，考虑到钢水成分和温度 的均匀性，偏心距不能过大；又考虑到出钢箱上人工操作方便及其与出钢车上的钢包适合对 应而不能、过小。故偏心距取为 4000m

59、m。 2）出钢口直径：出钢口直径大小应能保证在 150240 秒内出尽所有钢水。本设计取出 钢口直径为 200mm。 3）出钢箱高度：出钢箱高度大小应考虑出钢时炉体倾斜 1015时，不致钢水与出 钢箱水冷盖板相接触，并留有一定的安全距离，还要求氧化渣全部留在炉内，本设计定出钢 箱高度为 2400mm。 3.3 电弧炉变压器容量和参数的确定 3.3.1 确定变压器的容量 由熔化时间来计算变压器容量，电弧炉熔化期占冶炼周期的大部分，熔化期长短主要是 由供电功率来确定。本设计取熔化时间为 50min。 变压器的容量由以计算式来求： cosPqGtN 式中 P炉用变压器额定容量，KVA； q熔化每吨废

60、钢料及熔化相应的渣料并升温所需要的电量，KWh/t,q410 KWh/t，由于本设计采用偏心底出钢，实现留渣操作，故 可节约电量 1/4 多，故取其值为 300 KWh/t； G电炉装入量，取实际装入量 1801.15=207t； t预期的熔化时间，h； cos熔化期平均功率因数，本设计选取 0.7； 变压器有功功率的热效率 选取 0.8； N熔化期变压器功率平均利用系数，选取 1.2； 因此 P=300207/（0.8330.70.81.2）=KVA 熔化期的平均功率：P=cosP=0.777656KVA 平均 熔化期的有用功率：P=cosP=0.70.8=62125KVA。 有用平均 3.