电弧炉热平衡测试与计算方法编制说明

《电弧炉热平衡测试与计算方法》国家标准

编制说明

一工作简况

1任务来源

根据国标委综合［2016189号文件“国家标准委关于下达《关于下达2016年第四批国家标

准制修订计划的通知》等376项国家标准制修订项FI计划的通知”的要求，由北京科技大学、

冶金工业信息标准研究院负责牵头组织协调有关单位起草《电弧炉热平衡测试与计算方法》

国家标准，项目计划编号为20161853-T-605。

2工作过程

2.1开展的阶段工作

标准计划下达后，由北京科技大学、冶金工业信息标准研究院组成了标准起草工作组,

并对标准的格式、规范重点、步骤和进度进行讨论及确认，工作组牵头组织专家走访有关生

产、设计、使用、施工、测试等单位，了解国内电炉的应用情况，同时收集国外有关技术资

料及应用情况。这些工作都为制定标准打下基础。具体工作如下：

2017年10月至12月进行资料收集工作，将与本规范有关的已发布的国家标准认真比

对"，尽可能做到不重复、不矛盾。

2017年12月底，在收集整理国内生产应用的基础上，形成标准初稿。

2018年5月，对标准初稿部分修改后，形成征求意见稿。

2.2国内外情况调研

在用电作为热源进行钢的生产，最早的尝试始于十九世纪中叶，由于这个时期电力的限

制，试验当时未能取得成功。1867年发电机的发明使得用电炼钢成为可能，然而直到1879年,

威廉・西门子使用“间接电弧”炉炼出钢水时，才算产生一台工业电炉。在五十年代初期、美国

就在实验室研究高功率电弧供电，在1964年美国召开的矿冶石油工程师协会上，由美国碳化

公司的施维博(WESchwabe)和西北钢线材公司罗宾逊］CG・Robinson)二人苜先提出超高功

率电弧炉，具有效率高、周期短等优点，得到迅速推广，成为不可缺少的电弧炉生产手段，

2015年世界电炉钢产量占到总钢铁产量的24.8%o

我国的电弧炉工业经历了几个阶段的发展，现已逐步建立起了现代化的电弧炉炼钢业和

电弧炉制造业。我国电弧炉以冶炼合金钢为主，多集中于特殊钢厂，一般容量小于50t。20

世纪60年代以前，我国只能仿造5t以下的电弧炉，电弧炉钢产量极低。70年代，我国自

主设计并制造了第一台国产全液压传动、炉盖旋开式顶装料301电弧炉，结束了仿制的历史。

80年代，我国陆续新建或改建了一批301以下的电弧炉，引进了一批高功率、超高功率电

弧炉，并先后进行了水冷炉壁、水冷电极、偏心底出钢、煤氧燃烧嘴、泡沫渣操作、直流电

弧炉等设备工艺技术的开发和工业试验工作。

自90年代起，我国的电弧炉逐步向大型化发展，进入21世纪时我国投入运行的501以上

电弧炉共有39座，其中单炉出钢品lOOt以上的电弧炉就有10座，使我国的电弧炉炼钢进入

大发展阶段。

3参编单位及工作组成员

本标准由冶金工业信息标准研究院负责组织协调，吸收国内有影响的设计、生产、施工、

科研院所、大专院校、使用单位等参加标准的起草T.作，根据工作需求确定了参加本标准起

草单位为：北京科技大学、冶金工业信息标准研究院。

二标准编制原则和主要内容

一）制定原则及目的意义

1编制原则

①应体现国家的节能减排和钢铁行业振兴规划的精神，对电弧炉的有关范围做出规定，指导

和评价这项技术应用。

②落实科学发展观，体现科技进步和加强市场引导。

③体现技术经济的精神，加强市场指导，规范市场。

④结合国内国外的实际情况，体现客观实际，制定合理的技术要求。

2编制本标准的目的和意义

（1）目的为了落实钢铁工业“十三五”发展规划，促进各类先进节能技术在电弧炉上的应

用，验证电弧炉先进技术的实施效果，从测试及监测的角度提高能源利用效率.，降低工序能

耗和污染物排放，实现钢铁工业的节能减排。

（2）意义强化电弧炉节能技术运行的实效考核，有助于电弧炉综合节能水平的提高，对钢

铁工业实现低能耗、少污染、低排放、环境友好的可持续发展，钢铁企'也降本增效，实现电

弧炉高效节能和推广应用具有十分重要的意义。

二）标准技术内容

共九章

1范围

本标准规定了电弧炉热平衡测试与计算基准、设备及电弧炉概况、电弧炉近期生产情况、测

试准备、测试步骤、测试内容、部位与方法、物料平衡计算、热平衡计算、热平衡测试报告。

本标准适用于钢铁行业30吨以上三相电弧炉热平衡测试与计算，其他行业可参照使用，但

矿热熔炼电炉除外。

2热平衡测试与计算基淮

2.1基准温度

采用环境平均温度，即电炉车间内的环境平均温度。

2.2热平衡测试范围

根据测试要求，一般只做炉子主体热平衡，但电损失应将变压器和短网的电阻损失考虑在内。

2.3热平衡测试时间

在8h内完成，至少测试3次。每次测定•个冶炼周期，即从上炉出钢完成到本炉出锅完毕

为止。

2.4物料平衡和热平衡计算单位

以1吨合格钢水为计算单位，即kg/t和kJ/to

3设备及电炉概况、电炉近期生产情况

3.1设备及电炉概况

设备及电炉概况参考附录A填写。

3.2电炉近期生产情况

被测电炉测定冶炼钢种与拟测定炉次相同的10炉平均生产数据参考附录B填写.

4测试的准备

4.1熟悉设备状况

熟悉电炉及有关设备的结构、性能、操作与运行情况，并了解生产工艺流程等。

4.2制定测试方案

根据测试要求制定测试方案，并选择能够代表电炉实际生产情况的测试部位和测试点，确保

测试人员及测试工作安全有序进行。

4.3组织测试人员

根据测试方案组织测试人员。测试工作由专业技术人员指挥，按工作需要对测试人员进行分

工，并根据情况进行必要的技术培训与安全教育。参加冽试人员应了解测定目的与要求，熟

悉负责测试的内容，熟练掌握测试技术。测试应在指定的专业人员统一指挥下进行。

4.4检修设备与准备测试仪器和工具

6.2.5氧气用量的测量

如为管道输送，应由炉前安装的流量计读取，如使用瓶氧则根据实际消耗量确定。

6.2.6重量的测量

对全部入炉料（包括钢铁料、矿石、生铁、铁水、造渣剂、还原剂、氧化剂、补炉料等）及

钢水（合格锭、铸余、汤道）、炉渣，视现场条件，可用电子秤、减磅秤等进行称量。粉尘

量用烟尘测定仪测最。进入炉渣中的炉衬量可视为炉衬被蚀量；炉衬被蚀量可采用现场经验

数据，也可由钙、镁平衡估算（此时应取散状料、钢渣及炉衬样分析钙、镁含量）。

6.2.7温度的测量

钢水温度的测量：钢水温度采用快速微型热电偶，在全熔、氧化期和出钢前进行测量；或采

用非接触钢液连续测温方法，通过炉壁，利用红外测温原理对冶炼过程钢液温度进行连续测

量。

炉渣温度的测最：用快速微型热电偶测定钢水温度，同时以定氧头测定钢水与钢渣的温度，

以其差值与快速微型热电偶测得值之和可作为钢渣温度;分别测量氧化渣与出钢前炉渣的温

度。

炉气温度的测量：炉气温度采用抽气热电偶测量，亦可采用普通热电偶插入炉内测量（但应

给予修正）。

炉尘温度的测量：出炉炉尘温度可取含尘量测定处炉气温度。

冷却水温度测量：采用水泯温度计或洒精温度计，在进出II处分别测量水的温度。

入炉固体物料温度测量：入炉固体物料温度低时可采用半导体温度计等测最，预热温度高时

用热电偶测量。

入炉铁水温度测量：采用单钳钱快速热电偶测量。

炉体表面温度及热流的测量：采用合适温度区间的表面温度计测量，或采用热流计直接测定

热流。

辐射温度的测量：开启炉盖及炉门时，炉口、炉门、炉盖内衬、电极等的辐射温度，可采用

光学高温计、辐射高温计、红外测温仪等测量。有辐射热计时，此项可不予测量。

6.2.8面积的测定

炉体表面积的测定：参考图纸用量具进行实测。

辐射面积的测定：开启炉盖及炉门时.，炉口、炉门、炉盖内衬、电极等的辐射面积，根据图

纸计算，并按实测和观察进行修正。

冷却水流量的测定：畲条件时，可安装流量测量装置进行测定，不然用容器（秒表配合）测

定各冷却部件的水流量，但应注意保持测定中的水压稳定。

辐射热的测定：采用辐射热计直接测定，没有辐射热计则按测出辐射温度后，根据辐射热公

式进行计算。

6.2.9化学分析

入炉料的化学分析：对全部入炉料应取样进行化学分析，对各类废钢取样并分析其成分，包

括测定或估算其氧化最及杂质含量。

钢水，炉渣的全分析：炉渣取全熔、氧化、出钢前渣样进行分析；其中钢水的过程碳成分，

可以通过炉气分析，通过大数据处理进行估算；终点碳的测量可以采用机器人副枪插入钢液

定氧定碳装置进行测量。

取钢样与渣样同时进行；并在出钢过程中用定氧探头测定钢水中含氧量。

炉气的分析：送电后20分钟开始取第一个炉气样，然后每间隔15分钟取一次样，炉气取样

位曾应无空气吸入。应用气体分析仪或气相色谱仪、红外、激光等方法讲行气体成分分析。

以露点仪或高温测尘仪测定炉口炉气的含水量；或采用炉气成分在线分析方法，取样探头从

电弧炉第四孔采集炉气，经降温、除水和过滤粉尘，利用气体分析仪对炉气进行在线分析。

炉尘成分分析：烟气含尘量用高温测尘仪测量，炉尘成分由含尘量测定处取样分析。取样时

间应选择在各冶炼期有代表性时机进行。

7物料平衡计算

（铁水重量、生铁重量、废钢重量、石灰重量、铁砂重量、铁矿石重量、萤石重量、白云石

重量、铁合金重品、入炉氧重量、电极消耗重品、燃料消耗重量、雾化蒸汽重最、碳粉重量

、物料含水重量、炉衬侵蚀重量、出炉钢水重量、炉渣重量、炉尘重量、雾化蒸汽重量、物

料水分生成的水蒸气重量、干炉气重量、燃料代入及生成的水汽重量）

8热平衡计算

8.1热收入项目的计算

电热量、入炉炉料物理热量、燃料燃烧热量、元素氧化放出的热量、成渣反应放出的热量、

雾化蒸汽物理热量收入热量总和进行计算上的规定。

8.2热支出项目的计算

钢水带出的物理热量、钢渣带出的物理热量、炉尘带出的物理热量、雾化蒸汽带出的物理热

量、入炉物料水分蒸发带出的热量、炉气带出的物理热量、燃料带入及生成水汽带出的热量、

物料分解反应吸收的热量、冷却水带走的物理热量、炉体表面散发的热量、辐射损失的热量、

燃料化学不完全燃烧热量、电损失热量、差值、支出热量总和进行计算上的规定。

8.3热平衡表

8.4主要经济技术指标

9热平衡测试报告

附录A、B、C

三、标准中涉及专利内容

本标准中6.2.7“温度的测量”中采用了发明专利《一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度

的测温系统及测温方法》ZL20I51095868L7的方法。经查此项专利为本实验室所有。

四、产业化情况、推广应用论证、经济效果

1产业化情况与推广应用论证

2015年，我国电炉钢产量4903万吨，占全国钢产量的6.1%。，截至2015年底，全国

符合规范条件钢铁企业共有电炉188座，生产能力为11400万t。其中，100t及以上电炉生

产能力为3510万t,占电炉炼钢总能力的30.8%：75〜99t电炉牛产能力为2940万t,占25.8%：

60〜741电炉生产能力为2450万I,占21.5%；601以下电炉生产能力为2500万3占电炉

炼钢总能力的21.9%。

虽然我国电炉炼钢有了长足的进步，取得了跨越式的发展。但电电炉的能源利用总体水

平仍具有相当大的提高潜力。

2经济效果

对于钢铁行业电炉，采用新型节能技术带来的直接经济效益主要是节省燃料•，带动技术

革新。本标准有助于量化电炉的节能效果和评定，推进电炉节能及其他相关技术的发展。

五、本标准作为国家有关技术法规和技术标准协调一致，没有冲突。

六、本标准为推荐性标准，

七、标准实施和措施

本标准应由国标委牵头，由标准技术归口单位作为技术支持单位大力开展电炉技术标准

的实施，促进该技术的合理应用，实现节能减排工作。

基于目前该技术在国内应用中出现的一系列问题，建议组织有关专家对标准进行宣传。

根据自愿原则，对相关单位人员进行分批技术培训，在正确理解该标准内容的基础上，逐步

帮助使用单位解决生产建设中遇到的技术问题，充分发挥电炉的节能和环保效益。

附：电炉热平衡测试报告

(-)主要参数测定及物料平衡计算

一、铁水成分和温度

成分CSiMnPS℃

%4.50.60.60.150.0301250

二、原材料成分

%烧碱

CaOSiO2MgOAI2O3SPCaF2FcOFc2O3H2OcZ

石

951.512.5100

灰

镁

101.5804.54100

砂

炉

8713100

衬

三、冶炼钢种和废钢成分

%cSiMnPS

钢种

BD30.14-0.220.12-0.300.40-0.65<0.045<0.055

废钢0.250.270.60.040.03

四、平均比热容

kJ/(kg•℃)kJ/kgkJ/(kg•℃)

材料

(固体)(熔化)(气，液态)

生铁0.75217.710.84

钢0.70272.140.84

炉渣209.341.25

炉气1.15

烟尘1.0020934

矿石1.05209.34

五、反应热

反应式kJ/kg

1

c+-o2=co10360

2

C+O2=CO230950

Si+O2=SiO224310

5

2P+—Ch=P2O518420

2

1

Mn+—O，=MnO6790

2

3

2Fe+—Ch=FezCh6250

2

2CaO+SiO2=2CaO・SiO22070

4CaO+P2O5=4CaO,P2O55020

六、其他相关参数测定

1、金属中66.7%[C]-CO；33.3%[C]->CO2：

2、炉气平均温度1400℃；

3、氧气成分为99%。2和l%Nz；

七、物料平衡表

收入项支出项

铁水450.0033.73钢水1103.282.69

废钢750.0()56.22炉渣130.39.77

石灰60.04.5炉气62.114.66

镁砂3.330.25烟尘35.72.68

氧枪0.220.165其他-2.750.2

炉衬0.550.041

氧气67.065.03

电极1.40.105

碳粉1.50.11

共计1334.06100.00共计1334.06100.00

<-）热平衡计算

一、热收入项

1、铁水物理热

铁水物理热=450[0.745(1107.8-25)+218+0.837(1230-1107.8)1=507135.33kJ

2、铁水中各元素氧化热与成渣热

c->co13.062x10360=135322.32

C-CO22.5x30950=199008.5

Si->SiO24.625x24310=112433.75

Mn—>MnO5.547x6790=38343.13

Fe—>FeO13.88x12(X).1=16657.388

Fe—Fe2O316.5x6250=103125

P—P2O50.7544x18420=13896.048

P2O5->4CaOP2O53.456x5020=17349.12

SiO2—>2CaOSiO29.91X2070=20513.7

共计656648.96kJ

3、电热量

3598.24X290=1043489.6KJ

热收入总计=2207273.89kJ

二、热支出项

1、钢水物理热

出钢温度二1630[℃]

钢水物理热=1103.2[0,699(1520-25)+272+0.837(1630-1520)]=1554491.54kJ

2、炉渣物理热

炉渣物理热二130.3[1.25(1630-25)+209.34]=288691.377kJ

3、烟尘物理热

35.7[1(1400-25)+209.34]=56560.938kJ

4、炉气物理热

62.11(1.15(1235-25)l=86426.065kJ

5、物料分解吸热

1.5X4072.88=6109.32kJ

6、冷却水带走的物理热

(40X4+50X4+600X2)X4.2=6552kJ

7、表面散发的热量

300.2+575.78+7333.38=8209.36KJ

8、辐射损失的热量

104129.05+6498.3+64673.35=1753()().7kJ

9、电损失热量

3XMOO。?x9.6X0.6X3610T84635KJ

总支出2327365.095KJ

三、热平衡表