年产100万吨连铸坯的电弧炉 炼钢车间工艺设计_第1页
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1、目录目录 1 电弧炉炼钢技术现状及发展 .1 1.1 电弧炉炼钢发展概况.1 1.2 国内外电炉炼钢技术的发展趋势.1 2 电弧炉炼钢车间的设计方案 .3 2.1 电炉车间生产能力计算.3 2.1.1 电炉容量和台数的确定 .3 2.1.2 电炉车间生产技术指标 .3 2.2 电炉车间设计方案.4 2.2.1 电炉炼钢车间设计与建设的基础材料 .4 2.2.2 产品大纲 .4 2.2.3 电炉炼钢车间的组成 .4 2.2.4 电炉车间各跨的布置情况 .5 3 电弧炉炉型设计 .6 3.1 电弧炉炉型.6 3.1.1 炉缸 .6 3.1.2 熔化室 .7 3.1.3 电极分布 .8 3.1.4

2、工作门和出钢口 .8 3.1.5 炉衬厚度 .8 3.2 电弧炉变压器容量选择.9 3.3 水冷炉壁与水冷炉盖.9 3.3.1 水冷炉盖的设计 .9 3.3.2 水冷炉盖的安装 .10 3.4 偏心底出钢的设计.11 3.4.1 EBT 电炉的炉壳.11 3.4.2 EBT 电炉的炉底.12 3.4.3 出钢口 .12 3.4.4 机械装置 .13 3.4.5 偏心底出钢箱的设计 .13 3.5 水冷挂渣炉壁的设计.14 3.5.1 电弧炉炉壁的热流 .14 3.5.2 冷却水流量 .14 3.5.3 水冷炉壁水速的确定 .15 3.5.4 管径的确定 .15 3.5.5 平衡挂渣厚度 .15

3、 3.5.6 综合传热系数 .16 3.5.7 临界热流量与最大热流量 .16 4 电弧炉炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算 .17 4.1 物料平衡计算.17 4.1.1 熔化期计算 .19 4.1.2 氧化期计算 .25 4.2 热平衡的计算.29 4.2.1 计算热收入 Qs 。.29 4.2.2 计算热支出 Qz 。.31 5 电弧炉炼钢车间工艺设计 .33 5.1 对原料的要求.33 5.1.1 废钢 .33 5.1.2 辅助料 .33 5.2 电弧炉冶炼工艺.34 5.3 精整工艺.35 5.4 连铸操作工艺.36 6 电弧炉炼钢车间工艺布置 .38 6.1 原料跨.38 6.1.1

4、 原料跨的宽度 .39 6.1.2 原料跨的烘烤间 .39 6.1.3 原料跨总长度确定 .40 6.2 炉子跨整体布置.40 6.2.1 炉子跨工作平台高度 .40 6.2.3 炉子的变压器室和控制室 .40 6.2.4 电弧炉出渣和炉渣处理 .40 6.2.5 精炼炉的工艺布置 .40 6.2.6 炉子跨的长度、跨度、高度 .40 6.3 连铸跨.41 6.3.1 总体布置 .41 6.3.2 钢包回转台的布置 .41 6.3.3 连铸机操作平台的高度、长度、宽度 .41 6.3.4 连铸机总高和本跨吊车轨面标高 .42 6.3.5 连铸机总长度 .42 6.3.6 其它布置 .43 6.

5、4 精整跨.43 6.5 备注.43 7 车间主要设备的选择和配置 .45 7.1 电弧炉主体设备选择.45 7.1.1 校核年产量 .45 7.1.2 电极 .45 7.2 精炼炉设备选择.45 7.2.1 LF 钢包炉的参数确定.45 7.2.2 LF 钢包炉的工艺确定.46 7.3 连铸设备选择.46 7.3.1 钢包允许的最大浇注时间 .46 7.3.2 铸坯断面 .47 7.3.3 拉坯速度 .47 7.3.4 连铸机的流数 .48 7.3.5 铸坯的液相深度和冶金长度 .48 7.3.6 弧型半径 .49 7.4 连铸机的生产能力的确定.49 7.4.1 连铸浇注周期的计算 .49

6、 7.4.2 连铸机作业率 .50 7.4.3 连铸坯收得率 .50 7.4.4 连铸机生产能力的计算 .51 7.4.5 最高日浇注炉数 .52 7.4.6 最高日产量 .52 7.5 中间包及其运载设备.52 7.5.1 中间包的形状和构造 .52 7.5.2 中间包的主要工艺参数 .52 7.5.3 中间包运载装置 .53 7.6 结晶器及其振动装置.53 7.6.1 结晶器的性能要求及其结构要求 .53 7.6.2 结晶器主要参数选择 .53 7.6.3 结晶器的振动装置 .55 7.7 二次冷却装置.55 7.7.1 二冷装置的基本结构 .55 7.7.2 二次冷却水冷喷嘴的布置 .

7、55 7.7.3 二次冷却水量的计算 .56 7.8 拉矫装置及引锭装置.56 7.9 铸坯切割装置.56 7.10 盛钢桶的选择.56 7.10.1 型号选择 .56 7.10.2 容纳钢水量 .57 7.10.3 盛钢桶内渣量 .57 7.10.4 盛钢桶容积 .57 7.10.5 盛钢桶壁砖衬厚度 .57 7.10.6 盛钢桶外壳 .57 7.10.7 盛钢桶的质量 .58 7.10.8 钢包需用量 .58 7.11 渣罐及渣罐车的选择.59 7.11.1 车间所需的渣罐数量 .59 7.11.2 车间所需渣罐车数量 .60 7.12 起重机和电动平车的选择.60 7.13 其它辅助设备

8、的选择.60 8 车间人员编制及主要经济技术指标 .61 8.1 技术经济指标.61 8.2 车间人员编制.62 9参考文献 .64 10 专题 .65 11 致谢 .72 1 电弧炉炼钢的现状及发展 1.1 电弧炉炼钢发展概况 近年来,电弧炉钢产量增长速率超过了钢总产量的增长速率。2000 年全世 界钢总产量为 84115.4 万 t,其中电炉钢产量为 28352 万 t,占钢总产量的 33.7%, 与 1995 年相比,钢总产量增长 13.2%,电炉钢产量增长了 16.8%。2001 年, 全世界钢总产量为 84379.7 万 t,其中电炉钢产量为 29587.9 万 t,占钢总产量 的

9、35.07%。 有些国家废钢资源丰富,电价低廉,电弧炉炼钢发展迅速。2000 年美国电 炉钢比达到 46.8%。而我国由于废钢资源短缺,电价较高,2000 年电炉钢产量 为 2020 万 t,占全国总产量的 15.9%。2001 年,我国的钢总产量为 15163 万 t,其中电炉钢产量为 2400.5 万 t,电炉钢比为 15.8%。 较早年代,我国电弧炉以冶炼合金钢为主,多集中于特殊钢厂,电弧炉容 量小。上世纪 90 年代起,我国相继建设了多座大容量超高功率电弧炉。据统 计,1990 年至 1999 年我国新建设 60150t 电弧炉 19 座,总容量为 1645t。目 前,我国投入运行的

10、50t 以上电弧炉有 39 座,其中单炉出钢量 100t 以上的电 弧炉有 10 座。 1992 年我国电弧炉平均炉容量为 4.6t/座,2000 年容量 50150t 的大电炉 36 座,而且大多数采用超高功率技术。为了提高钢的质量,电弧炉钢厂大都配 有钢包精炼装置(LF 炉)并采取全连铸生产。一些钢厂还配有 VD 真空精炼装置。 1.2 国内外电炉炼的发展趋势 炼钢新原料和短流程的发展,促进了电炉炼钢的飞速发展。21 世纪,很可 能是电炉与转炉平分秋色的时代,因此世界各国都非常重视电炉的发展,而电 炉炼钢技术发展趋势有如下几点: (1) 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

11、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,逐步缩小与转炉出钢周期的差距,达 到电炉转炉化的水平。 (2) 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,而且实现了电炉炼钢的连续化,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噁咽等问题也是值得注意并有待解决的。 (3) 用初级能源代电,采用氧燃烧嘴助熔技术,可以降低电耗、降低生产 成本、缩短冶炼时间,尤其是煤氧助熔技术更有发展前途。 (4) 扩大铁源应用范围,除

12、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。 (5) 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。 (6)环保问题是全世界永恒的话题,应注意环境保护和废气物的回收利用。 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 电炉车间产量系指一定的生产期内合格产品的产量。通常指经检验合格的 连铸坯产量。本设计题目为年产量 100 万 t/年。 电弧炉车间年产量计算式 A=24nga/t (2-1) 式中:n 全年实际有效作业日数;n365作业率(98%)=358; G 一

13、炉熔炼钢水的量; t 平均一炉的冶炼时间,取 t=55min; a 钢水铸成铸坯的收得率,取 a=98.0%。 。 考虑到电炉的过装系数 f 可取 1.21.3,故取电弧炉的公称容量 120t,且车 间有一台电弧炉可满足要求。 2.1.2 电炉车间生产技术指标 (1) 产量指标 合格钢产量 100 万吨/年; 冶炼时间 55min (2) 质量指标 铸坯合格率:方坯 99.0% (3) 作业率指标 t 8 .108 % 0 . 9835824 60/5510100 24 4 na At g 连铸机作业率:85% (4) 连铸生产技术指标 连铸比:100% 铸坯合格率:方坯 99.0% 连铸坯收

14、得率 98.0% 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,水路运输及地区公路、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:超高功率电弧炉冶炼,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

15、却并精整; 4) 在技术或产量方面应留有一定的余地。 2.2.2 产品大纲 本设计题目为年产 100 万吨连铸坯的电弧炉炼钢车间工艺设计,产品大纲 为:碳素结构钢 50 万吨,合金结构钢 50 万吨。 2.2.3 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、浇注跨和出坯跨。 2) 废钢料堆场及配料间包括废钢处理设施(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) 机电修理间及快速分析室; 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

16、.2.4 电炉车间各跨的布置情况 由于是一台超高功率电弧炉,且是全连铸,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: 此跨主要是为外来废钢、返回废钢、炼钢生铁、合金料、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,另外还有合金料和散装料的烘烤 区。 (2) 炉子跨: 此跨配有一座 120 吨超高功率偏心底出钢电弧炉,一座 140 吨 LF 精炼炉, 炉体彻修区、炉盖修理区、耐火材料干燥室,钢包烘烤区,电炉装料配置,电 炉变压器房,供氧系统,粉尘处理系统等,由高架行车进行跨间的整体运输工 作。LF 精炼炉主要是进行钢水的脱氧,脱硫脱气,合金化等操作。

17、 (3) 精炼跨: 此跨设有钢包回转台,连铸机,钢包修理备用区,中间包修理区及烘烤区, 结晶器修理区及烘烤区。因运输量大,设有两台行车进行钢包的调运工作。 (4) 浇注跨: 此跨主要进行铸坯的凝固,另外,此跨间还有铸机备件区、检修区、良坯 存放区、缓冷区等等。 (5) 出坯跨: 此跨主要包括铸坯堆放区,连铸机维修区、铸坯操作室等等。 3 电弧炉炉型设计 随着钢质量不断提高,熔炼工艺在革新,也向炉子结构提出了更高的要求。 炉型尺寸的计算既可用于设计新炉子,又可用于核算改造旧炉子。 3.1 电弧炉炉型 炉型是指炉子内部空间的形状和尺寸。现今,大型高功率电弧炉均为圆桶 形炉体和拱顶炉盖,三电极分布在

18、等边三角形顶点上。另外,自发展电炉高功 率和超高功率技术以来,新型电炉多采用水冷壁以及水冷炉顶,而当今采用水 冷壁的电弧炉炉壁均作成柱形。 3.1.1 炉缸 将炉体剖开,向炉门方向看,熔池形状见图 3-1。 图 3-1 电弧炉炉型 图 3-1 中,D钢液面直径; H钢液深度; h1球缺状钢液高度; h2锥台状钢液高度; d球缺直径; 锥台与水平的夹角。 根据计算与经验,D/H=3.55。 h1=H/5,炉底采用球形便于在熔化初期聚集一定的钢液,既可保护炉底, 又有利于吹氧助熔,加速熔化。 一般取 45,在操作过程中熔池的形状易于保持,且便于出钢后修补炉 坡(镁砂自然堆角 45),出钢时钢水与渣

19、能够倒尽。 对于一定质量的钢液,其体积为: V=GV0 (3-1) 式中:G炉子额定容量,t; V0 一定钢液的体积,m3/t,V0=0.14 m3/t。 计算得: V=16.8m3。 钢液面直径为: D=2.0CV1/3 (3-2) 式中:C=0.875+0.042D/H 所以得:D=2.0(0.875+0.0425)8.41/3=3.92m 炉渣体积可取钢液体积的 1015%,由此即可计算渣层厚度。炉门坎平面 应高于渣液面 2040mm,炉缸与炉壁连接面应高于炉门坎面 3070mm,减轻 炉渣对炉壁与炉坡接缝处的侵蚀。所以炉缸上缘直径(或即为熔化室直径)DB为: DB=D+0.10.2 (

20、3-3) 所以:DB=D+0.1=3.92+0.1=4.95m H=D/5=3.92/5=0.78m 3.1.2 熔化室 炉缸以上至炉顶拱角以下的空间称作熔化室。熔化室的高度即为炉壁的高 度,计算为:H1=0.40DB=0.404.02=1.61m。 熔化室的容积加上炉缸容积应能容纳一炉所需废钢铁料,其上部直径为: D1=DB+2H1tan (3-4) 计算得:D1=4.40.m。 3.1.3 电极分布 电弧炉是以三个电极圆心构成的圆的直径 Dp来表示电极在炉内的分布, 比值 Dp/DB决定电极在炉中的位置,同时也决定炉内热量的分布。考虑到炉壁 热负荷的均匀和电极把持器的位置,电极分布圆直径

21、Dp与 DB有如下关系: Dp/DB0.250.35 (3-5) 取值为 0.3,所以 Dp=1.206m。 电极直径取为 500mm。 3.1.4 工作门 现代电弧炉只设一个工作门,用于加料、炉前操作和观察炉况。依据经验 公式,得: 炉门宽度:l= (0.200.30)D=0.23.92=0.780m 炉门高度:b= (0.750.85) l=0.80.78=0.624m 3.1.5 炉衬厚度 炉衬厚度是按耐火材料的热阻计算的。 (1) 炉底厚度 d底 d底=1000mm。 (2) 炉壁根部厚度 d壁 炉壁根部厚度即炉缸平面处炉衬的厚度,一般取 壁400600mm。120t 炉子,d壁=60

22、0mm。 (3) 炉壁与炉盖厚度 对于超高功率电弧炉大多都采用水冷炉壁、水冷炉盖,其厚度取决于水冷 构件的形式、材质及炉内热负荷等。 3.2 电弧炉变压器容量选择 由熔化时间来计算变压器容量:熔化期长短主要是由供电功率来确定。 变压器的容量由下式计算: (3-6) 式中:P炉用变压器额定容量,kVA; q熔化每吨废钢料及熔化相应的渣料并升温所需要的电量, kWh/t,q350kWh/t; G电炉装入量,t; tm预期的熔化时间,h; cos熔化期平均功率因数,超高功率选取 0.70; 变压器有功功率的热效率,选取 0.80; N熔化期变压器功率平均利用系数,选取 1.1。 所以,计算得:P=4

23、0909.09kVA 若按电弧炉的额定容量计算其单位功率则为 40909.09/120=341kVA/t,属 于超高功率范围。 3.3 水冷炉壁与水冷炉盖 3.3.1 水冷炉盖的设计 炉盖直径的确定: Dg=Dr+2dc (3-7) 式中:Dg水冷炉盖的直径 Dr熔化室直径 dc添加系数其值为 300mm Ncost qG P m 故:Dg=4.4+20.3=5m。 图 3-2 EBT 结构图 炉盖上开五个孔,其中三个为电极孔,一个为排尘孔。后一个孔的直径为 450mm,炉盖圈的高度为 300mm,环形凸圈的高度定为 60mm,宽度也定为 60mm,炉盖上还焊有 6 根拉筋,起加固炉盖的作用。

24、 3.3.2 水冷炉盖的安装 分为炉壳内装式和框架悬挂式两种。前者炉壁、炉盖有完整的钢板炉壳, 炉壁炉盖采取内装方式;后者炉壁、炉盖无完整钢板炉壳,而是水冷的框架, 依靠悬挂在上面的水冷炉壁、水冷炉盖组成完整的炉体。为便于运输、安装、 维护以及提高寿命,将装有水冷炉壁的炉体制成上下两部分,在水冷炉壁的下 沿与炉底及渣线分开,采用法兰连接。 3.4 偏心底出钢的设计 偏心底出钢电弧炉(EBT 电炉)采用留钢留渣操作,不但做到了无渣出钢, 而且留钢操作增加了电弧炉冶炼的连续性,熔化期电弧稳定,熔池形成较快, 可以实现提前吹氧,有效地提高了氧利用率以及电弧炉热效率;偏心底出钢电 弧炉出钢钢流短,出钢

25、时间大大缩短,减小了出钢过程中的钢水温降及钢水对 钢包内衬的冲刷,出炉后合金化的进行提高了合金的回收率;偏心底出钢电弧 炉倾炉角度较出钢槽电弧炉大为减小,有条件对短网进行优化。 偏心底出钢是一种应用较为广泛的无渣出钢的最好的出钢方式。图 3-3 所 示: 图 3-3 偏心底出钢电弧炉示意图 3.4.1 EBT 电炉的炉壳 偏心底出钢电弧炉的炉壳上部仍为圆形,下部带有突出的圆弧形出钢箱。 传统的电弧炉出钢时,一般需要把炉子倾动 45,倾动大,对炉衬损耗大。采 用偏心底出钢后,出钢时炉子倾动只有 15,可以避免钢水于水冷炉壁的接触, 从而提高炉衬的寿命,偏心底出钢电弧炉采用全水冷炉壁和炉盖,一般采

26、用若 干水冷件组成,水冷件的更换方便。 3.4.2 EBT 电炉的炉底 偏心底出钢电弧炉炉底设计成浅盘状,以确保无渣出钢。为安全起见,底 部排两层镁质火砖,与钢水接触的底部有白云石耐火砖,并捣上一层镁质耐火 砖。 3.4.3 出钢口 偏心底出钢电炉的出钢口位于出钢箱的底部,利用出钢口的开闭机构和倾 动机构,实现无渣出钢、留渣操作。见图 3-4。 图 3-4 出钢口示意图 图 3-4 中:1出钢口座砖; 2出钢口消耗袖砖; 3填充物; 4尾砖; 5隔离环; 6水冷环; 7底盖系统。 3.4.4 机械装置 一般偏心底出钢电弧炉,向炉门倾动 1012,向出钢口最大倾动 15。偏 心低出钢电弧炉的倾动

27、液压缸行程较传统电弧炉小,为保证不带渣出钢,以避 免出钢箱部分产生漩涡,即炉体倾动最大至结束出钢时,使炉内留一部分钢水, 为此应使炉体迅速回倾,一般为 3/S。 3.4.5 偏心底出钢箱的设计 EBT 电炉的特征是设置了一个偏心区,如图所示该偏心区相对构成一个小 熔池,并通过圆滑过渡与电炉主熔池相连,炉体回到正常位置是将部分钢水和 全部的炉渣留在炉内,出钢口垂直设置在偏心区的底部,这样一个结构使得偏 心区的设计显得相当重要,下述四点的设计优良直接影响到炉子的正常工作。 (1) 偏心距 即出钢口中心线至炉子中心线的距离。偏心距选取过大,则偏心区内的废 钢不容易熔化,即使全部熔化,由于温度不均匀,该区的钢液成分偏差很大, 造成冶炼的不正常。同时,考虑到在出钢口上盖的操作方便,偏心区不能过小。 在不影响出钢的情况下,此距离应尽可能的小。经过查询了许多的现有的偏心 距后,确定本设计的偏心距为 3400mm。 (2) 出钢口直径 出钢口直径的确定应保证钢液在尽可能短的时间内出净。经验表明,对 70 吨以上的电弧炉,出钢时间在 120s180s 内,出钢口的直径一般在 120mm 以 上,本设计取 150mm。 (3) 出钢箱的高度 出钢箱的高度确定应保证炉体倾斜 1015时,钢水

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