年产100万吨连铸坯的电弧炉 炼钢车间工艺设计.docx
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年产100万吨连铸坯的电弧炉炼钢车间工艺设计
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60~150t电弧炉19座，总容量为1645t。
目前，我国投入运行的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50~150t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；n＝365×作业率（98%）=358；
G——一炉熔炼钢水的量；
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1.2~1.3，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
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。
2.2.4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。
（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；
α——锥台与水平的夹角。
根据计算与经验，D/H=3.5～5。
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。
α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=0.14m3/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+0.042×5）×8.41/3=3.92m
炉渣体积可取钢液体积的10~15%，由此即可计算渣层厚度。
炉门坎平面应高于渣液面20~40mm，炉缸与炉壁连接面应高于炉门坎面30~70mm，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+0.1~0.2（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=0.40×4..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+2H1tanβ（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Dp与DB有如下关系：
Dp/DB≦0.25~0.35（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=（0.20~0.30）D=0.2×3.92=0.780m
炉门高度：
b=（0.75~0.85）l=0.8×0.78=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δ壁>400~600mm。
120t炉子，d壁=600mm。
（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，q≈350kWh/t；
G——电炉装入量，t；
tm——预期的熔化时间，h；
cosφ——熔化期平均功率因数，超高功率选取0.70；
η——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=40909.09kVA
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
故：
Dg=4.4+2×0.3=5m。
图3-2EBT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。
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
3.4.1EBT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，一般采用若干水冷件组成，水冷件的更换方便。
3.4.2EBT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10~12°，向出钢口最大倾动15°。
偏心低出钢电弧炉的倾动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120s~180s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10~15°时，钢水不与出钢箱的水冷盖板相接触，并留有一定的安全距离，还要求氧化渣全部留在炉内。
经推荐，本设计出钢箱的高度取为1100mm。
（4）出钢箱内口与中心夹角
此夹角的大小直接影响到箱体内钢水的流动性，从而影响钢液的温度。
本设计取该角为120°。
3.5水冷挂渣炉壁的设计
3.5.1电弧炉炉壁的热流
根据炉子上的“热点”和“冷点”都受三电弧辐射热的条件来计算电弧炉壁的热流强度，有如下公式：
（3-1）
（3-2）
式中：
q热点——炉壁热点表面单位面积上接受的辐射功率，kW/m2；
q冷点——炉壁冷点表面单位面积上接受的辐射功率，kW/m2；
PH——平均每相电弧功率，kW，其值为
cosφ×P/3=0.7×40909.09/3=9545.5kW；
R——熔池面半径，其值为2.425m；
K——三电极极心分布圆直径与熔池直径之比，其值为1.206/3.92=0.31
经计算得，q热点=135.1kW/m2，q冷点=116.6kW/m2。
3.5.2冷却水流量
根据电弧炉水冷炉壁的热流全部被冷却水吸收的热平衡关系得：
qS=GCp（t0-t1）（3-3）
式中：
q——炉壁热流，kJ/m2·h；
S——水冷炉壁的受热面积，m2；
G——冷却水的流量，t/h；
Cp——水的热容，J/kg·℃；
t0——出水温度，℃；
t1——入水温度，℃；
计算得：
3.5.3水冷炉壁水速的确定
冷却水的实际流速与冷却水通道结构关系很大，因为炉壁热流强度为228kW/m2，可选用管式水冷炉壁，水速定为2.3m/s。
3.5.4管径的确定
水速确定后，根据所需水流量计算管径d，其计算公式可根据G=3600πd2μρ/4为：
（3-4）
式中：
u——冷却水流速，1.5m/s；
ρ——水的密度，1000kg/
所以，d=0.31m。
校核：
水冷炉壁产生局部沸腾的水速u沸：
u沸=（qd0.2/105）1.25=（135.1×103×0.310.2/105）1.25=1.09m/s
所以：
u﹥u沸，管径符合标准。
3.5.5平衡挂渣厚度
平衡挂渣厚度可用下式计算：
（3-5）
为计算Ls，上式中需求出水冷管内对流传热系数αFe：
αFe=0.023Re0.8Pr0.4λ/d（3-6）
式中：
λ——水在平均温度为30℃时的导热系数，0.598W/m·℃；Re=ud/ν=1.5×0.31/1.47×10-6=3.16×105；Pr=7.06；λFe=44.99W/m·℃；λs=3.48W/m·℃；LFe为水冷管壁厚度，取10mm。
计算得：
αFe=0.023Re0.8Pr0.4λ/d=0.023×2.51×105×7.060.4×0.598/0.31=2436W/m2·℃
所以：
Ls=0.019m。
3.5.6综合传热系数
水冷炉壁的综合传热系数U：
（3-7）
计算得：
U=1580.33W/m2·℃
校核：
U1＝q/（t2-t0）=135100/470＝287W/m2·℃
U>U1，该水冷炉壁运行安全可靠。
3.5.7临界热流量与最大热流量
临界热流量与最大热流量可用如下公式计算
q最大=4.688[4×106u1/3+4800（tw-tH2O）u1/3]（3-8）
取tw=100℃，tH2O=30℃，u=1.5m/s；
计算得：
q最大=2.33×107W/m2。
4电弧炉炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算
4.1物料平衡计算
（1）计算所需原始数据。
基本原始数据有：
冶炼钢种及其成分（表4-1）；原材料成分（表4-2）；炉料中元素烧损率（表4-3）；合金元素回收率（表4-4）；其它数据（表4-5）。
表4-1冶炼钢种及其成分
钢种
成分（%）
备注
C
Si
Mn
P
S
Fe
16Mn
≦0.045
≦0.045
余量
氧化法冶炼
注：
分母系计算时的设定值，取其成分的中限。
表4-2原材料成分（%）
名称
C
Si
Mn
P
S
Al
Fe
H2O
灰分
挥发分
碳素废钢
0.18
0.25
0.55
0.030
0.030
余量
FeMn
6.60
0.50
67.80
0.230
0.130
24.74
FeSi
73.00
0.50
0.050
0.030
2.50
23.92
Al
98.5
1.50
焦炭
81.50
0.58
12.40
5.52
电极
99.00
1.00
续表4-2
名称
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
CO2
H2O
P2O5
S
石灰
88.00
2.50
2.60
1.50
0.50
4.64
0.10
0.10
0.06
高铝砖
1.25
6.40
0.12
91.35
0.88
镁砂
4.10
3.65
89.50
0.85
1.90
焦炭灰分
4.40
49.70
0.95
26.25
18.55
0.15
电极灰分
8.90
57.80
0.10
33.10
表4-3炉料中元素烧损率
成分
C
Si
Mn
P
S
烧损率（％）
熔化期
25～40，
取30
70～95，
取85
60～70，
取65
40～50，
取45
可予忽略
氧化期
①
全部烧损
20
②
25～30，取27
注：
①按末期含量比规格下限低0.03～0.10%（取0.06%）确定（一般不应低于0.30%的脱碳量）；②按末期含量0.015%来确定。
表4-4合金中元素的回收率
合金材料
加入时间
回收率（%）
C
Si
Mn
Al
FeMn
还原初期
100
100
96
出钢前
100
100
98
FeSi
还原初期
65
100
0
还原后期
95
100
50
Al
还原初期预脱氧
0
还原后期终脱氧
40
FeSi粉
还原期扩散脱氧
50
100
0
Al粉
还原期扩散脱氧
0
表4-5其它数据
名称
参数
配碳量
熔化期脱碳量
电极消耗量
炉顶高铝砖消耗量
炉衬镁砂消耗量
熔化期和氧化期所需氧量
氧气纯度和利用率
焦炭中碳的回收率
碳氧化产物
烟尘量
比钢种规格中限高0.70%
30%
5kg/t（金属料）：
其中熔化期占60%，氧化期和还原期各占20%
1.5kg/t（金属料）：
其中熔化期占50%，氧化期占35%，还原期占15%
5kg/t（金属料）：
其中熔化期占40%，氧化期和还原期各占30%
50%来自氧气，其余50%来自空气
99%，余者为N2，氧利用率90%
75%
均按70%生成CO，30%生成CO2考虑
按8.5kg/t（金属料）考虑
（2）物料平衡基本项目
收入项有：
废钢、焦炭、石灰、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、铁合金、氧气和空气。
支出项有：
钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦炭中挥发分。
（3）计算步骤。
以100kg金属炉料（废钢）为基础，按工艺阶段——熔化期、氧化期和还原期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表。
4.1.1熔化期计算
（1）确定物料消耗量：
1）金属料配入量。
按100kg废钢配料，结果列于表4-6。
原始数据见表4-2和表4-5。
表4-6炉料配入表
名称
用量（kg）
配料成分（kg）
C
Si
Mn
P
S
Fe
废钢
100.000
0.180
0.250
0.550
0.030
0.030
98.96
合计
101.145
0.880
0.250
0.550
0.030
0.030
98.96
2）其他原料消耗。
为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金属料））。
炉顶、炉衬和电极消耗量见表4-5。
（2）确定氧气和空气的消耗量：
耗氧包括炉料中元素的氧化，电极中碳的氧化；而石灰则带来部
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