120吨电弧炉设计解读Word文档格式.docx
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（2）电能充足、电价稳定，吨钢电耗不大于375kW·
h。
（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，部分取代了相对昂贵的电源。
现代电弧炉炼钢的供氧量为20～40m3/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60～70min，吨钢电耗不大于375kW·
h，吨钢电极消耗不大于1.5kg。
现代炼钢流程主要是转炉流程和电炉流程。
2004年世界粗钢产量达10.548亿t，其中转炉钢66452万t，占63%，电炉钢35652万t，占33.8%。
我国钢产量27470万t，其中转炉钢23271万t，占85.72%，电炉钢4167.1万t，仅占15.17%。
笔者在此分析了我国不同时期电炉钢比例逐年下降的原因，讨论了为什么要重视电炉钢的发展，指出了在目前我国废钢资源及电力紧缺的条件下，发展电炉炼钢的方法及技术措施，认为目前应考虑对发展我国现代电炉炼钢的第二轮投资。
1.1.1超高功率电弧炉
超高功率电弧炉作为电弧炉发展的基本方向，为实现其高产、低耗、优质的目标，就必须具备快速而准确的生产控制，全面而优化的综合管理。
单凭经验或依据普通电弧炉的控制和管理方法，已不能适应生产需要，而在生产过程控制中，电气运行是极为关键的技术。
电弧炉电气运行是电炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技术经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行、充分有利于设备资源，还能提高生产率、节能降耗。
50年代，为了提高电弧炉生产率，当时采用加大电炉变压器提高电压的方法来增加输入功率，即采用“高电压、大功率”的运行制度。
到60年代，当时炉子容量还不很大，功率级别也不很高，约为400kVA/t，变压器总容量在30MVA左右。
这一时期，电炉主要生产特殊钢、合金钢，流程为电炉出钢后模铸。
随着炉子供电功率的增大，电弧对炉衬的辐射侵蚀大大增强。
在70年代中后期，一度推崇高功率、大电流、短电弧操作方式。
因而，功率因数值较低，特别是在最大电弧功率处工作，功率因数仅为0.72左右。
因为短而粗的电弧，对炉衬热辐射减少，减轻了因提高功率对炉衬耐火材料的强烈侵蚀，也提高了热效率；
同时由于电弧电流加大，对钢渣的搅拌加强，强化了熔池的传热；
此外，大电流短电弧稳定性高，对电网的冲击小。
这一时期，典型的炉子变压器容量大约在50MVA左右，功率级别约为500kVA/t，典型的流程为电炉、钢包炉、连铸、棒线材轧机。
所谓“低电压”和“短电弧”都只是相对于相同的变压器容量而言。
实际上，如果把1台普通功率电弧炉改造成为超高功率电弧炉，由于功率大大增加，变压器的二次电压和电弧长度都比原来普通功率电弧炉的大。
这种短弧操作法，在美国又称为“滑动功率因数法”。
其要点是整个熔炼过程自始至终只采用一档相当低的电压而连续改变电流工作点。
若用平衡的回路特性理论来描述工作点的“滑动”，那就是功率因数先由电弧功率最大点（0.72～0.75）逐渐平缓地过渡到有功功率最大点（0.707），再减少到0.68。
这种情况适应于美国的条件：
废钢行业发达，可保证入炉废钢块度小且均匀。
这种方法的难点是判断何时由相对长弧改为短弧。
上述低功率因数的运行方式不利于变压器能力的充分利用，且电极消耗很大。
随着水冷炉壁、水冷炉盖尤其是泡沫渣技术的出现和成功，使“高电压、低电流、长电弧、泡沫渣”操作有了可能，这类超高功率电弧炉是80年代中期的先进技术。
在这个时期，炉子容量进一步大型化，功率级别又有所提高，炉子变压器容量达到了70MVA以上，电炉钢进入扁平材、管材市场。
其运行特点是高功率因数操作，使变压器的能力较充分地发挥。
到了90年代，电炉的容量进一步加大，炉子变压器容量达到了100MVA左右，功率级别已超过800kVA/t。
在炉子电气运行特点方面出现了高阻抗和变阻抗技术；
另外由于神经网络技术的成功应用，使电弧炉的电气运行工作点的识别和控制有了很大改善。
这一时期的电炉电气运行采用“更高电压、更小电流、更长电弧”的操作制度。
原料条件的改善、薄板坯连铸连轧技术的出现使得电炉钢向管材、板带等纯净钢领域进展。
电炉技术的进步和电炉流程的发展与电炉电气的运行密切相关：
一方面随着对超高功率电弧炉电气运行研究的不断深入，开发了许多新技术、设备及相关操作工艺，如直流电弧炉、导电电极臂、高阻抗电炉、智能电弧炉、水冷电缆、水冷/中空/浸渍/镀层电极等等；
另一方面也保障了超高功率电炉炼钢其配套技术的开发和应用，如海绵铁等废钢代用品的使用、泡沫渣操作、替代能源的利用等等。
1.1.2炉底出钢电炉
冶炼工艺操作
EBT电炉冶炼己从过去包括熔化、氧化、还原精炼、温度、成分控制和质量控制的炼钢设备，变成仅保留熔化、升温和必要精炼功能（脱磷、脱碳）的化钢设备。
而把那些只需要较低功率的工艺操作转移到钢包精炼炉内进行。
钢包精炼炉完全可以为初炼钢液提供各种最佳精炼条件，可对钢液进行成分、温度、夹杂物、气体含量等的严格控制，以满足用户对钢材质量越来越严格的要求。
尽可能把脱磷，甚至部分脱碳提前到熔化期进行，而熔化后的氧化精炼和升温期只进行碳的控制和不适宜在加料期加入的较易氧化而加入量又较大的铁合金的熔化，对缩短冶炼周期，降低消耗，提高生产率特别有利。
EBT电炉采用留钢留渣操作，熔化一开始就有现成的熔池，辅之以强化吹氧和底吹搅拌，为提前进行冶金反应提供良好的条件。
从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求电炉具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时间（如补炉、加料、更换电极、出钢等），以期达到最佳经济效益。
（1）快速熔化与升温操作
快速熔化和升温是当今电弧炉最重要的功能，将第一篮废钢加入炉内后，这一过程即开始进行。
为了在尽可能短的时间内把废钢熔化并使钢液温度达到出钢温度，在EBT电炉中一般采用以下操作来完成:
以最大可能的功率供电，氧一燃烧嘴助熔，吹氧助熔和搅拌，底吹搅拌，泡沫渣以及其它强化冶炼和升温等技术。
这些都是为了实现最终冶金目标，即为炉外精炼提供成分、温度都符合要求的初炼钢液为前提，因此还应有良好的冶金操作相配合。
（2）脱磷操作
脱磷操作的三要素，即磷在渣一钢间分配的关键因素有:
炉渣的氧化性、石灰含量和温度。
随着渣中FeO,CaO的升高和温度的降低，渣一钢间磷的分配系数明显提高。
因此在电弧炉中脱磷主要就是通过控制上面三个因素来进行的。
所采取的主要工艺有：
①强化吹氧和氧一燃助熔，提高初渣的氧化性;
②提前造成氧化性强、碱度较高的泡沫渣，并充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高炉渣脱磷的能力:
③及时放掉磷含量高的初渣，并补充新渣，防止温度升高后和出钢时下渣回磷;
④采用喷吹操作强化脱磷，即用氧气将石灰与萤石粉直接吹入熔池，脱磷率一般可达80%，并能同时进行脱硫，脱硫率接近50%;
⑤采用无渣出钢技术，严格控制下渣量，把出钢后磷降至最低。
一般下渣量可控制在2kg/t，对于（P2O5）=1%的炉渣，其回磷量≤0.001%。
出钢磷含量控制应根据产品规格、合金化等情况来综合考虑，一般应<
0.02%
。
（3）脱碳操作
电炉配料采取高配碳，其目的主要是:
①熔化期吹氧助熔时，碳先于铁氧化，从而减少了铁的烧损:
②渗碳作用可使废钢熔点降低，加速熔化;
③碳-氧反应造成熔池搅动，促进了渣-钢反应，有利于早期脱磷:
④在精炼升温期，活跃的碳-氧反应，扩大了渣-钢界面，有利于进一步脱磷，有利于钢液成分和温度的均匀化和气体、夹杂物的上浮:
⑤活跃的碳-氧反应有助于泡沫渣的形成，提高传热效率，加速升温过程。
配碳量和碳的加入形式，吹氧方式，供氧强度及炉子配备的功率关系很大，需根据实际情况确定。
（4）合金化
EBT电炉合金化一般是在出钢过程中在钢包内完成，那些不易氧化、熔点又较高的合金，如Ni,
W,
Mo等铁合金可在熔化后加入炉内，但采用留钢操作时应充分考虑前炉留钢对下一炉钢水所造成的成分影响。
出钢时要根据所加合金量的多少来适当调整出钢温度，再加上良好的钢包烘烤和钢包中热补偿，可以做到既提高了合金收得率，又不造成低温。
出钢时钢包中合金化为预合金化，精确的合金成分调整最终是在精炼炉内完成的。
为使精炼过程中成分调整顺利进行，要求预合金化应使被调成分不超过规格中限。
（5）温度控制
良好的温度控制是顺利完成冶金过程的保证，如脱磷不但需要高氧化性和高碱度的炉渣，也需要有良好的温度相配合，这就是强调应在早期脱磷的原因。
因为那时温度较低有利于脱磷:
而在氧化精炼期，为造成活跃的碳氧沸腾，要求有较高的温度（>
1550℃）:
为使炉后处理和浇注正常进行，根据所采用的工艺不同要求电炉初炼钢水有一定的过热度，以补偿出钢过程、炉外精炼以及钢液的输送等过程中的温度损失。
出钢温度应根据不同钢种，充分考虑以上各因素来确定。
出钢温度过低，钢水流动性差，浇注后造成短尺或包中凝钢:
出钢温度过高，使钢清洁度变坏，铸坯（或锭）缺陷增加，消耗量增大。
总之，出钢温度应在能顺利完成浇注的前提下尽量控制低些。
EBT电炉的出钢温度低（出钢温降小）节约能源、减少回磷。
EBT电弧炉的特点
EBT电炉结构是将传统电炉的出钢槽改成出钢箱，出钢口在出钢箱底部垂直向下。
出钢口下部设有出钢口开闭机构，开闭出钢口，出钢箱顶部中央设有操作口，以便出钢口的填料操作与维护。
EBT电炉主要优越性在于，它实现了无渣出钢和增加了水冷炉壁使用面积。
优点如下:
（1）出钢倾动角度的减少。
简化电炉倾动结构:
降低短网阻抗:
增加水冷炉壁使用面积，提高炉体寿命。
（2）留钢留渣操作。
无渣出钢，改善钢质量，有利于精炼操作:
留钢留渣，有利电炉冶炼、节约能源。
（3）炉底部出钢。
降低出钢温度，节约电耗:
减少二次氧化，提高钢的质量:
提高钢包寿命。
由于EBT电炉诸多优点，在世界范围迅速得到普及。
现在建设电炉，尤其与炉外精炼配合的电炉，一定要求无渣出钢，而EBT是首选。
EBT电炉的出钢操作。
出钢时，向出钢侧倾动约5°
后，开启出钢机构，出钢口填料在钢水静压力作用下自动下落，钢水流入钢包，实现自动开浇出钢。
当钢水出至要求的约95%时迅速回倾以防止下渣，回倾过程还有约5%的钢水和少许炉渣流入钢包中，炉摇正后（炉中留钢10%～15%,留渣≥95%）检杳维护出钢参考文献：
中国CAD机械论坛
1.1.3直流电弧炉
直流炼钢电弧炉简介
直流电弧炉是用直流电源供给电能的电弧炉。
它与交流电弧炉一样，也是利用电极和炉料（或熔池）间产生的电弧来发热，从而达到熔炼的目的。
直流电弧炉与交流电弧炉的结构区别在于：
三相交流电弧炉顶部安装三根可以上下移动的电极，而直流电炉仅在炉子顶部装设一根可以上下移动的电极，另一电极位于炉子底部固定不动。
直流电弧炉需要直流供电，所以比三相交流电弧炉多一套将三相交流电变换成直流电的整流设备。
与传统的交流电弧炉相比，直流电弧炉的主要优点是：
（1）电弧稳定且集中，熔池搅拌良好，炉内温度分布均匀，生产效率可以提高10%；
（2）电流和电压波动小、对电网的冲击减少，三相供电平衡，功率因数高，可以节电5%以上；
（3）电极损耗少，吨钢电极消耗比交流电弧炉少50％。
由于受到直流电源容量的限制，直流电弧炉发展缓慢。
随着可控硅技术的发展，大功率直流电源设备的制造技术逐渐成熟，在20世纪70年代后期直流电弧炉开始受到冶金界的重视。
世界上第一座直流电弧炉于1982年在德国布什钢厂建成并投产，以后的六、七年中，美、法、意、日等国相继改建或新建成了各自的直流电弧炉，容量从30t到60t不等。
1989年日本东京钢铁公司建成了当时最大的一座容量为130t的直流电弧炉。
近年来世界各国相继建成并投产多座直流电弧炉，容量从60t到180t。
1989年中国太原机械铸造厂研制成中国第一座小型直流电弧炉并投产，同年宣化铁合金厂一座2000kVA埋弧直流电弧炉投产，用来生产硅铁、锰铁、硅钙等铁合金。
进入90年代后，直流电弧炉越来越受到重视，上海第三钢铁厂、长城钢厂、齐齐哈尔钢厂、江阴沿山钢厂、上海第一钢铁厂等先后引进大型直流电弧炉，容量80～100t不等。
宝山钢铁（集团）公司从法国引进一套双炉壳（—个电源）的150t直流电弧炉设备。
采用直流电源的炼钢电弧炉。
采用单相直流电通到炉子上部顶电极作为阴极，底部（底电极或导电炉底）作为阳极，形成上部电极—电弧—熔池—下部电极为负载回路的电弧炉。
其优点是电极消耗大幅度降低；
电弧稳定；
对电网冲击小，一般不设动态补偿装置；
噪音小；
能有效利用电能。
参考文献：
直流电弧炉炼钢金鼎编著
1.2电弧炉炼钢的优缺点：
电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有以下的优点：
①
电炉炼钢的设备投资少、基建速度快；
②
炼钢的热能来自于电弧上，温度可高达4000～6000℃，并且直接作用在炉料上，热效率比较高，一般在65％以上。
此外，冶炼中含有难熔元素W、Mo等高合金钢；
③
电炉炼钢可以去除钢中含有的夹杂物和有害气体，以及去硫、脱氧、合会化等，以此来冶炼出高质量的特殊钢；
④
电炉炼钢可采用热装或冷装，不的受炉料的限制；
⑤
适应性强，可连续生产也可间断生产。
电弧炼钢的缺点有：
电弧是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池各部位温差较大；
炉气或水分，在电弧的作用下，能解离出大量的H、N，而使钢中的气体含量增高。
随着电弧炉技术的发展和完善，以及废钢等代用品的开发与应用，电弧炉流程可以使用废铁、废钢作为代用品，甚至可以使用比较多的生铁进行生产冶炼。
因此，在全球角度看，以电弧炉炼钢技术为代表的短流程钢厂生产的前景十分广阔。
第二章电弧炉炉型尺寸设计
2.1熔池的形状
电弧炉熔池的形状应利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。
目前使用的一般为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如下图所示）。
球冠形电炉炉底使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快炉料的熔化并及早造渣去磷。
截锥形电炉炉坡便于补炉、炉坡倾角45°
[8]。
熔池尺寸计算：
图2.1电弧炉尺寸图
熔池容积V池。
根据
（2.1）
（2.2）
式中T—出钢液量；
ρ液-钢液密度，6.8～7.0t/m3。
（2.3）
式中G渣-按氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）；
ρ渣—3～4t/m3
2.2.1熔池直径和深度设计
在计算熔池直径D和深度H之前，首先得确定一个合适的D/H值。
在熔池容积一定的条件下，D/H越大，熔池越浅。
熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面越大，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望D/H大一些。
但是D/H太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D壳太大，炉壳散热面积增加，电耗也增大，所以D/H又不能过大。
若D/H太小，熔池太深，则钢液加热困难，温度分布不均匀性大。
在氧化期内应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以促使金属成分和温度均匀[9]。
当选定炉坡倾角45°
时，一般取D/H=5左右较合适。
由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为：
（2.4）
式中h1—球冠部分高度，一般取h1=H/5；
h2—截锥部分高度，h2=H-h1=4/5H；
D—熔池液面直径，通常采取D/H=5，即D=5H；
d—球冠直径，因d=D-2h2=5H-8/5H=17/5H，整理得：
（2.5）
2.2.2熔炼室尺寸设计
熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小需一次装入堆积密度中等的全部炉料。
①熔炼室直径D熔
为了防止钢液沸腾或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处）时炉渣冲刷炉壁砖，炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100mm左右，即当选定炉坡倾角为45°
时：
D熔=D+2×
100（2.6）
②熔炼室高度H1
金属炉门槛至炉顶拱基的高度为熔炼室高度。
炉衬门槛较金属门槛高80~100。
从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度H1大些，因为增大熔炼室高度H1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热会相对少一些，炉盖寿命长，另外，熔炼室高度H1大，装轻薄料多。
但是如果熔炼室高度H1太大：
1）炉壳散热面积大→电耗多；
2）电极长→电阻大。
金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。
炉衬门槛较金属门槛高出80~100mm。
经验值：
<
40t电炉（2.7）
>
40t电炉
③炉顶高h3
炉顶高度h3与熔池室直径D有如下关系：
（因炉顶砖而异）（2.8）
至此，渣面至炉顶中央高度H2=H1+h3
④熔炼室上缘直径D1
通常熔炼室要设计成上大下小倾斜形的，即D1>
D熔，炉壁上部薄下部厚，这种形状的熔炼室增强了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔炼室的容积增大，可多装轻薄料。
另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀[10]。
其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H1—100）的10%左右；
所以：
（2.9）
⑤炉门尺寸的确定
一般电炉设一个加料炉门和一个出钢口，其位置相隔180°
确定炉门尺寸要考虑以下因素：
便于顺利观察炉况，能良好地修补炉底和整个炉坡，采用加料机加料的炉子，料斗应能自由进入，能顺利取出折断的电极。
炉门尺寸的经验值：
炉门宽度=（0.25~0.3）D熔（2.10）
炉门高度=0.8×
炉门宽度（2.11）
为了密封，门框应向内倾斜8°
~12°
⑥出钢口和流钢槽
出钢口的位置：
出钢口下缘与炉门槛平齐或高出100~150mm。
出钢口为圆形孔洞，其直径为120~150mm。
流钢槽：
外壳用钢板或角钢，断面为槽型，固定在炉壳上，内衬凹形预制砖（称流钢槽砖）。
为了防止打开出钢口以后钢水自动流出，流钢槽应上翘，与水平面成10°
的角。
流钢槽长度与电炉在车间的布置方式及出钢方式相关，纵向或高架式布置同跨出钢的可以短一些，以减少钢水散热和二次氧化，一般1m以下。
横向地面布置异跨出钢的应长些，一般2m以上。
电弧炉容量是2吨，根据式式（2.1）到式（2.11）可求出：
熔池容积V池=449/1400m3
熔池液面直径D=1500mm
熔池深度H=300mm
熔炼室高度H1=675mm
熔池室直径D熔=1700mm
熔炼室上边缘直径D1=1815mm
熔炼池高度H2=864mm
球冠部分高度h1=60mm
球锥部分高度h2=240mm
球冠直径d=1020mm
炉顶高度h3=189mm
炉门槛h0=100mm
炉门宽度=510mm炉门高度=408mm
2.3电弧炉炉衬及厚度的确定
由于电弧炉内部生产环境很复杂，因而对耐火材料的使用要求相对苛刻，以适于电弧炉的生产条件，提高生产率，降低生产成本[11]。
1）高耐火度。
电弧温度在4000℃以上，炼钢温度常在1500~1750
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