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内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 论文题名一般不宜超过25个汉字。题名应避免使用不常见的缩略词、首字母缩写，避免使用英文字符、代号、公式和上下标等，对于题名和副题名的具体要求请看文中说明。论文题名在整本论文中不同地方或填写学位申请有关表格中出现时，应完全相同。不用此信息时，删除此框。请尽量调整字号大小，使1行能够显示题名和副题名，‎ 毕业设计说明书 设计题目：100吨交流电弧炉炼钢车间设计 学　　　　号：_________________________‎ 姓　 　名：_________________________‎ 专 业 班 级：_________________________‎ 关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用《汉语主题词表》等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。‎ 目录更新方法，将光标置于此页的“摘要”前，点击菜单“插入”—“引用”——“索引和目录”，出现选项后选择“目录”项，点击“确定”。注意更新之前需要将页码改为“1”形式，目录更新完毕后再将页码改为“-1-”形式。这样目录中就不会出现“-1-”这样的形式了。—不用此信息时，删除此框。‎ ‎ ‎ 毕业设计说明书 - 1 -‎ 文献综述 2‎ 1.3现代电弧炉炼钢技术 7‎ 1.4电弧炉炼钢的发展趋势 7‎ 1.5电弧炉装备技术未来的创新发展 8‎ 1.5.2我国正进人电炉炼钢高速发展时期 8‎ 3.4.1、炉料入炉 15‎ 第四章 建设所选电弧炉炼钢工程的必要性和可行性分析 15‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 电弧炉车间设计 19‎ 1.1电炉车间计算 19‎ 11..1电炉容量和座数的确定 19‎ 1.1.2电炉车间生产技术指标 19‎ 参考文献..................................................................................................................................................‎ 致谢..........................................................................................................................................................‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 摘要 错过了工业革命，我国的钢铁实业一直落后。每一个学子都应该了解钢铁的形成，发展，前景，以及趋势。上个世纪，电弧炉炼钢是如何进入钢铁行业，是谁造就了其建立的伟大之举。相信经融危机的影响早已波及到钢铁行业 ，如何才能高效，合理，环保，绿色的进行生产，这是我们应该关心的话题。电弧炉炼钢技术已有100年的历史，第二次世界大战后电炉炼钢才有较大发展，在最近的20年，电弧炉炼钢技术发展尤为迅速，电弧炉的应用带来了炼钢技术的革命。尽管全球粗钢年产总量的增长速度很缓慢，但以废钢为主要原料的电弧炉炼钢的产量所占的比重却在逐年上升。2001年，电弧炉炼钢占世界钢产量的40％，成为最重要的炼钢方法之一。与高炉铁水炼钢相比，其竞争优势在于投资费用和运行成本。自60年代中期提出电弧炉超高功率概念以来，电弧炉建造趋于大型化、高功率化，出现现了多种新型式的电弧炉。在发展大型电弧炉的过所以，就必须了解交流电弧炉的特点，工作原理，车间布置，未来的必要性， 发展大容量电炉和提高电炉自动化水平，采用大功率静止式动态补偿技术，用水冷构件代替耐火材料，炉盖第四孔直接排烟与电炉周围密封罩相连接的烟尘净化系统，炉盖第五孔机械化自动化加料系统，电炉使用还原铁比例逐渐扩大，炉外废钢预热，炉内燃料助燃，强化熔池用氧，开发底气搅拌系统和泡沫渣覆盖下的冶炼工艺，从冷却水和废气中回收热能，采用全连铸，发展纤维石墨电极和采用优质高效碱性镁碳炉衬等。‎ ‎ ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 文献综述 第一章国内外电弧炉炼钢技术的发展概况:‎ ‎1.1电弧炉发展史：‎ 电炉是在电发明之后的1899年，由法国的海劳尔特（Heroult）在La Praz发明的。它被建在阿尔卑斯山（Alps）的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火力发电厂。‎ ‎ 电炉的出现，开发了煤的替代能源，使得废钢开始了经济回收，这最好使得钢铁成为世界上最易于回收的材料，也为可持续发展做出巨大贡献。1995年以前，电炉钢比例保持在20%左右，但多数炉型较小，且以模铸为主。1996年以后，在有关部门的引导和支持下，一大批现代化的电炉投产、达产，电炉发展进入新的历史时期，但电炉钢比例一直在16%左右徘徊。2004年以后，电炉钢比例出现新低。电炉炼钢原料以废钢和生铁为主，能量供给以电能为主。我国电力紧缺，短时期内仍难满足国内电炉钢生产用电需求，缺电和限电导致电炉间歇式生产，生产成本更趋升高。‎ ‎ 目前转炉与电炉冶炼钢种几乎相同，钢质量差距不大。然而在电弧作用下，电弧区钢液易于吸氮，影响钢水质量，不利于生产氮含量较低的钢种。此外，电炉加热钢水会使熔池少量增碳，也不利于生产碳含量要求低的钢种。同时，废钢中残余元素（Cr、Ni、Cu等）的循环富集，也影响电炉生产高纯净度的钢种。废钢—电炉—钢水与高炉—转炉—钢水两种工艺相比，短流程总能耗仅为长流程的50%。‎ ‎ 据预测，我国将在2008～2009年结束工业化中期阶段，钢铁生产和消费将出现拐点，之后钢铁增长速度必将迅速明显减缓。当2020年左右实现工业化后钢铁消费将达到峰值，此后废钢资源将越来越多，而以废钢为主的电炉钢资源的成本优势也将日益凸显。1978 ～ 1998年20年间转炉钢与 ‎ 电炉钢产量的变化如下：‎ 德 国转炉钢增 2%，电炉钢增102%；‎ 法 国转炉钢减32%，电炉钢增138%；‎ 西班牙转炉钢减27%，电炉钢增119%；‎ 意大利转炉钢不变， 电炉钢增 24% 1.2.1交流电弧炉 现在国外最大容量的交流电弧炉，美国为350t，日本为250t，英国和苏联各为200t，西德为175t。直流电弧炉方面，以日本的130t单电极和法国82,‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ 5t三电极的为最大。在我们国内，迄今为止还没有一台自制的交流超高功率电弧炉，合作生产的百吨级的电弧炉正在进行。江苏省张家港市中外合资的永新钢铁公司自英国引进的二手货70t超高功率交流电弧炉才于1991年6月初以高功率试运行。直流电弧炉方面，自从太原重型机器厂双电极的投产后，西安电磁机械厂在设备上作了改进，增设了磁镜线圈，已制成W TD系列、容量为40t以下的双电极直流电弧炉产品，株洲电炉厂也有类似产品，至于有底电极的直流电弧炉，迄未投入工业性生产。由此可以说在国外交流超高功率电弧炉已趋成熟，并向直流电弧炉方向发展。而在国内，交流超高功率电弧炉还刚起步，直流电弧炉也处在初创阶段，相比之下，差距甚大。‎ ‎ ‎ ‎ ‎‎1993~2004‎ 年我国电炉钢产量及电炉钢比例的变化 电弧炉发展史 ‎ ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ ‎ ‎12.2近年来电弧炉钢产量 ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎1.2.3 综上可见，电弧炉炼钢自问世以来，呈不断增长的发展势头，迄今为止占世界总钢产量达31%以上，且保持着继续上升的态势。我国电弧炉钢产量近几年也在不断攀升，2007年，我国电弧炉炼钢产量达到5843万吨，己超过电弧炉钢生产大国一美国，比德国、韩国全年钡产量还要多，但我国相对焦煤资源较多、人力成本较低、废钢资源积累有限，电力资源价格仍较高，所以电弧炉钢产量增幅远低于转炉钢产量的增长速度，比例呈下降趋势。3国内外电弧炉炼钢技术及装备技术的发展特点 全球电弧炉钢产量呈不断上升的趋势很大一部分也是得益于电弧炉炼钢技术和装备技术的不断创新和进步。‎ ‎1.3现代电弧炉炼钢技术 ‎1.3.1近年来，电弧炉短流程钢厂的生产技术有了众多新发展，主要表现在以下几个方面。‎ ‎(1)形成了电弧炉冶炼—连铸“三位一体”或电路冶炼—连铸一连轧“四位一体”的现代化电弧炉流程。(2)电弧炉功能逐渐变为初炼炉技术的不断进步，改变和结束了原电弧炉的熔时长((3个多小时)、老三期操作(熔化期、氧化期、还原期)以及产量低、渣量大、炉容小、成本高的状况。‎ ‎ (3)生产品种的增加，从起初的长材、扁平材到如今的高附加值产品进入21世纪以来，电弧炉短流程钢厂开始生产高附加值产品。如美国新建Severcorr钢厂以生产汽车板为主;俄罗斯联合冶金公司Vyksa厂主要生产用于北极及其他高寒地区的管线钢。我国天津无缝钢管公司、衡阳钢管公司、舞阳钢铁公司在无缝钢管和高质量特厚钢板生产方面也表现突出。‎ ‎(4)短流程钢厂规模不断扩大化俄罗斯马格尼托哥尔斯克钢铁公司和土耳其Atlas合资建设的Atlas公司，配置一台300t超高功率交流电弧炉，年钢产量240万t。土耳其Colakoglu钢厂已建成一台装有特大功率变压器(240MVA+200})，出钢量约320t的电弧炉，年产钢能力200万t/a(现已达到月产21万t钢)。‎ ‎ (5)原料多样化 ‎1.3.2电弧炉原料供给的新发展表现在以下几方面:‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎1)采用CORER/DR装置供给CORER铁水及直接还原铁作为电弧炉原料例如，南非萨尔达尼亚厂设置C-2000COREX及Midrex炉，和印度埃萨公司Hazira厂在原有的Midrex装置基础上新建两台CORER-2000装置，用以生产热轧带钢。‎ ‎ 2)近年来，SMS公司和Midrex技术公司联合推出从铁矿石到热轧带的电弧炉短流程钢厂 据介绍，该工艺流程较传统高炉转炉流程，有更高的能源利用效率，且C02排放量能减少一半。阿曼Shadeed钢铁公司近日向Midrex技术公司订购直接还原炼铁装置，可提供700℃热直接还原铁。‎ ‎ 3)在缺乏天然气资源的地区，最近已开发出用煤制气，作为直接还原炼铁装置的还原气体，建设联合小钢厂。 印度Jindal公司建设一座年产DRI200万t的Danarex装置，用煤制气为还原剂，反应器直径7m,用60%一100%球团矿和0^40%块矿为原料，产品金属化率93%以上。‎ ‎1.4电弧炉炼钢的发展趋势 电弧炉炼钢工艺技术的发展可以从电弧炉炼钢技术和电弧炉装备技术两大方面进行推进 电弧炉炼钢技术的创新发展将来电弧炉炼钢技术的创新发展主要体现在以下四个方面:‎ ‎1)继续加强电弧炉的高效化生产操作 ‎ 为缩短冶炼周期，形成系统综合控制，采用先进技术保证钢质量最优、综合消耗最低的前提下，最大限度的缩短冶炼周期，包括:电弧炉以氮代氢全程底吹技术、低氮电弧炉钢生产技术、终点控制技术、优化供电技术、炉料结构优化和不延长冶炼周期的DRI, HBI加入工艺技术等。 2)优化生产工艺，降低生产成本 在钢铁生产中，成本是决定性因素，必须降低成本以促进电弧炉钢的发展。优化生产工艺，加强精细管理与操作，从优化炉料结构、降低钢铁料消耗、添加合金精矿和还原剂实现直接合金化、废钢渣的回收利用等方面入手，以追求工序成本和保障系统成本最低。 3)优化电弧炉炼钢流程 ‎ 要实现电弧炉的高效化生产，缩短冶炼周期是核心，而前提则是流程优化。例如我国安钢采用了高炉铁水一铁水罐扒渣一100t电弧炉脱磷一无渣出钢一转炉少渣吹炼一LF炉精炼一连铸接高线、型棒和2800mm中厚板轧机的流程，把车间现有超高功率电弧炉变成了铁水预处理炉。 4)优化品种结构，生产高附加值产品 对于电弧炉冶炼钢种的品种结构，目前主要的优化方向应着眼于:转炉流程不适合生产的高合金钢、高温合金和大锻件等;转炉流程能够生产目前在国内产量还不高的一些合金钢种;过去仅能用转炉流程生产的现代电弧炉亦能生产的一些品种，如高附加值的板材(薄板、中板、厚板);优质高碳钢(如预应力钢绞线、钢帘线)和低合金钢(如合金冷徽钢)等。‎ ‎1.5电弧炉装备技术未来的创新发展 ‎1.5.1 手段 ：‎ 首先，开发大容量的电弧炉变压器，进一步提升电弧炉超高功率水平和高阻抗技术。‎ 第二，继续加强清洁环保型电弧炉烟气余热回收装备技术的研发。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 第三，开发简单实用的电弧炉装备。第四，我国还需进一步完善和提高电弧炉操作控制系统。电弧炉炼钢工艺技术的发展应着眼于降低吨钢冶炼的综合能耗为中冶京诚营口中试基地100t国产化高阻抗超高功率电弧炉全冷料吨钢能量平衡图。‎ 电弧炉使用废钢为原料与使用高炉铁水的转炉相比，总能耗是高炉一转炉工艺的1/2}-1/3。从两种工艺排放出的COz气体污染源的数量看，电弧炉为641kg/t钢，高炉一转炉工艺为1922kg/t钢，是高炉一转炉工艺的1/3。同时电炉以废钢为原料也直接体现了金属材料的循环利用。从整个钢铁工业系统看，对一定规模的年产钢量，提高电弧炉钢比例，显然有利于循环经济。‎ ‎1.5.2我国正进人电炉炼钢高速发展时期 ‎ 随着超高功率电炉装备和配套技术的不断发展和完善，使电炉生产更具有原料适应广、生产效率高、产品质量好、消耗少、成本低、能灵活适应市场变化的明显优势。所以，世界各国从80年代兴起了“电炉小钢厂”的建设。日、美等西方工业国家，电炉钢所占的份额已近40 0o，美国计划从1996年至2000年增加电炉钢生产能力1370万t，为1995年生产能力的130. 9%，其时电炉钢生产能力将占总产钢能力的约4500。‎ ‎ 我国1995年的电炉钢产量是1810万t，占总钢产量的18. 99%。与1991年比较，在钢产量中所占的比率却下降了2. 我国1995年的电炉钢产量是1810万t，占总钢产量的18. 99%。与1991年比较，在钢产量中所占的比率却下降了2. 14 0 o。分析原因，主要是我国电炉炼钢装备与工艺技术长期处于落后状态。首先是炉容量过小、单位功率水平过低，现有电炉338。座，大约98%为30 t以下的小炉子，变压器单位功率绝大部分小于350 kV " A/t。由于容量小，无法配备炉外精炼设施，至今大多数还停留在熔化一氧化一还原的老三段模式中，因此导致冶炼时间长、生产能力低、消耗高、质量差、缺少市场竞争能力。‎ ‎ 当前许多地区正在建设新的电炉钢厂和改造原有工艺、更新装备、扩大规模等等，使我国从80年代后期开始加快了超高功率电炉炼钢车间的建设步 伐。至1996年已建成投产炉容量40150 t的超高功率电炉炼钢车间11个，设计生产能力460万ti年。目前还有15个超高功率电炉炼钢车间正在进行建设或设计，设计总生产能力约770万t/年。这些新建的超高功率电炉炉容量多数在70^"100 t，单位功率水平在600^1000 kV·A/t。电弧炉后步都配备有LF炉，或LF+VD等精炼装置，钢水全部连铸成坯，即几乎全部采用超高功率电弧炉一炉外精炼一连铸三位一体的优化工艺路线。因而在装备上、生产工艺上，都能达到国际上当代电炉的水平。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ 产品方案是工程建设的出发点和归宿，包炉工程也不例外。立项之初就需确定生产汁么品种。但电炉工程有一个特殊情况，即高线已经建成再上电炉，而且电炉主要是跟高浅配套的，因此在确定电炉品种方案时不得不将满足高线需要放在突出位置加以考虑，在某种意义上可以说高线的品种就是电炉要生产的品种。根据这一原则，我们确定了三分之一低碳钢，三分之一低合金钢，三分之一高碳钢的品种方案，见表 ‎【5】‎ ‎(1)电弧温度分布 ‎ 电弧温度及其分布对电弧的辐射能影响最大。电弧炉冶炼过程中，虽然电弧辐射传热的比例不大(应在电弧传热总量的10%左右，不会超过20%)，但仍不可忽视。将电弧区作了人为的放大，为了保证辐射总量的不变，电弧的总体温度应有所下降，通过对电弧区当量导热系数的调整即可做到这一点。电弧区温度呈现中心温度高、边缘温度低的趋势:但总体温度相对较低，中心最高温达到13000K，而Szekely对SOKA直流电弧的计算结果表明最高可达17000K以上，在保证扩大的电弧区辐射总量保持不变的前提下，本模型的计算结果是合理的。‎ ‎ 显示了体系温分布的动态变化过程。横坐标为电弧炉沿径向的位置，纵坐标轴为电弧炉的中心线，纵坐标表示电炉的高度，图中选取炉底耐材表面为高度的参照位置，高度设为0。各图对应的自通电起始的时间见表4-60图中1525℃等温线为近似的废钢液相线温度，该温度线内部的废钢区域为己熔化的钢液部分，外部为未熔废钢区或固液混合区。因为此时的模型尚未考虑钢液成分变化对液相线温度的影响，故不能对固液混合区的钢液量作理论上的准确计算，但从传热角度分析对整体的温度分布计算影响不大，因此基于1525等温线即可以直的 第二章关于电弧炉 。2.1电弧炉工作原理 ： ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 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.‎ ‎ 电弧炉由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2- 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最大可达45%。 严重影响电网的电能质量。‎ ‎2.2电炉流程与转炉流程比较，具有以下特点： ‎ ‎①电炉流程投资省，占地面积小，建设周期短； ‎ ‎②资源问题：随着国民经济的发展，铁矿石、焦煤等资源将日益匮乏，而废钢资源则会不断积累，因此从长远看电炉流程具有优势；‎ ‎③环保问题：电炉流程产生的CO2、NOx、SOx有害气等体量较高炉-转炉流程少；‎ ‎2.3电弧炉工艺流程： 电弧炉炼钢从整体可分为原材料的收集、冶炼前的准备工作、熔化期、氧化期和还原期五大阶段。 　　2.3.1原材料的收集 　　废钢是电弧炉炼钢的主要材料，废钢质量的好坏直接影响钢的质量、成本和电炉生产率，因此，对废钢有如下几点要求： 　　(1)废钢表面应清洁少锈，因废钢中沾有的泥沙等杂物会降低炉料的导电性能，延长熔化时间，还会影响氧化期去磷效果以及侵蚀炉衬。废钢锈蚀严重或沾有油污时会降低钢和合金元素的收得率，增加钢中的含氢量。 　　(2)废钢中不得混有铅、锡、砷、锌、铜等有色金属。铅的密度大，熔点低，不溶于钢液，易沉积在炉底缝隙中造成漏钢事故。锡、砷和铜，易引起钢的热脆。 　　(3)废钢中不得混有密封容器，易燃、易爆物和有毒物，以保证安全生产。 　　(4)废钢化学成分应明确，硫、磷含量不宜过高。 　　(5)废钢外形尺寸不能过大(截面积不宜超过150mm×150mm，最大长度不宜超过350mm)。生铁在电弧炉炼钢中，一般被用来提高炉料的配碳量，通常配入量不超过炉料的30%。 　2.3.2　冶炼前的准备工作 ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎　　配料是电炉炼钢工艺中不可缺少的组成部分，配料是否合理关系到炼钢工能否按照工艺要求正常地进行冶炼操作。合理的配料能缩短冶炼时间。配料时应注意：一是必须正确地进行配料计算和准确地称量炉料装入量。二是炉料的大小要按比例搭配，以达到好装、快化的目的。三是各类炉料应根据钢的质量要求和冶炼方法搭配使用。四是配料成分必须符合工艺要求。 　　一般冶炼方法对炉料中的主要元素含量要求如下： 　　(1)碳含量。炉料中含碳量应保证氧化期有足够量的碳进行碳氧反应，达到去气、去夹杂物的目的。配碳量根据熔化期碳的烧损、氧化期的脱碳量和还原期增碳量这3个因素来确定，要求炉料熔清时，钢中碳量高出成品规格下限0.3%～0.4%；但配碳量也不能过高，否则会延长氧化时间并使钢液过热。 　　(2)硅含量。含硅量一般不大于炉料的0.8%，过高会延缓钢液的沸腾。 　　(3)锰含量。一般钢种配料时对锰可不考虑，通常熔清后锰含量小于0.3%，否则也会延缓熔池沸腾。 　　磷和硫含量原则上是越低越好。通常熔清后，磷的含量应小于0.05%。 　　为使炉内炉料密实，装料时必须把大、中、小料合理搭配，一般小料占15%～20%，中料占40%～50%，大料占40%。 　　进料前炉底应先铺占料重1.5%左右的石灰，以便提前造好熔化渣，有利于早期去磷，减少钢液的吸气和加速升温。 　　装料时应将小料的一半放入底部，小料的上部、炉子中心区放入全部大料、低碳废钢和难熔炉料，大料之间放入小料，中型料装在大料的上面及四周，大料的最上面放入小料。凡在配料中使用的电极块，应砸成50mm～100mm左右，装在炉料下层。 　　总之，布料应做到：下致密、上疏松，中间高，四周低，炉门口无大料；使得穿井快，不搭桥。 　　熔化期 　　在电弧炉炼钢工艺中，从通电开始到炉料全部熔清为止称为熔化期。熔化期约占整个冶炼时间的一半左右，耗电量占电耗总数的2/3左右。 　　熔化期的任务是在保证炉体寿命的前提下，用最少的电耗快速地将炉料熔化升温，并造好烧化期的炉渣，以便稳定电弧，防止吸气和提前去磷。 　　(1)启弧阶段。通电启弧时炉膛内充满炉料，电弧与炉顶距离很近，如果输入功率过大，电压过高炉顶容易被烧坏，所以一般选用中级电压和输入变压器额定功率的2/3左右。 　　(2)穿井阶段。这个阶段电弧完全被炉料包围起来，热量几乎全部被炉料所吸收，不会烧坏炉衬，所以使用最大功率，一般穿井时间为20min左右，约占总熔化时间的1/4。 　　(3)电极上升阶段。电极“穿井”到底后，炉底已形成熔池，炉底石灰及部分元素氧化，使得在钢液面上形成一层熔渣，四周的炉料继续受辐射热而熔化，钢液增加使液面升高，电极逐渐上升。这阶段仍采用最大功率输送电能，所占时间为总熔化时间的1/2左右。 ‎ ‎　 (4)熔化末了阶级。炉料被熔化3/4以上后，电弧已不能被炉料遮蔽，3个电极下的高温区已连成一片，此时如长时间采用最大功率供电，电弧会强烈损坏炉盖和炉墙。 　　熔化期的主要任务是熔化炉料，但是在熔化期既是造好炉渣，也是熔化期的重要操作内容，如果仅为满足覆盖钢液及稳定电弧的要求，只需1%～1.5%的渣量就已足够了，但从脱磷的要求考虑，熔化渣必须具有一定的氧化性、碱度和渣量。 ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎　　氧化期 　　1 氧化期的主要任务 　　氧化期的主要任务如下： 　　(1)继续氧化钢液中的磷。一般钢种要求氧化期结束时钢中磷含量不高于0.015%～0.010%，炼高锰钢时由于锰铁中磷含量较高，应控制得更低些。 　　(2)去除气体及夹杂物。氧化期结束时，钢中氮气量降低到0.004%～0.01%，钢中氢含量降到0.00035%左右，夹杂总量不高于0.001%。 　　(3)使钢液均匀加热升温，氧化末期达到高于出钢温度10℃～20℃。 　　矿石氧化法是利用铁矿石中含有80%～90%的高价氧化铁加入到熔池中后，转变成低价氧化铁(Fe2O3 Fe=3FeO，Fe3O4 Fe=4FeO或Fe3O4=Fe2O3 FeO)。低价氧化铁一部分留在渣中，大部分用于钢液中碳和磷的氧化。 　　为达到良好的去磷效果：炉渣中FeO含量为12%～20%，R为2～3，流动性良好；适当偏低的温度，加强钢渣的搅拌。 碳的氧化：炼钢过程中碳的氧化反应是一个非常重要的反应，并有利于整个熔池的迅速加热，有利于钢液成分的均匀化。具体步骤如下： 　　FeO=Fe O，O C=CO， 　　总的反应FeO C=Fe CO。 　　所以矿石法的氧化过程为：矿石加入炉内，在渣中转变为FeO，然后扩散到钢液中去，并分布于整个熔池中。碳和氧在气泡容易生成的地方进行反应，生成CO气泡，CO脱离反应区上浮，在上升过程中逐渐长大，并进入炉气，造成熔池的激烈沸腾。为加快脱碳速度，氧化期加矿温度应大于1550℃。 　　总之，矿石脱碳操作应该是：高温、薄渣、分批加矿、均匀激烈的沸腾。 　　2 氧化期操作要点 　　(1)熔清后取样及测温(温度不低于1550℃)。 　　(2)氧化、测温符合要求，渣况良好即可分批加矿，每批加矿石量不得超过料重的1.0%～2.0%，每批间隔时间需大于5min。 　　(3)脱碳速度(V)每小时大于或等于0.06%；脱碳量为ΔC≥0.30%。 　　(4)调整渣况。当氧化沸腾开始，采用流渣要求炉渣R=2～3，炉内渣量控制在3%～4%。氧化期后阶段，应使炉渣流动性好，渣层要薄、渣量控制在2%～3%左右。 　　(5)期中取样分析及控制终点碳。为了掌握磷、碳氧化程度，在沸腾开始流渣两批后，应及时取样分析碳和磷的含量，以便决定下步操作。 　　(6)温度控制。氧化期总的来讲是一个升温阶段，升温速度的快慢根据钢液磷的情况而定。到氧化期时必须使钢液温度升高到大于该钢种出钢温度的10℃～20℃。 　　(7)净沸腾。当温度、化学成分合适，就停止加矿，调整好炉渣，让熔池进入自然沸腾(5min～10min)，使钢液中的残余含氧量降低，并使气体及夹杂物充分上浮，以利于还原期的顺利进行。 　　(8)扒渣。氧化期，炉渣中FeO含量很高，又含有P2O5为了还原期脱氧及防止回磷必须扒渣，扒渣的条件是扒渣温度高于出钢温度10℃～20℃；扒渣前碳、磷及其他限制性成分应符合要求。 　　(9)增碳。如果氧化末期碳含量过低需增碳，可在扒渣后裸露的钢液面上撒加纯净、干燥的碳粉，进行增碳。 　　还原期 　　氧化期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。主要任务是脱氧、脱硫、控制化学成分、调整温度。还原期的操作工艺如下： ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎　　(1)扒渣后迅速加入薄渣料以覆盖钢液，防止吸气和降温。造稀薄渣m(CaO)∶m(CaF2)=3∶1。 　　(2)薄渣形成后进行预脱氧，往渣面上加入碳粉2.5kg/t～4kg/t，加入后紧闭炉门，输入较大功率，使碳粉在电弧区同氧化钙反应生成碳化钙。‎ ‎(3)电石渣形成后保持20min～30min，渣子变白，同时注意钢液的增碳。‎ 第三章电弧炉炼钢车布置方式 ‎3.1电炉车间设计方案 电炉炼钢车间设计与建设的基础材料 ‎3.1.1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，水路运输及地区公铁路的现状与发展计划；‎ ‎5）当地气象，地质条件；‎ ‎6）环境保护的要求；‎ 在上述各项主要建厂条件之中，原材料条件对于工艺设计的关系尤为密切重要。‎ ‎3.1.2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。确定工艺制度的主要依据是产品大纲所规定的钢种，生产规模，原材料条件以及后步工序的设计方案。‎ ‎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。‎ ‎3.2电炉炼钢车间的组成 炼钢车间是刚出整个生产系统的一个组成部分。而炼钢车间本身除工艺流程上主要工序——配料、熔炼、浇注之外，尚要有与之配合的必不可少的辅助设施，诸如原料准备、储存与供应、动力设施等，共同组成一个生产部门，但它们的设置与领导关系可能依生产厂家的管理体制而不同。车间各个组成部分应根据生产规模、工艺流程、厂区条件、厂内外协作与原料供应情况确定合理的电炉炼钢车间组成。应视具体情况在下列一般组成中兼并取舍，以满足生产需要为准，可适当简化各种设施的是指与管理系统。完整的车间组成应包括：‎ （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（预热、烘烤等）；‎ （3） 铁合金及散状材料间；‎ （4） 钢锭、坯检验与精整跨间；‎ （5） 钢锭、坯存放场地；‎ （6） 中间渣场；‎ （7） 机电修间及快速分析室；‎ （8） 炉衬制作与各种备件修理场地；‎ （9） 耐材库、备件备品库、车间变、配电室；‎ （10） 水处理、烟气净化设施及车间管理、生活服务设施。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎3.3电炉各车间的布置情况 由于时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：此跨主要是为各种废钢，耐火材料，散装料等提供场地。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，合金料和散装料的烘烤区；另外设有两台高架行车，以备装料使用。‎ 2） 炉子跨：配以一台100吨的超高功率的偏心底出钢电弧炉；炉体砌修区，炉盖修理区，耐火材料干燥室；电炉装料配置，电炉变压器房，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。另外，设有LF精炼炉。还有钢包烘烤区，修理区，中间包修理区及烘烤区，结晶器修理区；若干钢包车负责钢水的供应工作；由于运输量大，设有两台行车进行钢包的调运工作。‎ 3） 过渡跨：此跨主要作用是实现炉子跨河连铸跨的过渡，使炉子跨冶炼的钢水能够顺利浇注，并且为事故模铸的场地。‎ 4） 连铸跨：此跨主要是进行钢坯的凝固工作。连铸机是精炼跨和连铸跨的联系纽带，两跨间相同。还设有连铸机备件，备品检修区，良锭存放区，缓冷去，铸坯精整等。‎ ‎3.4 炉料入炉与送电 ‎ ‎ 3.4.1、炉料入炉 ‎3.4.2送水：炉料入炉后，在送电前应对炉盖、电极、水冷系统、机械传动系统、电气设备等进行检查，如发现故障要及时处理，以免在冶炼过程中造成停工；还应检查炉料与炉门或水冷系统是否接触，如有接触要立即排除，以免送电后被击穿。如电极不够长时，最好在送电前更换，如接头位置松动，应先拧紧，以利于一次穿井成功，减少冶炼过程中造成停工现象。 为维护玩具商品的安全卫生，保障儿童生命健康安全，国家有关部门根据有关法律法规规定，决定自2006年3月1日起，对童车、电玩具、塑胶玩具、金属玩具、弹射玩具、娃娃玩具实施强制性产品认证。自2007年6月1日起，这六类产品凡未获得强制性产品认证证书和未加贴中国强制性认证标志的，不得出厂、销售、进口或在其他经营活动中使用。‎ 第四章 建设所选电弧炉炼钢工程的必要性和可行性分析 ‎ 现代大型超高功率炼钢电弧炉，由于其容量大，是用电大户，对电网的影响具有举足轻重的作用。它具有功率因数低，无功波动负荷大且急剧变动，产生有害的高次谐波电流，三相负荷严重不平衡产生负序电流等对电网不利的因素，使得电网电能质量恶化，危及发配电和大量用户，也影响电炉自身的产量、质量，使电耗、电极消耗增大，从而成为电网的主要公害之一。现在有关大型电炉对电网公害抑制的研究也正在深入开展，有必要对其不利影响和抑制对策作一概述性的分析。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎4.1 现代大型电炉对电网的影响 ‎4.1.1 引起电网电压急剧波动 ‎ 大型电炉在打孔期和熔化期电弧长度急剧变化，引起无功负荷急剧波动，其工作短路功率为电炉变压器额定功率的两倍左右，其最大波动无功为电炉变压器额定功率的1.5倍左右（具体倍数取决于短网阻抗、电炉变压器阻抗、供电系统阻抗之和的大小，总阻抗大则工作短路倍数小，反之则大）。无功的急剧波动，引起电网电压的急剧波动，其波动频率一般为1~15Hz，使灯光和电视机屏幕产生闪烁，使人视觉疲劳而感到烦躁，此外还影响到晶闸管设备和精密仪表等的稳定运行，甚至产生质量事故。国标GB12326-2000《电能质量 电压允许波动和闪变》规定了电力系统公共供电点各级电压等级的电压波动和闪变允许值。‎ ‎4.1.2 使电网电压波形产生畸变 ‎ 电炉在熔化和打孔期，电弧电流是不规则的，且急剧变化，其电流波形不是正弦波，可分解为2次和2次以上的各次谐波电流，主要为2~7次，其中2次和3次最大，其平均值可达基波分量的5%~10%，最大可达15%~30%；4~7次平均值为2%~6%，最大值可达6%~15%。而电网中的铁磁元件也产生高次谐波，以3次和5次谐波电流较大，其中3次分量最大，而电炉刚好也是3次谐波电流很大，这对电网是极为不利的。谐波电流流入电网，使其电压波形发生畸变，引起电气设备发热、振动，增加损耗，干扰通信，使电力电缆局部放电绝缘损坏，电容器过载损坏等，国家标准GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定了电压波形畸变率限值。‎ ‎4.1.3 使电网电压产生负序分量 ‎ 电炉在熔化期，特别是打孔期，各相电弧电压是独立变化的，三相电弧各自发生急剧无规则变化，故其三相电流是不对称的。在正常生产情况下，产生的负序电流约为电炉变压器额定电流的25%左右；在不正常情况下，如一相断弧时，可达56%左右，如两相短路的同时，第三相又断弧，此时可达86%左右。负序电流流入电网，使电网电压产生负序分量，影响发电机和用电设备使用效果，严重时可能造成损坏，还会使继电保护误动作，其严重程度一般用不平衡度（即负序电压与正序电压分量之比的百分数）表示，国标GB/T15543-1995《电能质量 三相电压允许不平衡度》对于对称三相电网规定：负序电压不大于2%，短时不超过4%。一般来讲，在电网公共连接点上的短路容量为电炉变压器额定容量的30~40倍以上时，电网是允许的，否则应采取使三相达到平衡对称的补偿措施。‎ ‎4.1.4 引起电网电压水平降低 ‎ 电炉在熔化期功率因数低于0.7，在发生工作短路时甚至低到0.1，在精炼期大型电炉功率因数也不高，一般为0.8左右。由于功率因数低，感性无功功率大，从而引起电压水平降低，影响用电设备出力，增加电能损耗，按供用电规则的规定，必须采用无功补偿措施在高峰负荷时把功率因数提高到0.9以上，但又不得超前。‎ ‎ 上述电炉对电网影响的四个方面，有时是单独作用的，有时是综合的。‎ ‎4.2 大型电弧炉对自身及电气设备的影响 ‎4.2.1 对接在电炉供电电源电压等级上的小型发电机的影响 ‎ ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ 以具有代表性和典型意义的某钢厂超高功率电炉为例。该电炉是由一座220/110kV变电站的110kV电压供电，在110kV系统中接有某一小电厂，在电厂中装有3台1500kW水轮发电机。在电炉进行正常生产时，电厂发电机出现频繁振动，每次振动连续时间短的几十秒，长的达几分钟，一天振动最多达20多次。作发电运行时（惯性大）振动小，作调相运行时（惯性小）振动大。在振动时发电机定子三相电流幅值不平衡且波动很大，同一相电流相对波动达20%，三相电流之间相位偏差也在波动（约3°~ 4°），三相电流电压幅值包络线的波动频率为0.33~0.4Hz，电压和电流包络线正好反相位。机架上有一机械振动信号与电压波动频率相同（即共振）。上述情况说明发电机的低频振动是由电炉的无功波动、三相负荷不平衡、波形畸变综合作用形成的，而起主导作用的是无功波动。这是由于110kV系统该小电厂与电炉的电气距离最近，因此电炉对其有显著影响，不仅引起发电机振动，而且三相负荷不平衡还引起转子轴系产生曲扭，对轴产生不利影响，谐波电流使转子绕组铁心产生附加损耗，引起局部过热。‎ ‎4.2.2 对负序继电保护的影响 ‎ 该电炉投产后，SVC装置尚未投入运行，变电站110kV系统距离保护装置的负序继电保护部分产生误动作，不得已只能退出运行。‎ ‎ 功率因数低，降低输送功率，增加网损 ‎ 电炉熔化期功率因数只有0.7，冶炼周期平均功率因数只有0.79。在熔化期如果功率因数提高到规定值0.9，则网络可多输送11.6MW有功功率。而功率因数为0.7，就相当于使网络降低了11.6MW的有功输送能力，按平均网损8%计算，多送无功造成的网损为928kW，年电能损耗达372MWh，电费为81.6万元。‎ ‎ 影响冶炼质量和效益 ‎ 电炉变压器的直接用电电压为35kV，在电炉熔化期、打孔期，当SVC未投入时，母线上的电压波动为8%~14%，取10%计算，电炉出力降低19%，即使取8%计算，电炉出力也降低15.4%，熔化时间就要延长，至少要降低8%的产量。‎ ‎ 电压波动再加上35kV母线上电压畸变率(3.3%~5.9%)的影响，炉况不稳定电极升降调节频繁，使电极消耗增加，电力单耗增加，影响电炉自身的电能质量，从而对冶炼质量不利，经济效益会降低。另外，电炉投入运行后，由于功率因数低，在SVC装置未投入前，每月罚款6万元，一年就达72万元。‎ ‎4 抑制途径 ‎ 抑制大型电弧炉对电网及其自身的影响的途径有： ① 提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内； ② 采用SVC装置，使其对电网和自身的影响在允许范围内。这两种途径相比，途径 ① 是治标的办法，因为电炉对电网和自身的影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压等级的电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会达到电网不能接受的程度，反而增加了对广大用户的影响，因此，使用范围越来越小；而途径 ② 是治本的办法，它使电炉对电网和自身的影响的各种量值大部分就地消除了，其应用前景广阔。‎ ‎ 近年来发展起来的SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持电弧炉等冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定[2]。即 ‎ Qi=QD+QL-QC (1)‎ 式中 Qi为系统公共连接点的无功功率；QD为负荷所需的无功功率；QL为可调（可控）电抗器吸收的无功功率；QC为电容器补偿装置发出的无功功率，单位均为kvar。‎ ‎ 当负荷产生冲击无功DQD时，将引起 其中DQC =0，欲保持Qi不变，即DQi =0，则DQD = -DQL，即SVC装置中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整，此时电压水平能保持恒定不变。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ SVC由可控支路和固定（或可变）电容器支路并联而成，主要有四种型式，其基本结构如图1所示。‎ ‎ 近几年来，用于电炉的SVC静补系统逐步得到改善，实践证明行之有效的有以下4种型式。‎ ‎ （1）晶闸管控制空芯电抗器型 ‎ 即TCR型，见图1(a)，该类型SVC具有反应时间快（5~20ms），运行可靠、无级补偿、分相调节、能平衡有功、使用范围广、价格便宜等优点。因此工业发达国家的主要电气设备制造公司都生产和积极推广这种装置，应用最广，使用例子是大量的，是发展的主流，正如专家撰文所总结的“尤其在控制电弧炉负荷产生的闪烁时几乎都采用这种型式”。但是这种装置由于采用了先进的电子和光导纤维技术，对维护人员要专门培训以提高维护水平。并且设计时要预留一定的过载能力。‎ ‎ （2）晶闸管阀控制高阻抗变压器型 ‎ 即TCT型，见图1(b)，该类型SVC优点与TCR型差不多，但高阻抗变压器制造复杂，谐波分量也略大一些（因阻抗最大只能做到85%，起始控制角较TCR型大，不能达到谐波量较小的起始控制角），并约有50dB左右的噪声，由于有油，要求一级防火，只宜布置在一层房子内或户外，容量在30Mvar以上时价格较贵，而不能得到广泛应用，故最早研究推广应用TCT型的国外电气商现在也不推荐TCT型了。‎ ‎ （3）晶闸管开关控制电容器型 ‎ 即TSC型，见图1(c)，这种类型SVC的特点是反应时间快（10~20ms），能分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波、损耗小，但是它是有级调节，综合价格较高，因而也未得到广泛应用。在380V低压配电系统中应用较多。‎ ‎ （4）自饱和电抗器型 ‎ 即SSR型，见图1(d)，SSR型SVC装置由于原材料消耗大，噪声大，补偿不对称电炉负荷自身产生较多谐波电流，不具备平衡有功负荷的能力，加上制造复杂等因素，在近阶段的应用日趋减少。‎ ‎5 滤波装置 ‎ 该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次及以上次谐波形成低阻抗通路，达到抑制高次谐波的作用。由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响[3]。‎ ‎ 国际上用于大型炼钢电弧炉的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。‎ ‎ （1）单调谐滤波器 ‎ 一阶单调谐滤波器见图2(a)，优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2~7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器见图2(b)，当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20%~50%，属节能型，滤波效果与二阶单调谐滤波器等效。三阶单调谐滤波器见图2(c)，是损耗最小的滤波器，但组成复杂，投资也高，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。‎ ‎ （2）高通（宽频带）滤波器 ‎ ‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ 一般用于某次及以上次的谐波抑制，见图2(b)。当在电弧炉系统中采用，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波形成低阻抗通路。‎ ‎ 用于大型电炉的滤波器组合最基本的有两类： ① 用3~5组单调谐滤波器组成； ② 由2~4组单调谐滤波器和一组二阶宽频带滤波器组成。第 ① 类组合对高次谐波滤波效果要差一些，但电能损耗低些；第 ② 类组合对高次数滤波效果好，分工也明确，设计也简单容易些。两者组合各有优缺点，总的发展趋势是在滤波效果好的前提下减少组数以节省占地和投资，又要尽可能优化组合以节省电能损耗。‎ ‎ 除了在扰动严重的场合必须采取以上外部抑制措施外，还可在闪变水平并不很高的许多情况下，通过改善电弧炉的运行条件即可对电压闪变进行有效控制，如优化电弧炉的电气参数；在关键时刻修订电力使用计划；在一定时期改变电弧长度；改善废钢装载作法；采取预热、吹氧、添加助燃物质等措施[4]。‎ ‎6 结语 ‎ 综上所知，TCR型SVC是在电弧炉上得到广泛应用的主流型式，是发展的主流。我国SVC在电弧炉的应用情况也是如此，如广州钢厂、韶关钢厂、珠江钢厂、天津大无缝钢管厂、福建马尾中钢厂、齐齐哈尔钢厂等的电弧炉全是不谋而合地引进了TCR型SVC，在电弧炉上采用国产SVC装置，且现已投入运行的有大冶钢厂双50t高功率电炉、辽宁东洋钢厂等。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 电弧炉车间设计 ‎1.1电炉车间计算 ‎1.1.1电炉容量 在进行电炉炉型设计之前首先要确定电弧炉的容量和座数，它主要与车间的生产规模，冶炼周期，作业率有关。‎ 在同一车间，所选电炉容量的类型一般认为不超过两种为宜。座数也不宜过多，一般设置一座或两座电炉。为了确定电炉的容量和座数，首先要估算每次出岗量q：‎ 式中 Ga—车间产品方案中确定的年产量，100t；‎ τ—冶炼周期，55min=0.917h；‎ η—作业率，×100%‎ 本设计取90%；‎ Y—良坯收得率，连铸一般95%~98%,本设计取98%；‎ 带入数据计算得 q=120t。‎ 根据估算出的每次出钢量选取HX2-100系列一座，以下是主要技术性能：‎ 型号 额定容量/t 最大容量/t 变压器容量/(kVA)‎ 熔池尺寸/mm 炉壳直径/mm 炉膛直径/mm 二次电压/v HX2-100‎ ‎100‎ ‎110‎ ‎32000‎ ‎5300×1220‎ ‎6400‎ ‎5400‎ ‎440~180十三级以上 ‎1.1.电炉车间生产技术指标 ‎（1）产量指标年产量100t； 小时出钢量：‎ ‎(2)质量指标钢坯合格率 98%; ‎ ‎(3) 作业率指标作业率：90%‎ ‎(4)材料消耗指标 a金属材料消耗 一般为废钢、返回废钢、合金料于脱氧合金。‎ b炼钢扶住材料消耗石灰、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动力热力消耗指标:主要为电能和各种气体和燃油等。车间设计产品大纲见下表：‎ ‎(5)连铸生产技术指标：连铸比铸，坯成坯率，连铸收得率 生产的钢种：主要生产Q215，年产量100吨，连铸坯尺寸选取200×200mm方坯；‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎1.2电弧炉炉型尺寸计算及变压器功率确定 ‎1.2．1电弧炉设计要求 电弧炉的整体设计是包括机械、电气、热工、冶炼、耐火材料等多门专业的工程。随着钢质量不断的提高，熔炼工艺在革新，也向炉子结构（包括耐火材料砌衬）提出了更高的要求。‎ 正确设计电弧炉应保证炉子生产率高，电能、耐火材料和电极的单位消耗低，同时应满足多品种的钢冶炼时冶金反应的顺利进行。‎ 为此必须考虑如下几个方面：‎ ‎（1）选定大功率变压器；‎ ‎（2）提高热效率和电效率，即保证少的热损失和电损失；‎ ‎（3）采用高质量耐火材料砌筑炉衬；‎ ‎（4）炉子各部分的形状、尺寸和结构设计合理，钢与渣接触面积适当增大，以保证熔池中冶金反应顺利进行，提高钢质量；‎ ‎（5）炉子熔炼室容积应能一次装入中等堆比重的全部炉料；‎ ‎（6）炉子倾动30°～45°能保证全部钢液顺利流出。‎ 计算参数要求：‎ ‎1）求出炉内钢液和熔渣的体积，一般常以炉容量的公称吨位来进行计算；‎ ‎2）计算熔池直径和熔池深度；‎ ‎3）确定熔炼室直径和熔炼室高度；‎ ‎4）确定炉顶拱高和炉盖厚度；‎ ‎5）决定各部分炉衬尺寸和炉壳直径；‎ ‎6）决定变压器功率与电压级数和大小；‎ ‎7）求出电极直径；‎ ‎8）确定电极分布圆直径即三级心圆直径。‎ ‎1.3电弧炉炉型计算 电弧炉的内部可分为两大部分，在炉壁下缘以下容纳钢水和熔渣的部分称作炉缸，或部分炉缸以上的空间可容纳全炉或部分冷钢铁料并在此进行熔化，称作熔化室。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 熔池最好的形状是由截头圆锥和球缺组成的锥球型内型，炉坡倾角为45°（见图1）。这样的形状可保证炉料加速熔化，且易砌筑和修补方便，以及易于保持熔池形状。‎ ‎1.3.1炉缸尺寸计算 确定钢液面的直径是由下面的经验公式计算的 钢液的体积 ：V=GV。 (1-1)‎ 式中 G——炉子额定容量，t ‎ V。——一吨钢液的体积，m3/t，V。=0.14m3/t。 ‎ 钢液面直径： D=2.0C m (1-2) ‎ 式中 C=0.875+0.042 (1-3)‎ 钢液面直径D和钢液深度H的比值是确定炉型尺寸的基本参数，通常=3.5～5。次比值愈大则增大渣——钢接触面积，有利于钢水精炼，所以，炉中还原精炼期较长的工艺宜取≈5,较短的精炼期取3.5～4，此处选取=5。‎ 炉渣的质量为钢水量的7-8%，体积可取钢液的体积的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，减轻炉渣对炉坡连接缝处的侵蚀。所以炉缸上缘直径（或熔化室直径）DB为：‎ DB=D+0.1～0.2 （1-4）‎ 球缺弦长 d=D-2*（H-h1） （1-5）‎ 电弧炉容量是100吨，根据式（1-1）到（1-5）可求出 钢液面直径 D=3.8535m≈3850mm 钢液深度 H=0.7707m≈770mm 熔化室直径（下部） DB=4.0035m≈4000mm 球缺高度 h1=154.14mm 球缺弦长 d=2621mm 渣层厚度 75mm ‎1.3.2熔化池尺寸 ‎1.3.2.1、炉壁高度 熔化室的高度即为炉壁的高度，可按表(1-1)所列范围选取。‎ ‎ ‎ 表格 1-1电弧炉炉壁高度计算值 炉子容量，t 炉壁高度H1,，m 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎0．5-6.0‎ ‎0.5-0.45DB ‎12-50‎ ‎0.45-0.40DB ‎100-400‎ ‎0.38-0.34DB 由于电炉容量为=100吨，所以选取炉壁高度：‎ H1=0.34DB (1-6) ‎ 则H1=1.3612m≈13612mm 熔化室的容积加上炉缸的容积应能容纳一炉所需废钢铁料，在合理的配料比其中重型、中型废钢占有较大比例时，按表1-1所定熔化室容积是合适的。但使用轻型废钢较多时，必须二次或三次装料才能完成，势必加长熔化时间，增加熔化电耗。‎ ‎1.3.2.2、熔化室上部直径 采用耐火材料炉壁，特别是散装料与粘结剂打结炉壁时，一般用大块打结砖，内壁作成向外倾斜，这样，炉壁上部的厚度减薄，耐火材料消耗减少，炉壁稳定且易于修补，同时使熔化室容积增大，可多装比重轻的炉料。‎ 将炉壁做成倾斜式的，倾角ß≈6°。从而可得熔化室上部直径；‎ D1=DB+2H1tanß （1-7）‎ 则D1=4.841m≈4841mm ‎2.3炉顶 ‎1、炉顶拱高h3‎ 炉顶拱高h3与熔化室直径D1的关系：‎ ‎=～（因炉顶砖材质不同而异）‎ 电炉炉顶用砖多为高铝质专用型砖，‎ 则取h3=D1=4841*9≈538 mm （1-8）‎ ‎ 2、炉顶厚度δR是按耐火材料的热阻计算和实际经验决定的，推荐如下：‎ 对20t以下的炉子 δR=230mm 对20t及20吨以上的炉子 δR=300mm 对100吨以上的炉子 δR=350mm 砌炉顶时，砖缝小于2mm，砖与砖高低凹凸差小于5mm，以“人字形”砌法最为普遍。‎ 所以这里采用炉顶厚度δR=350mm。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎2.4炉壳直径和炉衬厚度 ‎1、炉壁 炉壁厚度是指D，平面上的厚度，即炉壁的最大厚度。该厚度通常可按耐火材料的热阻计算而定。计算所依据的条件是炉子在操作末期炉壳被加热的温度不得超过1500～200°C，以免炉壳变形。计算指出，炉衬厚度对热损失的影响只在一定范围内是显著的。‎ 在用砖砌筑炉壁时必须考虑标准砖尺寸。通常，对于10～40t的炉子，炉衬耐火砖层厚度为345mm，绝热层厚度为75mm。‎ 对于所设计的炉子，耐火砖层厚度取为345mm，绝热层厚度取为75mm，于是可求出炉壳内经为：‎ Dh1==DB+2δh1=4003.5+2*(345+75)=4840mm 炉壳钢板厚度: ‎ ‎ δh=Dh1==24.2≈25mm 则炉壳外径为：‎ Dh2=Dh1+2δh=4840+2*25=4890mm ‎2、炉底 ‎（1）对炉底结构的要求 能耐温度的急剧变化；具有高温度下抗冲击的性能和抵抗炉渣冲刷的作用；有足够的热阻，使熔池内上下温度比较均匀。为满足以上的要求，炉底应由砌砖层和打结层组成，砌砖层下部要有较低的导热性。‎ ‎（2）炉底各层的厚度 炉底的总厚度应由热量计算来确定，近似等于熔池深度。可采用表2-1推荐的数据。‎ 表格 2-1 炉底厚度推荐 炉子容量，t 炉底总厚度，mm ‎0.5～6‎ ‎450～500‎ ‎12～50‎ ‎500～750‎ ‎100～200‎ ‎800～1000‎ 对所设计的炉子，炉底厚度取为800mm。当装有电磁搅拌设备时，炉底厚度应减薄10～15%。‎ ‎2.5加料门及出钢口的尺寸 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎1、加料门尺寸 中小型电炉只有一个加料门和一个出钢口，它们处于相对的位置。大于80t的炉子最好装两个加料门，有正门（对出钢口）和侧门，一般正门和侧门成90度布置。‎ 加料门尺寸应便于观察炉况、修补炉底和炉坡，应能使加料机的料斗自由地伸入炉内面碰不到炉门柱和炉门拱的衬砖，应能顺利地取出破断的电极，同时应能方便吹氧。‎ 加料门宽度近似等于熔炼室直径的0.3倍，对于炉顶装料的炉子可以将炉门宽度减小为熔炼室直径的0.1倍。工作台至炉门距离一般为700mm。有的资料介绍，炉门宽B=(0.2～0.3)DB=，炉门高h=(0.75～0.85)B,可作参考。‎ 对所设计的炉子设一个加料门，其尺寸为：‎ 炉门宽度 4000*0.25=1000mm 炉门高度 1000*0.8 =800mm ‎2、出钢口，出钢槽 炉子的出钢口是一个圆形洞孔或修砌成方形（或长方形）,直径为120～150mm（有的资料介绍，直径150～200mm）。出钢槽采用角钢或棉板作成，断面为槽形，固定在炉壳上，且上倾10°～12°。槽内用高铝砖或用沥青浸煮过粘土砖砌成，目前大多数采用预制整块的流钢槽砖，衬质有用高铝砖、铝镁质、高温水泥质捣打成型。在保证出钢到包中的情况下出钢槽应短一些好，通常为1～2m，最长不超过2.5m。‎ ‎3、炉子的变压器功率及电极参数确定 ‎3.1 炉子的变压器功率 在电弧炉的整个熔炼过程中，各个阶段所需要的能量不同，应根据炉内的温度情况，即热负荷的程度，以及熔炼操作对电能的要求来供给。‎ 确定变压器功率，应考虑两个方面：每日的生产率最大，单位炉料电能消耗应最小。目前通常是以每1000KVA变压器功率每昼夜的合格产量定为炉子的生产率标准。下面是对已知装入量的电炉根据熔化时间要求来计算所需供电功率，即变压器容容量：‎ ‎ P= （2-1）‎ 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≈410kWh/t；‎ ‎ G————电炉装入量，100t；‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎ tm________预期熔化时间，h；当决定变压器功率时，熔化期时间应采取 1～1.5h。较小的数值适用于小容量电炉。‎ ‎ cosφ————熔化期平均功率因数，一般功率电炉取0.82～0.85，超高功率电炉取0.70；‎ ‎ η————变压器有功功率的热效率，η=0.75～0.80；‎ ‎ N————熔化期变压器功率平均利用系数，N=1.0～1.2。‎ 则对于所设计的炉子，所需变压器的功率为：‎ ‎ P=410*100÷（1*0.85*0.8*1.1）=54813KVA 可选用25000KVA变压器 ‎1.4电压级数 为了熔炼的正常进行，应在熔炼的各个时期使用不同的电力及不同长度的电弧，以满足工艺的要求。在功率一定时，工作电压提高可以减小电流，因而可提高ηel及Cosψ。‎ 选择最高一级二次电压，有如下经验公式：‎ 对碱性电炉 U=15·Prat1/3；‎ 对酸性电炉 U=70+15·Prat1/3‎ 熔炼过程还原期用较低级的二次电压，一般不高于120～180V，因电压高则电弧长，从而造成炉顶炉墙上热负荷加大，对炉衬寿命和钢的质量有不利影响。‎ 电压级数决定与最高一级电压和各个冶炼期对炉子供给电能的不同要求，一般为：‎ 最高级电压（V） 200～250 250～300 320～400 ＞400‎ 二次电压级数 2～4 4～6 6～8 8～18‎ 电压级数的一半用高压绕组三角形联接获得，另一半用星形联接获得。‎ 对100t炉子，其最高级工作电压为：‎ U=15·400001/3=513V 采用8级电压，中间各级电压为：‎ 三角形联接 ‎ 1级 513V 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎2级（513×0.85） 436V ‎3级（436×0.85） 370V ‎4级（370×0.85） 315V 星形联接 ‎ 5级（513/31/2） 296V ‎ 6级（436/31/2） 252V ‎ 7级（370/31/2） 214V ‎ 8级（315/31/2） 182V ‎1.5电极直径 电弧炉多半采用直径600mm以下、长2500mm以下的圆形截面石墨电极。石墨电极是用石油焦或沥青焦和煤焦油制成的。每根电极之间采用石墨端头联接，以保证接合处紧密。每相电极一般由2-3根组成然后把它安装到炉上。‎ 电极具有很大的比电阻，当电流流经电极时发热，此时约有8%的电能损失。一般采用大直径的电极，以降低电极上的电流密度，从而减少电能损失。但当电极直径增大时，电极表面积增大，又会散失更多的热量。因此电极直径应有合适的值，以保证电极上的电流密度在一定范围内。另外为减少每吨钢的电极消耗，露出炉顶的部分对石墨电极其温度不允许超过500℃，而对碳素电极则不允许超过400℃。‎ 电极直径可按如下公式决定：‎ ded=[（0.406·I2ρed）/Ked]1/3 cm 式中： I为电极上的电流密度，A； ‎ ρed为石墨电极500℃时的电阻系数，Ω·cm。即ρed=10Ω·mm2/m；‎ Ked为系数对石墨电极Ked=2.1W/cm3。‎ 对变压器功率为54813KVA，二次电压为513V的条件下，电流密度为：‎ I=（103Prat）/（31/2U）=（1000×40000）/（31/2×513）=45019A 则电极直径为：‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ded=[（0.406×450192×10）/（2.1×104）]1/3≈73.18mm 于是，可以校核此电极电流密度为：‎ ‎45019/[（π/4）×54.02]=19.66A/cm3‎ 石墨电极的电流密度允许值，依直径不同而有所变化：‎ 电流直径，mm 100 200 300 400 500 600‎ 电流密度，A/cm2 28 20 17 15 14 12‎ 上述校核的电流密度显然是在允许范围内，因此可行。‎ ‎3.4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决定电极在炉中取得位置，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布置。电极分布圆直径与DB有如下关系：‎ DP/DB≤0.25～0.35‎ 则DP==0.3DB=0.3*4000=1200mm ‎.1.6表炉子跨间尺寸 电炉公称容量t 跨度m 吊车轨面标高m 工作平台标高m 车间布置方式 ‎5‎ ‎10‎ ‎20‎ ‎30‎ ‎50‎ ‎90‎ ‎18-21‎ ‎21-24‎ ‎18-21‎ ‎21‎ ‎24‎ ‎24‎ ‎9‎ ‎9‎ ‎14‎ ‎14-16‎ ‎18-19‎ ‎25.5‎ ‎4‎ ‎4-5‎ ‎5-6‎ ‎7‎ 纵向布置地坑式 纵向布置地坑式 纵向布置地坑式 横向布置高架式 横向布置高架式 横向布置高架式 ‎1.6出钢口偏心距E的确定 偏心度或叫偏心距，即出钢口中心到炉体中心的距离，用E表示。也有用偏心率（η）来表示的，η=E/(1/2Dk)。出钢口偏心距的确定，在满足出钢口填料与维护方便的条件下，应尽量小。主要考虑：一是减少出钢箱内（小熔池）与炉体内（大熔池）钢水温度与成分的不均匀性，有利冶炼操作；二是减少炉体的偏重。‎ 通过相关文献确定对于本设计120t电炉设计E=4.3m。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎1.7出钢箱切角 出钢箱切角，即出钢箱与炉体中心的夹角。出钢箱与炉体（壳）的连接要满足耐火材料能平滑过渡，故要求相切，其切角随着炉壳直径的增大而减小，90°~120°。本设计100t电炉取95°。7出钢箱高度 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，实现树立出钢及留钢、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砖均有石墨构成。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。‎ 为防止超装、熔池氧化沸腾炉体后倾及出钢不顺炉体后倾时，钢水较长时间接触水冷过桥与出钢箱水冷盖板而造成危险，希望出钢箱高度适当大些，但过高对出钢口的填料与维护及炉体的偏重不利。‎ 机械装置 为了保证无渣出钢，应避免出钢箱上部的钢水产生漩涡，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斜，回倾速度约为3°/s。‎ 偏心底出钢电弧炉，向炉门可倾动10~20°，向出钢口最大倾动15°，总倾动角度为25~27°。电炉应设倾动液压缸与倾动摇架结构 ‎ 散装材料、铁合金供应 ‎ 成分钢种 C Si P S P Cr Ni Cu Mn 碳工钢45#‎ ‎0.42~0.50‎ ‎0.17~0.37‎ ‎≤0.035‎ ‎≤0.035‎ ‎≤0.025‎ ‎≤0.25‎ ‎0.50~0.37‎ 弹簧钢T8‎ ‎0.75~0.84‎ ‎≤0.035‎ ‎≤0.030‎ ‎≤0.20‎ ‎≤0.30‎ ‎0.15~0.35‎ 不锈钢1Cr18Ni9Ti ‎≤0.12‎ ‎≤0.80‎ ‎≤0.035‎ ‎≤0.030‎ ‎8.0~11.0‎ ‎17~19‎ 配料计算配料任务在于确定炉料的化学组成及其配比。.‎ 合理利用返回钢，节约合金元素，减少消耗，缩短冶炼时间。‎ ‎|（1）配料原则 ‎1）配料的准确性即炉料成分准确 ‎2）合理利用废钢，废钢的化学成分符合所炼钢种要求，另外，当采用氧化法冶炼时，应大量使用普通废钢；而在采用返回法时，必须使用优质返回钢。‎ 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 使用废钢时，还应考虑其块度和单位体积重量，不同块度的炉料适宜的配比，轻薄废钢所占比例不宜过大。当废钢含碳量不能满足配碳要求或废钢来源不足时，可以配入部分生铁或废铁，其配比氧化法可达40%，返回法则约为10%。‎ ‎3）确定适宜的配料成分，配料成分由钢种成分、元素特性，冶炼方法和质量要求等确定，对于普碳钢和低合金钢应着重配好碳，而对于高合金钢则应着重配好几个主要的合金元素。‎ 碳：确定配碳量，应考虑熔化期的烧损，氧化期的脱碳量及还原期的增碳量。‎ 硅：氧化法熔炼时不认为配入硅，当化清钢时液含硅大于0.15%时，将会抑制沸腾，用返回吹氧法炼不锈钢时，适当提高炉料配硅量可以提高返回钢种的Cr的回收率，但不宜超过1.0%。‎ 锰：对于一般钢种，化清锰含量一般不做要求，但对于某些重要的结构钢，化清时锰含量应不大于0.2%，以免抑制沸腾，锰的烧损为50~60%。‎ 铬：用氧化法冶炼时，炉料中铬应尽量少，即使铬结构钢也是如此，冶炼高铬钢时，其配铬量，装入法按规定中下限配入，返回法则应低于下限。‎ 配料成分（%） 一般结构 轴承钢 工具钢 不锈钢 P ≤0.100 ≤0.040 ≤0.070 ≤0.050‎ S ≤0.100 ≤0.030 ≤0.060 ≤0.050‎ 电弧炉炼钢碳素废钢成分（%）‎ 种类 元素 C Si Mn Cr或Ni 低C钢 ‎0.25‎ ‎0.3‎ ‎0.5‎ ‎<0.4‎ 中C钢 ‎0.5‎ ‎0.3‎ ‎0.5‎ ‎<0.4‎ 高C钢 ‎0.75‎ ‎0.3‎ ‎0.5‎ ‎<0.4‎ 终插铝量（铝条含铝99%）‎ 低碳钢 [C]＜0.25% 插入铝量0.8~1.0Kg/t 中碳钢 [C]0.25~0.75% 插入铝量0.5~0.6Kg/t 高碳钢 [C]＞0.75% 插入铝量0.3~0.4Kg/t 配料量=装入量－铁合金总补入量－铁矿进铁量 矿石进铁量=矿石加入量×铁矿含铁量×铁的回收率 铁矿加入量一般按出钢量0.4%计算，铁矿含铁量约50%~60%，铁的回收率约为801%。‎ ‎ 出钢量=(120×6+20×6+120+150) ×0.9872=18598.848‎ 以T8为例计算 配料量 ① 铁矿石量=18598.848×0.4×10=74395.392‎ ② ‎95t ‎②铁矿石进铁量=74395.392×56%×88%=36662.0492t 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎③铁合金加入量 ‎（1）确定各种废钢配比 设碳素废钢为X吨，生铁加为Y吨。‎ X+Y+14394.766=423370.69‎ ‎0.5%+4.0%Y+0.45×14394.766=1.02%×423370.69‎ 得X=345869.496t Y=636106.428t 故本炉炉料的配比为：‎ 返回钢=17993.457t 中碳废钢=315168.692t 中碳废钢=315168.692t ‎ 生铁=85928.532t ‎（2)插铝 ‎ ‎ ‎ ‎(3)返回吹氧法配料计算 用返回吹氧法冶炼1Cr18Ni9，出钢210526.316吨，炉料综合回收率为96%。‎ 参考文献 ‎1、钢铁厂设计原理（下册） 李传薪 ‎2、现代电弧炉炉型及其炉体结构设计 阎奎兴 阎立懿 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书 ‎3、钢铁冶金学（炼钢部分） 陈家祥 ‎4、电弧炉——炉外精炼技术 朱文佳 李继宗 幸 超 ‎5、耐火材料应用 韩行禄 刘景林 ‎6专业资料和工程设计资料 致谢 内蒙古科技大学高等职业技术学院毕业设计说明书