100吨电炉设计方案

- 1 - 100 吨电炉设计方案 1、 绪论 1 1 电弧炉炼钢发展现状 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 t，其中电炉钢产量为 28352万 t，占钢总产量的 与 1995年相比，钢总产量增长 电炉钢产量增长了 2001 年，全世界钢总产量为 t，其中电炉钢产量为 t，占钢总产量的 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 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 2001年，我国的钢总产量为15163万 t，其中电炉钢产量为 t，电炉钢比为 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 601509座，总容量为 1645t。目前，我国投入运行的 509座，其中单炉出钢量 1000座。 1992 年我国电弧炉平均炉容量为 ， 2000年容量 501506 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 (并采取全连铸生产。一些钢厂还配有 现代炼钢方法主要为转炉炼钢法和电炉炼钢法。 电弧炉是继转炉、平炉 （现已淘汰） 之后出现的又一种炼钢方法，它是在电发明之后的 1900年，由法国的 赫劳特 在 拉巴斯 发明的。电弧炉是炼钢电炉的一种，也是目前世界上熔炼优质钢、特殊用途钢种的主要设备。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，- 2 - 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程中，美国曾用六支电极，由两台变压器供电，电弧炉为椭圆形。 电弧炉 是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。电弧炼钢炉的炉体由炉盖、炉门、出钢槽和炉身组成，炉底和炉壁用碱性耐火材料或酸性耐火材料砌 筑。电弧炼钢炉按每吨炉容量所配变压器容量的多少分为普通功率电弧炉、高功率电弧炉和超高功率电弧炉。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 。 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。 电弧炉炼钢得到迅速发展的主要原因： (1)废钢日益增多； (2)钢铁工业迅速增长。由于发电设备大型化和技术不断改进，可利煤用部分劣质粉发电，电的供应和价格比较稳定，使电炉炼钢有了比较可靠的基础。此外，电炉用废钢比高炉 转炉炼钢的能耗低。 (3)电炉趋向大型化、超高功率化，冶炼工艺化。 (4)投资少，基建速度快，基金回收速度。 (5)钢液温度、成份容易控制，品种适应性大，可冶炼多种牌号的钢，同时还能间断性生产。 目前，由于炼钢电炉的大型化、超高功率化及冶炼工艺的强化，并与不断发展完善的二次精炼和连铸连轧技术相配套，已形成了自动化、机械化水平高、能耗低的专业生产体系，使得它在钢的生产中更具有竞争能力。 电弧炼钢的缺点有： (1)电弧是点热源，炉内温度分布的不均匀，熔池各部位的温差较大； （ 2)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。 - 3 - 内外电炉炼钢技术的发展趋势 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英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 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。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。 - 4 - 图 界总钢产量、电弧炉钢产量的变化 随着科技的进步，电弧炉的钢产量及其比例始终在稳步增长。电弧炉炼钢自 20 世纪 60年代提出超高功率概念以来一直处于不断发展变革的过程中。考察其发展的历史进程可以看出，电弧炉流程之所以能够成为与转炉流程相抗衡的第二大钢铁制造流程，技术的发展使得流程上的瓶颈得以突破起到了关键性的作用 （ 以废钢资源积累至一定程度为条件 ） :正是因为能量输入强度的提高使得炉子大型化、冶炼周期大幅度缩短成为现实，电弧炉与后续精炼、连铸工序的匹配得以实现，从而使电弧炉流程的产能、劳动生产率能够与大规模化生产相适应。就电弧炉炼钢的当代技术而言， 随着化学能利用技术的长足进步，冶炼周期己由 600 40此其生产节奏己逼近转炉水平 。 设计 2020万吨棒线材钢厂的电炉炼钢车间 20渗碳钢通常为含碳量为 低碳钢 。 汽车上多用其制造传动齿轮是中淬透性渗碳钢中 其淬透性较高 ， 在保证淬透情况下 ， 具有较高的强度和韧性 ， 特别是具有较高的低温冲击韧性 。 20 良好的加工性 ,特加工变形微小 ， 抗疲劳性能相 当好 泛 :用于 汽车、拖拉机变速箱中的 齿轮 、内燃机上的凸轮、 轴类 、 活塞类零配件等 。它往往要求表面具有高的硬度和耐磨性而心部则要求有足够的强度和韧性，使零件既有耐磨的表面，又能承受大的冲击载荷。 20能保证心部足够的韧性和强度的理想材质。 特性及适用范围： 20透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。用于制造截面30等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴 十字头等。 20表 1 1 20 ) 元素 C n i S P 准成分/% 量 控制成分/% 量 一个现代化电炉冶炼钢厂，是由相对独立而又相互联系的车间组成，如冶炼车间、连铸车间、轧钢车间、热处理车间、动力车间等。按设计性质不同，电炉炼钢厂设计又可以分为新建设计和扩建设计。新建设计根据设计任务书，从头开始按设计程序进行。本次设计为新建设计，其具体设计步骤如下： - 5 - （ 1） 建厂可行性研究： 为了确保新建项目的经济效益，技术上可靠，工艺合理，充分发挥项目建成后的作用，在设计开始前，必须组织工程技术人员进行可行性研究论证，然后组织专家评审。对可行的几种建设方案，加以分析比较论证，最后确定一种最佳方案，上报有关部门或投资方，获得批准之后，下达设计任务书。建设单位得到批文之后，找设计院才能进行正式设计。 （ 2） 下达任务书 （ 3） 阶段设计 初步设计：初步设计的主要内容和程序是： 根据建厂的指导思想选择厂址、确定建厂规模以及总体布置简图； 编制产品方案，指定主要的或有代表性的产品的生产工艺过程； 确定炼钢 设备的组成和主要技术性能； 选择其他各项设备并确定其主要技术参数； 拟定炼钢程序，设计炼钢生产能力并确定其他设备数量及作业率，提出生产需要的各种设备清单； 按照产品生产工艺流程，考虑各设备在车间中位置上的相互关系，拟定车间工艺平面布置图； 拟定生产技术经济指标，计算生产所需原材料、水、电、燃料、气等各种材料的消耗定额，估计产品成本，提出车间投资概算； 车间的组成和人员编制的确定； 确定主要的建筑物和构筑物的占地面积、构造形式及他们在位置上的相互关系，考虑到车间运输及材料供应、管线铺设等方案； 考虑车间的综合利用和环境保护以及今后扩建的可能性。 技术设计： 确定能够满足生产要求的各生产工序，指定详尽的工艺规程； 确定炉子设备的设计和制作，电气设备和其他各项设备的技术预算，编制技术设计说明书； 确定各项设备的数量、能力和他们在车间的具体位置； 决定车间生产能力，编制各个产品的金属平衡，绘制可供施工用的车间平面布置图； 验算炼钢生产能力和确定车间各类技术经济指标； 进行供电、供水、油、气、通风、照明、采光及土建等方面的技术设计并编写有关说明书； 编制职工定员表，提出车间投资和预算表。 施工设计： 施工设计是设计的最后阶段，一般在技术设计批准后进行，施工设计的任务在于为设备制造、厂房基础及其他构筑物的施工提供依据。其主要内容有：车间全部土建设计；绘制各项设备的施工图纸；施工时，有关的文件准备和说明。 （ 4） 现场施工，安装，调试，试生产阶段 （ 5） 设计总结 炼钢厂的设计任务和大致程序可有图 - 2、 电炉物料平衡和热平衡计算 算目的和意义 炼钢过程的物料平衡与热平衡是建立在物质和能量守恒的基础上的。其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供定量的依据。由于炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还难以做到精确取值和计算。尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。 现代电弧炉冶炼工艺与传统三段式工艺有较大的变化，目前主要方式是：在超高功率电弧炉内借助大功率供电、高强度供氧和氧燃烧嘴等辅助供热手段快速熔化废钢并完成脱碳脱磷任务，然后在精炼炉内 完成脱氧、脱硫、微调合金成份、去除夹杂等任务。本次计算仍按传统电弧炉三段式工艺做物料平衡与热平衡计算。 料平衡 算所需原始数据 基本原始数据有：冶炼钢种及其成分（表 2原材料成分（表 2炉料中元素烧损率（表 2合金元素回收率（表 2其他数据（表 2 表 2- 7 - 钢种 类别 C n i S P 注 20学成分 /% 量 熔氧法冶炼 控制成分 /% 量 表 2材料成分 名称 C n P S i e 分 挥发分 碳素废钢 余量 炼钢生铁 余量 73 30 焦炭 极 名称 2O 石灰 萤石 铁矿石 火砖块 高铝砖 镁砂 焦炭灰分 电极灰分 表 2成份 C n P S 烧损率 /% 熔化期 25 40,取 30 70 95，取 85 60 70，取 65 40 50，取 45 可以忽 略 氧化期 全部烧损 20 2530，取27 按末期含量比规定下限低 取 确定（一般不应低于 脱碳量）； 按末期含量 确定。 表 2合金原料 加入时间 回收率 /% C n l 原初期 100 100 96 - 8 - 出钢前 100 100 98 原初期 65 100 0 还原后期 96 100 60 原初期 100 100 96 原初期 100 100 60 原初期预脱氧 0 还原后期终脱氧 40 还原期扩散脱氧 50 100 0 还原期扩散脱氧 0 表 2名称 参数 配碳量 比钢种规格控制成分高 即达 熔化期脱碳量 30%，即 30%=属炉料配入量按 100电极消耗量 5kg/t(金属料 )：其中熔化期占 60%，氧化期和还原期各占 20% 炉顶高铝砖消耗量 t(金属料 )：其中熔化期占 50%,氧化期占 35%，还原期占 15% 炉衬镁砖消耗量 5kg/t(金属料 )：其中熔化期占 40%，氧化期和还原期各占 30% 熔化期和氧化期所需要氧量 50%来自氧气，其余 50%来自空气和矿石 氧气纯度和利用率 99%，余者为 利用率 90% 焦炭中碳的回收率 75%（指配料用焦炭） 碳氧化产物 均按 70%生成 30%生成 烟尘量 按 t(金属料 )考虑 料平衡基本项目 收入项有：废钢、生铁、焦炭、石灰、矿石、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、火砖块、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。 算步骤 以 100属炉料（废钢 +生铁）为基础，按工艺阶段 熔化期、氧化期和还原期分布进行计算，然后汇总成物料平衡表。 第一步：熔化期计算。 （ 1）确定物料消耗量： 1）金属炉料配入量。废钢和生铁按 85 15配，不足碳量用焦炭来配。其结果列于表 2算所用原始数据见表 2 表 2料配入量 名称 用量 /料成分 / n P S 9 - 废钢 生铁 焦炭 合计 碳烧损率 25% 2）其他原材料消耗量。为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（ 20kg/t（金属料）和矿石（ 10kg/t（金属料）。炉顶、炉衬和电极消耗量见表 2 （ 2）确定氧气和空气消耗量：耗氧项包括矿料中元素的氧化，焦炭和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中 自身 S 还原出部分氧。见表 2 根据表 2由氧气供给的氧气为 50%，即为 50%=气应供氧 此可求出氧气与空气的实际耗氧量。详见表 2 上述（ 1） +（ 2）便是熔化期的物料收入项。 表 2耗氧量的计算 项目 名称 元素 反应产物 元素氧化 量 /氧量 /氧量 /氧项 炉料中元素的氧化 C (C) (C) ( ( P (P) ( ( ( ( 小计 焦炭中碳的氧化 C (C) (C) 电极中碳的氧化 C (C) (C) 合计 供氧项 矿石 +S= 合计 耗氧量 令铁烧损率为 2，其中 80生成 20成渣。在 20这中，按 3:1 的比例分别生成 ( ( 表 2气与空气实际消耗量 - 10 - 氧气 /气 /入 入 入 入 ：空气中 2的质量比为 77/23，假设空气中氧的利用率为 100%。 （ 3）确定炉渣量：炉渣源于炉料中 P、 顶和炉衬的蚀损，焦炭和电极的灰分，以及加入的各种熔剂。结果见表 2 （ 4）确定金属量：金属量 属炉料重矿石带入的铁量炉料中 C、 P 和炭配入的碳量 =100+ （ 5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及焦炭和电极中碳的氧化产物 气和空气带入的 料中的 离 灰的烧减（ 焦炭的挥发分。计算结果列于表 2 表 2化期炉渣量的确定 名称 消耗量 /渣组分 /2计 炉料中元素的氧化 P 炉顶 略 炉衬 焦炭 略 略 极 略 略 矿石 灰 合计 量分数/ 石灰中 还原，消耗 设 原出的 为 1 112/160= 表 2气量计算 项目 气态产物 /O 2 2 挥发物 合计 炉料中 C 的氧化 - 11 - 焦炭带入 电极带入 矿石带入 石灰带入 氧气带入 空气带入 离 与反应 :：O= 合计 量分数 /% ：空气含水量的计算条件：温度为 20，空气密度 m，空气饱和含水量为 m （ 6）确定铁的挥发量：由表 2的挥发量为 2% 80%= 上述（ 3） +（ 4） +（ 5） +（ 6）便是熔化期的物料支出量。 由此可列出熔化期物料平衡表 2 表 2化期物料平衡表 收入 支出 项目 质量 / 项目 质量 / 废钢 属 铁 渣 炭 气 极 的挥发 石 （其余烟尘） （列入总物料平衡表中） 石灰 炉顶 炉衬 氧气 空气 合计 计 ：计算误差 =（ 100%=第二步：氧化期计算。 引起氧化期物料波动的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金属中元素的进一步氧化；炉顶、炉衬的蚀损和电极的蚀损。 （ 1）确定渣量： 1）留渣量。为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去 70%左右熔化渣，而进入氧化期只留下 30%的渣。其组成见表 2 2）金属中元素的氧化产物。根据表 2见表 2 - 12 - 3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表 2假定进行计算，其结果一并列入表 2 4）造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量，见表 2 （ 2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表 2的元素烧损量和矿石还原出来的铁量，即可得氧化末期的金属量为： （ 3）确定炉气量： 计算方法如同熔化期。先 求净耗氧量（表 2再确定氧气与空气消耗量（表 2最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类，而得其结果（表 2 熔化期和氧化期的综合物料平衡比列于表 2 氧化期末金属成分见表 2 表 2化期渣量的确定 名称 消耗量 /渣组分 /2计 料中元素的 氧化或烧损 e 顶蚀损量 略 略 炉衬蚀损量 电极烧损量 略 略 略 石灰带入 石带入 火砖块 - 13 - 带入 合计 量分数 / 石灰中 还原，消耗 表 2耗氧量的计算 名称 元素 烧损量/应产物 耗氧量 /氧量 /属中元素的氧化 C C) (C) ( ( ( ( P P) ( ( ( ( 电极中碳的氧化 C (C) (C) 合计 矿石供氧 +S= 金属中 S 还原 氧 S = 计 耗氧量 表 2气和空气实际消耗量 氧气 /气 /入 入 入 入 2气量 项目 气态氧化物 /O 2 2 合计 金属中 C 的氧化 极带入 石带入 灰带入 气带入 气带入 离 ：O= - 14 - 合计 量分数 /% ：空气含水量的计算：温度为 20，空气密度 m，空气饱和含水量为 m 表 2化期和氧化期综合物料平衡表 收入 支出 项目 质量 / 项目 质量 / 废钢 属 铁 渣 炭 气 极 的挥发 石 其余烟尘） （例如总物料平衡表中） 石灰 火砖块 炉顶 炉衬 氧气 空气 合计 计 ：计算误差 =（ 100%=表 2化期末金属成分 (质量百分数 ) C n P S 三步、还原期计算： 还原期采用白渣操作。引起该期物料变化的因素有：扒除氧化渣，再造稀薄渣；扩散脱氧和沉淀脱氧。 （ 1）确定渣量： 1）残渣量。工艺上要求尽量扒净氧化渣，但实际操作条件下难以完全除去。现定残渣量为 5%，即 5%=表 2 2）造稀薄渣加入的渣料。渣料组成比为 m(石灰 )： m(萤石 )： m(火砖块 )=3： 1： 用量应保证顺利完成脱硫任务。根据理论和实践，欲使 S 在还原期降至 下，加入量为钢水量的 2% 3%，本计算取 3%。如暂定钢水量为 98得到渣料量为： 983%=石灰、萤石、火砖块的用量分别为 组成列于表 2 3）加入脱氧剂。采用沉淀脱氧和扩散脱氧相结合的方式，即稀薄渣形成后，先按 分批加入碳粉（ t）和硅铁粉（ 5kg/t）进行扩散脱氧；待渣变白色，按 入渣组成列于表 2 - 15 - 4）加入合金剂。还原期需往炉内加入 入量计算如下。计算结果列入表 2 入量 在还原初期插 脱氧后加入的。根据表 2表 2及应增加的 w 定：