《钢冶金学》_第9章电弧炉炼钢设备

1、(H钢冶金学重庆科技学院王宏丹第九章电弧炉炼钢设备电弧炉的炉体构造与机械结构电弧炉炼钢的排烟与除尘 电弧炉的电气设备电炉炼钢的发展wts 綱板16991殓轧板卷愛第浙冷口板笏或殖板无绥習电炉炼钢的发展电炉炼钢的发展现代炼钢流程电炉炼钢的发展电炉炼钢的发展长流程（高炉一转炉）钢材 轧钢 钢坯钢水浇注钢水浇注电炉炼钢的发展.电炉“短流程”的优势A投资比高炉一转炉流程减少1/2以上。如美国、日本 等国的薄板坯电炉短流程，实际费用约为传统流程的1/4 o生产成本低，劳动生产率高。钢铁联合企业从铁一 焦一烧开始到热轧板卷为止，吨钢能耗一般为 23kJ/t,而以废钢为原料的电炉钢厂短流程工艺生产的产品能耗

2、接近10kJ/t,能耗降低60%左右。.电炉“短流程”的优势A如从两种工艺排放出的C0?气体污染源的数量看,电弧炉为641kg/t钢，高炉一转炉工艺为4922kg/t钢, 是高炉一转炉工艺的4/3。充足的废钢资源。在世界每年废钢产量为3亿多吨的 情况下，电炉短流程的发展对于促进环保，消化废 钢，净化冶金工厂的环境起到了良好的推动作用。.电炉及电炉炼钢电炉是采用电能作为热源逬行炼钢的炉子的统 称。按电能转换热能方式的差异，电炉可分为电渣重熔炉一利用电阻热;电炉炼钢的发展电炉炼钢的发展感应熔炼炉一利用电磁感应;电子束炉一依靠电子碰撞;电弧炉一利用高温电弧。.电炉及电炉炼钢目前，世界上电炉钢产量的9

3、5%以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。电炉炼钢是：以废钢为主要原料；以三相交流电作电源；L22利用电流通过石墨电极与金属料之间产生 电弧的高温，来加热、熔化炉料；它是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方 法（现在也用来生产普通钢）。It电弧炉炼钢叽砌剛ii 4i I电炉炼钢的发展Source: IISI电炉炼钢的发展电炉钢比例I CO=E u 一 uo 一onpoQ -eels900800700600500Oxygen steel000000004 3 2 1I Open hearth steel iThe吟进0197075198085Electric steelOthers199

4、0952000Source: IISI电炉炼钢的发展内外电炉炼钢现状表1近年世界主要产钢国的电炉钢比例 单位;年份世界日本美国韩国徳国印度中国199532.632.339.437.824.129.719.0199632.933.3 142.139.526.025,9187199733.732.8 10243.126.431,617.6199833,931.944,640327.531,815$199933.330.546.341.6202卜 32.115.7200033.728.847.042.828.732.115.9200135.127.647.443.629.342.515.820023

5、3.927.150.445.229342.716.7200334.026.448.944.830.045.617.6200433.226.453.643.930.743.915.2200531.725.655.044J30.744,91L7200632.026.056.945.731.150.510.5电炉炼钢的发展电炉炼钢的发展. 近年来我国电炉钢产量和比例的变化+电炉钢产量 亠电炉钢比例八龙厂7*IizZ» .yj ，彳1,亠J、.4彳.”'j.k.，»fl1-1OOOOOOOOOOOOOOOOOOO505050505 44332211芝二*倉象-tf994 2

6、 02 2 206200200220000份年99电炉炼钢的发展.电炉炼钢与可持续发展常见材料的循环利用率物质名称钢铁纸铝塑料回收率/%5545352710电炉炼钢的发展.电炉炼钢与可持续发展CO 21.27kg石料矿钢剂铁废溶CO2 1343.74kg1500kgSO2 2.13kg282.5kg一TNOx 2.22kg200kg/ J炼焦煤13.444GJ(536.0kg)煤粉3.198GJ(127.5kg)天然气0.034GJ电4.056GJ (395.6kWh)Il钢粗苯0.582GJ (56.8kWh) 0.621 GJ0.229GJ吨钢综合能耗（含剩余的高炉、焦炉煤气"1

7、9 300GM钢16.3346刃钢（不含焦化工序的能耗） 吨钢有害气体排放总*：!369.26kg/t钢 万元产值有害气体排放总量：4933.53kg/万元电炉炼钢与可持续发展电炉炼钢的发展电炉炼钢的发展废钢 铁合金 加入碳1121.5kg10.4kg0.321kg(9.5kg)天然气2.019GJ电7.766GJ(757.4kWh)氧气0.215GJ(30m3)电极0.I54GJ(4.6kg)CO 2.50kg电炉炼钢的发展电炉炼钢的发展吨钢综合能耗10.475GJ吨钢有害气体排放总量：155.61 kg万元产值有害气体排放总虽:522.58kg电炉炼钢的发展.电炉炼钢与可持续发展设转炉最佳

8、废钢比为15%,电炉最佳铁水比 为30%,生产It电炉钢比生产It转炉钢要多循环 利用废钢约600kg,少消耗铁矿石1.3t,节约可比 能耗350kg标煤，少排放CO? 1589kg,少排放废 渣600kg,减少1/3以上从原料到成品的运输量， 并节约土地和水资源，减少投资。电弧炉设备布置9.1电弧炉的炉体构造与机械结构9-1.1电弧炉的炉体构造9.1.2电炉倾动机构943电极升降机构 944炉顶装料系统电弧炉结构概迷成套钢包9.1.1电弧炉的炉体构造炉壳包括圆筒形炉身、上部加固圈和炉壳底三部分。炉壳钢板及炉壳底钢板厚度选为炉壳外径的1/200左右， 一般用厚度为1230mm的钢板焊接而成。炉

9、壳受高温作用易发生变形，特别是炉役后期，为此一般 在炉壳上设有加固圈，大型炉子设有加强筋。炉壳底部形状有平底形、截锥形和球形3种。电弧炉的炉壳LOWER SHELL9.1.1电弧炉的炉体构造.ML炉门由金属门框、炉门和炉门升降机构三部分组成。炉门框起保护炉门附近炉衬和加强作用,般用钢板焊成或釆用铸钢件。采用空心水冷炉门，炉门的大小以便于观察、修补炉底和 炉坡为宜。炉门的升降机构可通过电动、气动或液压传动方式实现。中小型炉子只有一个炉门，位于出钢口对面。大型电弧炉常增设一个侧门，两炉门位置呈90。电弧炉的炉门电弧炉的炉门电弧炉的炉门9.1.1电弧炉的炉体构造传统的槽式出钢电炉，出钢口为一圆形（直

10、径为150 250mm）或矩形孔，正对炉门，位于熔池液面上方。出钢槽用钢焊接，内砌高铝砖或用沥青浸煮过的黏土砖； 而釆用预制整块的出钢槽砖（用高铝质、铝镁质、高温水 泥质捣打成型）时，方便、耐用、效果好。为避免冶炼过程钢液溢出，流钢槽向上倾斜与水平面呈815° o 出钢槽尽量短些，减少钢液二次氧化和吸气。电弧炉（槽式出钢）9.1.1电弧炉的炉体构造.偏心炉底出钢箱> 偏心炉底出钢法(EBT, Eccentric Bottom Tapping), 是目前应用最广泛的电炉出钢方法。>出钢口由外部套砖和内部管砖组成，均采用镁碳管砖，内径一般为140260mm,视炉容和岀钢时间而

11、定。> EBT电弧炉的出钢操作。加填料即引流砂，为MgO基的 颗粒状耐火材料,一般用Fe2O3约10%的MgO与Si。?混 合填料。> EBT电弧炉的优点。电弧炉（偏心底出钢EBT）电弧炉EBT出钢电弧炉EBT出钢廈/杪叨4M；%三三一9.1.1电弧炉的炉体构造炉盖炉盖圈由钢板或型钢焊成，保护炉顶的正确形状以及把炉 盖的全部质量落在炉壳上。为防止变形，一般釆用水冷。电弧炉的炉盖圈9.1.1电弧炉的炉体构造设置电极密封圈，可以改善电极夹头的工作条件，防止炉 气外逸，同时也可冷却炉盖，延长炉盖寿命。S3砌砖炉盖的电极密封圈（又称电极冷却器），有环形水箱 式和蛇形水管式两种。金属水冷炉盖

12、的电极密封圈（实为绝缘圈），为避免电极 与金属炉盖导电起弧，通常采用弧形高铝大块砖密封，或 用高温耐火泥捣打成圆形制作电极密封圈。9.1.2电炉倾动机构电炉倾动机构是为满足电弧炉冶炼过程的出钢和出渣操作 需要，实现炉子倾动的装置。冶炼过程的出渣，要求炉体向炉门方向倾动10°15。出钢时，要求炉体能够向出钢方向倾动40°45° o偏心 底出钢电炉，要求向出钢方向倾动12°15°以出净钢水。倾动机构驱动方式多采用液压倾动。k弧炉倾动电弧炉倾动（底倾）9.1.3电极升降机构电极升降机构由电极夹持器、横臂、立柱及传动机构等组 成。它的任务是夹紧、放松、

13、升降电极和输入电流。电极夹持器多采用铜或内衬铜质的钢夹头，锯青铜的强度 高、导电性好。电极夹持器的夹紧常用弹簧，而放松则 釆用气动或液压。横臂用来支持电极夹头和布置二次导体。横臂要有足够的 强度。今年来，在超高功率电弧炉上采用导电横臂。电极立柱为钢质结构，与横臂连接成F形结构。 电极升降驱动机构的传动方式有电机与液压传动。电极夹持器电极升降机构1 二9.1.4炉顶装料系统炉盖提升旋转机构根据装料时炉盖和炉体相对移动的方式不同，炉顶装料可分为炉盖旋转式、炉体开出式和炉盖开出式3种。炉盖旋转式在国外和国内新建的电弧炉上普遍采用。炉顶装料是通过料罐将炉料一次或分几次装入炉内。料罐主要有两种类型：链条

14、底板式和蛤式。炉盖提升旋转机构装料罐是一"底部能 却开的零器.主要用于 从料坑中装入废钢.JC 壌納吊裟入电弧炉中. 它是电弧炉的主要供料 设备。料诜大多釆用询 板焊按结构，回筒形. 其中以蛤式应用最广。 料维中无科和开门钢绳 放松时底门自行关闭。 料罐靠炉料莹量将底门 白动关闭.开门钢绳拉 动后底门扌丁开钢料0斗罐（蛤式）料罐（蛤式）删咄飮他/盘纟尿術O 0 6W0 fr 辰貳L冬抽 崔右b *赧PV9Z 0Z TSf张如东昌£。逋軀 樹#軟鄴，才期巔，幣 丈第确曝喘菜忖藝 E箱卿板伙©蘇嗽卜 黒田昭曲<黑欤甲徐毒 一盘喲*灰除墟贰冬砂9.2电弧炉炼钢的排

15、烟与除尘9-2.1排烟方法 922除尘方法9.2电弧炉炼钢的排烟与除尘钢铁工业对环境造成的污染，主要是排放废水、废气和废渣（即三废），危害极大。其中，影响最大的是废气。各国标准规定排放的气体中粉尘含量在50150mg/m3范 内。而电炉直接排放气体中的粉尘含量高于20000mg/m3, It钢的灰尘量高达20kg。国家环境保护法要求，在上冶金设备的同时，必须配建除尘设备。9.2电弧炉炼钢的排烟与除尘电弧炉烟气和烟尘氧化期吹氧烟气量最大，其次是熔化期，还原期最小。烟气的主要化学组成（甘0.53）烟气成分coco2n2。2含量（）13412 2045 745-14烟尘的来源及组成：电弧炉熔池中一部

16、分铁及其氧化 物蒸发而随炉气带出，部分散状料粉尘和渣粒也随炉 气带出，组成了烟尘，其主要成分是氧化铁。FeOZnOCaOSiO2PbO肌2。3其他40245543199.2.1排烟方法A炉顶第四孔排烟法：由炉顶直接从炉内吸出烟尘（又称直 接排烟法）的方法，即电炉中烟尘由炉顶第四孔（直流 炉为第二孔）,经水冷弯管一燃烧室一降温除尘一排放。车间屋顶大罩法：车间屋顶大罩位于车间屋顶主烟气排放 源顶端的最高处。第四孔法与车间屋顶大罩法结合比较 完美，使车间内外环境均有改善。电弧炉密闭罩法：用一个内衬硅酸铝等隔热吸声材料的大 罩将整个电弧炉密闭起来。在排烟的同时，还可有效抑制 噪声。此法常与第四孔排烟法

17、结合，并进行废钢预热。抚钢50t电弧炉采用第四孔排烟法结合电弧炉密闭罩法的 二级除尘；宝钢150t双壳电弧炉采取三级排烟。9.2.1排烟方法1mWrA炉内排烟炉外排烟炉内外结合排烟9.2.2除尘方法烟气净化设备强制冷却器重力除尘器布袋除尘器922除尘方法布鞭除尘922除尘方法强制冷却器重力除尘器布袋除尘器9.2.2除尘方法强制冷却器重力除尘器布袋除尘器9.2.2除尘方法强制冷却器重力除尘器布袋除尘器烟气净化设备布袋除尘器组成：由布袋房， 集尘仓，进出气 孔，反清仓管道组 成。特点：适用于气体 温度较低，压差较 小的环境。结构简 单，价格低，使用 可靠。9.3电弧炉的电气设备9.3.1电弧炉的主

18、电路9.3.2电弧炉的电控设备、炼钢中的电弧电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放电产生的电弧,使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直 接作用加热并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢 和合金的一种炼钢方法。电弧？ ？ ？闪电是如何发生的1111盛夏时节，气温及气流变化活跃，伏在空气中的云层随气流的变化而 急剧翻滚、移动，云层在急剧运动中，与空气反复摩擦而带上了大量电 荷，有些云层积累了大量正电荷，有些云层则积累了大量负电荷。由于电 荷的感应，在地面靠近云层处，也会积累大量的与云层所带电荷相反的异种电荷，产生电压。在一般情况下，空气是不导电的，但云层之间、云层 与地之间的电荷积累到一定数量时，会产

19、生达几亿伏的电压，强大的电场 力就会将空气分子的原子里的电子“拉”出来，成为自由电子，而原子失去电子后成了带正电的离子，这叫做电离。旦空气被电离，就成了导电物质，云层之间、云层与地面之间积累的电荷就会瞬息之间通过空气放 出，这就是闪电。出,正、负电荷相撞,会释放出大量的能量,这些能量部分以光形式放如果这种放电发生在地面的建筑物与云层之间，巨大的能量会摧毁建筑物，这就是雷击。防止建筑物避免遭雷击的方 法，就是在建筑物上安装“避雷针”。避雷针是由一根一端尖 细的金属杆通过导体与一块埋在地下深处的金属板相连，它可 以使地面上感应出的电荷不断地向空中放出，也可以把空中云 层的电荷输送到地下，使建筑物与

20、云层间没有电压，这样就可 以避免雷击的灾难。电弧如何产生弧柱焊条7阴极区、0OA U to电弧是电流通过两极间气体时使之电离的一种放电现象。阴极放电：热电子发射，强电场发射。电子自阴极发射 后，以极高速度向阳极冲击，在运动中与极间气体碰撞， 使其电离成正、负离子，形成电弧。电弧中的电子数目或 者电弧电流大小与两极间电功率、阴极材质、气体种类等都有关系。电弧产生的高热可以熔化或是汽 化所有的金属，工业上利用电弧 来焊接、熔化或是切割金属。例如炼钢厂的电弧炉。二、交流电弧的特性按电流特性，电弧炉可分为交流电弧炉和直流电弧炉。交流电弧炉以三相交流电作电源，利用电流通过三根石墨 电极与金属料之间产生电

21、弧的高温来加热、熔化炉料。直流电弧炉是将高压交流电经变压、整流后转变成稳定的 直流电作电源，采用单根顶电极和炉底底电极。 1981年，国际钢铁协会提议按电弧炉的额定功率分类电弧 炉。对于50吨以上的电弧炉：额定功率400200kVA/t为 低功率电弧炉、200400为中等功率、400700为高功 率、7004000为超高功率(UHP： Ultra High Power)电 弧炉，超过4000kVA/t,将其称为超超高功率(SUHP)。交流电弧炉和直流电弧炉交流电弧炉炉膛传热炉膛传热过程示意图电弧炉炉膛中热交换是电弧 炉料和炉衬（包括炉壁和炉 顶），三者共同构成一个封 闭体系。电弧炉炉膛热交换

22、极复杂，以辐射传热为主。电弧f熔池电弧f炉衬 炉衬f熔池液面 炉衬f炉衬熔池f炉衬熔池表面向钢液中的传导对流炉衬、炉门、水冷件的散热交流电弧的特性不连续性：由于交流电弧电压与电流的周期性变化，故当交流电弧的特性抗增加到一定值时，则可保证电弧连续燃烧而不熄电流为0,电弧就会熄灭。纯电阻电路的交流电弧电弧电压未达到燃弧电压时, 但当电路中有感抗存在时, 则即使电弧电压小于燃弧 电压，电弧电流H0。当感灭。交流电弧的特性交流电弧的特性抗增加到一定值时，则可保证电弧连续燃烧而不熄灭。不连续性：由于交流电弧电压与电流的周期性变化，故当电弧电压未达到燃弧电压时，电流为0,电弧就会熄灭。存在电感时的电弧电流

23、但当电路中有感抗存在时, 则即使电弧电压小于燃弧 电压，电弧电流H0。当感压缩效应：电弧周围空间存在磁场，电弧便在磁场力作用下沿轴向产生径向压力，并由外向内逐渐增大，使电弧下的钢液呈弯月面下凹，加强了钢液的搅动和传热。电弧是一个载流导电气体，将受电磁力的作用，其大小和 方向符合安培定律。电弧建立了磁场，则弧柱上受到指向轴线的径向电动力， 压缩电弧，这个径向电动力在轴向传开，转变成指向电极下放的冲力，使熔池处形成凹面。外偏效应：一相电弧受到其他两相的磁场作用，或受到炉 子周围铁磁性物质的作用，使三相电弧不同程度地偏向炉 衬。当电弧一侧出现铁磁体时，电弧将偏向铁磁体。三相电弧炉中，每相电弧受其它两

24、相电弧所建磁场的影 响，电弧倾斜，偏向炉衬，这种现象为电弧外吹（易使炉 壁过热损坏）。直流电弧炉特点电弧稳定，电流的方向始终一致;直流电弧炉特点直流电弧炉特点直流电弧炉 一根电极，对炉衬的烧损比三根小;石墨电极只有一根，消耗 减少50%；电极调节器只有一个，维 修容易，成本降低；短网的感抗为0。电弧炉的电气设备主电路的任务是将高压电转变电弧炉的电气设备r主电路电极升降 自动调节 系统为低压大电流，作为电源输给电弧炉，并以电弧的形式将电 能转变为热能。电极升降自动调节系统的任务 是根据冶炼要求，通过调整电 极和炉料之间的电弧长度，调 节电弧电流和电压的大小。9.3.1电弧炉的主电路由高压电缆至电

25、弧炉电 极的一段电路称为电弧 炉的主电路。主电路的组成：隔离 开关、高压断路器、 电抗器、电炉变压器 和低压短网等。主电路的作用：从高 压电网取得高压电 能，转变为低电压、 大电流输送到电极。电弧炉主电路简图9-3.1电弧炉的主电路隔离开关GM6-10, GN8-10囹3-3 隔离开关1 框架；2绝绘子;3静触头；4-闸刀9.3.1电弧炉的主电路隔离开关隹用：电炉设备检修时断开高压电源，或进行切换操作。结构：三相刀闸开关。 m：无灭弧装置，必须在无负载时接通或切断电路。隔离开关必须在高压断路器断开后才能操作。开关操作顺序:送电时先合上隔离开关，后合上高压断 路器；停电时先断开高压断路器，后断开

26、隔离开关。为 防止误操作，常在隔离开关与高压断路器间设置连锁装 置。蛍型：操作机构有手动、电动、气动三种。9.3.1电弧炉的主电路高压断路器隹用：使高压电路在负载下接通或断开，并作为保护 开关在电气设备发生故障时，自动切断电炉变压器的 空载电流、工作电流和炉中发生短路时的工作短路电 流。工作特点:操作次数频繁，要求操作断路器能经受5000次操作而无需维修。独类：具有灭弧装置。根据灭弧装置的不同设计，电 弧炉使用的高压断路器有油开关（最普通）、电磁式 空气断路器（适于频繁操作）、真空断路器（普遍釆=| 用，适于频繁操作，可较好满足大功率炉子要求）。高压油开关12按电源一铜壳:2铜攒梁：3一活动触

27、头；4-個龙触头;5排气管；6化缘套管;7导电铜芯相一搐子;，山标管；10弹賤II活动杆12 变压器油121212电磁式空气断路器一绝缘隔扳;2灭飆宅静触头4-支柱绝釦5-传动机构6-操纵机构;；I物触头真空断路器32I_绝缘杆丫: A绝缘艇3貞空灭弧室:4-绝缘隔板：5-外罩;尸绝缘A7绝喙撐跖8 压板9.3.1电弧炉的主电路电抗器隹用：串联在变压器的 高压侧，目的是增加电 路中的感抗，达到稳定 电弧和限制短路电流的 作用。但它却使无功功 率消耗增加，降低功率 因数。一旦电弧燃烧稳 定后，就应立即切断电 抗器。9.3.1电弧炉的主电路电炉变压器隹用：把几千或几万伏的高电压变为400400V低

28、电 压、大电流（几千到几万安培）的电气设备称为变压器。它可以说是电弧炉的心脏。变压原理:改变铁芯上原边绕组的匝 数。电炉变压器的电压调节»原边绕组的接法从三角形改接成星形时（），#哙 例如：Ul=380V, U2=220Vo原边绕组带有若干抽头，通过抽头的变化来变压。为了减少热停工时间，希望不停电转换电压，因此设计了有载调压开关。有载调压开关工作原理，如图39所示。它由选 择开关m和n、“T形转换开关K和限流电阻R组成。转换开关K和电阻装于绝缘筒做的小箱内，小箱内装有灭弧用的油。变压器的冷却釆用油冷（辅助强制油循环或水冷来加强变压器的冷却）。般应确保油面最高温升为5（FC o（即变压

29、器油面温度低于85C,因环境温度一般为35C）图3-9冇载调圧的工作原理图（相，以第3级转到第4级为例）电炉变压器的冷却变压器运行时，由于铁芯的电磁感应作用，会产生涡流损 失和磁滞损失，也就是“铁损”;同时，线圈流过电流， 因克服电阻而会产生“铜损”。铁损和铜损会使变压器的 输出功率降低，变压器发热。变压器发热会使绝缘材料变质老化，降低变压器的使用寿命。温度过高还易引起绝缘失效，造成线圈短路，烧坏变压器。（为什么要对电炉变压器进行冷却？）电弧炉变压器的冷却主要有两种方式，即油浸自冷式和强 迫油循环水冷式。9.3.1电弧炉的主电路短网馬I 3 - II短网示意图I 电炉变压器；2®铜母线;3 -软电缆;4术冷铜管：5 电极夹持器“一迫极9.3.1电弧炉的主电路空短网短网是指从变压器副边（低压侧）的引出至电极的这 一段传导低电压大电流的导体，约4020m长，横截 面积大，通过电流大。构成：硬铜母线（铜排）软电缆+炉顶水冷铜管+石墨 电极。三相功率不平衡问题:当三相导体采用共平面布 时，即使变压器三相的二次电压和电流均相等，三相