超高功率电弧炉配套技术

1、超高功率电弧炉水冷设备应用技术50t 电弧炉水冷炉壁管径的设计校核UHP EAF water-cooled equipment application technology50t EAF water-cooled furnace wall pipe diameter design verification李大亮（东北特钢集团搬迁指挥部施工部）Li daliang（Dongbei special steel group co., ltd. relocation headquarters construction department）内容提要Abstract 近年来，现代化钢铁冶炼技术普遍采用高

2、效、节能工艺，而高功率、超高功率技术则在电弧炉炼钢工 艺中迅速被世界各国采用和推广。电弧炉水冷炉盖、水冷炉壁等配套设备的开发及应用，是超高功率电弧 炉耐久化，高效节能的理想办法。本文以近年来我国超高功率电弧炉成套设备的引进、消化吸收和开发所 积累的设计及生产经验为基础，专门介绍新一代管式结构水冷设备的制造应用，以及由意大利 NANIELI 公 司设计的 50t 超高功率电弧炉水冷炉壁管径的设计校核。关键词 炼钢 超高功率电弧炉 水冷设备 水冷炉壁During recent years, modernized steel and iron smelting technology universa

3、l to use the technology of high efficiency and energy saving. And the technologies of high power and ultrahigh power have been quickly adopted and promoted around the world. The development and the application of the EAF ancillary equipment such as water-cooled cover, and water-cooled furnace wall,

4、which is the ideal method to the ultrahigh power EAF for durability , high efficiency and energy saving. This text is base on the designing and production experience which have been accumulated from digestion and absorption and development for the UHP EAF complete equipment . Specially to introduce

5、a new generation of manufacturing and applications of tube-type water-cooled equipments, Designed by Italian DANIELI company 50t UHP EAF pipe diameter water-cooled furnace wall design verification.Key words steel-making UHP EAF water-cooled furnace wall water-cooled equipment（2）相对冷却面积增加，体积小、重量轻1 前言超

6、高功率电弧炉因它高生产率，低消耗的特点 对电炉的生产优化有重大作用，因而在世界范围内 得到了迅速的发展和应用。但超高功率带来的首要 问题为热负荷增高，因此如不改变炉壁材料，将使 耐火材料热腐蚀严重，导致电炉无法正常工作。自 70 年代以来， 各个国家相继开发出铸铁、 铸钢、 钢 板焊接式，铸铜、管式等结构形式的水冷设备，各 种结构形式的比较见表 2。通过多年的实践检验， 管式结构无论在热工性能上，加工制造工艺上，安 全性，耐热持久性，寿命及经济等方面均具有显著 优点，具体表现为：（1）导热性好，传热均匀，水流不出现局部死区。（3）结构强度高，寿命长，可达 2 000炉次以上。（ 4）冷却水耗量

7、小。（5）制造工艺简单、焊缝少。（6）使用安全。（ 7）维护控制方便。我国的电弧炉生产经过几十年的改造与开发， 现已形成一个完整的体系。自 80 年代中期起，开 始引进30150t超高功率电弧炉成套设备和技术， 近年来我国大型超高功率电弧炉异军突起，紧追当 今世界先进电弧炉配套技术的步伐。2 现代化大型电弧炉水冷设备的开发研究2.1电弧炉水冷设备的组成部分我国先后引进和自行设计的高功率和超高功率电弧炉大多采用偏心炉底出钢，上部炉壳和炉盖 采用排管式水冷炉衬。电弧炉炉体水冷设备一般有 以下几部分：（1）上部炉壳。（2）水冷炉壁。（3）水冷炉盖，包括第四孔（交流）或第二孔（直 流）排烟水冷弯头，中

8、心打结拱架等。（4）偏心区盖板。（5）水冷渣门框。（6）水冷渣门。2.1.1 水冷炉盖水冷炉盖按结构形式分有 2种：整体式和分块 组合式， 表1列举了几种水冷炉盖的一些性能参 数，与整体式水冷炉盖相比，分块式水冷炉盖有以 下优点：水冷均匀，易于维修更换，经济性好。水 冷炉盖中心靠电极部分设置一打结拱架，用耐火材表1各种水冷炉盖性能参数Table1 Performance parameters of various kinds of water-cooled furnace cover名称外径（框架 中径）/mm冷却面积/m2结构形 式冷却水量/m3供水压力/MPa试验压 力 /MPa主材规 格

9、供回水 温厂C水流流速/m/s黄海30t05 12080%176块水 冷板1100.1 0.151.6070X935551.8无锡30t04 95081%18整体水冷板1351.60102X121.3广州40t04 82080%185块水 冷板1251.2©9X121.5南京70t0 16087%28整体水冷板3000.40.6©9 X01.5天津150t07 45085%423块水 冷板3300.61.6070X982921.6宝钢150t07 880426块水 冷板4500.60.9©9 X035502.0用上、下两层，上中下三层或一层（见图1）。料将电极和水

10、冷件分隔开，起绝缘作用。中心拱架 的结构形式交流一般为三角形，直流为圆形。第四 孔排烟水冷弯头有圆形、方形等多种结构。2.1.2水冷炉壁水冷炉壁在其发展过程中，先后采用板式、箱 式和排管式等多种结构，（见表2）。目前新设计的 电炉一般采用管式，多块水冷壁悬挂于上部炉壳 上，形成一个整体圆周，圆周一般根据炉子大小采Fig.1calandria water-cooled furnace wall model根据各钢铁厂的运行情况以及设计制造多方面因 素，我们认为在大中型炉上，采用上下两层为最佳。2.2水冷排管材质从国外引进的电炉看，排管材质一般有两种， 低中压锅炉钢管和紫铜管，紫铜管用于下层周围水

11、 冷炉壁和偏心区盖板上，在南京钢铁厂70t电炉，抚顺钢厂50t电炉，舞阳钢厂90t电炉，成都无缝 钢管厂92t电炉均有采用。由于紫铜工艺复杂，成 本高。烟台冶金厂与抚顺钢厂、成都无缝钢管厂联 合进行了试验，使用钢管代替铜管，结果设备运行 良好，由于钢管制造工艺简单，成本低，采用钢代 铜后，能收到明显的经济效果，水冷设备材料完全 采用钢管是必然趋势。2.3排管式水冷件的结构形式引进的电弧炉水冷组件一般有两种结构形式：（1）密排管式即管间间隙为 0。（2）间隙式管间间隙10mm左右。采用第一种的有天津钢管公司150t交流电弧炉（德国“DEMA'G公司）、南京钢铁厂70t交流电 弧炉（意大利

12、“DANIEL”公司）等。采用第二种的 有宝钢150t直流电弧炉（法国 “CLECIM公司）， 东北特钢集团大连特钢厂 50t交流电弧炉（意大利“ NANIELI"）等。比较这两种结构形式，以采用间隙式为最佳， 它有利于热膨胀，减少热应力对焊缝的影响，由于 管间有间隙，挂渣容易，且渣不易脱落，这两点都 有利于提高水冷件的使用寿命。表2各种结构形式水冷炉壁比较Table2 comparison of various kinds constructions of water-cooled furnace wall结构主材设备制造传热设备使用安全检查综合形式性质成本难度强度强度寿命运行周期

13、经济性铸造板铜高难高低短不安全短差铸铁低易较高低短不安全短差式铸钢较低较难较高较高短不安全短差箱式低碳钢板较高易较高低较长较安全短差铜板高难高低长较安全长差排管无缝钢管较高较难较高高长安全长好式铜管高难高较高长安全短差2.4水冷设备的监控水冷设备在使用过程中，应对以下几个参数进行监控：（1）进水温度;（2）出水温度;（3）进水流量;（4）进水压力。的电炉一般将以上的参数联接到电脑控制中心，可 以随时监控。3电弧炉水冷设备的制造电弧炉水冷设备在八十年代一般依靠从国外 引进，国内90年代开始研究水冷件，自1990年来, 相继开发了具有国际先进水平的水冷配套设备。3.1我们以水冷炉盖为例，简要介绍水

14、冷件的制 造。以上参数要求配备测量和报警装置，国外设计水冷件的制造工艺流程图如下:备料T放样划线T安装仿形胎具T组装T焊接T 安装零部配件T检测T防锈涂装T入库。(1 )备料 准备冲压弯头，按计算尺寸弯管，准 备配套的紧固件，外协，夕卜购标准零部件。(2 )放样划线在操作平台上画岀平面投影的轮廓线，确定水冷炉盖上按照水路布置的各进、岀 水口位置，电极孔、加料孔等各部位置。(3) 安装仿形胎具根据在操作平台上画出的水 冷炉盖投影轮廓及各部安装位置，将仿形胎具紧固 在平台上，胎具的布置应尽量使炉盖的组装、焊接 在一次完成，仿形胎具的布置还要充分考虑焊接过 程对水冷炉盖尺寸的影响。(4) 组装 将制

15、作水冷炉盖的原材料在工作平台 和仿形胎具上进行组装，使之各部尺寸、形状符合 工艺要求，钢管不允许强力装配，以免应力过大而 影响焊接质量和使尺寸变形。(5) 焊接 根据图纸要求的焊缝型式、尺寸及焊 接方法和焊接材料施焊。在水冷炉盖上采用的焊接 方法一般为二氧化碳气体保护焊，氩弧焊和手工电 弧焊。(6 )安装其它零部件包括快速接头、阀门、金属软管、气缸等辅助零部件。(7) 检测尺寸的检测在各工序间进行，焊缝检 测在施焊过程中进行目测，施焊结束后进行无损探 伤，如X射线拍片，超声波探伤等，不合格的焊缝 进行返工。水压试验在管路施焊完毕后进行。按水压试验 规范进行，目前国内外的水压试验标准不统一，一

16、般采用的标准是：试验压力1.6MPa，试验时间30min。延长时间的试验，压力降到1 MPa，保压2h。(8) 防锈和涂装以上各工序完成后进行防锈和 涂装，整个水冷件在焊接完成并进行水压试验以后 要进行表面处理，表面处理完后进行涂装。一般喷 防锈底漆和银粉面漆。3.2水冷设备关键部件180°弯头的发展水冷设备上管间排布间距很小，一般010mm，在两支管端的弯头即为180°急弯弯头，国外水冷设备这个部件采用铸造加工方法制作，我国 水冷件厂采用了 2种新型工艺，冲压和推制来制作 180°弯头，这3种弯头特点对照见表 3。表3弯头特点对照表Table3 elbow fe

17、atures comparison table特'、点 类、别流通阻力功率消耗制造成本成品率强度冲压弯头小小低高高推制弯头大大高高高铸造弯头较大小低低低制作的水冷设备在运行过程中，弯头处易于岀 现开裂等事故，成为设备的一个主要薄弱点，针对 这种状况，国内采用锅炉钢板冲压弯头取代铸钢弯 头，在运行过程中，弯头处没有明显开裂现象，弯 头与钢管寿命达到等同，甚至高于钢管处寿命，冲 压弯头的采用，使水冷件的寿命和运行可靠性得到 明显改善。4 50t电弧炉水冷炉壁管径的设计校核东北特钢集团大连基地环保搬迁项目新上的50t超高功率电弧炉2009年投入生产。设备采用意 大利NANIELI的设计，是目

18、前世界上最先进的电 弧炉设备。其水冷炉壁整个圆周采用一层排管式结 构。下面我们以偏心底出钢炉体(见图2)进行水冷炉壁管径的设计校核。4.1水冷炉衬热流值水冷炉衬设计计算中，首先要确定一个最基本 的参数，单位面积上的热量流失一一热流值，热流计算时可以将电弧弧柱看成点状热源，以点热源的辐射近似。根据理论计算，宝钢150t电弧炉炉衬的炉水冷炉壁热流值对照表，水冷带走的热流值的确热流值约为1.26 >106kJ/m2 ，但考虑泡沫渣和炉定应综合考虑炉衬寿命，热能损失对综合经济性的壁上挂渣层的遮蔽作用，设计时实际选取的热流值影响。为4.5 >05kJ/m2h。表4是宝钢150t电炉和国外电表

19、4水冷炉壁热流值对照表Table4 features comparison table of water-cooled furnace wall heat flow values国别中国宝钢前苏联美国条件150T/99MVA100T/75 MVA100T/60MVA85T/45MVA热流值1 X104 kJ/m2 h45.4544845.84.2冷却水总量V局沸一般由下式确定电弧炉几何尺寸和工艺参数确定后，可以计算 出一台炉子的水冷面积 S，目前国内外电炉，常规 出钢方式水冷面积 70%80%。偏心炉底出钢水V局沸=_10-5 q D0.25 1.25(m/s)(2)冷面积可达90%我们可以根

20、据下式计算岀冷却水量式中q 热流值，(kJ/m2 h)D 管内径，(m)再由总水量的分配可得式G 二 qS / (=t c)(m3/h)(1)G =900二 D2 V N(m3/h)(3)式中q 热流值，S 水冷面积，c 水的比热, t 水的温升,2(kJ/m h);(m2);3(kJ/m C)；C)。式中D管内径，(m);V水流速，(m/s)N水冷炉壁块数由(2 )、( 3)式可知只要选定水冷块数 N，管规格推荐选(1 )50t电弧炉功率为50MVA，q选取524.58 >05kJ/m2 h 。(2) 根据50t电弧炉偏心底炉体水冷块布置情况(见图2)，综合考虑可估算炉壳的水冷面积A=

21、hX 2 nR其中 h=2.1m ,R=2.7445m2A=2X3.14 X.7445 X.1=36 m2(3) 水的比热为4.2 X0 3 kJ/m3 C(4) 水的温升选择15C533G=(4.58 X05X36)/(4.2 1X3X15)=2.62 X0 m3/h4.3水冷组件管径确定水冷件内水流速要求大于一临界值，以防局部即可确定出水冷管内径D, N的选择一般根据流速V的经验数据和供水压力选取，国外一般V选取0.82.0m/s之间，流速差异较大，流速高、则系统 阻力高，要求供水系统压力高；流速低、则要求供 水系统压力低。以国内的经验一般水流速可选1.08 1.5 m/s 之间用 ©9X10 ©9X12。50t电弧炉偏心底炉体的炉壁、水冷炉门、EBT 偏心盖共计水冷块17块。当V=V局沸时，将上述公 式及数据带入