65万吨电炉炼钢车间设计本科毕业设计

辽宁科技大学本科生毕业论文65万吨电炉炼钢车间设计材料与冶金学院指导老师：页1概述1.1钢铁工业现状钢铁是用途最广泛的金属材料，人类使用的金属中，钢铁占了90%以上。人们生活离不开钢铁，人们从事生产或其他活动所用的工具和设施也都要使用钢铁。钢铁产量往往是衡量一个国家工业化水平和生产能力的重要标志，钢铁的质量和品种对国民经济的其他工业部门产品的质量，都有着极大地影响。一个多世纪以来，钢铁生产工艺流程经过长时间的探索、发展和选择，目前只剩下两种主要的工艺流程。一种是以氧气转炉为炼钢中心的钢铁联合企业生产流程；另一种是以电弧炉炼钢为中心的电炉厂生产流程。氧气转炉炼钢生产的主要原料是铁水，大多数情况下由高炉供给，而高炉的主要原料是铁矿石。转炉生产出来的产品是钢坯或钢锭，它们还不是最终成品，必须经轧钢机轧制成各种类型和规格的钢板、型钢、钢管等最终产品，提供给市场。因此，氧气转炉不可能独立存在，它必须前有炼钢，后有轧钢，以及其他辅助原材料的生产和供给系统，共同组成一个钢铁生产的联合体，我们称这样的生产模式为钢铁联合企业。电弧炉炼钢的主要原料是废钢或直接还原铁，其产品依然是钢坯或钢锭，需经由轧钢机轧制成最终产品，供市场需要。在这种情况下，作为成品钢材的一个生产单位，往往由炼钢和轧钢两个部分组成，我们称这样的生产模式为电炉钢厂。随着电弧炉采用高功率或超高功率，炉外精炼、连续铸钢、连续轧钢等一系列技术的发展和社会废钢资源的足量积累，由于资源和环境的影响“废钢——电弧炉——连铸——轧制”的钢生产工艺流程显示出强劲的发展势头，与传统的钢铁联合企业工艺相比，这种新型的电弧炉钢厂又称短流程工艺。电炉炼钢的产品主要是特殊钢如轴承钢、不锈钢等。我国的轴承市场巨大,特别是国内机械、电子、航空、汽车等行业的高速发展,将为轴承行业发展提供广阔的市场空间。轴承市场的不断拓展,也为轴承钢带来了市场和商机，未来的国内轴承市场还将不断扩大。一方面，轴承是消耗性的机械基础件，除新增项目和新增机械产品将拉动轴承需求外，机械产品（如：机床、汽车、火车等）保有量的增加和利用率的提高都会增加对轴承的消耗；另一方面，随着我国国民经济持续发展、自动化程度不断提高，对机械的性能要求将越来越高，从而对轴承的性能、技术要求也会越来越高。因此，我们要抓紧机遇，努力发展国内的轴承钢产业的技术水平，实现轴承钢产业向着优质的方向发展，满足国内未来的发展要求。1.2电弧炼钢厂近年来，电弧炉炼钢在整个世界范围内都在持续不断地发展，电弧炉钢在世界钢的总产量中所占的比例在不断增加。电弧炉炼钢厂多以废钢为原料，或者加一部分直接还原铁，其冶炼部分的构成通常是：一座高功率或超高功率电弧炉+一座炉外精炼装置如LF炉+一台连铸机，生产出来的钢坯热送至紧邻的轧钢车间直接轧制。由此可以看出电炉炼钢厂具有结构紧凑、投资省、建设周期短、节约能源消耗、改善对环境的污染、劳动生产率高等优点，年产钢可以从万吨到百万吨，品种范围广，从普通碳素钢到优质合金钢钢材。与传统钢铁联合企业相比规模小，工艺流程相对较短，也称“短流程”在我国电弧炉钢厂产品大多是优质钢、合金钢、等特殊用途的钢种。在特殊钢厂里，由于品种质量的要求，其冶炼与加工工艺较为复杂，也需要设置出电炉以外的精炼炉、真空熔炼炉、电渣炉等多种类型的设备以适应不同钢种的生产需要。炼钢生产流程的方案是指选择什么炼钢方法与浇铸方法。若在建厂地区可以取得充足的废钢供应条件，废钢来源可以是该地区内能回收到的废钢，也可能是来自外地、或拆船业或进口，此外还应有一定数量的生铁供给来源，则以选择电炉炼钢为合理。电炉炼钢的特点是：冶炼品种适应性强，既可以熔炼高级优质钢种，也可以价廉快速地熔炼一般钢种，在生产管理上也较为灵活机动。钢水炉外精炼，是新兴的提高钢质量、增加钢的品种和电弧炉产量的有效技术。通过精炼使钢水温度与成份均匀化，有助于顺利进行连铸。炉外精炼设备与工艺多种多样，各有特点，选用哪一种合理可行，应考虑产品品种质量是否必需，分析对比研究，谨慎从事。所以当采用炉外精炼环节时，要全面衡量，细致地从技术与经济论证，再决定选择。钢水浇铸方式的选择：在冶炼钢种与产量规模合适的条件下，应当以连铸为首选方案，与炼钢—铸锭—开坯(—轧材)这一传统的生产流程相比，连续铸钢具有一系列优点：1)金属收得率可提高10%～15%；2)采用连铸生产工艺要比模铸工艺节约能耗25%～50%；3)节省基建投资40%；4)促进生产过程自动化，使钢种扩大，钢坯质量得到提高。连铸坯生产的技术经济效益是显著的，发展连铸是炼钢—浇铸工艺的重大改革，与后续工序衔接，提高生产率，降低能耗，各种新技术也因连铸水平的提高(生产出无缺陷铸坯)而得以实现：采用连铸连轧，铸坯热送、热装，连铸坯直接扎制等。1.3炼钢厂生产规模与物料平衡1.3.1炼钢厂生产规模与产品大纲炼钢厂(车间)的生产规模指该厂(车间)年产合格连铸坯的数量。对于一个车间还应区分它的“生产能力”和“实际(或计划)产量”，当设备运转正常，无意外的外界因素影响时，二者实际上相同。炼钢车间的产量是由该厂钢材生产的需要决定的。根据厂的产品计划，该厂钢材产品的产量、品种、产品规格等诸参数来确定加工工序和加工设备类型，再依加工工序的要求来确定炼钢车间所应提供的铸坯的质量与断面形状、尺寸，从而计算出按不同钢种所需供应的铸坯的数量(吨)，这通常称为炼钢车间的产品大纲。设计炼钢车间时首先应制定车间的产品大纲(或称之为设计的产品计划)，应详细地列出所要冶炼的钢种，各钢种具有代表性的若干钢号，各钢号的产量及在总产量中所占的比例。这样就可使炼钢车间的产品品种、产量、所占比例十分清楚地表述出来。1.3.2炼钢厂的物料平衡炼钢厂（或车间）生产的物料平衡是指进入车间的各项原材料的量(月耗用量或年耗用量，kg或t)，同一时期内生产出的合格连铸坯量，排出的炉渣、工业垃圾量以及排放的废气与可回收的烟尘量的平衡计算。也就是一个车间生产的投入与产出的实物量的关系。炼钢过程消耗的原料以金属料(废钢和铁水)的量为最大，所以物料平衡中宜以金属料平衡为主。物料平衡计算是以实际生产中统计的技术经济指标为依据，应当选用生产上的平均先进指标(如原材料的单位消耗和收得率，合格率等)作为设计的指标进行计算。而各项指标又与不同的生产流程、设备的类型(不同种类的初炼炉及其容量大小)及与所熔炼的钢种密切相关。因此，选用计算时必须认真考虑，并且用这些指标来代表设计方案的技术可行性和经济合理性。原料的单位消耗是指平均的单位合格产品所用的原料量，通常以kg/t计。表1.1是超高功率电弧炉炼钢主要经济技术指标，可供计算时参考。表1.1超高功率电弧炉熔炼主要经济技术指标项目单位主要经济技术指标冶炼周期min/炉40～70冶炼电耗kw·h/t250～400石墨电极消耗量kg/tAC:<3；DC:<1.5单位功率水平kv·A/t700～1000电炉的公称容量t60～150计算车间生产物料平衡的意义在于：1)对一定规模的生产车间显示出其输入与输出任务的大小，即车间吞吐量的定量概念。由此又可以选定各种原材料输入，成品与废品的输出应采用的运输方式。计算所得运输任务的大小亦是进行总图运输设计的依据。2)由物料消耗量设计各原材料的储存量与储存容器或存放场地面积。3)所选用指标的优劣直接反映设计的经济合理与否，特别是金属料的消耗与部分金属在生产流程中的循环往复更能显示所设计流程的先进与否，显示金属利用的水平。1.4炼钢车间设计的内容(1)车间设计的依据。炼钢厂或一个车间的设计工作应按照基建程序来安排，每段工作均应以前一段设计内容为依据，若非必要不得任意修改。设计之前，应该制定详细的设计任务书。设计任务书是根据当地的实际经过充分讨论研究之后制定的。(2)车间设计的目的和基本内容。设计的目的是要建设新的生产厂。设计的任务是要对建设单位作出技术的与经济的详细规划，确定企业的生产经济状况，技术经济指标。设计中所拟定的劳动人员编制和建设投资估算与概算，是企业招工定额、建立人员编剧和申请拨付投资或贷款的依据。炼钢车间设计一般应包含下列各项基本内容：1)车间的工艺设计部分；2)车间机械设备设计；3)供电设施设计，电讯系统设计，照明设计；4)给水、排水(包括污水处理)设计；5)厂房通风与局部的采暖、通风设计；6)厂房与设备基础及其它构筑物设计；7)环境保护与安全卫生。显然上述众多设计内容应由各种专业设计人员共同协作完成，各专业之间形成一个完整的组合体，不同专业为一个共同目的而互相协作，密切配合，而由该项目的总设计师(项目总负责人)组织、协调各方面的设计工作，共同的任务。(3)车间工艺设计的任务。具体地说，工艺设计的任务是以设计任务书为依据，对下列各项内容完成较详细的设计与计算，编制设计况明书，绘制相应的图纸：1)制订详细的产品计划方案(产品大纲)；2)根据不同钢种，制订生产工艺大纲；3)主体设备的选型，确定设备数量，型号等；4)选择各种辅助设备，提出非标准设备的设计工艺要求；5)设计并绘制车间的工艺布置平面图，及剖面图；6)提供水、电、热力、土建、通风、照明，设备制造及总图运输等各专业设计所需要的资料；7)计算各项原材料的消耗量，计算炼钢—浇铸生产过程的各项技术经济指标；8)编制劳动定员计划；9)连铸坯生产成本计算或提出成本计算的技术资料，提出进行技术经济分析所需要的资料。由上述各项可见，工艺设计部分是决定一个车间(或厂)面貌的主要因素，是决定和影响其它专业设计的前提条件。正确进行工艺设计便成为完成设计任务、保证设计质量的关键。因此，设计者必须根据设计任务所提出的要求，严格按照设计工作所应遵循的程序，既避免繁琐，又不可简略草率，保证设计工作的质量。本设计主要解决的是工艺设计部分。概括地说，是制定了产品大纲，确定了主体工艺流程，选定了各项主要生产设备(电炉、精炼设备、连铸设备以及各跨间所需的相关起重设备等的确定)，解决生产车间各组成部分的布置问题（主要指电炉、精炼设备、连铸设备等的工艺布置），绘制了车间布置的平面图、剖面图以及电弧炉的炉型图，核算了车间主要经济技术指标。2设计方案的确定2.1产品大纲的制定2.1.1产品大纲（1）冶炼钢种主要钢种：轴承钢其他钢种：碳素钢、合金结构钢、冷镦钢、碳素工具钢（2）代表钢号成分。见表2.1。表2.1代表钢号成分成分牌号CSiMnPSCrGCr9（轴承钢）1.00~1.100.15~0.350.25~0.45≤0.0250.9~1.20Q235（碳素钢）≤0.22≤0.30.3~0.8≤0.35~0.4530Mn2（合金结构钢）0.27~0.340.17~0.371.40~1.80ML15（冷镦钢）0.13~0.180.15~0.350.3~0.6≤0.035T7（碳素工具钢）0.65~0.75≤0.35≤0.4≤0.035≤0.030（3）各钢种代表钢号、产量以及产量比（%）。见表2.2。表2.2各钢种代表钢号、产量以及产量比单位：万吨钢种代表钢号产量产量比(%)高碳铬轴承钢GCr93960碳素钢Q2351320合金结构钢30Mn26.510冷镦钢ML153.255碳素工具钢T73.2552.1.2制定产品大纲的依据近年来,我国轴承市场发展迅速，与机械、汽车等行业的发展迅猛有关,为轴承行业的发展提供了市场空间，轴承市场空间的拓展,为轴承钢的发展带来了机遇和前景。工程机械轴承占轴承钢比例较大。从长期发展着眼，中高档轿车轴承、航空航天轴承、数控机床轴承、前景很不错。由于市场对轴承的要求的因素如质量,噪音和使用寿命等越来越高,轴承行业对轴承钢的要求也随之增高。比如,航空航天、机床主轴精密轴承,计算机专用轴承等,这些产品对轴承的要求很高。所以，在现阶段，除了保证轴承钢的产量，还应大力提高冶炼水平，生产优质轴承钢，为国内航空航天、汽车轮船、计算机等行业的未来发展提供保障。2.1.3钢种的特性以及用途(1)高碳铬轴承钢GCr9。表2.3GCr9的化学成分元素CSiMnCrPSNHOTi含量(％)1.00~1.100.15~0.350.25~0.450.90~1.20≤0.025≤80ppm≤1~2ppm≤12ppm≤15ppm1)特性：淬透性和耐磨性高，冷应变塑性和切削加工性中等，焊接性差，对白点形成敏感，热处理有回火脆性倾向。GCr9因为具有良好性能、合金含量较少而成为最广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火加回火后具有均匀的组织、良好的耐磨性、较高的硬度、高的接触疲劳性能。2)用途：用于制作各种滚动体以及轴承套圈。例如:制作汽车、机床、火车、钻探机、各种机械,传动轴承的套圈、钢球、滚子。有时也用来制造冲模、量具等工具(2)碳素钢Q2351)特性：含碳量适中，塑性、韧性、焊接性能、冷加工性能良好。强度良好，易于加工。2)用途：大量生产钢板、钢筋、型钢、桥梁、车辆等。质量好的含S、P量低的C、D级Q235，相当于优质碳素结构钢，适于制造机座、支架、连杆、轴、轴套圈等对焊接性和韧性要求较高的工程结构机械零部件。（3）碳素工具钢T71）特性：亚共析钢，韧性和强度良好。2）用途：用于制造能够承受冲击负荷的工具，如冲头、锻模、钳工工具、锤和冲模、钻子、手用大锤的锤头、钢印、较纯的外科医疗用具等。（4）冷镦钢ML151）特性：塑性和韧性良好，较好的冷镦和冲击性能。2）用途：常用来制作铆钉、开口销、弹簧插销、螺钉、等。（5）合金结构钢30Mn21）特性：经处理后，具有很好的强度、韧性和耐磨性能。拉丝、冷镦、热处理工艺在制造截面尺寸小的零件时表现更好，可加工性与焊接性尚可，一般不作为焊接件。具有较高的淬透性，淬变性小，但有过热、脱碳敏感性及回火脆性。2）用途：汽车、拖拉机中的车架、变速箱齿轮、轴、较大截面的调质件多是用其制造，起重机的后车轴等心部强度较高的渗碳件也可用其制造。2.2工艺方案与工艺流程的选择2.2.1炉容量与座数的确定大电炉技术经济指标较好，热损失和电耗较小，因此一般力求选用较大容量的电炉。车间的生产规模，冶炼周期，作业率等因素对电弧炉的炉容量影响较大。每次的出钢量q由此可以估算出：(2.1)式中——车间产品方案中确定的年产量，t；τ——冶炼周期，取51分钟即0.85h；η——作业率，，取88%；y——良坯收得率，连铸一般95%~96%；求得q=75t。留钢量设计为炉子公称容量的21.1%，由此确定电弧炉的公称容量为95t。现代电弧炉炼钢车间一般配置1座电弧炉——1套炉外精炼装置——1台连铸机——1套成品连轧机的“四位一体”一对一的生产作业线。这种配置方式具有生产管理方便，技术经济指标先进，相对投资省的优点。2.2.2工艺方法与工艺流程的选择与论证现代电炉生产流程是以电炉生产的现代化、高效化为出发点。而超高功率供电技术、炉外精炼技术和用氧技术是提高电炉生产效率的最重要的技术。由于精炼任务移到炉后的精炼炉中进行，传统电炉所承担的熔化、脱碳、还原等多项任务被分解，电炉的任务单纯化，主要任务是熔化废钢。通过提高电炉功率，发展用氧技术，增强化学能的使用，提高了熔化废钢所需能量的输入强度。并改进能源在炉内的分布，极大地缩短了电炉冶炼周期，实现了与连铸机生产节奏匹配，为建立现代电炉流程奠定基础。从电炉生产普钢开始，电炉钢厂逐渐形成了现代电炉—精炼—连铸—连轧的生产线，成为有竞争能力的炼钢生产线。在生产高碳铬轴承钢方面江阴兴澄特种钢铁有限公司居全国领先、世界先进水平。品种包括棒材和线材，其生产的主要工艺流程为：较大规格棒材生产工艺流程为：高炉铁水十优质废钢→100tEAF超高功率偏心底出钢直流电弧炉→100tLF精炼炉→100tVD真空脱气炉→R12m、5机5流300mm×300mm大方坯连铸CC→热送→热装→加热→连轧轧制(→抛丸→矫直→涡流探伤→超声波探伤)。较小规格棒材生产工艺流程为：高炉铁水十优质废钢→100tEAF超高功率偏心底出钢直流电弧炉→100tLF精炼炉→100tVD真空脱气炉→R12m、5机5流300mm×300mm大方坯连铸CC→热送→热装→加热→连轧开坯→中间坯加热→连轧轧制(→抛丸→矫直→倒角→涡流探伤→超声波探伤)。线材生产艺流程为：高炉铁水十优质废钢→100tEAF超高功率偏心底出钢直流电弧炉→100tLF精炼炉→100tVD真空脱气炉→R12m、5机5流300mm×300mm大方坯连铸CC。本次设计考虑到实际和先进性，采用：95tConsteel交流电弧炉（UHP-EAF，EBT）→80tLF精炼炉→80tVD真空脱气炉→R12m、3机3流300mm×300mm大方坯连铸CC→热送→热装→加热→连轧轧制(→抛丸→矫直→涡流探伤→超声波探伤)。（UHP超高功率，EBT偏心炉底出钢法）（1）Consteel电弧炉可以实现连续加料、连续预热废钢、生铁、预还原铁矿等金属料，同时减少烟尘排放量的电弧炉炼钢技术。它从废钢料场或铁路车皮把废钢装上炉料传送机，通过加料传送机，自动、连续地从电弧炉1号和3号电极（见图2.1所示）一侧的炉壳上部部位加入电弧炉内，并始终在炉内保持一定的钢水量。同时，电弧炉内的烟气逆向通过预热段不断地对炉料进行预热。这样，电弧可直接加热钢水，通过钢水直接融化废钢，使操作平稳，对前级电网冲击小，降低变压器容量，节约能源。废钢由铁路被运输到炉子料场的加料区，由电磁吊吊到传送机上。全封闭的废钢预热段为18~24m长，内衬以耐火材料并用水冷密封装置密封，以防封闭盖和预热段底漏气。预热段还可安装天然气烧嘴。废钢由废气和燃料加热到500~700℃。图2.1炼钢电弧炉炉盖简图1—1号电极；2—2号电极；3—3号电极；4—转动炉盖机构其优越性为：①占地面积小，节约投资。采用的平面布置方案，不会增加厂房高度，降低了生产规模和投资比。相较于竖炉增加的占地面积，对电弧炉的本体结构不会造成较大影响。②大幅度降低了操作成本。废钢连续预热后进行熔炼大大降低电能、电极、耐火材料的消耗。耗电量下降10%~15%；废气以低速逆流通过预热段，废气中大量的烟尘在预热段沉降大大降低布袋除尘量。③减少渣中FeO含量。可使从废钢到铁水的金属收得率提高2%，因为熔池始终处于脱碳沸腾的精炼阶段（1580℃~1590℃），熔池搅拌强度剧烈，使[C]和[O]的关系更接近平衡，所以渣中FeO含量低。④钢中气体含量低。原料进入熔池时，经预热段后其中的碳氢化合物已被完全燃烧，且一般不用燃烧嘴和天然气预热烧嘴，所以杜绝了氢的来源。而整个熔炼中，熔池始终处于脱碳沸腾的精炼阶段，熔池搅拌强烈，且采用泡沫渣深埋弧操作，减少了进入炉内的气体量及气体进入熔池的可能性。因此，可使钢中的[H]和[N]的含量保持在较低的水平。此外，钢液的连续脱碳沸腾，也保证了良好的脱硫和脱磷效果。⑤对原料的适应性强。Consteel系统可以使用废钢、生铁、冷或热态直接还原铁矿（DRI）和热球团矿（HBI）、铁水和Corex海绵铁。其中铁水加入量可达20%~60%，也是连续加入炉内的。⑥废气的处理简便。因有一较长的预热段，从而确保了废气在靠近电弧炉的2/3长度的预热段进行充分反应，可方便的实现对释放的废气中的CO、NOx等进行严格控制。因环保要求需提高废气温度时，也只需在预热段加一小烧嘴以提高废气温度，不像其他电弧炉那样需要特设一专用的庞大的炉后处理系统。（2）采用鱼雷罐车供应铁水：流程：高炉出铁到混铁车内，铁路机车牵引到电炉车间倒灌坑旁，电炉需要铁水时倒入坑内的铁水罐内，称量后兑入电炉。不仅设备、厂房、建设投资以及生产费用比采用混铁炉时省，而且还能节能和优化生产环境。但是运输过程中散热少，减少了总的热损失。铁水温度高，有利于脱磷硫处理。比较适合于高炉和电炉距离较远时使用。（3）废钢供应方式：设立在单独的废钢间，用火车或汽车向料坑或料仓卸入本厂或外来废钢，按照类型不同分类堆放，用磁盘吊车或大钳向废钢料斗装入废钢，然后用热力或电力料斗平车运输到加料跨；（4）采用LF炉作为炉外精炼，在LF炉后将配置VD脱气装置1）LF炉：LF法主要是通过电极埋弧加热、底吹Ar搅拌钢液和造还原渣(合成渣)实现精炼的，并完成深脱氧、深脱硫和去除夹杂物等主要任务。LF炉是钢水在电弧炉出钢后在钢包内精炼的设备，LF炉是由钢包、炉盖、电极加热系统、搅拌系统等组成的。LF炉具有以下的功能：①搅拌作用。LF炉底吹氩气，搅拌钢渣，均匀钢水成分和温度加快钢渣界面的脱硫脱氧反应，促进夹杂物上浮，脱除气体，净化钢液，提高钢的纯净度；②加热作用。LF炉具有加热功能，补充钢水从初炼炉至开浇前的温降，并在精炼过程中进行合金微调；③LF炉炉盖的封闭保持炉内还原气氛的功能。④储存钢水的调节作用。可在LF炉工位储备1～2炉钢水，待后续钢水冶炼出来后再进行连铸作用，从而确保连铸的顺行。其工艺的优点是：①电弧加热热效率高，升温幅度大，控制准确度可达±5℃；②具有搅拌和合金化的功能，吹氩搅拌易于实现窄范围合金成分的控制，提高产品的稳定性；③设备投资少，精炼成本低，适合生产超低硫钢、超低氧钢。LF炉内处理时，钢水的化学成分的变化：①脱氧。在LF精炼过程中，由于加入(或喂入)脱氧剂，或精炼渣中配有部分脱氧剂，因此有可能同时存在Si脱氧(如加入含Si物料)、Al脱氧(如加入Al)、复合脱氧剂脱氧(如加入Ca-Si.FeBaAlSi等)和炉渣(精炼渣)脱氧等几种方式。使用强脱氧化剂的铝粒作为终脱氧剂，当酸溶铝达到0.03%～0.05%时钢中的[O]几乎全部转变成Al2O3。精炼过程钢中全氧含量变化趋势如图2.2所示。图2.2精炼时间与钢中全氧含量的关系由上图可知,精炼时间的延长钢中氧含量降低,但精炼时间大于40min钢中氧含量的降低趋势趋缓。同时,终点弱搅拌时间大于5min具有一定的去氧效果。②脱硫。熔渣的脱硫能力常用渣中的硫含量与钢中的硫含量之比,即硫的分配系数(Ls=(%S)/[S])表示。通过批量取样分析，可得出精炼时间和硫的分配系数之间的关系。见图2.3所示。图2.3LF炉精炼时间与硫在渣钢间的分配系数之间的关系脱硫反应：如前所述，目前精炼渣基础渣系仍以CaO-Al203(-SiO2)和CaO-CaF2(-SiO2)为主，属高碱度还原渣。因此精炼渣脱硫反应通式可按离子理论写成:(O2-)+[S]=(S2-)+[O]△G=71965-38T,J.mol-1可见，增大渣中(02-)、降低钢中[O]和高温对脱硫有利。所以，当钢液中的（FeO）的含量小于10%时，钢液处于还原性气氛，极易去除硫，这时可以使得脱硫率达到50%以上。③[C]+(FeO)=[Fe]+CO,由于（FeO）的含量很小，所以反应消耗的碳含量较为稳定。但是，由于电极的作用和微合金化时加入的炉料带入的碳量，所以LF精炼中，极有可能增碳。④2[P]+5(Fe2+)+8(O2-)=2(PO43-)+5[Fe],由于渣中的(O2-)含量降低，所以反应会向着逆方向进行，从而使磷含量升高，产生“回磷”的现象。⑤合金化后的钢水，在LF吹氩精炼过程中，钢液中的氮可以不断地向氩气泡中扩散，并由氩气泡带出钢液；但是因为初始氮含量不高且形成稳定的氮化物，故LF吹氩精炼时，不会有明显的脱氮效果。同时，由于加入铁合金带入氮，虽然大量吹氩，可是钢液暴露于大气中，所以会出现增氮的现象。2）脱气装置选择VD精炼工艺：VD法是在伴有底吹Ar的情况下，通过抽真空(<67pa)降低钢水上部的气压实现精炼的，并完成以脱气为主要目的的功能，通常与LF炉相配合使用。其主要特点为：①脱氢和脱氮。钢中的气体含量与熔池温度和气相中该气体分压有关。在减压条件下，气相中的P（H2）和P（N2）分压降低，从而降低钢液中的气体含量。由于氢在钢水中的活性很高，扩散系数很大(DH=(1.2～1.5)×10-3cm/s)，所以抽真空时大部分氢能迅速逸出。但氮的活性较小，其在钢中的扩散系数也小(DH=(1～4)×10-4cm/s)，所以钢水脱氮效果略差，除非加大真空度。②脱氧和脱碳。在减压条件下，PCO分压降低，脱碳反应平衡向产生CO的方向移动，钢中的W[O]和W[C]下降，即减压条件下提高了碳的自脱氧能力。③去除夹杂物。真空精炼过程中，由于脱碳反应的进行，能够促进夹杂物从钢液中上浮进入渣中。④功能齐全，设备简单，操作灵活方便。（5）选取全弧形连铸机连铸。连铸是将高温钢水连续不断地浇铸到一个或一组水冷铜制结晶器内，钢水沿结晶器周边逐渐凝固成坯壳，待钢液面上升到一定高度，坯壳凝固到一定厚度后由拉矫机将铸坯拉出，并经二冷区喷水冷却使铸坯完全凝固，由切割装置根据轧钢要求切成定尺。这种使高温钢水直接浇铸成钢坯的工艺称为连续铸钢。它的出现从根本上改变了一个世纪的钢锭-初轧工艺。连铸的优越性①简化生产工序②提高金属的收得率③节约能量消耗④改善劳动条件，易于实现自动化⑤铸坯质量好全弧形连铸机的结晶器是弧形的，二冷区夹辊安装在四分之一圆弧内，铸坯在垂直中心线切点位置被矫直，然后切割成定尺，从水平方向出坯，因此，铸机的高度基本上等于圆弧半径。这种连铸机的主要特点如下。a.由于它布置在1/4圆弧范围内，因此，它的高度比立式、立弯式要低，这一特点使它的设备质量较轻，投资费用较低，设备的安装和维护方便，因而得到广泛应用。b.由于设备高度较低，铸坯在凝固过程中承受的钢水静压力相对较小，可减小坯壳因鼓肚变形而产生的内裂和偏析，有利于改善铸坯质量和提高拉速。c.弧形连铸机的主要问题是钢水在凝固过程中非金属夹杂物有向内弧侧聚集的倾向，易造成铸坯内部夹杂物分布不均匀，另外，由于内、外弧形冷却不均匀，容易造成铸坯中心偏析而降低铸坯质量。2.2.3车间生产能力核算及主要原材料的消耗车间生产能力是衡量电炉炼钢厂生产运营状况的一个重要指标。随着我国电炉炼钢的迅速发展,不论是新钢厂设计或老企业改造,还是现有车间的生产组织，年生产能力越来越为工程设计人员和企业的生产经营者所重视。电炉车间的生产能力:Q=1440naKGηN/T(2.2)式中Q——车间电炉的年产钢水量，t/a；1440——每天日历时间，min/d；n——电炉一全年工作天数，d/a，本设计取320天；a——金属收得率，取95%；K——过装系数，本设计取1.0；T——每炉钢平均冶炼时间，min/炉；G——每炉平均出钢量，t/炉；η——铸坯的收得率，本设计取96%；N——车间内电炉座数；则Q=618014t/a主要原材料消耗如下：①金属料724kg/t废钢+310kg/t铁水；②石灰32.46kg/t③电极2.07kg/t④炉衬耐火材料2.59kg/t⑤氧气31.23kg/t⑥冶炼电耗253.492kW·h/t2.2.4车间组成和工艺布置电炉车间的工艺布置必须满足：工艺流程合理，各种工序的操作顺利，特别是电炉操作要方便，厂房电源等费用投资要低，并预留发展的余地。（1）车间的组成一个电炉炼钢车间要具备如下功能：原料的存储及炉前的准备，冶炼，浇铸，钢锭（坯）的冷却和处理，耐火材料的存储和准备，炉衬和炉盖的修砌以及其他辅助生产准备。所以一个电炉炼钢车间一般设有原料跨、炉子跨、浇铸跨、出坯精整跨。耐火材料间、炉衬修砌间，钢渣处理间以及其他辅助设施。上述各间并不一定必须独立设立，设计时可根据电炉的布置和浇铸方式的不同，几个工序合并在一个跨间内进行，考虑原则应是工艺流程合理，原料和成品运输畅通，运输线路短，布置紧凑，生产方便。一般设原料跨、炉子跨、精炼跨、浇铸跨、出坯精整跨。（2）工艺布置1）原料跨布置炼钢用的各种原料：废钢块、铁合金、各种造渣材料等。通常单独布置在一个跨间内，与炉子跨毗连，平行布置或垂直布置。其大小应能保证储存冶炼所需的各种原料以及流出运输所需的空间。各种原料应分类放置。2）炉子跨安装电炉设备和冶炼操作。①电炉在车间的平面布置如下。电炉纵向布置：电炉的出钢方向与车间柱子纵向行列线平行。这种布置一般是把冶炼和浇铸布置在同一个跨间。电炉横向布置：电炉的出钢方向与车间柱子纵向行列线相垂直。当冶炼和浇铸分别在两个跨间进行时，宜采用横向布置。本设计中电炉采用横向布置。②立面布置如下。a.低架式布置：电炉布置在地平面，出钢在出钢坑内进行；操作在地平面上进行。优点：简单，厂房标高低。但出钢条件差。这种布置是较早的小型电炉的布置形式，新建钢厂极少采用。b.高架式布置：电炉布置在高架操作平台上，冶炼操作也在平台上进行。优点是炉前劳动条件好，可采用炉下渣车出渣，改善除渣条件，炉下检修设备也比较方便，不必做防水坑工程，电气室可分为二层布置。但是，一次投资费用高，地面向平台搬运物品占用吊车时间多。大型电炉和新建电炉采用较多。本设计中电炉采用高架式布置。3）浇铸跨本设计中连铸机采用横向布置。横向布置：连铸机与电炉布置在多跨的厂房内，连铸部分通常由钢水接受跨，浇铸跨，出坯跨，精整跨组成，出坯方向与跨间垂直。这种布置方式可容纳多台电炉和连铸机，车间生产能力大。（3）紧凑式布置电炉车间超高功率电弧炉炼钢技术迅速发展和炉外精炼技术的开发成功，使得电炉的还原精炼移到炉外进行，充分发挥了超高功率电弧炉的快速熔化作用，缩短了冶炼时间，这种快节奏的电弧炉炼钢促使电炉配连铸，出现了一种紧凑式电弧炉炼钢厂，这种紧凑式布置可避免多跨式布置的缺点。其布置原则是最紧凑的将炼钢生产的各种工艺设备布置在最少跨间内，尽量压缩各跨间的距离，最大限度的削减运输环节，只使用少量的提升和运输设备达到占地面积小，节省投资，降低经营费用，获得更高的劳动生产率的目的。这种电炉车间布置综合了许多现代化的技术和装备，其平面布置包括：废钢和配料区，废钢预热装置，超高功率电弧炉，合金化系统，炉外精炼设备，连铸机等生产工序和设备。这些先进设备连成一排，前后有序，不强求传统式排列，只要求最佳的物料流程。从原料开始到浇铸成坯，没有任何中间干扰，车间运输距离压缩到最短，而且考虑必要的提升和运输设备，电炉通过偏心炉底无渣出钢，运至精炼炉处理，随后吊至连铸机浇铸。这种紧凑式布置所需空间只是一般电炉车间的25%，厂房大大简化，基建费用大幅度减少。3车间物料与热平衡及主要经济技术指标3.1物料平衡计算计算所需原始数据。基本数据有：冶炼钢种及其成分（表3.1）；原材料成分（表3.2）；炉料中元素的烧损（表3.3）；合金元素的回收率（表3.4）；其他数据（表3.5）。表3.1冶炼钢种及其成分成分钢种CSiMnPSCrNHOGCr91.0～1.100.15～0.350.25～0.45≤0.025≤0.0250.9～1.2≤80ppm≤1～2ppm≤12ppm表3.2原材料成分名称CSiMnPSCrAlFeH2O灰分挥发分废钢0.030.03098.890铁水4.250.604094.460Fe-Mn7.001.0070.00.200.03021.770Fe-Si0.1075.000.40.030.0201.6022.850Fe-Cr4.002.000.030.0257023.945Al98.81.200焦炭82.000.0500.5112.54.94电极98.002.0名称CaOSiO2MgOAl2O3CaF2Fe2O3CO2H2OP2O5S石灰90.002.003.001.400.702.690.100.060.05萤石1.503.500.501.5088.002.651.500.700.15生白云石31.000.5020.000.700.3846.400.700.300.02炉顶1.206.400.1791.350.88炉衬*4.003.5089.500.802.20焦炭灰分4.5050.000.9026.0018.450.15电极灰分9.0057.500.1033.40*注：炉衬主要指炉壳熔池部分的内侧的耐火材料炉衬，下同。表3.3炉料中元素烧损率成分CSiMnPS烧损率（%）熔化期30.00082.00064.00045.000忽略氧化期至0.0095全部烧损20.00040.00035.000回收率（%）合金材料CSiCrMnP、S、FeFeMn907582全部进入钢水中FeCr90788480FeSi907680表3.4合金元素的回收表3.5其它数据名称参数配碳量比钢种规格中限高0.65﹪，即达1.70﹪熔化期配碳量30﹪，即1.7×30﹪=0.51kg电极消耗量2.0Kg/t(金属料)：其中熔化期占75﹪，氧化期占25﹪炉顶高铝砖消耗量0.5Kg/t(金属料）：其中熔化期占60﹪，氧化期40﹪炉衬镁砂消耗量2.0Kg/t(金属料)：其中熔化期占57﹪，氧化期占43﹪熔化期和氧化期所需氧量90﹪来自氧气，其余10﹪来自空气氧气纯度和利用率99.6﹪，余者为N2，氧利用率90﹪焦炭中碳的回收率76﹪（系指配料用焦）碳氧化产物均按90﹪生成CO，10﹪生成CO2考虑烟尘量按12Kg/t(金属料）考虑（2）炉料平衡基本项目。收入项：废钢、铁水、焦炭、石灰、生白云石、电极、炉衬镁砂、炉顶高炉砖、氧气和空气。支出项：钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦炭中挥发分。（3）计算步骤。以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段—熔化期和氧化期分别进行计算，然后汇总成总物料平衡表。第一步：熔化期计算确定物料消耗量：A.金属炉料配入量：废钢和铁水按70kg和30kg搭配，不足碳量用焦炭来配。其结果列于表3.6。计算用原始数据见表3.1和3.5。表3.6炉料配入量名称用量（kg）配料成分（kg）CSiMnPSFe废钢70.0000.1400.1750.4200.0210.02169.223铁水30.0001.2750.1800.1500.0450.01228.338焦炭0.4570.285*合计100.4571.7000.3550.5700.0660.03397.561*注：碳烧损率24﹪。B．其它原材料消耗量。为了提前造渣脱磷和保护炉衬，先加入一部分石灰（25kg/t（金属料））和生白云石（6kg/t（金属料））。炉顶、炉衬和电极消耗量见表3.5。2）确定氧气和空气消耗量：耗氧项包括炉料中元素的氧化，焦炭和电极中碳的氧化，供氧项包括石灰和生白云石中CaO被自身S还原出部分氧。前后二者之差即为所需净氧量—2.366kg。详见表3.7。表3.7净耗氧量的计算项目名称元素反应产物元素氧化量（kg）耗氧量(kg)供氧量(kg)耗氧项炉料中元素的氧化CC→{CO}0.4590.612C→{CO2}0.0510.136SiSi→（SiO2）0.2910.333MnMn→（MnO）0.3650.106PP→（P2O5）0.0300.038FeFe→（FeO）*0.2930.084Fe→（Fe2O3）*1.6590.711小计3.1472.020焦炭中碳的氧化CC→{CO}0.0810.108C→{CO2}0.0090.024电极中碳的氧化CC→{CO}0.1320.176C→{CO2}0.0150.039合计2.367供氧项石灰SCaO+S=CaS+O0.0010.001生白云石SCaO+S=CaS+O0.0000.000合计0.001净耗氧量2.366*注：令铁烧损率2﹪，其中80﹪生产Fe2O3挥发掉成为烟尘的一部分；20﹪成渣。在这20﹪中，按3：1之比例分别生成（FeO）和（Fe2O3)根据表4.5中的假定，应由氧气供给的氧气为90﹪，即2.367×90﹪=2.130kg，空气供氧为2.367×10﹪-0.001=0.236kg。由此可以求出氧气和空气的实际消耗量。详见表3.8。1）+2）便是熔化期的物料收入量。表3.8氧气与空气的实际消耗量氧气（kg）空气（kg）带入O2带入N2带入O2带入N22.3670.0100.2360.790*∑=2.367+0.010=2.377∑=0.236+0.790=1.026*注：77/23为空气中N2与O2的质量比3)确定炉渣量：炉渣源于炉料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物，炉顶和炉衬的蚀损，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。其结果见表3.9。表3.9熔化期炉渣量的确定名称消耗量（kg）成渣组分（kg）合计CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS炉料中元素的氧化Si0.2910.6240.624Mn0.3650.4710.471P0.0300.0680.068Fe0.390①0.3760.1390.516炉顶0.0300.0000.0020.0000.0270.0000.030炉衬0.1140.0050.0040.1020.0010.0030.114焦炭0.4570.0030.0290.0010.0150.0110.0000.057电极0.1500.0000.0020.0000.0010.003石灰2.5002.2480.0500.0750.0350.0180.0020.0032.430生白云石0.6000.1860.0030.1200.0040.0020.0020.0000.317合计2.4410.7130.2980.0830.4710.3760.1720.0710.0034.630﹪52.7315.406.431.8031.540.07100.00①见表3.7注4)确定金属量：金属量Qi=金属炉料重-炉料中C、Si、Mn、P和Fe的烧损量+焦炭配入的碳量=100-3.147+0.285=97.138kg。5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及焦炭和电极碳的氧化产物CO和CO2，氧气和空气带入的N2，物料中的H2O及其反应产物，游离O2及其反应产物，石灰的烧碱（CO2），焦炭的挥发分。计算结果列于表3.10。6）确定铁的挥发量：由表3.7中的设定，铁的挥发量为：97.561×2﹪×80﹪=1.561kg。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3.11。表3.10熔化期炉气量的确定气态产物项目COCO2N2H2OH2挥发物合计炉料中C的氧化1.0710.1871.258焦炭带入0.1890.0330.0020.0230.247电极带入0.3090.0540.363石灰带入0.0670.0030.070生白云石入0.2780.0040.283氧气带入0.0100.010空气带入0.7900.0110.801游离O2参与反应：CO+1/2O2=CO2-0.4140.6510.237H2O参与反应：H2O+CO=CO2+H2-0.0300.048-0.0200.0020.000合计1.1241.3180.8000.0000.0020.0233.267﹪34.4140.3624.480.000.070.69100.00表3.11熔化期物料平衡表项目质量（kg）﹪项目质量（kg）﹪废钢70.00065.27金属97.13890.70铁水30.00027.97炉渣4.6304.32焦炭0.4570.43炉气3.2673.05电极0.150.14铁的挥发1.5611.46石灰2.5002.33其余烟尘0.5000.47生白云石0.6000.56炉顶0.030.03炉衬0.1140.11氧气2.3772.22空气1.0260.96合计107.254100.00合计107.096100.00注：计算误差=（107.254-107.096）/107.254×100﹪=0.15﹪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烧损。1)确定渣量:A.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3.12。B.金属中元素的氧化产物。根据表3.3给出的值可以计算产物量，详见表3.12。C.炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表3.5的假定进行计算，其结果一并列入表3.12。D.造新渣时加入的石灰带入的渣量。见表3.12。表3.12氧化期渣量的确定名称消耗量（kg）CaoSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计留渣30﹪×4.630=1.3890.7320.2140.0890.0250.1410.1130.0520.0210.0011.389金属中元素的氧化或烧损Si0.0640.1370.137Mn0.0410.0530.053P0.0260.0600.060Fe0.0540.0570.0110.069S0.012-0.020.0260.006炉顶0.0200.0000.0010.0000.0180.0000.020炉衬0.0860.0030.0030.0770.0010.0020.086电极0.0500.0000.0010.0000.0000.001石灰0.6370.5730.0130.0190.0090.0040.0000.0010.619合计1.2890.3680.1850.0530.1940.1710.0700.0820.0282.424﹪53.1715.207.652.208.016.752.773.391.14100.00渣量计算的几点说明：关于石灰消耗量：由表3.12可知。除石灰带入的以外，渣中已含SiO2的量为：SiO2=0.214+0.137+0.001+0.003+0.001=0.356kg已含CaO的量如下：CaO=0.732-0.020+0+0.003+0=0.716kg取碱度3.5，故石灰加入量为：[R∑（SiO2）-∑（CaO）]/(﹪CaO石灰-R﹪SiO2石灰)=0.529/(90.00﹪-3.5×2.5﹪)=0.637kg关于磷的氧化量：根据表3.7，可近似求得：0.033×40.00﹪=0.026kg。关于铁的烧损量：一般可以设定，当氧化末期金属中含C约0.90﹪时，渣中∑Fe约达7﹪；且其中75﹪系（FeO），25﹪为（Fe2O3）。因此，渣中含（FeO）为（7﹪×75﹪×72）/56=6.75﹪，含（Fe2O3）为（7﹪×25﹪×160）/112=2.50﹪。由表3.12可知，除了FeO和Fe2O3以外的渣量为：1.289+0.368+0.185+0.053+0.288+0.02+0.082=2.289kg故总渣量=2.460/（100-6.75-2.5）﹪=2.528kg。于是可得（FeO）=0.183kg；（Fe2O3）=0.068kg。其中，由Fe氧化生成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.057kg和0.011kg。2)确定金属量：根据熔化期的金属量以及表3.12中的元素的烧损量，即可求得氧化末期的金属量为97.138-（0.064+0.114+0.026+0.054+0.012+0.296*）﹪=96.572kg。（*0.296为碳的烧损量近似值，即（1.70-0.51）-0.92﹪×97.138=0.296kg）3）确定炉气量：计算方法如同氧化期：先求净耗氧量（表3.13），再确定氧气和空气消耗量（表3.14），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3.15）。具体算法可参照表3.10。熔化期和氧化期的综合物料平衡表列于表3.16。表3.13净耗氧量计算名称元素烧损量（kg）反应产物耗氧量（kg）供氧量（kg）金属中元素的氧化C0.296C→{CO}0.356C→{CO2}0.079Si0.064Si→(SiO2）0.073Mn0.114Mn→（MnO）0.012P0.026P→（P2O5）0.034Fe0.054Fe→（FeO）*0.011Fe→（Fe2O3）*0.003电极中C的氧化C0.049C→{CO}0.059C→{CO2}0.013合计0.639石灰中S还原CaO供氧S0.000CaO+S=CaS+O0.000金属中S还原CaO供氧S0.012CaO+S=CaS+O0.006合计0.006净耗氧量0.634表3.14氧气和空气的实际消耗量氧气（Kg）空气（Kg）带入氧气O2带入N2带入氧气O2带入N20.6390.0030.0580.194∑=0.639+0.003=0.642∑=0.058+0.194=0.252表3.15炉气量项目COCO2N2H2OH2合计金属中C的氧化0.6220.1090.731电极带入的C氧化0.1030.0180.121石灰带入0.0170.0010.018氧气带入0.0030.003空气带入0.1940.0030.197游离O2反应：CO+1/2O2=CO2-0.1120.1760.064H2O反应:H2O+CO=CO2+H2-0.0050.009-0.0040.0000.000合计0.6080.3280.1970.0000.0001.133﹪53.6828.9217.370.000.00100.00表3.16熔化期和氧化期综合物料平衡表收入质量（kg）﹪支出质量（kg）﹪废钢70.00064.25金属96.65288.69铁水30.00027.54炉渣5.6655.20焦炭0.4570.42炉气4.4004.04电极0.2000.18铁的挥发1.5611.43石灰3.1372.88其余0.70.64白云石0.6000.55炉顶0.0500.05炉衬0.2000.18氧气3.0192.77空气1.2781.17合计108.942100.00合计108.978100.00注：计算误差=（108.978-108.942）/108.942×100﹪=0.034﹪表3.17氧化期末金属成分如下：成分CSiMnPS﹪0.925痕迹0.1700.0120.022C：Mn：氧化末期出钢时的回磷量为：，其中出钢带入的渣量为1kg/t，假设钢液带入的渣中的磷全部进入钢液中。P：S：4）估算加入合金量。氧化末期出钢前需往炉内加入Fe-Mn、Fe-Si和Fe-Cr进行合金化。加入量计算如下。A．Fe-Mn加入量QMn:Fe-Mn是在出钢前加入的。根据表3.2和表3.4以及应增加的[Mn]=0.350﹪-0.170﹪=0.180﹪确定：QMn=0.303kgB．Fe-Cr加入量QCr：Fe-Cr亦在出钢前随Fe-Mn之后加入。根据表3.2和表3.4以及应增加的[Cr]=1.1﹪确定：QCr==1.808kgC．Fe-Si加入量QSi：Fe-Si在最后加入。根据表3.2和表3.4以及应增加的[Si]=0.25﹪确定：QSi==0.424kg3.2热平衡计算以100kg金属料（废钢+铁水）为基础。（1）计算热收入Q入。1）物料的物理热：计算结果列于表3.18。铁水的物理热：铁水的熔点=1536－（4.25×100+0.6×8+0.5×5+0.15×30+0.04×25）－7=1091.2℃式中，100、8、5、30、25分别为C、Si、Mn、P、S元素增加1%含量降低铁水熔点值℃；7为气体O、H、N共降低铁水熔点值℃；1536为纯铁熔点。铁水物理热=30×[0.745×（1091.2－25）+218+0.837×（1340－1091.2）]=36616.94kJ式中，0.745为生铁固态热熔；218为熔化潜热；0.837为液、汽态热熔；（kJ/kg·℃）表3.18物料带入的物理热名称热熔（kJ/kg·K)温度（K）消耗量（kg）物理热（kJ）废钢0.669873.00070.00028098.000铁水0.6691824.4630.00036616.938石灰0.728298.0003.13757.099焦炭0.858298.0000.4579.809炉顶高铝砖0.879873.0000.05026.370炉衬镁砂(砖)0.996873.0000.200119.520氧气1.318298.0003.01999.466空气0.963298.0001.27830.779电极1.507723.0000.200135.630合计65193.6112）元素氧化热及成渣热。计算结果列于表3.19。表3.19元素氧化热及成渣热名称氧化量化学反应ΔH（kJ/kg)放热量（kJ）电极中的C0.132+0.0441=0.176C+1/2O2=CO-116392053.1200.015+0.0049=0.020C+O2=CO2-34834682.746焦炭中C0.081C+1/2O2=CO-11639942.7590.009C+O2=CO2-34834313.506金属中Si0.291+0.064=0.355[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]-113294021.795金属中Mn0.365+0.114=0.406[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]-2176883.108金属中P0.030+0.026=0.0562[P]+5(FeO)=(P2O5)+5[Fe]-2419135.706Fe*6.983[Fe]+1/2{O2}=(FeO)-425029677.8521.6592[Fe]+3/2{O2}=(Fe2O3)-646010714.149SiO2成渣0.713×0.7+0.368=0.8622(CaO)+(SiO2)=(2CaO·SiO2)-16201396.349P2O5成渣0.071×0.7+0.082=0.1294(CaO)+(P2O5)=(4CaO·P2O5)-4880628.846合计51449.935*注：熔化期和氧化期所需的O2量中，由90﹪系有氧气供给。由表4.8和表4.14可知该气态O2总用量为2.727kg。其中，用于将Fe氧化成Fe2O3的量为1.659×（48/112）=0.711kg（见表4.7）；其余O2均设定Fe直接氧化成FeO，即该部分Fe的氧化量（2.727-0.711）×56/16=7.057kg。这些（FeO）为金属中C、Si、Mn、P等的氧化提供部分氧源。3）消耗的电能。根据消耗的热量确定，为86843.533kJ。（2）计算热支出Q出。1）钢水物理热Qg。该钢的熔点为：1539-0.925×65+0×8+0.170×5+0.012×30+0.022×25-7=1467.144℃；出钢温度的确定，考虑浇铸时的过热度、出钢过程温降、钢液运输过程中的温降、VD炉中的温降和LF炉中的升温，可以确定出钢温度为1620℃按氧气转炉的计算方法，可得：Qg=96.652×[0.669×(1467.144-273)+272+0.837×(1620-1467.144)]=136086.618kJ2)炉渣物理热Qr。计算结果见表3.20所示。表3.20炉渣物理热名称熔化期炉渣氧化期炉渣合计温度(℃)1500.0001650.000热容（kJ/kg·K）1.1721.216物理热(kJ)4.630×0.7×[1.172×(1500-25)+209]=8970.6622.424×[1.172×(1500-25)+209]=2262.81611576.9443)吸热反应消耗的热量Qs。计算结果见表3.21所示。表3.21吸热量名称消耗量（kg）化学反应ΔH（kJ/kg)吸热量金属脱碳1.7-96.652×0.925﹪=0.806[C]+(FeO)={CO}+[Fe]6244/C5032.47金属脱硫0.033-0.022=0.011(FeO)+C={CO}+[Fe]2143/CaS23.573石灰烧碱3.137×2.69﹪=0.084CaCO3=CaO+CO24177/CO2352.512水份挥发（由25℃升至1200℃)石灰带入3.317×0.1﹪=0.003H2O→{H2O}，1200℃1227/H2O22.922焦炭带入0.457×0.51﹪=0.002空气带入0.002+0.011=0.013小计0.018金属增碳C0.285C→{C}1779/C507.015合计5938.4934)炉气物理热Qx。令炉气温度为1200℃，热容为1.137kJ/kg·K，由炉气量可得：Qx=4.4×[1.137×(1200-25)]=5878.042kJ5）烟尘物理热Qy。将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为0.996kJ/kg·K,则得：Qy=（0.7+1.561）×[0.996×(1200-25)]=2646.048kJ6）冷却水吸热量Ql。炉子公称容量为95t，冷却水消耗量为750，冷却水进出口温差为5℃，冶炼平均时间为48min，则得：Ql=（750×1000×48×4.185×5）/(950×60)=12389.803kJ7）白云石分解热。由于；；根据用量和成分，可得：Qz=0.6×(31.00%×1690+20.00%×1405)=482.940kJ8）其他热损失。包括炉体表面散热损失，开启炉门热损失、开启炉盖热损失、电极热损失等。其热损失与设备的大小、冶炼时间、开启炉门和炉盖的总时间以及炉内工作温度有关。实际表明，该项热损失约占总热收入的6～9%，本设计取8%。9）变压器及短网热损失。一般，该热损失为总热收入的5～7%。本设计取6%。令热量总收入为，则：=135127.467+16309.051+5938.493+5878.042+3231.198+12389.803+482.940+×（8%+6%）即0.86=174998.888=203487.079kJ故供应电能为：203487.079－65193.611－51449.935=86843.533kJ；=203487.079×8%=16278.966kJ；=203487.079×6%=12209.225kJ。总热量平衡表列于表3.22。表3.22热量平衡表收入支出项目热量（kJ）%项目热量（kJ）%物料物理热65193.61132.04钢水物理热136086.61866.88氧化热和成渣热51449.93525.28炉渣物理热11576.9445.69其中C氧化3992.1311.96吸热反应消耗热5938.4932.92Si氧化4021.7951.98炉气物理热5878.0422.89Mn氧化883.1080.43炉尘物理热2646.0481.30P氧化135.7060.13冷却水物理热12389.8036.09Fe氧化40392.00119.85白云石分解热482.9400.24成渣1396.3490.69其他热损失16333.3998.00成渣628.8460.31变压器及短网系统热损失12250.0496.00电能*86843.53342.68合计203487.079100.00合计203487.079100.00*单位电耗计算：因1kJ=2.773×kW·h，故单位电耗为（86843.533×2.773×）×1000/96.652=253.492kW·h/t。3.3主要技术经济指标（1）产量指标：车间生产能力（年产量）：A=(3.1)式中，n—全年实际有效作业天数，取320天；a—金属收得率；k—过装系数，本设计为1.0；G—车间炉子的总容量；η—连铸坯收得率；τ—平均每一炉钢冶炼时间；1440—每天日历时间；求得，A=65.6万吨（2）质量指标：合格率=100%(3.2)=100%=95%铸坯收得率=(3.3)=100%=96%（3）作业效率指标作业率=(3.4)=（4）渣量根据物料平衡的计算可知，渣量为钢液量的5.86%。电炉渣量：95×5.86%=5.57t/炉。4车间主体设备的计算4.1电弧炉的设计电炉炼钢车间的核心设备是电弧炉，炼钢生产的顺利受电炉设计好坏的直接影响。如果设计不合理，生产过程中很难再做改动，所以应特别重视电炉设计。4.1.1炉型的设计EQ\o\ac(○,1)生产率高，EQ\o\ac(○,2)电能、耐火材料和电极消耗低，EQ\o\ac(○,3)满足多钢种冶炼时冶金反应的要求是新设计的电弧炉应具有的特点。设计步骤：①计算炉内钢液和熔渣的体积；②计算熔池的直径以及深度；③计算熔炼室的高度和直径；④计算炉顶的拱高和炉盖的厚度；⑤计算炉衬尺寸和炉壳直径；⑥计算变压器的功率与电压的大小和级数；⑦计算电极直径。（1）熔池的形状和尺寸额定容量又叫公称容量是指电炉熔池所能容纳的钢水量。我们用电炉的额定容量来表示电弧炉的大小。熔池指容纳钢液和熔渣的那部分容积。熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼的钢液和熔渣，并留有余地。1）熔池的形状由截头圆锥和球缺组成的锥球型内型是熔池最好的形状，炉坡倾斜角为45°。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。2）熔池尺寸计算①熔池容积。根据定义:(4.1)(4.2)式中，T——钢液量，t；——钢液密度，6.8～7.0t/;本设计取6.9t/；=/(4.3)式中，——炉渣的重量，由本设计物料平衡计算得渣量是钢液量的5.86%；——炉渣的密度，3～4t/；本设计取3.7t/。②熔池直径D（渣面直径）和深度H之比D/H；当选定炉坡倾角为45°时，一般取D/H=5左右合适，本设计取D/H=4.8。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：(4.4)式中——球冠部分高度，一般取=0.2H；——截锥部分高度，=H－=0.8H；D——熔池液面直径，D=4.8H；d——球冠直径，因d=D－2=4.8H－1.6H=3.2H,代入上式,整理后得:=10.99=0.0994(4.5)综上所述，本设计95t电弧炉设计如下：公称容量T=95t，炉渣量占钢液量的5.86%。==95/6.9+95×5.86%/3.7=15.272D=4.8H=5.356md=3.2H=3.571m=0.2H=0.223m=0.8H=0.893m（2）熔炼室尺寸熔池以上至炉顶拱基的那部分容积就是熔炼室。1）熔炼室直径炉坡与炉壁交接处的直径，炉门坎平面应高于钢液面20～40mm，炉坡与炉壁连接面应高于炉门坎平面30～70mm，以减轻炉渣对炉壁与炉坡接缝处的侵蚀。炉坡与炉壁连接面应高于液面直径约100mm左右，即当选定炉坡倾角为45°时：=D+2×0.1(4.6)所以得出=5.356+2×0.1=5.556m2）熔炼室高度当决定熔炼室高度时,规定从炉子加料门坎水平面上(指金属门坎而言)至炉顶拱脚的空间高度为熔炼室高度，炉衬门坎较金属门坎水平高出80～100mm。根据经验值/D=0.40～0.44，本设计取/D=0.41所以=0.41×5.356=2.196m（3）水冷炉衬提高超高功率电弧炉炉衬使用寿命，促进超高功率电弧炉技术发展的关键技术之一就是采用水冷炉壁和水冷炉盖。水冷炉盖的尺寸确定如下：炉顶高度与熔池直径D有如下关系：／=1／9～1／7，由此得=5.556/9～5.556/7=（0.617～0.794）m，本设计取=0.7m。炉盖厚度取300mm；炉盖中央取350mm。至此，渣面至炉顶中央高度=+=2.196+0.7=2.896m（4）炉底和炉壁除水冷炉壁后剩余部分的炉衬炉衬组成：工作层→绝热层→石棉→炉壳。通常按耐火材料热阻计算确定除水冷炉壁后剩余部分的衬砖厚度。操作末期被加热的温度不大于200℃，以免炉壳变形，是其计算依据。一般来说，增加炉衬厚度，炉壳受热及热损失可以减少，但是厚度δ达到一定值以后，再增加炉衬厚度δ，反而因为厚度δ增加过大，而增加炉壳直径，增加了散热面积，耐火材料消耗增加，所以选择优质材料，使用较薄的炉衬是最好的办法。根据经验数据：石棉厚度取100mm，绝热层厚度取75mm；工作层厚度为300mm。δ=2×(+100+75+300)炉底的总厚度应由热量计算来确定，近似等于熔池深度，即为1116mm。（5）炉壳及厚度炉壳的作用除了承受炉衬和炉料的质量还要承受装料时的撞击力，同时抵抗衬砖在受热膨胀时产生的部分膨胀力。表4.1表示炉壳厚度与炉壳直径之间的关系。表4.1炉壳厚度与炉壳直径的关系/m<33～44～6>6/mm12～1515～202528～30炉壳直径等于：=+2δ=5.556+2×0.504=6.564m由上表可以取=29mm（6）炉门尺寸的确定炉门尺寸在设计时应满足以下条件：a