电炉炼钢毕业设计正文

WORD格式整理版/1概述1.1钢铁工业现状材料技术是支撑人类文明的重要支柱,是人类社会发展的物质基础和先导。材料又分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料,金属材料是现代文明的重要支撑材料,没有金属材料就没有人类的物质文明。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。世界经济发展到今天的水平,钢铁作为最重要的基础材料之一的地位依然未受到根本性影响,而且,在可预见的时间内,这个地位也不会因为世界新技术和新材料的进步而削弱。纵观世界主要发达国家的经济发展史,不难看出钢铁材料工业的发展在美国、日本、前苏联、英国、德国、法国等国家的经济中都起到了决定性的作用。这些国家钢铁工业的迅速发展和壮大对于推动汽车、机械、造船、电器等工业的发展和经济腾飞都发挥了至关重要的作用。美国钢铁工业曾在上个世纪70～80年代遭受来自日本为主的国外进口材料的冲击而受到重创,钢铁产品生产能力急剧下降,但经过十几年的改造和重建,终于在上世纪90年代中期又恢复到1亿吨的钢铁生产规模,为维持其世界强国地位继续发挥着重要的作用。我国钢铁工业发展主要经历三个阶段：第一阶段是1949～1978年,经过30年的艰苦创业,钢产量由1949年的15.8万吨增加到1978年的3178万吨,年平均增加108万吨。第二阶段是1978年至20世纪90年代中期,在改革开放政策的推动下,这个时期的我国钢铁材料工业进入了持续、快速的发展阶段,取得了举世瞩目的成就,其主要的标志是1996年我国的钢产量首次突破1亿吨。第三阶段是1996年之后,我国一直位于第一产钢国的地位。20XX达到2.73亿吨,高于美国和日本的一倍多。20XX中国钢铁产量达到4.6亿吨,20XX5.6亿吨,增长了22.7%,而这个增长速度已经从20XX起一直持续到现在。20XX上半年的增长也能保持在20%左右,但是下半年市场情况很严峻,钢铁企业生存状况恶劣了许多。但是,我国仍有大片的农村需要城镇化,有极大的应用空间,同时我国的设备也在向着国际高精度水平发展,机械设备的用钢铁量也少不了。所以,此次国际金融危机对我们肯定有一定的影响,但是不像国外那么大。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钢铁企业的组成及炼钢生产在整个生产系统中的地位1.2.1钢铁企业的组成及总体布置钢铁联合企业是一个完整的钢铁冶金生产过程的组合体,企业的生产在技术上应是先进的,经济上应是合理的,有良好的生产管理体制,为社会建设提供优质钢材或其它钢铁制品。钢铁联合企业一般应包括炼铁、炼钢、轧钢<各种成材轧钢车间>三个主要生产部分,以及为它们服务的各种辅助生产车间<分厂>和机构。在很多联合企业里还包括有炼铁生产之前的矿山等生产部门<采矿、选矿以及烧结、炼焦等车间>,即庞大的高炉炼铁原料供应与准备系统。与生产规模较小和生产过程不完整的中小企业相比,大型企业具有以下若干优点：<1>生产能力大,劳动生产率高,产品成本低廉,各项经济技术指标一般优于中小型企业；<2>便于实现生产过程的机械化、自动化和连续化,有利于新技术的推广和应用；<3>能充分地利用本企业生产的各种副产品,开展综合利用,实现良好的环境保护；<4>各车间之间运输距离短,生产周期可缩减,生产与运输费用降低；<5>具有较好的生产条件,能保证本企业生产的正常进行,少受或不受外界各种因素的干扰与影响；<6>便于加强领导,提高企业的科学管理水平。因此,世界各国在发展钢铁生产过程中都比较注意发挥大型企业的作用。对于大中型联台企业而言,除主要的生产车间<在主生产流程上的车间>之外,还必须包含有全厂性的动力设施,诸如：变配电站<或自备发电厂>,供水、排水及污水处理,热力供应,燃料供应与制备,制氧<及其它生产用气体>生产,机修车间,运输部门、通讯部门及试验研究部门等。钢铁联合企业工艺流程如图1.1所示。矿石、石灰、其它原料铁水钢渣水渣高炉渣水渣生铁块生铁块铁水焦粉、煤灰烧结矿冶金焦精矿、石灰石工厂组编站或码头焦化车间烧结车间炼铁车间铸铁机室生铁堆场水渣池综合利用炼钢车间初扎车间废钢轧钢车间炼钢车间综合利用水渣池生铁堆场铸铁机室炼铁车间烧结车间焦化车间工厂组编站或码头精矿、石灰石冶金焦烧结矿焦粉、煤灰铁水生铁块生铁块水渣高炉渣水渣钢渣铁水矿石、石灰、其它原料连铸坯钢材工厂组编站或码头矿石、石灰、其它原料铁水钢渣水渣高炉渣水渣生铁块生铁块铁水焦粉、煤灰烧结矿冶金焦精矿、石灰石工厂组编站或码头焦化车间烧结车间炼铁车间铸铁机室生铁堆场水渣池综合利用炼钢车间初扎车间废钢轧钢车间炼钢车间综合利用水渣池生铁堆场铸铁机室炼铁车间烧结车间焦化车间工厂组编站或码头精矿、石灰石冶金焦烧结矿焦粉、煤灰铁水生铁块生铁块水渣高炉渣水渣钢渣铁水矿石、石灰、其它原料连铸坯钢材工厂组编站或码头厂外废钢处理场外销废钢废钢处理场外销废钢图1.1钢铁厂生产工艺流程铸坯主要作为后步工序—轧制的原料,某些条件下亦可有部分连铸坯直接外销。组成联合企业的各个生产和辅助车间有密切的联系。首先,原材料供求关系要相互满足,如炼铁车间<分厂>冶炼出来的铁水送至炼钢车间<分厂>及时供应炼钢炉的需要,炼钢车间的连铸坯送至成品轧制车间,轧制成材,而不同规格与成品的轧钢车间之间也存在着坯料供需关系。其次,这种联系还表现在上下工序<车间>之间在生产能力上的相互平衡和相互适应,如果一旦破坏了这种平衡与适应关系,就会给生产带来不良影响。动力设施和各辅助车间又是主生产流程的保证,如辅助原料、燃料、氧气不能及时供给也会给主体生产线以影响,甚至停止生产。全厂金属料平衡和其它生产必需品的物料平衡表示出这种互相平衡和相互适应的关系。钢铁厂内部各车间在位置上的相互关系构成联合企业的总平面布置图,简称总图。它表明联合企业内地面及地下的一切建筑物、构筑物的位置和高度,各种管线在厂区内的分布和铺设情况,交通运输线路,绿化美化等设施的平面位置。总平面布置是总图设计的重要组成部分,各车间与公用设施的布局是否合理会直接影响到能否合理地顺利地组织生产,影响到企业建设投资效益及生产经营成本等一系列问题。总平面布置是一项政策性、系统性、综合性很强的设计工作,涉及的专业范围很广,遇到的问题错综复杂,通常要经过多种方案的技术经济比较择优选取,以便创造好的工作和生产环境,提高建设投资的经济效益和降低生产成本。电弧炉厂的生产系统近年来,电炉炼钢在整个世界范围内都在持续不断地发展,在世界钢的总产量停滞时期,电炉钢比例仍在不断增加。随着小型钢厂的迅速发展和直接还原法的完善,电炉钢产量还会继续增加,我国电炉钢年产量以8.75％的速度递增,20XX消耗电极35万吨,20XX消耗在40万吨左右,目前年消耗量近50万吨。我国现有75吨以上的电炉50多台,最大的160吨,电炉钢总产量在4000多万吨。我国电炉钢厂多隶属于特殊钢生产系统,产品都是优质钢、合金钢、特殊用途的钢种。随着电炉向大型化、高功率化发展,其冶炼品种也由多炼优质钢、合金钢扩展到生产普通品质的钢种,如建筑用一般钢材和普通的型钢与板材。这是因为在某种条件下电炉炼钢的成本低廉〔低廉的原材料供应—废钢和电力,与其它炼钢设备的冶炼工艺相比较更占有优势。炼钢生产流程总体方案的选择<1>炼钢生产流程。炼钢生产流程的方案是指选择什么炼钢方法与浇铸方法。对于一个初步确定生产规模的炼钢车间,依据哪些技术条件来选择炼钢工艺及选择炼钢主体设备呢?解决这一问题要注意：1>炼钢原料是什么?其品质如何?2>冶炼钢种与质量要求,成品钢材的规格尺寸范围如何?3>车间生产规模多大?有无发展远景?炼钢厂〔车间工艺设计是钢厂设计的基础,是决定一个钢厂<或车间>基本面貌的关键。炼钢工艺设计必须首先掌握和研究上述三方面问题,是具体设计的前提。为了使炼钢工艺设计能够适应国民经济发展的需要,能够贯彻国家经济政策和技术政策,保证工程项目在建设与投入生产后技术先进、经济合理、安全运行和具有良好的劳动生产条件,合理地选择工艺流程与主体设备选型是设计工作的基本环节。此外,还必须遵循与参照国家和行业现行的有关法规、标准与规范,使设计完成得合理、合法。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,应分析对比研究,谨慎从事,不可草率决定；更不可无针对性地、不考虑产品品种质量是否必需,盲目采用附加设备与工艺,这样势必造成较多的投资,而生产上未必得到良好效果。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。连铸比是指连铸合格坯产量占钢总产量的百分比。连铸是钢铁生产的首要核心技术,20XX我国重点钢铁企业连铸比为99.17%,比上年提高1.69%,超过了世界先进水平。全国连铸机有50％以上已经实现了高效化,促进了炼钢工序节能。"高效连铸技术"形成了一系列具有国际竞争力的国产化关键装备和工艺技术,并已向国内多家企业推广,有利地推动了行业连铸技术进步、企业节能降耗和劳动生产率的提高。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。<2>车间组成。炼钢车间是一个复杂的、相互关联的、配置有各种设备的生产厂房和构筑物的综合体。在炼钢车间要实现贮料、供料、向炉内装料、冶炼、浇铸、检验产品、运出产品,以及为了保证实施这些工艺过程所必要的设备准备工作和其他作业。一般情况下,车间分为一系列主要生产工段和辅助工段。这些工段或者位于独立的厂房里,或者位于主厂房的某一车间或某一个工作区域。炼钢车间可能包括如下一些主要的生产工段<或跨间>：主厂房<在主厂房内进行冶炼和浇铸>；废钢配料间；混铁炉及加铁水间<工作区>；辅助材料跨间〔散装料和铁合金加料跨间；钢水炉外精炼工作区<或处理跨间>；连铸工作区<或跨间>；钢包、中间包的修理、砌衬及准备；及其它辅助工段。车间所包含的跨间和厂房的数目及类型决定于炼钢和浇铸的方法。选择跨间和厂房数目时,必须根据炼钢生产流水作业的原则,合理地设计车间布置。若使独立的工序和单元作业在专门的跨间里进行,由于在这样的跨间里只完成同一类型的作业,可保证高的劳动生产率；同时,还因为在单独的专门厂房里,生产过程散发的热量较分散,产生的烟气易于排放,有利于通风,可改善劳动条件。<3>设计中选用设备的标准化与规范化问题。我国已经制订或正在制订熔炼设备的标准系列,设备制造厂家将按照标准的要求进行设计和制作冶炼设备。因此钢铁厂炼钢车间的主体熔炼设备应以标准系列产品为准完成工艺设计,同时又有与系列熔炼炉相配套使用的厂房起重运输机的系列规格。至于熔炼生产必须的某些辅助设备或工具,在我国的机械制造行业厂家<或冶金机械专业厂、重型机器厂>已经有了一些可供选用的系列产品。设计者应遵循设计的标准化原则,采用各种标准设备,标准化文件<包括图家或行业制订的设计规范、标准和材料的技术条件等文件>。标准化原则的采用,可以保证设计的简便性、通用性与可靠性,提高设计工作的效率。设计者还应遵循典型化的原则,采用各种典型的设计方案和一些定型设计,如定型的厂房和建筑物的设计,工业炉和机械装备的定型设计,统一的建筑与结构件等等。采用定型设计可以缩短设计工作周期,缩短建筑施工工期,提高劳动生产率和降低建设费用,简化日常生产的设备维修工作。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>的生产规模系指该厂<车间>年产合格连铸坯<若干吨或万吨>的数量。但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<或者是设计任务书的规定>,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。近年来,采用电炉炼钢发展中小型厂的方案已为我国冶金界所认识和重视。与烧结、炼焦<有的还包括采选在内>、高炉冶炼铁水、转炉炼钢直到轧制成材的生产线相区别。把电炉冶炼—连铸<以后还可以连接连铸坯的直接轧制或热送>生产流程统称作"短流程"。无疑,"短流程"的建设及保持其正常连续生产,必须要有充足的电力供应和炼钢原料资源的保证。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,选用计算资料时必须认真考虑,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。设计任务书应包含下列基本内容：1>车间生产规模,生产品种的基本方案。2>厂址选择方案,建厂所在地区的资源情况,原材料来源与可供情况；动力、供水、燃料的供应与解决的途径。必要时应附有供应原料与供电、水等的协议书或意向书；厂区的水文地质资料和运输条件及地形图等。3>建厂<车间>要求达到的经济效益和技术水平。4>当地的环保情况,与要求的环境质量。5>投资的控制数字,与劳动定员控制数字。设计任务书是进行各阶段设计的基本依据,本设计根据实习,了解实况,收集资料,积极参加了设计任务书的编制等前期工作,列出了详细的设计任务书。<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<或车间>。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设计原则和依据2.1国家方针政策钢铁产业发展政策20XX,我国就钢铁行业起草了一份国家级的发展规划——《钢铁产业发展政策》。《钢铁产业发展政策》明确,钢铁产业的发展应立足于满足国内市场的需求即可,因此在很多方面都对新建企业的审批进行了限制。产业政策上明确规定,今后原则上不再单独建设新的钢铁联合企业、独立炼铁厂、炼钢厂,不提倡建设独立的轧钢厂,必须依托有条件的现有企业,结合兼并、搬迁,在水资源、原料、运输、市场消费等具有比较优势的地区进行改造和扩建。新增生产能力要和淘汰落后相结合,原则上不再大幅度扩大钢铁生产能力。这表明产业政策在限制了企业的外延型规模扩张的同时引导企业转向内涵式发展道路,对新上钢铁项目从投资资金、产能规模、技术装备和环保指标等各方面进行了明确规定。1>投资资金：建设炼钢项目,企业自有资本金比例必须达到40％以上。建设钢铁项目除满足环保生态、安全生产等国家法律法规要求外,企业还必须具备较强的资金实力、先进的技术和管理能力,以及健全的市场营销网络,水资源、矿石原料、煤炭和电力能源、运输等外部条件要稳定可靠和基本落实。2>规模：钢铁企业跨地区投资建设钢铁联合企业项目,普钢企业上年钢产量必须达到500万吨及以上,特钢企业产量达到50万吨及以上。非钢铁企业投资钢铁联合企业项目的,必须具有资金实力和较高的公信度,必须对企业注册资本进行验资,银行提供资信证明,会计事务所提供业绩报告,有条件的通过招标方式选择项目业主。3>技术装备水平：电炉公称容量70吨及以上。钢铁联合企业技术经济指标也应达到：电炉流程低于0.4吨标煤,水循环利用率95％以上。其它钢铁企业工序能耗指标要达到重点大中型钢铁企业平均水平。4>环保指标：电炉必须配套烟尘回收装置钢铁政策对现在很多民营小钢厂的做法进行了否定。前几年,很多民营资本涌入钢铁行业,他们购买简易的轧钢设备,只生产轧钢阶段的低端最终产品,而对前期的炼钢阶段"不屑一顾",这样就造成了大量的资源浪费和环境污染。本设计所选地区地处经济发达的江南地区,拥有丰富的废钢和电力资源；可以依靠长江黄金水道,运输便利,运输费用将进一步降低；所建新兴钢铁厂为年产65万吨的高碳铬轴承钢〔特钢企业；电炉的各项经济技术指标都到达国家先进水平,部分拥有国际先进水平；配备有专门的除尘系统,除尘效果良好等。综上,所设计的钢铁厂符合国家有关产业发展政策的要求。钢铁产业振兴规划应对当前经济危机,我国发布了钢铁行业振兴规划。在国外需求减少和产能过剩的基本面下,钢铁产业振兴规划将能让钢铁行业从目前的极度深寒中恢复过来,为我国国民经济的发展提供巨大的推动力。振兴规划指出,加快钢铁产业调整和振兴,必须以控制总量、淘汰落后、联合重组、技术改造、优化布局为重点,推动钢铁产业由大变强。一要统筹国内外两个市场。落实扩大内需措施,拉动国内钢材消费。实施适度灵活的出口税收政策,稳定国际市场份额。二要严格控制钢铁总量,淘汰落实产能,不得再上单纯扩大产能的钢铁项目。三要发挥大集团的带动作用,推进企业联合重组,培育具有国际竞争力的大型和特大型钢铁集团,优化产业布局,提高集中度。四要加大技术改造、研发和引进力度,在中央预算内基建投资中列支专项资金,推动钢铁产业技术进步,调整品种结构,提升钢材质量。五要整顿铁矿石进口市场秩序,规范钢材销售制度,建立产销风险共担机制。因此,我们应该抓住现阶段的机遇,建设具有先进技术装备的轴承钢生产厂,提高轴承钢生产技术水平,生产具有高性能的轴承,为我国广大的内需市场和未来的高速发展提高性能优越的轴承。2.2市场要求外需曾是20XX后驱动中国钢铁景气周期的主要因素,但20XX后,随着金融危机向实体经济的延伸,这一动力的衰竭已是必然趋势；但是外需对我国的经济影响有限,现阶段应着力发展内需,提高钢铁产品的质量,形成具有国际竞争实力的钢铁厂。20XX后我国钢铁可能将进入一轮调整周期,其行业特点是：需求低迷、产能相对产量过剩、钢价和原材料价格处于相对低位,钢企实现盈利变得更为困难,行业并购重组更有可能。回顾20XX全国轴承钢市场,大体上经历了大起大落。上半年轴承钢价格一路高涨,7月份以后达到鼎盛时期的行情突然峰回路转,开始走下坡路。下半年突如其来的经济危机遍及全球,钢铁行业也遭到重创,轴承钢下游企业也陷入困境。<1>国内轴承钢产量情况：20XX1—10月份我国轴承钢粗钢产量约217.4万吨,与去年同期相比增长9.6%；1—10月份我国轴承钢材产量为203.4万吨,与去年同期相比增长11.0%。20XX1—10月的全国轴承钢生产企业粗钢、钢材产量位居前8位的是兴澄、东特、锡钢、石钢、新冶钢、巨能、淮钢和宝特,这8家的轴承钢粗钢产量占整个轴承钢粗钢、和钢材总产量的80%以上。<2>20XX1—11月份轴承钢出口情况及市场表现：①国内轴承钢出口继续低迷今年10月份国内轴承钢出口量为4134吨,较9月份的3810吨略有减少,环比减少8.5%,较去年同期的10360吨减少了约60.0%。轴承钢出口下降主要仍是受到国际钢市影响。②20XX国内市场轴承钢价格先扬后抑上半年原材料价格的不断上升推动轴承钢价格到达历史巅峰,随即下半年行情大转弯,致使GCr15成交价格跌回06年最低价位,单月最大跌幅在2000元/吨左右。<3>20XX市场预测

纵观20XX钢铁原材料方面,铁矿石、生铁、废钢、铁合金等原料价格基本上也类似于钢材大起大落的走势,下半年原材料对钢材的成本支撑作用渐渐淡去,铁合金方面,对轴承钢成本影响较大的高铬也跌至07年初的水平,这一有利因素将使钢铁材料的成本进一步降低,为国内轴承钢的继续发展提供保障。受金融危机影响,国外钢材市场继续面临消费增长放缓、需求不旺的状况,加上市场恐慌情绪加重,20XX钢材价格下半年出现大幅下降态势。不过钢铁业未来发展也迎来了一些积极因素,如,政府出台了一系列扩大内需的政策,这将拉动国内钢材的消费需求；国家调整钢材出口税收政策,将有利于提高企业效益,减轻市场压力；钢厂减产力度不小,社会库存继续处于较低水平,有利于后期钢材市场价格逐步平稳。经历了几个月的动荡,11月轴承钢价格逐步见底,下游企业出现一股"补库"潮,表面来看轴承钢需求有所放大,从往年来看,大部分下游企业从11月份开始陆陆续续要备库存,为新年做准备,预计未来的轴承钢的形势可能将有所发展。与20XX的动荡而言,轴承钢市场在09年可能会比较缓和。当前对轴承钢市场来讲,最大的困难是需求萎缩,下游行业的低迷状态给轴承钢造成很大压力,如何拓宽下游产品的销路、减少成品的库存是比较关键的一个突破口。因此现阶段提高国内技术装备水平,冶炼高性能的轴承,为应对未来发展和拓展下游行业,提高竞争实力。2.3环保要求与电弧炉流程有关的环境问题主要包括三方面,一是有害气体及烟尘的排放控制；二是固体废弃物的处理和资源化再利用；三是减少某些物理场的影响,如噪音、电磁场等<减少电弧炉对电网的污染也可归入这一类>。至少水处理及循环利用则并无特殊性。采用干式除尘的方法,尽量除去车间的灰尘,减少对环境的污染。钢铁生产工艺过程复杂,在每一工序都会产生粉尘、废气等过程排废。排废在机制上有如下两个方面：一是冶金工艺过程必然产生的排废。如钢铁冶金过程必然要产生脉石、炉渣和氧的气体产物及；二是钢铁冶金过程附带工艺排废,如加热过程产生的高温废气、因废气和高温蒸发产生的烟尘、设备冷却产生的废水等。前者是物料平衡的必然结果,可通过原料结构和工艺加以调节,调节的结果一般只能改变排放物的性质和地点,而无法降低总排放量。要降低该部分排废只能通过与其它行业技术的结合实现再资源化,如利用冶金炉渣生产建材等。通过革命性的工艺变革可彻底改变工艺结构,也可使工艺过程排放发生变化,如采用还原,产物将为而非和；而第二种排废是能量过度消耗所引起的,可以通过工艺进步和节能技术措施加以解决。作为废钢为主要原料的炼钢短流程,一方面要进一步发展精确成分冶炼和近终成形技术,从源头降低消耗和减少排放。另一方面要形成新的杂质分离技术,在原料、产品、排放等方面加强与上、下游产业的联结,尽可能利用上游产业的排放物作为原料,并将自身的排放物为下游产业所利用,使生产和消费过程中产生的废弃物作为二次资源,通过使用先进技术加以回收和重新利用,形成物质的充分循环。此外,在形成新的工艺流程中,要实现将材料制造、能源生产和废物处理等功能相结合,使钢铁材料生产过程不再是一面大量耗能、一面大量排放的污染源,相反成为清洁生产的典范,成为能量和资源循环的典范。二恶英是持久性有机污染物中的一类,是迄今为止人类发现的毒性最大的一类有机污染物。在钢铁生产过程中电弧炉会产生二恶英问题,改造炼钢环境和条件,尽量减少二恶英的产生。3设计方案的确定与论证3.1产品大纲的制定产品大纲〔1冶炼钢种主要钢种：轴承钢其他钢种：碳素钢、碳素工具钢、冷镦钢、合金结构钢〔2代表钢号成分。见表3.1。表3.1代表钢号成分号牌分成号牌分成CSiMnPSCrGCr91.00~1.100.15~0.350.25~0.45≤0.0250.9~1.20Q235≤0.22≤0.30.3~0.8≤0.35~0.45T70.65~0.75≤0.35≤0.4≤0.035≤0.030ML150.13~0.180.15~0.350.3~0.6≤0.03530Mn20.27~0.340.17~0.371.40~1.80〔3各钢种产量及产量比〔%。见表3.2。表3.2各钢种产量及产量比单位：万吨钢种代表钢号产量产量比<%>高碳铬轴承钢GCr922.7535碳素钢Q2351320碳素工具钢T79.7515冷镦钢ML159.7515合金结构钢30Mn29.7515制定产品大纲的依据近年来,我国的轴承市场迅速发展,特别是国内机械、汽车行业的高速发展,为轴承行业发展提供较大的市场空间,轴承市场的不断拓展,也为轴承钢带来了市场和商机。20XX中国轴承行业中仍会有一定程度的发展,4万亿投资计划对工程机械轴承有一定的拉动。从长期发展来看,航空航天、高精度数控机床轴承、中高档轿车轴承也有不错的前景。然而,由于未来市场对轴承的质量,噪音和使用寿命等要求越来越高,因而轴承行业对轴承钢同样提出了更高的要求。比如,机床主轴用精密轴承,航空航天精密轴承,计算机和录象机专用轴承等,这些产品对轴承的要求很高。所以,现阶段,在保持轴承钢的产量的前提下,应大力革新工艺,提高冶炼水平,生产高品质的轴承钢,为国内机械、电子、航空航天、汽车等行业的未来发展提供性能优良的轴承。钢种的特性、用途及生产工艺要点<1>高碳铬轴承钢GCr9的化学成分见表3.3。表3.3GCr9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：耐磨性和淬透性较高,切削性及应变塑性中等,白点形成较敏感,焊接性较差,有回火脆性倾向,主要在淬火并低温回火状态使用。2>用途：用于制造转动轴上尺寸较小的钢球和滚子,一般条件下工作的大套圈及滚动体。是一种应用广泛的轴承钢,用于机床、机电、电机、航空的微型、一般轴承等,也可以制作弹性、耐磨、解除疲劳强度都要求高的重要机械零件。3>生产工艺要点:①化学成分的选择影响轴承钢的性能的主要因素是钢的化学成分、纯净度和组织均匀性。所以,在冶炼轴承钢时,对P、S、N、H、O的含量有严格的控制,对C、Cr、Mn、Si也做了要求。碳是保证钢具有足够的淬透性、硬度值和耐磨性的最重要元素之一,为了保证轴承钢具有一定的使用寿命,必须具有一定的碳含量。硅作为非碳化物形成元素,起到固溶强化作用。具有强化铁素体,提高强度、弹性极限和淬透性的能力。在高碳铬轴承钢中,硅使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向性增大。锰是弱碳化物形成元素,代替部分铁原子形成型碳化物,可作为脱氧元素。能显著提高钢的淬透性,部分锰溶于铁素体中,提高铁素体的硬度和强度。能固定钢中硫的形态,并形成对钢的性能危害较小的MnS和〔FeMnS减少或抑制FeS生成,含少量锰能够提高钢的性能和纯净度。铬属于中强碳化物形成元素,主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能,并显著提高钢的强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。高碳铬轴承钢中,铬能显著改变钢中碳化物的分布及其颗粒大小,使铬的渗碳体型碳化物退火聚集的倾向性变小；铬还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。钢中P含量增加会使晶界断裂应力降低,脆性转变温度升高,引起冷脆,不利于冷加工,且易偏析；S在钢中形成低熔点FeS共晶体,造成热脆,同时S与其它一些元素形成化合物,以硫化物夹杂形式存在于钢中,形成层状偏析,对钢材的冲击韧性带来极为不利的影响,从而对轴承钢的使用寿命带来较大的影响。因此,必须尽可能地降低钢中［P］、[S］含量。镍,在高碳铬轴承钢中是受限元素,主要是增加淬火〔回火后奥氏体的数量,降低硬度。钛,有害元素,与溶解于钢中的氮有着极强的亲和力,多以TiN、碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬,呈棱角状,严重影响轴承钢的疲劳寿命,特别是纯净度显著提高,其他氧化夹杂物数量较少的情况下,含钛夹杂物的危害尤为突出。含钛夹杂物不仅降低轴承的疲劳寿命,而且影响轴承的粗糙度。氮,由于氮元素在高碳铬轴承钢中会形成大颗粒的坚硬的夹杂物,严重影响轴承钢的耐磨性能,降低轴承钢的使用寿命,由此,应该在冶炼时尽可能降低氮的含量。现在,多采用氮和钛同时控制的方法,尽可能降低钢中的氮和钛的含量。氢,白点是由于氢所引起的一种内部裂纹缺陷。溶解在钢液中的氢,在钢坯凝固时留在钢中形成的固溶体,呈过饱和状态,如果将已经凝固,但尚未冷却下来的钢坯送去轧制或锻造时,则在热加工后的冷却过程中,氢开始析出,它们将首先扩散到金属中的空隙处,并产生一定的压力。如果冷却较慢或钢坯尺寸不大,则氢可通过扩散逸出,因而不会造成大的危害,但在快速冷却时,氢来不及逸出,则就可能在钢材中心部位形成白点。白点的形成显著的降低了钢的机械性能,降低了钢的使用寿命,所以应尽量降低钢中的氢含量。氧,主要是形成氧化物夹杂。由于氧化物夹杂的存在,会增加应力的作用。氧化物夹杂被这种微观应力所包围,再加上一些外加的应力,当应力达到一定程度的时候,就会导致裂纹源的产生。所以,外部应力是疲劳破坏的直接原因,而氧化物夹杂本身则是内因,这两者应力场的叠加将使轴承材料疲劳的更快,降低轴承的使用寿命。②冶炼工艺要点钢的冶炼水平是轴承钢内在质量好坏的先决条件。钢中的氧含量、成分偏析,夹杂物数量及分布,大颗粒碳化物的状况是影响轴承钢内在质量的重要冶金因素。轴承钢的冶炼技术主要就是围绕这些关键因素相继发展起来。近年来,钢中氧含量可稳定在≤〔10～15ppm,一些先进企业可控制在〔5～8ppm；氢含量可以控制在≤〔1～2ppm；钛含量可以控制在≤〔15～30ppm；氮含量可以控制在≤80ppm。钢中夹杂物分为A〔硫化物、B〔氧化物、C〔硅酸盐、D〔点状不变形夹杂4种类型,不同类型的夹杂物对轴承寿命影响也不同,夹杂物的尺寸和在钢中的位置对轴承寿命也有不同的影响。钢中氧含量愈低,轴承钢寿命愈高。上述4种夹杂物中后三者都是由氧化物所构成,三者对轴承寿命的有害影响已为大量事实所证明,钢中的氧含量几乎全部〔除溶解氧外由它们提供。在电炉流程中,二次精炼是轴承钢生产中的关键工序,主要精炼设备以LF或ASEA－SKF配有VD或RH为主,可使内在质量得以保证。轴承钢的连铸坯中心疏松和偏析严重的问题并没有得到根本的解决。目前,为了解决轴承钢连铸坯的质量问题,正在积极地开展着如下工作：除强化冶炼技术、降低钢中的氧含量和有害杂质外,在连铸过程还采用中间包加热、电磁搅拌、结晶器液位控制、强化二次冷却和液相轻压下技术,采用浸入式水口加保护渣的保护浇铸技术,增XX铸坯断面达到大的压缩比热轧轴承钢材等。<2>碳素结构钢Q2351>特性：含碳量适中,具有良好的塑性、韧性、焊接性能、冷加工性能以及一定的强度,易于加工。2>用途：大量生产钢板、型钢、钢筋以及建造厂房房架、高架输电铁塔、桥梁、车辆等。其C、D级的钢含S、P量低,相当于优质碳素结构钢,质量好适于制造对焊接性及韧性要求较高的工程结构机械零部件,如机座、支架、受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、轴套圈等。〔3工具钢T71特性：亚共析钢,具有良好的韧性和强度,用于制造刀具时切削能力稍差。2用途：用于制造能够承受冲击负荷的工具,如冲头等；杠用的锯、凿子、锻模、压模、铆钉模、机床顶尖、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：具有良好的塑性和韧性,冷镦和冲击性能良好。2用途：制作铆钉、开口销、弹簧插销、螺钉、法兰盘、摩擦片、农用机链条等。〔5合金结构钢30Mn21特性：通常经调质处理后使用,其强度高韧性好,并具有优良的耐磨性能,当制造截面尺寸小的零件时,具有良好的疲劳强度,拉丝、冷镦、热处理工艺性都良好,可加工性中等,焊接性尚可,一般不作为焊接件,需焊接时,应将工件预热至200℃以上,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：用于制造汽车、拖拉机中的车架、纵横梁、变速箱齿轮、轴、冷镦螺栓、较大截面的调质件,也可制造心部强度较高的渗碳件,如起重机的后车轴等。3.2工艺方案与工艺流程的选择与论证炉容量与座数的确定：根据设计要求,一般力求选用较大容量的电炉,大电炉技术经济指标较好,热损失和电耗较小。电弧炉的炉容量主要与车间的生产规模,冶炼周期,作业率等因素有关。由此可以估算出每次的出钢量q：<3.1>式中——车间产品方案中确定的年产量,t；τ——冶炼周期,h；η——作业率,；y——良坯收得率,连铸一般95%~96%。求得q=75t。本设计电弧炉有一定的留钢量,为炉子公称容量的21.1%,故可以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。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。现代国外主要轴承钢厂家所采用的工艺方法,见表3.4所示。表3.4国外主要轴承钢厂家所采用的工艺方法厂家生产工艺SKF100tEF—除渣—ASEA-SKF—IC山阳90tEF—倾动式出钢—LF—RH—IC山阳90tEF—倾动式出钢—LF—RH—CC山阳90tEF—偏心炉底出钢—LF—RH—CC神户铁水预处理—转炉—除渣—LF—RH—CC爱知80tEF—真空除渣—LF—RH—CC和歌山转炉—CCEF—ASEA-SKF续上表高周波EF—ASEA-SKFEF—ASEA-SKF吹氩蒂森高炉—140t转炉〔TBM—RH—喂线—IC高炉—140t转炉〔TBM—RH—喂线—CC高炉—140t转炉〔TBM—RH—喂线—CC我国轴承钢生成主要集中在兴澄、东特、锡钢、石钢、新冶钢、巨能、淮钢和宝特,这8家的轴承钢粗钢产量占整个轴承钢粗钢、和钢材总产量的80%以上。目前,江阴兴澄特种钢铁有限公司生产的高碳铬轴承钢品种包括棒材和线材,在产量和质量方面居全国领先、世界先进水平,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→热送→热装→加热→连轧开坯→中间坯加热→连轧轧制。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>。〔1直流与交流的选择与论证：直流电弧炉的优点：①直流炉对电网的无功冲击小,谐波发生量低,使得有时可以不安装TCR等动态补偿装置,其容量也比交流炉小很多。这样,虽然直流炉在电源系统投资高,但在动态补偿装置上又省了资金,所以投资不会比直流炉高。②直流炉在降低电极消耗、降低电弧噪声、对钢水有搅拌作用等方面仍具优势。③电源系统和底电极的维护技术已不成问题,在此情况下,直流炉的生产成本仍将优于交流炉〔电极消耗,耐材消耗及电耗均可能较低。但是,直流电弧炉相较于交流电弧炉,拥有的缺点为：①直流炉所实现的在当时最具有意义的低电流长电弧操作同样可由高阻抗交流炉实现,特别是随着高阻抗炉技术的不断进步和成熟,直流炉的这一优势已不复存在。②直流炉在生产成本上的优势已被削弱,在降低电极消耗成本方面与高阻抗炉相比较其绝对值已不大。现在也难以证明直流炉拥有较低的吨钢电耗。③直流炉有着复杂的电源系统,其可靠性不如交流炉。而且直流炉的底电极维护麻烦、存在不安全的因素等,又使得那些不甚熟悉的厂家顾虑重重。④直流炉在降低电网污染方面的优势通常是体现在降低成本上的,对于交流炉,原则上只要有足够的补偿装置〔SVC、SVG,一般情况下是可以达到电网对电能质量的要求的。⑤直流炉不适于冶炼不锈钢。⑥现今建设的电弧炉,通常较以前更趋于大型化和高效化,这必然要求更大的输入功率,单电极直流炉于此已受到限制,虽然可以双石墨电极来解决,但底电极电流密度太大也不可取,因此,交流炉在此种意义上来说是更好的选择。故,本次设计采用交流电弧炉〔2电弧炉的选择与论证：1Consteel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3.1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3.1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占地少,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。而增加的占地面积相较于竖炉,对电弧炉的本体结构影响较小。与双炉壳电弧炉相比,变压器容量可减少,不需设置串联电抗器,氧燃烧嘴、布袋除尘系统、装料吊车系统和静止式动态补偿装置都比常规小约40%。对变电所、闪烁控制系统和装料吊车系统等都可大幅度降低。②操作成本大幅度降低。用连续预热了的废钢进行熔炼,电耗、电极消耗。耐材消耗等都可大大降低。电费至少降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；因此布袋除尘量仅10kg/t,比传统电弧炉减少30%。③渣中FeO含量减少,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,一般为10%~15%。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双炉壳电弧炉：为了进一步缩短两次出钢之间的冶炼和辅助时间,充分利用炉子的能源利用系统,提出了双炉壳交替电弧加热作业方式,推出了双炉壳电弧炉技术。它是两座炉壳共用一套供电系统〔包括高压供电设备、变压器、短网、电极及其夹持升降机械,当一个炉壳在进行废钢熔化时,另一个则在进行出钢、补炉、装料等非通电作业,从而非通电时间不占用每炉钢的冶炼时间,电气设备的利用率高,冶炼时间缩短,经济技术指标改善。回收来自废气的能量用于废钢加热,即,一台炉壳在熔炼时,用该炉的废气来预热另一台炉壳里的废钢,但由于废气温度达不到废料可燃性物质的燃烧温度,由此产生的节能效果不显著,反而把废钢的有机物带出,这是环保所不允许的,所以这一功能基本都未用,但可以在装料后未通电前用燃料烧嘴来预热炉料。采用双炉壳作业方式,在下列条件下是合理的：一是通电时间与辅助作业〔出钢、补炉、加料的时间比小于4:1,加热时间小于30min；二是应用电弧加热中的废气预热另一个装入废钢的炉料时,要使用燃料烧嘴进行辅助加热以解决环保问题；三是最好采用混合加料法,即在装入废钢前先加入35%~40%的铁水,以缩短加热时间,也就是说在具有炼铁车间的联合钢铁企业更为有利。把传统的转炉工艺与电炉工艺结合起来应用于双炉壳作业,于是产生了转炉—电炉式双炉壳。转炉—电炉式双炉壳作为现在双炉壳的发展方向具有两个显著的特点：①入炉原料的灵活性。用户可按照当地可能提供的原料和能源以其价格来合理配料,以降低生产成本；②可提高成品钢的质量,因为传统电弧炉不可避免地要带入一些杂质元素,却不可能在炼钢工艺中去除。可用部分由矿石直接提供的原料〔海绵体铁等,大大的提高了原料的纯净度,从而提高了成品钢的质量。3竖炉电弧炉：竖炉的作用在废钢炉料最终进入炉膛开始熔炼之前使之被该炉在送电熔炼过程中所产生的废气所预热,从而达到节能的目的。烟道竖炉的炉体为椭圆形,在炉体第四孔〔直流炉为第二孔的位置配置有一烟道竖井,它与熔炼室相连通。在电弧炉的冶炼过程中,排放的烟气被用来预热废钢,且废钢可借助自身的重量下落到电弧炉炉内进料。这种废钢预热系统的余热利用率高,投资成本相对较低,是现代主要使用的废钢预热系统。在预热废钢时,同样可以向预热室内喷吹燃料而将废钢预热到更高的温度,但要防止废钢发生粘结影响进料。实际操作装料时,可先将大约60%的废钢直接加入到炉中,余下的废钢由竖井加入,并堆在炉内废钢上面。送电熔化后,炉内产生的高温废气可达1200℃~1500℃,这直接对竖井中的废钢料进行了预热。随着炉膛中废钢料的熔化、塌料以及竖井中废钢的下落,进入炉膛中废钢的温度可达600℃~800℃。其优越性为：①因渣中〔FeO含量低,使液态钢水的收得率提高；②烟道粉尘相较于传统电弧炉减少20%；③烟道内炉尘的化学成分随着竖炉的操作工艺的不同而变化,氧化锌含量从22%上升至30%。此外,石灰的含量从13%降至5%；④因产生的废气量降低,对排烟风机的功能要求降低；⑤电耗降低17%,生产率提高15%。现在新建的竖炉,其配备的氧燃烧嘴能力已大幅度提高。由于火焰长时间始终和冷废钢接触,CO的二次燃烧率比传统电弧炉大大提高。此外,通过调节烧嘴的氧流量,可控制废气中的CO的含量,并促进了竖井底部的CO二次燃烧。其存在的问题：①重型废钢容易砸坏庞大的竖井系统、手指型托架、竖炉水冷板,炉盖特别容易漏水,造成竖炉电弧炉的热停时间延长。②轻、薄废钢在竖井内容易发生相互粘结,形成"冰山"现象,而这种现象的存在对竖炉的正常作业是个严重的威胁。"冰山"坠落会引起电极折断,电耗升高,炉内沸腾喷溅等事故。③轻薄废钢增加了竖炉内烟气外排的阻力,使除尘效果恶化。④手指系统的可靠性问题。由于手指系统在废钢加料时承受的较大的冲击力,由此对单块废钢重量的要求较普通电弧炉更高。同时废钢是在上一炉精炼期加入,因此对手指系统的可靠性要求也很高,以确保手指在废钢下落时不会打开,手指的设计对废钢的加入应由缓冲的功能,以确保手指支架梁在长期的运行中不发生变形。⑤除尘问题。位于竖炉中的金属废料不可避免的带有油污等可燃性物质,这些物质与通过竖炉的热废气产生的不完全燃烧而生成的CO和NOx等有害气体会污染环境。为了克服这一缺点,一是向电弧炉吹氧及可燃物质以提高排入竖炉的废气温度。再就是设置符合要求的除尘净化设施,采用竖式电弧炉后,废钢炉柱增加了炉气的阻力,因此,与常规电弧炉相比,竖式电弧炉除尘能力要留有充分的余量。另外,废钢预热过程中可能产生二恶英等毒物,必须在除尘系统设计中加以预防。⑥竖炉的高度比其它电弧炉高得多,不可能在旧的炼钢车间装设,基建投资较大。根据上述的表述,本设计选用Consteel电弧炉。〔3铁水供应系统的选择：1混铁炉供应铁水：流程：高炉出铁到铁水罐,由铁路机车牵引到电炉车间加料跨,用吊车将铁水兑入混铁炉内。电炉需要铁水时,从混铁炉倒入电炉车间铁水罐内,称量后兑入电炉。作用是高炉和电炉的生产,贮存铁水,混合并使铁水的成分和温度均匀从而稳定电炉的生产,此外还可以去除铁水中的部分硫。工厂中设有混铁炉的专用设施,并且还要占用一定的作业面积,因而对其的投资费用较高。采用混铁炉可以混匀不同高炉不同时间出的铁水,减小其成分和温度的波动,有助于稳定冶炼,实现自动控制和改善经济指标。由于消耗过高的能源,不适应大型电炉,中小型较适合,中型最为适合。2混铁车供应铁水：又称鱼雷罐车。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铁水罐供应系统：流程：高炉铁水出到铁水罐内,由铁路机车牵引到电炉车间,电炉需要铁水时倒入电炉车间铁水罐内,称量后兑入电炉。特点：设备简单,投资省。但铁水运输过程和待装过程中散热严重,特别是用一罐铁水炼几炉钢时,前后炉次的铁水温度波动较大,不利于稳定操作,还容易出现干罐和冷铁,当电炉出现故障时铁水不好处理,铁水成分波动较大。小型电炉适用,有条件的车间最好不要使用这种方法。为了减少热损失,应有保温措施,加保温盖和保温剂,特别要注意空罐的保温。本设计选用混铁车供应铁水。〔4废钢供应方式的选择：1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；2在加料跨一端设立废钢间,跨间设立双层起重机,由火车或汽车向废钢间卸入本厂或外来废钢,按照类型不同分类堆放,用磁盘吊车或大钳行车向废钢漏斗装入废钢,装满废钢的漏斗运送到专门地点存放和称量,用加料跨行车吊运废钢料斗并加入初炼炉内,也可以用废钢加料机加废钢。本设计采用第一种的废钢供应方式。〔5炉外精炼工艺的选择：炉外精炼是在钢包中进行的冶炼过程,将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉和微合金化等技术以不同方式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内的还原性气氛,炉外精炼的目的是降低钢中C、P、S、O、H、N等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点和大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只能在精炼炉上进行。其特点和功能如下：①可以改变冶金反应条件,炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空中进行,有利于反应的正向进行。通常工作压力≥50pa,适于对钢液脱气。②可以加快熔池的传质速度。多种搅拌形式的使用,使熔池内熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。③可以增加渣—钢界面的反应面积。④可以在电炉和连铸之间起到缓冲的作用。1炉外精炼在我国的开发应用：①应用概况。我国炉外精炼的开发应用始于20世纪50年代中后期,90年代以来我国炉外精炼发展进入兴盛时期,其特征是:a.精炼设备数量增幅较大；b.精炼比不断提高；c.呈现出系统化、规范化、优质化的良好势头。②冶金效果。目前精炼品种涉及普通钢、优质钢、合金钢、特殊钢和专用钢等各个方面。通过精炼,钢的质量均有不同程度的改善。③现存问题。我国炉外精炼虽有长足发展,但也存在不少有待解决的问题。主要问题如下：a.精炼比偏低。b.发展不平衡。在我国占有很大比例的中小钢厂炉外精炼装备水平较低,操作不规范,精炼效果不稳定,消耗指标偏高,综合效益欠佳。c.相关技术未配套同步发展。如一些高水平的炉外精炼装备,因软件技术与国外相比存在明显差距,而不能充分发挥其功能和效率,精炼炉的终点控制技术以及与初炼炉、连铸工序街接技术的智能化尚待开发等等。2LF精炼工艺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3.1所示。图3.1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3.2所示。图3.2LF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]△G0=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。3ASEA—SKF精炼工艺：由初炼炉〔电弧炉将金属中的C、P调至规格,温度达到工艺要求,并将合金成分调至工艺要求水平。在钢包炉内,磁场和真空双重作用下进行精炼,以提高钢种的质量。ASEA—SKF具有以下的功能：①脱气。瑞典SKF公司平均使得[H]含量至1.7ppm,国内可以达到2.5ppm；脱氧,加入0.2%的混合稀土金属,熔池含铝量低于0.01%时,可以使得钢液含氧量低于10ppm；脱氮率仅为10%～20%。②脱硫。SKF厂采用0.8%的石灰,必要时加入0.2%的混合稀土金属,可使合金钢含硫量降至0.003%,非合金钢降至0.001%；国内某厂,在造好高碱度的还原性流动性好的渣时,可以将硫含量降至0.005%～0.010%。③非金属夹杂物。强有力的搅拌,实际上基本消除了宏观夹杂；含硫量低,钢液十分洁净,几乎没有硫化物夹杂,横向冲击值大大提高；氧化物夹杂也很少,几乎不存在氧化物宏观夹杂。④钢水温度和成分控制。成分稳定而均匀,C、Si、Mn及各种合金都能精确地控制在要求的范围内,合金的收得率极高,几乎为100%；温度极易控制,能精确控制在规定温度下进行,温降较小,不大于50℃。将ASEA—SKF与LF精炼工艺比较,见表3.5。表3.5ASEA-SKF和LF的比较精炼工艺50tASEA-SKF55tLF精炼性能加热常压下电弧加热升温2.5～3.5℃/min埋弧加热升温2.5～4℃/min搅拌1～1.5Hz电磁搅拌吹氩搅拌50～100l/min气氛还原性强还原性炉渣碱性还原渣高碱度还原渣脱气≤53pa无脱硫35%≥50%均匀成分和温度有效有效微调成分可以可以合金收得率90%～95%90%续上表精炼效果W[O]%20～40ppm10～30ppmW[H]%1.5～2.0ppm不脱洁净度相近设备费用贵廉价处理时间炉外处理,min120～8030～60加电弧炉,min约30070～100设备存在的问题设备复杂、昂贵,热点耐火材料侵蚀严重高碱度渣对炉衬渣线部分侵蚀严重相较于ASEA-SKF法,现在钢厂多采用LF+〔后续配套工艺,来实现炉外精炼。结合上述,可以确定,对于用电弧加热的炉外精炼工艺宜选用LF炉。4CAS-OB精炼工艺：向钢包内喷吹惰性气体〔Ar气进行搅拌的工艺〔底吹或喷吹法,又被称为"钢包吹氩"技术,最普通也是最简便的炉外处理工艺,其主要的冶金功能是均匀钢水成分和温度,促进夹杂物上浮。提高钢包吹氩有利于熔池的混匀和夹杂物的上浮,但吹氩强度过大,会导致钢液露裸,造成二次氧化。为解决这一问题,日本发明了强吹氩工艺。采用这一工艺将液面吹开后,封闭的浸钟罩会迅速形成氩气保护气氛,这有利于避免钢水的氧化,称为CAS〔CompositionAdjustmentbySealedArgonBubbling法。CAS法提高了吹氩的强度,且罩内的氩气气氛还能使合金的收得率得到提高,并能使钢包吹氩工艺增加合金微调的功能。CAS上增设有顶吹吹氧枪和加铝丸设备。通过溶入钢水内Al的氧化发热,可以实现钢水的升温。CAS-OB精炼工艺的优点为：①能使钢液升温和精确空钢水温度。所有炉外精炼设备中,CAS—OB的升温最快,6℃～12℃/min,升温幅度为100℃,钢水处理的终点温度波动≤±5℃。②能够促进夹杂物的上浮和提高钢水的洁净度,可控制钢中的酸溶铝含量≤0.005%,并使钢水的总氧含量降低20%～40%。③能够精确控制钢液成分,实现窄范围的成分控制。Al、Si、Mn等合金的收得率稳定,并可提高20%～50%,这有利于实现对钢液成分的精确控制。④可以均匀钢水的温度和成分。⑤与喂线配合后,可进行夹杂物的变性处理。可以将LF炉精炼工艺和CAS-OB精炼工艺主要功能列于表3.6。表3.6LF和CAS-OB的比较LFCAS-OB脱氢基本不脱不脱续上表脱氧20～40不脱脱氮不脱不脱脱硫至0.002%不脱脱碳增碳可脱去夹杂约50%增加合金收得率约90%可提高微调成分可以可以均匀成分和温度有效有效钢水温度升,5～15℃/min升,2～4℃/min处理时间15～25min/周期30～90min/周期由上比较,可以确定选取LF炉作为炉外精炼,在LF炉后将配置脱气装置。其选择如下：5VD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PH2和PN2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。6RH精炼工艺：RH法,又称循环式真空脱气法。其基本原理为：处理钢液时,先将两管〔上升管和下降管浸入钢包内的钢液中,将真空室排气,钢液在真空室内上升,当其上升到钢包液面处,管内压力相当于1个大气压时,向上升管中吹入氩气,则上升管内的钢液由于含有氩气气泡而密度减小,钢液继续上升；与此同时,真空室内液面升高,下降管内压力增大,为恢复平衡,钢液沿下降管下降；这样,钢液便在重力、真空和吹氩三个因素的作用下不断地进入真空室内；在真空室内突然膨胀的氩气泡,使钢液喷溅成极细液滴呈喷泉状,因而大大增加了钢液和真空的接触面积,使钢液充分脱气,如此周而复始循环多次,最终获得纯度高、温度和成分都很均匀的钢液。其处理的工艺优点如下：①反应速度快,真空脱气周期短,10min可以完成脱气任务,5min完成合金化和温度均匀化。②反应效率高,可以实现冶炼[H]≤1ppm,[N]≤10ppm,[C]≤10ppm的超纯净钢；一般情况下,脱氢率为65%,脱氧率50%左右,在钢液中氮含量为60ppm以上时,可以去除10%～25%。③可进行吹氧脱碳和二次燃烧补偿,减小温降,温降范围≤〔30～50℃。④气体和非金属夹杂物含量降低,能够冶炼机械性能较高的钢。VD精炼工艺和RH精炼工艺的比较见表3.7所示。表3.7VD和RH的比较VDRH脱氢1～31～3脱氧20～4020～40脱氮氩气量大时可脱氮[N]≥60ppm是可脱脱硫可脱可脱脱碳至0.01%至0.003%去夹杂40%～50%50%～70%合金收得率90%～95%95%～100%微调成分可以精确微调均匀成分和温度有效有效钢水温度降降处理时间30～45min/周期30～45min/周期现在生产实践表明,当钢包容量小于90t时,使用VD比使用RH更为合理；结合上述比较和钢包的设计,本设计选择VD工艺作为脱气装置。综上所