电弧炉炉体设计Word下载.docx

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转炉炼钢与电炉炼钢法最基本的区别在于，电炉炼钢法是靠电能作为热源，而且电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼钢方法，转炉由钢水本身供热[1]。

我们通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。

电弧炉炼钢得到迅速发展的主要原因[2]：

1）废钢量逐年增加

2）钢铁工业迅速增长。

由于发电设备大型化和技术不断发展，可利煤用部分劣质粉发电，电的供应和价格相对比较稳定，使电炉炼钢有了比较可靠的能源基础。

此外，电炉用废钢比高炉、平炉炼钢的能耗低。

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，投资回收时间短。

5）钢液温度、成份易控制，品种适应性强，可冶炼牌号的钢多，同时还能间断性生产。

1.2关于电弧炉的概述

1.2.1电弧炉的优缺点

电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有以下的优点[3]：

①电炉炼钢的设备投资少、基建速度快；

②炼钢的热能来自于电弧上，温度可高达4000～6000℃，并且直接作用在炉料上，热效率比较高，一般在65％以上。

此外，冶炼中含有难熔元素W、Mo等高合金钢；

③电炉炼钢可以去除钢中含有的夹杂物和有害气体，以及去硫、脱氧、合会化等，以此来冶炼出高质量的特殊钢；

④电炉炼钢可采用热装或冷装，不的受炉料的限制；

⑤适应性强，可连续生产也可间断生产。

电弧炼钢的缺点有：

①电弧是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池各部位温差较大；

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。

随着电弧炉技术的发展和完善，以及废钢等代用品的开发与应用，电弧炉流程可以使用废铁、废钢作为代用品，甚至可以使用比较多的生铁进行生产冶炼。

因此，在全球角度看，以电弧炉炼钢技术为代表的短流程钢厂生产的前景十分广阔[2]。

1.2.2电弧炉的分类

电弧炉炼钢是利用电极上电弧产生的高温来熔炼金属和矿石的电炉。

然而在气体放电形成的电弧时能量非常集中，弧区温度达到在3000℃以上。

对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺效率更高，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的冶炼。

电弧炉可以按电弧的形式来分为单相电弧炉、电阻电弧炉和自耗电弧炉等类型。

电弧炼的炉体由炉盖、炉身、炉门出钢槽和出钢槽组成，炉壁和炉底用酸性耐火材料或碱性耐火材料砌筑。

电弧炼根据能耗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。

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。

单相电弧炉：

这类电弧炉用单相交流电供电,炉料在电弧间接加热,单相电弧炉多用于铜和铜合金的熔炼。

电阻电弧炉：

炉子结构与炼钢电弧炉相似。

工作时，电极下端埋在炉料内起弧，除电极与炉料间的电弧发出热量外。

由于，炉料也有很大的电阻，因此电流通过炉料时炉料电阻也产生很大的热量。

这类电弧炉主要用于矿石的冶炼,因此又称矿热炉。

自耗电弧炉：

这种电弧炉的电极作为被熔炼钢的原料。

熔炼时，随着原料的不断被熔化，电极不断下降。

熔化的钢水滴入用水冷却的紫铜筒形坩埚内，冷凝成钢锭。

这种炉子主要用于合金钢的熔炼。

用于熔炼钛、锆、钨、钼、钽、铌等活泼金属和难熔金属的自耗电弧炉，常在真空下工作，故称为真空自耗电弧炉。

从工业上应用上电弧炉可以分为三类：

　　第一类直接加热式，电弧是发生在专用的电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接由来电弧加热。

主要用于炼钢，其次还用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。

　　第二类间接加热式，是在两根专用电极棒之间产生电弧，炉料受到电弧的辐射热，多用于熔炼铜、铜合金等。

这种电弧炉由于噪声大，熔炼质量差，所已逐渐被其它炉类所取代。

　　第三类矿热炉，主要是以高电阻率的矿石为原料，在冶炼过程中电极的下部一般是埋在炉料中的。

该电炉加热原理是：

利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时利用了炉料和电极间的电弧产生的热量。

所以又称为电弧电阻炉。

1.2.3电弧炉的特征及组成

电弧炉是利用电极上的电弧产生的高温来金属和熔炼矿石的电炉。

气体放电形成电弧的能量很集中，弧区温度在3000℃以上。

对于熔炼金属，电弧炉比其它炼钢炉工艺灵活性大，能更有效地去除磷、硫等杂质，炉温更容易控制，设备占地面积小，更加适于优质的合金钢的熔炼。

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[4]。

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。

电弧炉的组成包括：

①电源部分：

电炉变压器（整流器）、高压供电、低压电气控制柜等；

②电极部分：

电极升降装置、导电横臂、电极类等；

　③炉体部分：

炉壳、炉盖、炉体倾转机构等；

　　④短网部分：

导电铜排、水冷电缆等；

　　⑤冷却水系统。

1.2.4电弧炉对耐火材料的要求

耐火材料通常是指主要有无机非金属材料组成的且耐火度不低于1580℃的材料和制品。

耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化变形程度时的温度，它标志的材料抵抗高温性能[5]。

耐火材料是为高温技术服务的基础材料。

它与高温冶炼工业的发展有着密切的关系，相互依存，互为促进，共同发展。

在一定条件下，耐火材料的质量品种是高温技术的发展期的关键。

炼钢电炉系由炉顶、炉墙和炉底等几个大部分组成。

以前多采用硅砖砌筑，而现在普遍使用高铝砖、碱性砖和耐火浇注料或耐火捣打料，也有采用水冷炉衬的。

电炉炼钢主要使用电弧辐射进行加热，有时用重油或吹氧加速熔炼，以降低电能消耗，提高产量。

电炉炉内温度高，气氛变化大，冶炼周期短，同时在冷态时进炉料。

因此，电炉炉衬常处于高温、熔渣侵蚀和急冷急热的状态，工作条件苛刻。

电炉炉衬因部位不同，采用的耐火材料及其损毁机理也是不同的。

电炉炉顶（即炉盖）带有电极孔和排烟孔的球面形结构外环部分称为主炉顶，中间部分称为小炉顶。

炉顶能吊起成旋转，以便装炉料。

耐火材料的生产主要包括原料的加工、配料与混练、砖坯的成型、砖坯干燥、制品烧成等几个步骤。

电弧炉是电炉炼钢的核心设备，电炉设计直接影响到炼钢生产。

如果设计不合理造成先天性缺陷，一旦投产就很难再做改动，所以对于电炉设计应予以重视。

1.2.5电弧炉的冶炼工艺

上炉出钢→补炉→装料→熔化期→氧化期→还原期→出钢

补炉：

上炉出钢毕，迅速将炉体损坏部位进行修补，以保证下一炉钢的冶炼。

新炉子在炉役期的前几炉可不补炉。

装料：

将配好的炉料按一定规律装入料罐中，然后将料罐吊至炉前，打开炉盖，将炉料一次卸入炉内。

一炉钢可视情况一次装料或多次装料。

熔化期：

从通电至炉料完全熔清称为熔化期。

其主要任务是迅速熔化全部炉料，并及早形成一定的炉渣，起到稳定电弧、防止金属挥发与吸气，提早脱P等作用。

氧化期：

待炉料全部熔清后，取样分析，进入氧化期。

其主要任务是最大限度地脱P、去除钢中气体（[H]、[N]）和非金属夹杂物，并升温至稍高于出钢温度。

还原期：

氧化期任务完成后，停电扒除氧化渣，重新造新渣，进入还原期。

其主要任务是脱O、脱S，调整钢液的成分和温度。

出钢：

当钢液成分和温度均符合出钢要求，则打开出钢口，摇炉出钢。

出钢时要做到钢渣混冲，利用钢渣在钢包中激烈运动，最大限度地脱S，并防止二次氧化、二次吸气。

1.3滚动轴承钢的概述

滚动轴承通常是用来支撑轴颈和轴上的旋转件，一般都是由内套圈、外套圈、滚动体和保持器等组成。

用于制造滚动轴承的钢，称为滚动轴承钢。

滚动轴承工作时，机器旋转部分和固定部分间的载荷通过滚动体传递。

在理论上，座圈与滚动体之间为点（或线）接触，承受着集中载荷，通常接触应力高达1500~5000MPa。

在轴承运转时，轴承各点承受着压缩一拉伸循环载荷，受力由零达到最大，再由最大降到零，呈周期性增减，且循环次数极大（一般达数万次/min）。

滚动体在座圈中除滚动外，还有相对滑动，因而产生滚动摩擦和滑动摩擦。

在某些情况下，轴承还会受到复杂的扭力或一定的冲击。

所以，滚动轴承的破坏形式主要是接触疲劳破坏（多为点蚀、剥落）和磨损。

为了轴承能正常工作，不致早期失效，滚动轴承必须具有高的硬度（69HRC以上）和高的耐磨性；

具有高的抗压强度和接触疲劳强度；

良好的尺寸稳定性和一定的耐蚀性。

对于在特殊条件下使用的轴承，还应当具有耐热性、高的耐蚀性等。

铬轴承钢是制造滚动轴承零件，以及与滚动轴承零件工作条件相似的其他零件所使用的主要钢种，其中用量最大的为GCr15钢，其次是GCr15SiMn钢。

铬轴承钢的碳质量分数为0.95%~1.05%，高的含碳量使钢在淬火后具有高的强度、硬度与耐磨性。

铬能提高钢的淬透性。

在碳的质量分数为1%的过共析钢中，铬能显著地改善钢中碳化物的分布和颗粒大小。

铬轴承钢淬火、回火后，具有较好的耐磨性、强度、弹性极限和屈服强度。

铬轴承钢中，锰的质量分数提高到0.9%~1.2%硅的质量分数提高到0.40%~0.10%，具有这种成分的钢种，如GCr9SiMn和GCr15SiMn，其淬透性、回火抗力与强度均有提高，而韧度不降低

1.4本课题研究的意义及内容

通过对本课题的设计，可以使学生利用所学的专业知识对电弧炉炼钢的基本工艺，电弧炉炉体传热特点，炉体的构造等加强了解和掌握，能够设计出较理想的电弧炉炉体。

本课题要完成2t滚动轴承钢冶炼的配料计算、炉体尺寸、炉体传热过程计算、炉体耐火材料计算、水冷壁厚度等计算、电弧炉炉体的CAD图形绘制。

2电弧炉炉型尺寸设计

2.1电弧炉设计要求

电弧炉的整体设计是包括机械、电气、热工、冶炼、耐火材料等多个方面。

随着钢质量要求不断的提高，冶炼工艺不断革新，因而也向炉子结构设计（包括耐火材料砌衬）设计提出了更高的要求[7]。

正确设计电弧炉应保证炉子生产率高，电能、耐火材料和电极的单位消耗低，同时应满足多品种的钢冶炼时冶金反应的顺利进行。

因此必须考虑如下几个方面：

1）选定大功率变压器；

2）提高热效率和电效率，即减少热损失和电损失；

3）采用高质量耐火材料砌筑炉衬；

4）炉子各部分的形状、尺寸和结构设计合理，钢与渣接触面适当增大，以促进熔池中冶金反应顺利进行，提高钢质量；

5）炉子熔炼室容积应能一次装入中等堆比重的全部炉料；

6）炉子倾动30°

～45°

能保证全部钢液顺利流出。

计算参数要求：

1）求出炉内钢液和熔渣的体积，一般常以炉容量的公称吨位来进行计算；

2）计算熔池直径和熔池深度；

3）确定熔炼室直径和熔炼室高度；

4）确定炉顶拱高和炉盖厚度；

5）决定各部分炉衬尺寸和炉壳直径；

6）决定变压器功率与电压级数和大小；

7）求出电极直径；

8）确定电极分布圆直径即三极心圆直径。

电弧炉的大小以其额定容量（公称容量）来表示，所谓额定容量是指新设计的电炉熔池所能容纳的钢水量。

熔池：

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。

滚动轴承钢的冶炼特点对电弧炉的设计要求：

1）滚动轴承钢出钢温度1700℃，因而炉衬的荷重软化温度必须达到2000℃以上；

2）滚动轴承钢合金元素氧化物多为酸性，所以炉衬材料必须为碱性材料；

3）滚动轴承钢成分对耐火材料的成分要求：

①滚动轴承钢碳含量在（0.95-1.05）因而耐火砖中碳含量也应在此范围以内；

②耐火砖孔隙度不能过大，否则会降低合金元素的吸收率。

2.2熔池的形状

电弧炉熔池的形状应利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。

目前使用的一般为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如下图所示）。

球冠形电炉炉底使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快炉料的熔化并及早造渣去磷。

截锥形电炉炉坡便于补炉、炉坡倾角45°

[8]。

熔池尺寸计算：

图2.1电弧炉尺寸图

熔池容积V池。

根据

式（2.1）

式（2.2）

式中T—出钢液量；

ρ液-钢液密度，6.8～7.0t/m3。

式（2.3）

式中G渣-按氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）；

ρ渣—3～4t/m3

2.2.1熔池直径和深度设计

在计算熔池直径D和深度H之前，首先得确定一个合适的D/H值。

在熔池容积一定的条件下，D/H越大，熔池越浅。

熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面越大，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望D/H大一些。

但是D/H太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D壳太大，炉壳散热面积增加，电耗也增大，所以D/H又不能过大。

若D/H太小，熔池太深，则钢液加热困难，温度分布不均匀性大。

在氧化期内应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以促使金属成分和温度均匀[9]。

当选定炉坡倾角45°

时，一般取D/H=5左右较合适。

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：

式（2.4）

式中h1—球冠部分高度，一般取h1=H/5；

h2—截锥部分高度，h2=H-h1=4/5H；

D—熔池液面直径，通常采取D/H=5，即D=5H；

d—球冠直径，因d=D-2h2=5H-8/5H=17/5H，整理得：

式（2.5）

2.2.2熔炼室尺寸设计

熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小需一次装入堆积密度中等的全部炉料。

①熔炼室直径D熔

为了防止钢液沸腾或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处）时炉渣冲刷炉壁砖，炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100mm左右，即当选定炉坡倾角为45°

时：

D熔=D+2×

100式（2.6）

②熔炼室高度H1

金属炉门槛至炉顶拱基的高度为熔炼室高度。

炉衬门槛较金属门槛高80~100。

从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度H1大些，因为增大熔炼室高度H1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热会相对少一些，炉盖寿命长，另外，熔炼室高度H1大，装轻薄料多。

但是如果熔炼室高度H1太大：

1）炉壳散热面积大→电耗多；

2）电极长→电阻大。

金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。

炉衬门槛较金属门槛高出80~100mm。

经验值：

<

40t电炉式（2.7）

>

40t电炉

③炉顶高h3

炉顶高度h3与熔池室直径D有如下关系：

（因炉顶砖而异）式（2.8）

至此，渣面至炉顶中央高度H2=H1+h3

④熔炼室上缘直径D1

通常熔炼室要设计成上大下小倾斜形的，即D1>

D熔，炉壁上部薄下部厚，这种形状的熔炼室增强了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔炼室的容积增大，可多装轻薄料。

另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀[10]。

其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H1—100）的10%左右；

所以：

式（2.9）

⑤炉门尺寸的确定

一般电炉设一个加料炉门和一个出钢口，其位置相隔180°

。

确定炉门尺寸要考虑以下因素：

便于顺利观察炉况，能良好地修补炉底和整个炉坡，采用加料机加料的炉子，料斗应能自由进入，能顺利取出折断的电极。

炉门尺寸的经验值：

炉门宽度=（0.25~0.3）D熔式（2.10）

炉门高度=0.8×

炉门宽度式（2.11）

为了密封，门框应向内倾斜8°

~12°

⑥出钢口和流钢槽

出钢口的位置：

出钢口下缘与炉门槛平齐或高出100~150mm。

出钢口为圆形孔洞，其直径为120~150mm。

流钢槽：

外壳用钢板或角钢，断面为槽型，固定在炉壳上，内衬凹形预制砖（称流钢槽砖）。

为了防止打开出钢口以后钢水自动流出，流钢槽应上翘，与水平面成10°

的角。

流钢槽长度与电炉在车间的布置方式及出钢方式相关，纵向或高架式布置同跨出钢的可以短一些，以减少钢水散热和二次氧化，一般1m以下。

横向地面布置异跨出钢的应长些，一般2m以上。

电弧炉容量是2吨，根据式式（2.1）到式（2.11）可求出：

熔池容积V池=449/1400m3

熔池液面直径D=1500mm

熔池深度H=300mm

熔炼室高度H1=675mm

熔池室直径D熔=1700mm

熔炼室上边缘直径D1=1815mm

熔炼池高度H2=864mm

球冠部分高度h1=60mm

球锥部分高度h2=240mm

球冠直径d=1020mm

炉顶高度h3=189mm

炉门槛h0=100mm

炉门宽度=510mm炉门高度=408mm

2.3电弧炉炉衬及厚度的确定

由于电弧炉内部生产环境很复杂，因而对耐火材料的使用要求相对苛刻，以适于电弧炉的生产条件，提高生产率，降低生产成本[11]。

1）高耐火度。

电弧温度在4000℃以上，炼钢温度常在1500~1750℃，有时甚至高达2000℃，因此要求耐火材料必须有高的耐火度。

2）高荷重软化温度。

电弧炉炼钢过程是在高温载荷条件下工作的，并且炉体要受钢水的冲刷，因此耐火材料必须有高的荷重软化温度。

3）良好的热稳定性。

电弧炉从出钢到装料时间内温度急剧变化，温度由原来的1600℃左右骤然下降到900℃以下，因此耐火材料必须具有良好的热稳定性。

4）抗渣性好。

在炼钢过程中，炉渣，炉气，钢液对耐火材料强烈的化学侵蚀，因此耐火材料有良好的抗渣性。

5）高耐压强度。

电弧炉衬在装料时受炉料的冲击，冶炼时受钢液的静压，出钢是受钢液的冲刷，操作时又受机械振动，因此耐火材料必须有高的耐压强度。

6）低导热性。

为了减少电弧的热损失，降低电能消耗，要求耐火材料的导热性要差，即导热系数要小[12]。

2.3.1电弧炉炉墙、炉底用耐火材料设计

炉墙和炉底的工作条件同炉盖大致相当，易受到电弧的高温辐射，在极高的温度条件下工作，经常受到急冷作用。

比炉盖更严重的是炉墙和炉底直接同钢水、炉渣接触，受到钢水的冲刷和炉渣的侵蚀，并且装料时还受到炉料的撞击。

因此，选用优质的耐火材料就显得非常重要，尤其是与炉渣接触部位和接近电弧热点的部位要求更高，常用的耐火材料如下：

①镁砂

镁砂是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来打结炉底和炉坡，也可用来制作镁砖[13]。

同时又是补炉的主要材料。

镁