精品年产130万吨连铸坯的电弧炉炼钢车间设计毕业论文设计.docx
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精品年产130万吨连铸坯的电弧炉炼钢车间设计毕业论文设计
摘要
本文叙述了年产130万吨连铸坯的电弧炉炼钢车间工艺设计过程，通过对电弧炉相关材料的查阅，对现代电弧炉炼钢工艺及车间布置有了一定的了解和认识。
在此次设计中，主要冶炼的钢种为不锈钢，生产钢板为主。
通过查阅资料选择了合适的冶炼工艺路线和相应的设备。
严格按照设计任务书的要求，先后进行并完成了不锈钢1Cr17Ni2的物料平衡和热平衡的计算，电弧炉炉型尺寸的计算及确定、相应配备设备的计算及确定如：
变压器、AOD、钢包、中间包、板坯连铸机等设备尺寸的选择确定、炉外精炼方式的选择确定，电弧炉车间的整体布置以及人员配备和经济指标的核算等任务。
电弧炉新技术的开发给电弧炉炼钢带来了巨大的经济效益与环境优势，本文针对现代电弧炉炼钢新技术方面作了详细的讨论。
关键词：
电弧炉，偏心底出钢，氩氧炉，炉外精炼
Abstract
Thisarticledescribesthecapacityof1.3mtofcontinuouscastingslabEAFsteelmakingprocessdesignprocess,throughworkshopofelectricarcfurnaceofrelevantmaterialsofmodemeaforprocessandworkshoplayouthavecertainknowledgeandunderstanding.Duringthedesignprocess,themainsteelproductsissteelboardofstainlesssteel.Accordingtosmeltingsteelgrade,chooseasuitablerouteandthecorrespondingequipment.Instrictaccordancewiththedesignspecificationrequirements,hasbeencompletedmaterialsbalanceandheatbalanceof1Cr17Ni2,thetypesizecalculationofEAF,thecalculationofcorrespondingequipment,suchasthetransformer,AOD,theladle,tundish,slabcontinuouscastingmachineetc,Theoveralllayoutofelectricarcfurnaceplantandtheeconomicindicatorsbusinessaccounting.ThedevelopmentofEAFnewtechnologybroughtenormouseconomicbenefitsandenvironmentaladvantages,thispaperhasmadeadetaileddiscussionaboutthemodernEAFsteelmakingtechnology.
KeyWords：
electricarcfurnace,EBT,AOD,externalrefining
1电弧炉炼钢车间的设计方案1
1.1电炉车间生产能力计算1
1.1.1电炉容量和台数的确定1
1.1.2电炉车间生产技术指标1
1.2电弧炉炼钢车间设计2
1.2.1电弧炉炼钢车间设计与建设的基础材料2
1.2.2电炉炼钢车间的组成2
1.2.3电炉各车间的布置情况3
2电弧炉炉型设计4
2.1电弧炉炉型设计4
2.1.1电弧炉炉型4
2.1.2熔池的形状和尺寸4
2.1.4炉衬厚度6
2.1.5工作门和出钢口7
2.2偏心底出钢箱的设计7
2.2.1炉壳7
2.2.2炉底8
2.2.3出钢口8
2.2.4机械装置8
2.2.5出钢箱设计参数8
2.3电弧炉变压器容量和参数的确定9
2.3.1确定变压器的容量9
2.3.2电压级数10
2.3.3电极直径的确定10
2.3.4电极极心圆的尺寸10
2.3.5短网的设计11
2.4水冷挂渣炉壁设计12
2.5水冷炉盖设计12
3电弧炉炼钢物料平衡和热平衡13
3.1物料衡算13
3.1.1熔化期物料计算13
3.1.2氧化期物料计算18
3.2热平衡计算22
3.2.1计算热收入QS22
3.2.2计算热支出QZ22
4车间主要设备的选择26
4.1电弧炉主要设备的选择26
4.1.1校核年产量26
4.1.2对电极的要求26
4.2精炼炉设备选择26
4.3连铸设备选择27
4.3.1钢包允许的最大浇注时间27
4.3.2拉坯速度27
4.3.3连铸机的流数28
4.3.4弧形半径29
4.4连铸机的生产能力的确定29
4.4.1连铸浇注周期的计算29
4.4.2连铸机作业率30
4.4.3连铸坯收得率30
4.4.4连铸机生产能力的计算30
4.5中间包及其运载设备31
4.5.1中间包的形状和构造31
4.5.2中间包的主要工艺参数31
4.5.3中间包运载装置32
4.6结晶器及其振动装置32
4.6.1结晶器的性能要求及其结构要求32
4.6.2结晶器主要参数选择32
4.6.3结晶器的振动装置33
4.7二次冷却装置33
4.7.1二次冷却装置的基本结构33
4.7.2二次冷却水冷喷嘴的布置33
4.7.3二次冷却水量的计算33
4.8.1拉矫装置34
4.8.2引锭装置34
4.9铸坯切割装置34
4.10盛钢桶的选择34
4.11渣罐及渣罐车的选择36
4.11.1车间所需的渣罐车数量36
4.11.2车间所需渣罐数量36
4.12起重机的选择36
4.13其他辅助设备的选择37
5电弧炉炼钢车间工艺设计38
5.1废钢38
5.2辅助料38
5.2.1对辅助料的要求38
5.2.2供应方案39
5.2.3配料39
5.2.4装料和补料40
5.2.5电弧炉冶金工艺41
5.2.6精炼工艺42
5.2.7连铸操作工艺44
6电弧炉炼钢车间工艺布置46
6.1原料跨46
6.1.1原料跨的宽度47
6.1.2原料跨的总长度47
6.2炉子跨整体布置47
6.2.1炉子跨工作平台高度48
6.2.2炉子的变压器室和控制室48
6.2.3电弧炉出渣和炉渣处理48
6.2.4炉子跨的长度、高度、跨度48
6.3精炼跨49
6.3.1整体布置49
6.3.2LF炉的布置49
6.3.3AOD炉的布置49
6.3.4钢包回转台的布置49
6.3.5其他布置49
6.4连铸跨50
6.4.1总体布置50
6.4.2连铸机操作平台的高度、长度、宽度50
6.4.3连铸机总高和本跨吊车轨面标高50
6.4.4连铸机总长度51
6.5出坯跨51
6.6备注51
7车间人员编制及主要经济技术指标52
7.1技术经济指标52
7.1.1产量指标52
7.1.2质量指标52
7.1.3作业效率指标52
7.1.4连铸生产技术指标52
7.2车间人员编制52
参考文献54
致谢55
专题56
1电弧炉炼钢车间的设计方案
1.1电炉车间生产能力计算
1.1.1电炉容量和台数的确定
电炉车间产量系指一定的A=24nga/t生产期内合格产品的产量，本设计题目为年产130万吨连铸坯的电弧炉炼钢车间工艺设计。
根据电弧炉的产量计算式：
确定电弧炉容量及台数
（1）电弧炉的产量计算式
式中n—全年实际有效作业日数，n=365×作业率（90%）=330
g—每次熔炼钢水的量
t—平均一炉的冶炼时间取60min
a—钢水铸成钢坯的收得率取95%
∴g=172.78t
g=f·gN
式中gN—电弧炉的公称容量；
f—超装系数取1.20；
gN=172.78/1.2=143.98t。
留钢量取12吨，故取电弧炉公称容量90t，且车间需要两台电弧炉可满足要求。
1.1.2电炉车间生产技术指标
（1）产量指标合格钢产量130万吨/年
小时出钢量180t/h
冶炼周期60min冶炼时间50min
（2）质量指标钢坯合格率98.5%
（3）作业率指标连铸机作业率80%
（4）连铸生产技术指标连铸比100%
铸坯合格率98%
连铸收得率97%
A金属材料消耗
一般为废钢、返回废钢、合金料与脱氧合金。
B炼钢辅助材料消耗
石灰、萤石以及其他造渣材料和脱氧粉剂。
C耐火材料消耗
主要用于炉衬的各种耐火砖以及钢包的耐火材料。
D其他原材料消耗
电极和工具材料。
E动力热力消耗指标
主要为电能和各种气体和燃油等。
车间设计产品大纲见下表：
（5）连铸生产技术指标
连铸比100%
铸坯合格率98.5%
连铸收得率97%
（6）生产的钢种：
主要生产不锈钢，代表性钢号：
1Cr17Ni2。
1.2电弧炉炼钢车间设计
1.2.1电弧炉炼钢车间设计与建设的基础材料
（1）建厂条件
1）各种原料的供应条件，特别是钢铁原料来源；
2）产品销售对象及其对产品质量的要求；
3）水电资源情况，所在地区的产品加工，配件制作的协作条件；
4）交通运输条件，水路运输及地区公路、铁路的现状与发展计划；
5）当地气象，地质条件，环保要求。
（2）工艺制度
确定工艺制度是整个工艺设计的基本方案，是设备选择，工艺布置等一系列问题的设计基础。
1）冶炼方法：
利用超高功率电弧炉进行单渣冶炼，然后进行炉外精炼；
2）浇注方法：
采用全连铸；
3）连铸坯的冷却处理与精整：
铸坯在冷床上冷却并精整；
4）在技术或产量方面应留有一定的余地。
1.2.2电炉炼钢车间的组成
（1）炼钢主厂房，包括原料跨、炉子跨、精炼跨、连铸跨及出坯跨；
（2）铁合金及散状材料间；
（3）钢锭、坯存放场地；
（4）中间渣场；
（5）机电修间及快速分析室；
（6）炉衬制作与各种备件修理场地；
（7）耐材库、备件备品库、车间变、配电室；
（8）水处理、烟气净化设施及车间管理、生活服务设施。
1.2.3电炉各车间的布置情况
由于是两台超高功率电弧炉，且是全连铸，考虑到物料顺行、劳动安全条件和未来发展，采用横向高架式布置。
（1）原料跨：
此跨主要是为了返回废钢，耐火材料，散状料等提供场地。
废钢坑可按其块度大小分为几个不同的坑；另外还有金属料库，热装铁水的供应区；合金料和散状料的烘烤区。
（2）炉子跨：
此跨配以两台90吨的超高功率的偏心底出钢电弧炉；炉体彻修区，炉盖修理区，耐材干燥室；电炉装料配置，电炉变压器房和精炼炉变压器房，供氧系统，粉尘处理系统；高架行车进行跨间的整体运输工作。
（3）连铸与精炼跨：
此跨设有公称容量110吨的AOD精炼炉两台、110吨的LF精炼炉两台，炉侧设有AOD炉的维修区域及钢包的修砌区、有钢包回转台。
钢包回转台是精炼跨与连铸跨的纽带。
回转台一侧设有中间包修砌区，连铸机二冷段的维修区等。
此跨主要是进行钢坯的凝固工作。
还设有连铸机备件，备品检修区，铸坯精整区等。
（4）出坯跨：
主要是缓冷区、良锭存放区及配电室等的布置。
缓冷区用来存放良锭、坯件，其间有运输路线直接通到轧钢车间。
[1]
2电弧炉炉型设计
2.1电弧炉炉型设计
2.1.1电弧炉炉型
电弧炉炉型是指炉子内部空间的形状和尺寸，不同的熔炼炉因工作条件不同，供热热源不同而有不同的内部空间。
电弧炉近于球形体，从减少散热面出发，以球形最好。
现代电弧炉炉体中部是圆筒形，炉底为弧形，炉顶为拱形。
作为发热体，电极端部的三电弧位于炉内中心部位。
[2]
电弧炉设计应保证高的生产率，电能、耐火材料、电极等消耗要低，同时要满足冶金反应顺利进行，故应考虑以下因素：
（1）选用大功率变压器；
（2）保证高的电流效率和热效率；
（3）采用高质量的耐火材料砌筑材料；
（4）炉子各部分形状和尺寸设计布局合理；
（5）炉子熔炼室容积能一次装入堆比量中等的全部炉料；
（6）炉子倾斜10。
～20。
能保证钢液顺利流出。
2.1.2熔池的形状和尺寸
熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼重量的钢液和炉渣，并留有余地，它应能满足冶金反应顺利进行。
熔池设计为锥球形，圆锥部分对水平线的倾角为45。
，这样的形状可保证炉料加速熔化，钢液可积蓄在球形熔池底部，且易于维修。
1.熔池的形状
其形状应有利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易，修补方便。
目前使用的多为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠。
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。
。
2.熔池尺寸计算
（1）熔池的容积：
a.对于炉子能容纳90吨钢液，则钢液体积为：
V钢=90×0.14=12.6m3（式中的0.14m3为一吨钢液的体积）；
b.对于碱性电弧炉而言，溶氧期具有最大渣量，渣量和钢液之比为0.08，则熔渣重量为90×0.08=7.2吨，假定1m3炉渣重量为3吨，故渣的体积为：
V渣=7.2/3=2.4m3;
所以钢液和炉渣的总和即熔池的容积为：
V=V钢+V渣=12.6+2.4=15m3
（2）熔池的深度和直径
钢液面直径D和钢液深度H之比D/H是确定炉型尺寸的基本参数。
一般情况下，比值越大则钢-渣接触面越大，利于钢水精炼。
但锅考虑到本设计的还原期在后续工艺—精炼炉中进行，故D/H不应过大。
同时考虑到熔池热阻的因素，即D/H≤4时，熔池热阻显著增加，不利于钢水加热，当D/H≥4～6时，单位容积的界面面积急剧增加，故综合考虑选取D/H=5。
a.确定炉缸钢液面直径
由经验公式可得：
D=2.0CV1/3
式中C=0.875+0.042×5=1.085
则D=2.0CV1/3=2.0×1.085×12.61/3m3=5.050m
所以H=D/5=1.010m=1010mm,取H=1020mm
b.确定炉缸上缘直径
为了减轻炉渣对炉与炉坡接缝处的侵蚀，炉门坎平面应高于渣液面20-40mm，炉缸与炉壁连接面应高于炉门槛30-70mm。
由于炉渣深度大约为0.09-0.12m。
故可得炉缸上缘直径为D+100～200这里取其值为Db=5250mm
2.1.3熔化室的尺寸
（1）熔化室直径
熔化室直径Dr=D+（0.1～0.2）=5250mm
球冠部分高度h1=H/5=204mm
截锥部分高度h2=H-h1=816mm
球冠直径d=D-2h2=3418mm
（2）熔化室的高度H1（即为炉壁的高度）
熔化室的高度应根据炉内的热交换情况来确定。
一般取（0.40～0.44）Dr,取0.42，计算得，H1=2205mm
（3）熔化室上部直径
采用耐火材料炉壁，特别是散状料和粘结剂打结炉壁时，为了提高炉衬寿命，便于修补和节省材料，将炉壁做成倾斜式的，倾角β=6。
。
熔化室上部直径：
D1=Db＋2H1tanβ=5250＋464=5714mm
（3）炉顶高度
h3/Dr=1/7～1/9（因炉顶砖不同而异，取1/8）
则h3=656mm
2.1.4炉衬厚度
（1）炉顶厚度：
由于电炉顶采用高铝砖，根据额定容量取其值为350mm；
（2）炉壁厚度：
炉壁根部厚度δ壁，炉壁根部厚度即炉缸平面处炉衬的厚度，一炉底厚度：
炉底厚度δ底，δ底=900mm；
炉底的结构分为绝热层、永久层、工作层。
对于小于15t的炉子,炉底厚度不小于钢液深度,即δ底≥H;对于15t以上炉子,δ底90t电炉炉底厚度取900mm。
绝热层是炉底的最下层，它的作用是减少电炉的热损失，并保证熔池上下钢液的温差小。
在炉壳上，先铺一层石棉板（10mm），再铺硅藻土粉（20mm），硅藻土粉上面平砌一层绝热砖（粘土砖65mm），缝隙用硅藻土粉或粘土砖粉充填。
绝热层厚95mm。
永久层的作用是保证熔池的坚固性，防止漏钢，一般为2—4层（65mm镁砖），用镁砖砌筑。
铺3层镁砖，永久层厚195mm。
工作层直接与钢液和炉渣接触，化学侵蚀严重，机械冲刷强烈，热负荷高，故应充分保证其质量。
工作层厚610mm。
使用镁砂砖和镁质捣打料。
[3]
（3）炉壳内径：
熔化室直径加上两倍的炉壁厚度为6350mm；
（4）炉壳外径：
炉壳要承受炉衬和炉料的质量，抵抗部分衬砖在受热膨胀时产生的膨胀力，承受装料时的撞击力。
炉壳厚度δz一般为炉壳直径D壳的1/200，即：
炉壳厚度δz与炉壳直径D壳的关系见表2-1
表2-1炉壳厚度δz与炉壳直径D壳的关系
D壳/m
<3
3～4
4～6
>6
δz/mm
12～15
15～20
25
28～30
因D壳＝D熔+2δ壁+2δz＝5250+2×550+2δz=6350+2δz>6m，则取δz＝30mm，
所以D壳＝5850+2×30=6410mm。
2.1.5工作门和出钢口
现代电弧炉只设一个工作门，用于加料，炉前操作和观察情况。
炉门应该满足以下的要求：
（1）能清楚看见炉内的炉料，炉顶中心，并便于观察炉内情况；
（2）能方便的修补炉壁和炉底；
（3）熔炼过程中，电极折断时能将电极从炉门取出：
（4）方便喷吹炉料和氧气。
炉门宽度：
l=（0.2-0.3）D=1263mm
炉门高度：
b=（0.75-0.85）l=1010mm
2.2偏心底出钢箱的设计
电弧炉炼钢传统的“老三期”工艺中，出钢带入钢包的炉渣是还原性的，而超高功率电弧炉及炉外精炼技术应用后，电炉出钢前的炉渣是氧化性的，生产实践证明，这种炉渣带入钢包对精炼效果有如下不利影响：
1降低脱氧、脱硫能力，从而降低钢水质量
2降低合金回收率，钢的化学成分不稳定
3降低钢包吹氩或搅拌强度
4降低包衬寿命
偏心底出钢是电弧炉底钢的一种形式，可以实现无渣出钢。
偏心底出钢电弧炉（EBT电炉）采用留钢留渣操作，不但做到了无渣出钢，留钢操作增加了电弧炉冶炼的连续性，熔化期电弧稳定，熔池形成较快，可以实现提前吹氧，有效地提高了氧利用率以及电弧炉热效率；偏心底出钢电弧炉出钢钢流短，出钢时间大大缩短，减小了出钢过程中的钢水温降及钢水对钢包内衬的冲刷，炉后合金化的进行提高了合金的回收率；偏心底出钢电弧炉倾炉角度较出钢槽电弧炉大为减小，有条件对短网进行优化。
2.2.1炉壳
偏心底出钢电弧炉的炉壳上部的炉身为圆形，下部带有突出的圆滑形出钢箱。
偏心底出钢电炉采用全水冷炉壁炉壳，出钢时炉子倾动仅为15。
左右，可避免钢水和水冷炉壁的接触，从而提高炉衬寿命。
炉壳上沿的加固圈用钢板或型钢焊成。
内通冷却水，用以增加炉壳的刚度，防止炉壳由于受热而变形，保证炉壳与炉盖接触严密。
2.2.2炉底
偏心底出钢电弧炉炉底设计成浅盘状，以确保无渣出钢。
为安全起见，底部排三层镁质火砖，与钢水接触的底部为镁砂捣打料。
2.2.3出钢口
偏心底出钢电炉的出钢口位于出钢箱的底部，利用出钢口的开闭机构和倾动机构，实现无渣出钢、留渣操作。
出钢口类似钢包水口，所用耐火材料材质为镁碳砖。
出钢口用摆动式铰链盖板密封。
为防止变形，密封处的盖板和出钢口尾砖均有石墨构成。
2.2.4机械装置
一般偏心底出钢电弧炉，向炉门倾动10～12°,向出钢口最大倾动15°偏心底出钢电弧炉的倾动液压缸行程较传统电弧炉小，为保证不带渣出钢，以避免出钢箱部分产生漩涡，即炉体倾动最大至结束出钢时，使炉内留一部分钢水，为此应使炉体迅速回倾。
一般为3°/S。
2.2.5出钢箱设计参数
EBT电炉的特征是设置了一个偏心区，该偏心区相对构成一个小熔池，并通过圆滑过渡与电炉主熔池相连，炉体回到正常位置是将部分钢水和全部的炉渣留在炉内，出钢口垂直设置在偏心区的底部，这样一个结构使得偏心区的设计显得相当重要，下述四点的设计优良直接影响到炉子的正常工作。
1）出钢箱切角α
出钢箱切角α，即出钢箱与炉体中心的夹角。
出钢箱与炉体（壳）的连接要满足耐火材料能平滑过渡,故要求相切,其切角随着炉壳直径的增大而减小,90°≤α≤120°。
本例90t炉的α取120°。
2）偏心距
即出钢口中心线至炉子中心线的距离。
偏心距选取过大，则偏心区内的废钢不容易熔化，即使全部熔化，由于温度不均匀，该区的钢液成分偏差很大，造成冶炼的不正常。
同时，考虑到在出钢口上盖的操作方便，偏心区不能过小。
在不影响出钢的情况下，此距离应尽可能的小。
经过查询了许多的现有的偏心距后，确定本设计的偏心距为3800mm。
3）出钢口直径
出钢口直径的确定应保证钢液在尽可能短的时间内出净。
经验表明，对70吨以上的电弧炉，出钢口的直径一般在120mm以上，本设计取180mm。
4）出钢箱的高度
出钢箱的高度确定应保证炉体倾斜10～15°时，钢水不与出钢箱的水冷盖板相接触，并留有一定的安全距离，还要求氧化渣全部留在炉内。
经过计算及经验值的推荐，本设计出钢箱的高度取为3275mm。
[4]
表3－290t超高功率电弧炉各部分尺寸
项目
尺寸/mm
项目
尺寸/mm
熔池容积V池
15m3
炉壁工作层厚度
460
熔池直径D
5050
炉壁绝热层厚度
90
熔池深度H
1020
炉底厚度
900
球冠部分高度h1
204
炉壳厚度δz
30
截锥部分高度h2
816
炉壳直径D壳
6410
球冠直径d
3418
炉门宽度L
1263
熔炼室直径D熔
5250
炉门高度b
1010
熔炼室高度H1
2205
出钢口直径
180
炉顶高h3
656
出钢箱内口与中心夹角α
120°
熔炼室上缘直径D1
5714
偏心度E
3800
炉顶衬砖厚度δ
350
出钢倾翻角γ
12°
2.3电弧炉变压器容量和参数的确定
2.3.1确定变压器的容量
由熔化时间来计算变压器容量；熔化期长短主要是由供电功率来确定。
压器的容量由以计算式来求：
式中P—炉用变压器额定容量，KVA
q—熔化每吨废钢料及熔化相应的渣料并升温所需要的电量，KWh/t,q≈410KWh；由于本设计采用偏心底出钢，实现留渣操作，可节约电量1/4多，故取其值为q=300KWh
G—电炉装入量，90t；
t—预期的熔化时间，55min；
cosφ—熔化期平均功率因数，本设计选取0.70；
л—变压器有功功率的热效率选取0.80；
N—熔化期变压器功率平均利用系数，选取1.1；
若按电弧炉的额定容量计算其单位功率则为59504/90＝661kVA/t，属于超高功率范围。
2.3.2电压级数
根据经验公式，选择最高一级二次电压，对于碱性电弧炉：
U=15×P1/3=5856.1V
所以取电压级数为12级
2.3.3电极直径的确定
式中I—电极上的电流强度，I=P/1.732U=5866.7A；
ρ—石墨电极5
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