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100吨电炉设计方案

1、绪论

1．1电弧炉炼钢发展现状

近年来，电弧炉钢产量增长速率超过了钢总产量的增长速率。

2000年全世界钢总产量为84115.4万t，其中电炉钢产量为28352万t，占钢总产量的33.7%，与1995年相比，钢总产量增长13.2%，电炉钢产量增长了16.8%。

2001年，全世界钢总产量为84379.7万t，其中电炉钢产量为29587.9万t，占钢总产量的35.07%。

有些国家废钢资源丰富，电价低廉，电弧炉炼钢发展迅速。

2000年美国电炉钢比达到46.8%。

而我国由于废钢资源短缺，电价较高，2000年电炉钢产量为2020万t，占全国总产量的15.9%。

2001年，我国的钢总产量为15163万t，其中电炉钢产量为2400.5万t，电炉钢比为15.8%。

较早年代，我国电弧炉以冶炼合金钢为主，多集中于特殊钢厂，电弧炉容量小。

上世纪90年代起，我国相继建设了多座大容量超高功率电弧炉。

据统计，1990年至1999年我国新建设60~150t电弧炉19座，总容量为1645t。

目前，我国投入运行的50t以上电弧炉有39座，其中单炉出钢量100t以上的电弧炉有10座。

1992年我国电弧炉平均炉容量为4.6t/座，2000年容量50~150t的大电炉36座，而且大多数采用超高功率技术。

为了提高钢的质量，电弧炉钢厂大都配有钢包精炼装置（LF炉）并采取全连铸生产。

一些钢厂还配有VD真空精炼装置。

现代炼钢方法主要为转炉炼钢法和电炉炼钢法。

电弧炉是继转炉、平炉（现已淘汰）之后出现的又一种炼钢方法，它是在电发明之后的1900年，由法国的赫劳特在拉巴斯发明的。

电弧炉是炼钢电炉的一种，也是目前世界上熔炼优质钢、特殊用途钢种的主要设备。

电弧炉炼钢技术已有100年的历史，第二次世界大战后电炉炼钢才有较大发展，在最近的20年，电弧炉炼钢技术发展尤为迅速，电弧炉的应用带来了炼钢技术的革命。

尽管全球粗钢年产总量的增长速度很缓慢，但以废钢为主要原料的电弧炉炼钢的产量所占的比重却在逐年上升。

2001年，电弧炉炼钢占世界钢产量的40％，成为最重要的炼钢方法之一。

与高炉铁水炼钢相比，其竞争优势在于投资费用和运行成本。

自60年代中期提出电弧炉超高功率概念以来，电弧炉建造趋于大型化、高功率化，出现现了多种新型式的电弧炉。

在发展大型电弧炉的过程中，美国曾用六支电极，由两台变压器供电，电弧炉为椭圆形。

电弧炉是利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。

气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在3000℃以上。

对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，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。

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。

发展大容量电炉和提高电炉自动化水平，采用大功率静止式动态补偿技术，用水冷构件代替耐火材料，炉盖第四孔直接排烟与电炉周围密封罩相连接的烟尘净化系统，炉盖第五孔机械化自动化加料系统，电炉使用还原铁比例逐渐扩大，炉外废钢预热，炉燃料助燃，强化熔池用氧，开发底气搅拌系统和泡沫渣覆盖下的冶炼工艺，从冷却水和废气中回收热能，采用全连铸，发展纤维石墨电极和采用优质高效碱性镁碳炉衬等。

电弧炉炼钢得到迅速发展的主要原因：

（1）废钢日益增多；

（2）钢铁工业迅速增长。

由于发电设备大型化和技术不断改进，可利煤用部分劣质粉发电，电的供应和价格比较稳定，使电炉炼钢有了比较可靠的基础。

此外，电炉用废钢比高炉——转炉炼钢的能耗低。

（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，基金回收速度。

（5）钢液温度、成份容易控制，品种适应性大，可冶炼多种牌号的钢，同时还能间断性生产。

目前，由于炼钢电炉的大型化、超高功率化及冶炼工艺的强化，并与不断发展完善的二次精炼和连铸连轧技术相配套，已形成了自动化、机械化水平高、能耗低的专业生产体系，使得它在钢的生产中更具有竞争能力。

电弧炼钢的缺点有：

（1）电弧是点热源，炉温度分布的不均匀，熔池各部位的温差较大；

（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。

1.2国外电炉炼钢技术的发展趋势

炼钢新原料和短流程的发展，促进了电炉炼钢的飞速发展。

21世纪，很可能是电炉与转炉平分秋色的时代，因此世界各国都非常重视电炉的发展，而电炉炼钢技术发展趋势有如下几点：

（1）超高功率直流电弧炉具有电极消耗低、节电且对渣线耐火材料侵蚀小等特点，是世界围电炉发展的总趋势。

并且要充分利用超高功率电弧炉的一些强化冶炼技术，提高电炉生产能力，逐步缩小与转炉出钢周期的差距，达到电炉转炉化的水平。

（2）尽可能地利用电炉冶炼废热和化学能，发展废钢预热及烟气二次燃烧技术。

竖式电炉不仅在生产率、能量利用、环境适用性及炉料灵活性等方面占有优势，而且实现了电炉炼钢的连续化，是目前最有发展前途的电炉。

但其设备结构的复杂性以及其产生的二噁英等问题也是值得注意并有待解决的。

（3）用初级能源代电，采用氧燃烧嘴助熔技术，可以降低电耗、降低生产成本、缩短冶炼时间，尤其是煤——氧助熔技术更有发展前途。

（4）扩大铁源应用围，除废钢外广泛应用DRI、HBI、碳化铁、高炉铁水、熔融还原铁、生铁块等灵活配比，以适应不同地区的原料供应状况。

（5）电炉炼钢应逐步趋向连续化操作，改善劳动条件，提高设备的利用率。

（6）环保问题是全世界永恒的话题，应注意环境保护和废气物的回收利用。

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。

图1.1世界总钢产量、电弧炉钢产量的变化

随着科技的进步，电弧炉的钢产量及其比例始终在稳步增长。

电弧炉炼钢自20世纪60年代提出超高功率概念以来一直处于不断发展变革的过程中。

考察其发展的历史进程可以看出，电弧炉流程之所以能够成为与转炉流程相抗衡的第二大钢铁制造流程，技术的发展使得流程上的瓶颈得以突破起到了关键性的作用（以废钢资源积累至一定程度为条件）:

正是因为能量输入强度的提高使得炉子大型化、冶炼周期大幅度缩短成为现实，电弧炉与后续精炼、连铸工序的匹配得以实现，从而使电弧炉流程的产能、劳动生产率能够与大规模化生产相适应。

就电弧炉炼钢的当代技术而言，随着化学能利用技术的长足进步，冶炼周期己由60min左右进入50～40min，因此其生产节奏己逼近转炉水平。

1.3产品设计要求及钢种概述

设计20CrMnTi钢种为主的年产120万吨棒线材钢厂的电炉炼钢车间

20CrMnTi是渗碳钢,渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。

汽车上多用其制造传动齿轮是中淬透性渗碳钢中CrMnTi钢，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。

20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢，良好的加工性,特加工变形微小，抗疲劳性能相当好.用途广泛:

用于汽车、拖拉机变速箱中的齿轮、燃机上的凸轮、轴类、活塞类零配件等。

它往往要求表面具有高的硬度和耐磨性而心部则要求有足够的强度和韧性，使零件既有耐磨的表面，又能承受大的冲击载荷。

20CrMnTi是能保证心部足够的韧性和强度的理想材质。

特性及适用围：

20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。

用于制造截面＜30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。

20CrMnTi的化学成分和控制成分：

见表1-1

表1-120CrMnTi的化学成分和控制成分（％）

元素

标准成分/%

0.17～0.24

0.20～0.40

0.80～1.10

1.00～1.30

0.06～0.12

≤0.04

余量

控制成分/%

0.20

0.30

0.95

1.15

0.09

≤0.04

余量

1.4电弧炉炼钢车间设计任务和程序

一个现代化电炉冶炼钢厂，是由相对独立而又相互联系的车间组成，如冶炼车间、连铸车间、轧钢车间、热处理车间、动力车间等。

按设计性质不同，电炉炼钢厂设计又可以分为新建设计和扩建设计。

新建设计根据设计任务书，从头开始按设计程序进行。

本次设计为新建设计，其具体设计步骤如下：

（1）建厂可行性研究：

为了确保新建项目的经济效益，技术上可靠，工艺合理，充分发挥项目建成后的作用，在设计开始前，必须组织工程技术人员进行可行性研究论证，然后组织专家评审。

对可行的几种建设方案，加以分析比较论证，最后确定一种最佳方案，上报有关部门或投资方，获得批准之后，下达设计任务书。

建设单位得到批文之后，找才能进行正式设计。

（2）下达任务书

（3）阶段设计

<1>初步设计：

初步设计的主要容和程序是：

①根据建厂的指导思想选择厂址、确定建厂规模以及总体布置简图；

②编制产品方案，指定主要的或有代表性的产品的生产工艺过程；

③确定炼钢设备的组成和主要技术性能；

④选择其他各项设备并确定其主要技术参数；

⑤拟定炼钢程序，设计炼钢生产能力并确定其他设备数量及作业率，提出生产需要的各种设备清单；

⑥按照产品生产工艺流程，考虑各设备在车间中位置上的相互关系，拟定车间工艺平面布置图；

⑦拟定生产技术经济指标，计算生产所需原材料、水、电、燃料、气等各种材料的消耗定额，估计产品成本，提出车间投资概算；

⑧车间的组成和人员编制的确定；

⑨确定主要的建筑物和构筑物的占地面积、构造形式及他们在位置上的相互关系，考虑到车间运输及材料供应、管线铺设等方案；

⑩考虑车间的综合利用和环境保护以及今后扩建的可能性。

<2>技术设计：

①确定能够满足生产要求的各生产工序，指定详尽的工艺规程；

②确定炉子设备的设计和制作，电气设备和其他各项设备的技术预算，编制技术设计说明书；

③确定各项设备的数量、能力和他们在车间的具体位置；

④决定车间生产能力，编制各个产品的金属平衡，绘制可供施工用的车间平面布置图；

⑤验算炼钢生产能力和确定车间各类技术经济指标；

⑥进行供电、供水、油、气、通风、照明、采光及土建等方面的技术设计并编写有关说明书；

⑦编制职工定员表，提出车间投资和预算表。

<3>施工设计：

施工设计是设计的最后阶段，一般在技术设计批准后进行，施工设计的任务在于为设备制造、厂房基础及其他构筑物的施工提供依据。

其主要容有：

车间全部土建设计；绘制各项设备的施工图纸；施工时，有关的文件准备和说明。

（4）现场施工，安装，调试，试生产阶段

（5）设计总结

炼钢厂的设计任务和大致程序可有图1.2表示

2、电炉物料平衡和热平衡计算

2.1计算目的和意义

炼钢过程的物料平衡与热平衡是建立在物质和能量守恒的基础上的。

其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供定量的依据。

由于炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还难以做到精确取值和计算。

尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。

现代电弧炉冶炼工艺与传统三段式工艺有较大的变化，目前主要方式是：

在超高功率电弧炉借助大功率供电、高强度供氧和氧燃烧嘴等辅助供热手段快速熔化废钢并完成脱碳脱磷任务，然后在精炼炉完成脱氧、脱硫、微调合金成份、去除夹杂等任务。

本次计算仍按传统电弧炉三段式工艺做物料平衡与热平衡计算。

2.2物料平衡

2.2.1计算所需原始数据

基本原始数据有：

冶炼钢种及其成分（表2-1）；原材料成分（表2-2）；炉料中元素烧损率（表2-3）；合金元素回收率（表2-4）；其他数据（表2-5）。

表2-1冶炼钢种及其成分

钢种

类别

备注

20CrMnTi

化学成分/%

0.17～0.24

0.20～0.40

0.80～1.10

1.00～1.30

0.06～0.12

≤0.04

余量

熔氧法冶炼

控制成分/%

0.20

0.30

0.95

1.15

0.09

≤0.04

余量

表2-2原材料成分

名称

H20

灰分

挥发分

碳素废钢

0.18

0.25

0.55

0.030

余量

炼钢生铁

4.20

0.80

0.60

0.200

余量

FeMn

6.6

0.5

67.8

0.23

0.130

27.74

FeSi

0.5

0.05

0.030

2.5

23.92

FeCr

4.35

0.4

67.3

27.87

FeTi

4.8

2.13

6.9

55.17

98.5

1.5

焦炭

81.50

0.58

12.40

5.52

电极

99.00

1.00

名称

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

CaF2

Fe2O3

CO2

H2O

P2O5

石灰

88.00

2.50

2.60

1.50

0.50

4.64

0.10

0.06

萤石

0.30

5.50

0.60

1.45

88.00

1.50

0.90

0.10

铁矿石

1.30

5.75

0.30

1.45

89.77

1.20

0.15

0.08

火砖块

0.55

60.80

0.60

36.80

1.25

高铝砖

1.25

6.40

0.12

91.35

0.88

镁砂

4.10

3.65

89.50

0.85

1.90

焦炭灰分

4.40

49.70

0.95

26.25

18.55

0.15

电极灰分

8.90

57.80

0.10

33.10

表2-3炉料中元素烧损率

成份

烧损率/%

熔化期

25～40,取30

70～95，取85

60～70，取65

40～50，取45

可以忽略

氧化期

0.06①

全部烧损

0.015②

25～30，取27

2按末期含量比规定下限低0.03～0.1%（取0.06%）确定（一般不应低于0.30%的脱碳量）；

②按末期含量0.015%来确定。

表2-4合金元素回收率

合金原料

加入时间

回收率/%

FeMn

还原初期

100

出钢前

100

FeSi

还原初期

100

还原后期

100

FeCr

还原初期

100

FeTi

还原初期

100

还原初期预脱氧

还原后期终脱氧

Fe-Si粉

还原期扩散脱氧

100

Al粉

还原期扩散脱氧

表2-5其他数据

名称

参数

配碳量

比钢种规格控制成分高0.70%，即达0.90%

熔化期脱碳量

30%，即0.90×30%=0.27kg（金属炉料配入量按100kg）

电极消耗量

5kg/t（金属料）：

其中熔化期占60%，氧化期和还原期各占20%

炉顶高铝砖消耗量

1.5kg/t（金属料）：

其中熔化期占50%,氧化期占35%，还原期占15%

炉衬镁砖消耗量

5kg/t（金属料）：

其中熔化期占40%，氧化期和还原期各占30%

熔化期和氧化期所需要氧量

50%来自氧气，其余50%来自空气和矿石

氧气纯度和利用率

99%，余者为N2，氧利用率90%

焦炭中碳的回收率

75%（指配料用焦炭）

碳氧化产物

均按70%生成CO、30%生成CO2考虑

烟尘量

按8.5kg/t（金属料）考虑

2.2.2物料平衡基本项目

收入项有：

废钢、生铁、焦炭、石灰、矿石、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、火砖块、铁合金、氧气和空气。

支出项有：

钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦炭中挥发分。

2.2.3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、氧化期和还原期分布进行计算，然后汇总成物料平衡表。

第一步：

熔化期计算。

（1）确定物料消耗量：

1）金属炉料配入量。

废钢和生铁按85kg和15kg搭配，不足碳量用焦炭来配。

其结果列于表2-6。

计算所用原始数据见表2-5。

表2-6炉料配入量

名称

用量/kg

配料成分/kg

废钢

85.000

0.153

0.213

0.468

0.026

84.116

生铁

15.000

0.630

0.120

0.090

0.030

0.005

14.125

焦炭

0.191

0.117

合计

100.191

0.900

0.333

0.558

98.241

①碳烧损率25%

2）其他原材料消耗量。

为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金属料））和矿石（10kg/t（金属料））。

炉顶、炉衬和电极消耗量见表2-5。

（2）确定氧气和空气消耗量：

耗氧项包括矿料中元素的氧化，焦炭和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。

前后二者之差即为所需净氧量2.046kg。

详见表2-7。

根据表2-5中的假定，应由氧气供给的氧气为50%，即为2.316×50%=1.158kg，空气应供氧1.158-0.270=0.888kg。

由此可求出氧气与空气的实际耗氧量。

详见表2-8。

上述

（1）+

（2）便是熔化期的物料收入项。

表2-7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

（C）→｛CO｝

0.252

（C）→｛CO2｝

0.216

（Si）→（SiO2）

0.283

0.323

（Mn）→（MnO）

0.362

0.105

（P）→（P2O5）

0.025

0.032

（Fe）→（FeO）①

0.295

0.084

（Fe）→（Fe2O3）①

1.670

0.716

小计

2.905

1.729

焦炭中碳的氧化

（C）→｛CO｝

0.027

0.036

（C）→｛CO2｝

0.012

电极中碳的氧化

（C）→｛CO｝

0.210

0.280

（C）→｛CO2｝

0.090

0.240

合计

3.244

2.316

供氧项

矿石

Fe2O3

Fe2O3=2Fe+3/2O2

0.269

石灰

CaO+S=CaS+O

0.001

　合计

0.270

净耗氧量

①令铁烧损率为2％，其中80％生成Fe2O3挥发掉成为烟尘的一部分；20％成渣。

在20％这中，按3:

1的比例分别生成（FeO）和（Fe2O3）。

表2-8氧气与空气实际消耗量

氧气/kg

空气/kg

带入O2

带入N2

带入O2

带入N2

1.287

0.013

0.888

2.972

1.300

3.860

注：

空气中N2与O2的质量比为77/23，假设空气中氧的利用率为100%。

（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，焦炭和电极的灰分，以及加入的各种熔剂。

结果见表2-9。

（4）确定金属量：

金属量Qi=金属炉料重＋矿石带入的铁量－炉料中C、Si、Mn、P和Fe的烧损量＋焦炭配入的碳量=100+0.628-2.905+0.117=97.840kg。

（5）确定炉气量：

炉气来源于炉料以及焦炭和电极中碳的氧化产物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，石灰的烧减（CO2），焦炭的挥发分。

计算结果列于表2-10。

表2-9熔化期炉渣量的确定

名称

消耗量/kg

成渣组分/kg

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

MnO

FeO

Fe2O3

P2O5

CaS

合计

炉料中元素的氧化

0.283

0.606

0.362

0.468

0.025

0.393

0.379

0.140

0.519

炉顶

0.001

0.005

略

0.069

0.001

炉衬

0.200

0.008

0.007

0.179

0.002

0.004

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