100吨交流电弧炉炼钢车间设计毕业设计说明书.docx

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100吨交流电弧炉炼钢车间设计毕业设计说明书

参考文献..................................................................................................................................................

致谢..........................................................................................................................................................

摘要

错过了工业革命，我国的钢铁实业一直落后。

每一个学子都应该了解钢铁的形成，发展，前景，以及趋势。

上个世纪，电弧炉炼钢是如何进入钢铁行业，是谁造就了其建立的伟大之举。

相信经融危机的影响早已波及到钢铁行业，如何才能高效，合理，环保，绿色的进行生产，这是我们应该关心的话题。

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所以，就必须了解交流电弧炉的特点，工作原理，车间布置，未来的必要性，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，炉内燃料助燃，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。

文献综述

第一章国内外电弧炉炼钢技术的发展概况:

1.1电弧炉发展史：

电炉是在电发明之后的1899年，由法国的海劳尔特（Heroult）在LaPraz发明的。

它被建在阿尔卑斯山（Alps）的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火力发电厂。

电炉的出现，开发了煤的替代能源，使得废钢开始了经济回收，这最好使得钢铁成为世界上最易于回收的材料，也为可持续发展做出巨大贡献。

1995年以前，电炉钢比例保持在20%左右，但多数炉型较小，且以模铸为主。

1996年以后，在有关部门的引导和支持下，一大批现代化的电炉投产、达产，电炉发展进入新的历史时期，但电炉钢比例一直在16%左右徘徊。

2004年以后，电炉钢比例出现新低。

电炉炼钢原料以废钢和生铁为主，能量供给以电能为主。

我国电力紧缺，短时期内仍难满足国内电炉钢生产用电需求，缺电和限电导致电炉间歇式生产，生产成本更趋升高。

目前转炉与电炉冶炼钢种几乎相同，钢质量差距不大。

然而在电弧作用下，电弧区钢液易于吸氮，影响钢水质量，不利于生产氮含量较低的钢种。

此外，电炉加热钢水会使熔池少量增碳，也不利于生产碳含量要求低的钢种。

同时，废钢中残余元素（Cr、Ni、Cu等）的循环富集，也影响电炉生产高纯净度的钢种。

废钢—电炉—钢水与高炉—转炉—钢水两种工艺相比，短流程总能耗仅为长流程的50%。

据预测，我国将在2008～2009年结束工业化中期阶段，钢铁生产和消费将出现拐点，之后钢铁增长速度必将迅速明显减缓。

当2020年左右实现工业化后钢铁消费将达到峰值，此后废钢资源将越来越多，而以废钢为主的电炉钢资源的成本优势也将日益凸显。

1978～1998年20年间转炉钢与

电炉钢产量的变化如下：

德国转炉钢增2%，电炉钢增102%；

法国转炉钢减32%，电炉钢增138%；

西班牙转炉钢减27%，电炉钢增119%；

意大利转炉钢不变，电炉钢增24%1.2.1交流电弧炉

现在国外最大容量的交流电弧炉，美国为350t，日本为250t，英国和苏联各为200t，西德为175t。

直流电弧炉方面，以日本的130t单电极和法国82,5t三电极的为最大。

在我们国内，迄今为止还没有一台自制的交流超高功率电弧炉，合作生产的百吨级的电弧炉正在进行。

江苏省张家港市中外合资的永新钢铁公司自英国引进的二手货70t超高功率交流电弧炉才于1991年6月初以高功率试运行。

直流电弧炉方面，自从太原重型机器厂双电极的投产后，西安电磁机械厂在设备上作了改进，增设了磁镜线圈，已制成WTD系列、容量为40t以下的双电极直流电弧炉产品，株洲电炉厂也有类似产品，至于有底电极的直流电弧炉，迄未投入工业性生产。

由此可以说在国外交流超高功率电弧炉已趋成熟，并向直流电弧炉方向发展。

而在国内，交流超高功率电弧炉还刚起步，直流电弧炉也处在初创阶段，相比之下，差距甚大。

电弧炉发展史

12.2近年来电弧炉钢产量

1.2.3

综上可见，电弧炉炼钢自问世以来，呈不断增长的发展势头，迄今为止占世界总钢产量达31%以上，且保持着继续上升的态势。

我国电弧炉钢产量近几年也在不断攀升，2007年，我国电弧炉炼钢产量达到5843万吨，己超过电弧炉钢生产大国一美国，比德国、韩国全年钡产量还要多，但我国相对焦煤资源较多、人力成本较低、废钢资源积累有限，电力资源价格仍较高，所以电弧炉钢产量增幅远低于转炉钢产量的增长速度，比例呈下降趋势。

3国内外电弧炉炼钢技术及装备技术的发展特点

全球电弧炉钢产量呈不断上升的趋势很大一部分也是得益于电弧炉炼钢技术和装备技术的不断创新和进步。

1.3现代电弧炉炼钢技术

1.3.1近年来，电弧炉短流程钢厂的生产技术有了众多新发展，主要表现在以下几个方面。

（1）形成了电弧炉冶炼—连铸“三位一体”或电路冶炼—连铸一连轧“四位一体”的现代化电弧炉流程。

（2）电弧炉功能逐渐变为初炼炉技术的不断进步，改变和结束了原电弧炉的熔时长（（3个多小时）、老三期操作（熔化期、氧化期、还原期）以及产量低、渣量大、炉容小、成本高的状况。

（3）生产品种的增加，从起初的长材、扁平材到如今的高附加值产品进入21世纪以来，电弧炉短流程钢厂开始生产高附加值产品。

如美国新建Severcorr钢厂以生产汽车板为主;俄罗斯联合冶金公司Vyksa厂主要生产用于北极及其他高寒地区的管线钢。

我国天津无缝钢管公司、衡阳钢管公司、舞阳钢铁公司在无缝钢管和高质量特厚钢板生产方面也表现突出。

（4）短流程钢厂规模不断扩大化俄罗斯马格尼托哥尔斯克钢铁公司和土耳其Atlas合资建设的Atlas公司，配置一台300t超高功率交流电弧炉，年钢产量240万t。

土耳其Colakoglu钢厂已建成一台装有特大功率变压器（240MVA+200}），出钢量约320t的电弧炉，年产钢能力200万t/a（现已达到月产21万t钢）。

（5）原料多样化

1.3.2电弧炉原料供给的新发展表现在以下几方面:

1）采用CORER/DR装置供给CORER铁水及直接还原铁作为电弧炉原料例如，南非萨尔达尼亚厂设置C-2000COREX及Midrex炉，和印度埃萨公司Hazira厂在原有的Midrex装置基础上新建两台CORER-2000装置，用以生产热轧带钢。

2）近年来，SMS公司和Midrex技术公司联合推出从铁矿石到热轧带的电弧炉短流程钢厂据介绍，该工艺流程较传统高炉转炉流程，有更高的能源利用效率，且C02排放量能减少一半。

阿曼Shadeed钢铁公司近日向Midrex技术公司订购直接还原炼铁装置，可提供700℃热直接还原铁。

3）在缺乏天然气资源的地区，最近已开发出用煤制气，作为直接还原炼铁装置的还原气体，建设联合小钢厂。

印度Jindal公司建设一座年产DRI200万t的Danarex装置，用煤制气为还原剂，反应器直径7m,用60%一100%球团矿和0^40%块矿为原料，产品金属化率93%以上。

1.4电弧炉炼钢的发展趋势

电弧炉炼钢工艺技术的发展可以从电弧炉炼钢技术和电弧炉装备技术两大方面进行推进

电弧炉炼钢技术的创新发展将来电弧炉炼钢技术的创新发展主要体现在以下四个方面:

1）继续加强电弧炉的高效化生产操作

为缩短冶炼周期，形成系统综合控制，采用先进技术保证钢质量最优、综合消耗最低的前提下，最大限度的缩短冶炼周期，包括:

电弧炉以氮代氢全程底吹技术、低氮电弧炉钢生产技术、终点控制技术、优化供电技术、炉料结构优化和不延长冶炼周期的DRI,HBI加入工艺技术等。

2）优化生产工艺，降低生产成本

在钢铁生产中，成本是决定性因素，必须降低成本以促进电弧炉钢的发展。

优化生产工艺，加强精细管理与操作，从优化炉料结构、降低钢铁料消耗、添加合金精矿和还原剂实现直接合金化、废钢渣的回收利用等方面入手，以追求工序成本和保障系统成本最低。

3）优化电弧炉炼钢流程

要实现电弧炉的高效化生产，缩短冶炼周期是核心，而前提则是流程优化。

例如我国安钢采用了高炉铁水一铁水罐扒渣一100t电弧炉脱磷一无渣出钢一转炉少渣吹炼一LF炉精炼一连铸接高线、型棒和2800mm中厚板轧机的流程，把车间现有超高功率电弧炉变成了铁水预处理炉。

4）优化品种结构，生产高附加值产品

对于电弧炉冶炼钢种的品种结构，目前主要的优化方向应着眼于:

转炉流程不适合生产的高合金钢、高温合金和大锻件等;转炉流程能够生产目前在国内产量还不高的一些合金钢种;过去仅能用转炉流程生产的现代电弧炉亦能生产的一些品种，如高附加值的板材（薄板、中板、厚板）;优质高碳钢（如预应力钢绞线、钢帘线）和低合金钢（如合金冷徽钢）等。

1.5电弧炉装备技术未来的创新发展

1.5.1手段：

首先，开发大容量的电弧炉变压器，进一步提升电弧炉超高功率水平和高阻抗技术。

第二，继续加强清洁环保型电弧炉烟气余热回收装备技术的研发。

第三，开发简单实用的电弧炉装备。

第四，我国还需进一步完善和提高电弧炉操作控制系统。

电弧炉炼钢工艺技术的发展应着眼于降低吨钢冶炼的综合能耗为中冶京诚营口中试基地100t国产化高阻抗超高功率电弧炉全冷料吨钢能量平衡图。

电弧炉使用废钢为原料与使用高炉铁水的转炉相比，总能耗是高炉一转炉工艺的1/2}-1/3。

从两种工艺排放出的COz气体污染源的数量看，电弧炉为641kg/t钢，高炉一转炉工艺为1922kg/t钢，是高炉一转炉工艺的1/3。

同时电炉以废钢为原料也直接体现了金属材料的循环利用。

从整个钢铁工业系统看，对一定规模的年产钢量，提高电弧炉钢比例，显然有利于循环经济。

1.5.2我国正进人电炉炼钢高速发展时期

随着超高功率电炉装备和配套技术的不断发展和完善，使电炉生产更具有原料适应广、生产效率高、产品质量好、消耗少、成本低、能灵活适应市场变化的明显优势。

所以，世界各国从80年代兴起了“电炉小钢厂”的建设。

日、美等西方工业国家，电炉钢所占的份额已近400o，美国计划从1996年至2000年增加电炉钢生产能力1370万t，为1995年生产能力的130.9%，其时电炉钢生产能力将占总产钢能力的约4500。

我国1995年的电炉钢产量是1810万t，占总钢产量的18.99%。

与1991年比较，在钢产量中所占的比率却下降了2.我国1995年的电炉钢产量是1810万t，占总钢产量的18.99%。

与1991年比较，在钢产量中所占的比率却下降了2.140o。

分析原因，主要是我国电炉炼钢装备与工艺技术长期处于落后状态。

首先是炉容量过小、单位功率水平过低，现有电炉338。

座，大约98%为30t以下的小炉子，变压器单位功率绝大部分小于350kV"A/t。

由于容量小，无法配备炉外精炼设施，至今大多数还停留在熔化一氧化一还原的老三段模式中，因此导致冶炼时间长、生产能力低、消耗高、质量差、缺少市场竞争能力。

当前许多地区正在建设新的电炉钢厂和改造原有工艺、更新装备、扩大规模等等，使我国从80年代后期开始加快了超高功率电炉炼钢车间的建设步

伐。

至1996年已建成投产炉容量40150t的超高功率电炉炼钢车间11个，设计生产能力460万ti年。

目前还有15个超高功率电炉炼钢车间正在进行建设或设计，设计总生产能力约770万t/年。

这些新建的超高功率电炉炉容量多数在70^"100t，单位功率水平在600^1000kV·A/t。

电弧炉后步都配备有LF炉，或LF+VD等精炼装置，钢水全部连铸成坯，即几乎全部采用超高功率电弧炉一炉外精炼一连铸三位一体的优化工艺路线。

因而在装备上、生产工艺上，都能达到国际上当代电炉的水平。

产品方案是工程建设的出发点和归宿，包炉工程也不例外。

立项之初就需确定生产汁么品种。

但电炉工程有一个特殊情况，即高线已经建成再上电炉，而且电炉主要是跟高浅配套的，因此在确定电炉品种方案时不得不将满足高线需要放在突出位置加以考虑，在某种意义上可以说高线的品种就是电炉要生产的品种。

根据这一原则，我们确定了三分之一低碳钢，三分之一低合金钢，三分之一高碳钢的品种方案，见表

【5】

（1）电弧温度分布

电弧温度及其分布对电弧的辐射能影响最大。

电弧炉冶炼过程中，虽然电弧辐射传热的比例不大（应在电弧传热总量的10%左右，不会超过20%），但仍不可忽视。

将电弧区作了人为的放大，为了保证辐射总量的不变，电弧的总体温度应有所下降，通过对电弧区当量导热系数的调整即可做到这一点。

电弧区温度呈现中心温度高、边缘温度低的趋势:

但总体温度相对较低，中心最高温达到13000K，而Szekely对SOKA直流电弧的计算结果表明最高可达17000K以上，在保证扩大的电弧区辐射总量保持不变的前提下，本模型的计算结果是合理的。

显示了体系温分布的动态变化过程。

横坐标为电弧炉沿径向的位置，纵坐标轴为电弧炉的中心线，纵坐标表示电炉的高度，图中选取炉底耐材表面为高度的参照位置，高度设为0。

各图对应的自通电起始的时间见表4-60图中1525℃等温线为近似的废钢液相线温度，该温度线内部的废钢区域为己熔化的钢液部分，外部为未熔废钢区或固液混合区。

因为此时的模型尚未考虑钢液成分变化对液相线温度的影响，故不能对固液混合区的钢液量作理论上的准确计算，但从传热角度分析对整体的温度分布计算影响不大，因此基于1525等温线即可以直的第二章关于电弧炉。

2.1电弧炉工作原理：

电弧炉（electricarcfurnace）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。

　　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.

电弧炉由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。

其中主要是2-7次的谐波，平均可达基波的8%20%，最大可达45%。

严重影响电网的电能质量。

2.2电炉流程与转炉流程比较，具有以下特点：

①电炉流程投资省，占地面积小，建设周期短；

②资源问题：

随着国民经济的发展，铁矿石、焦煤等资源将日益匮乏，而废钢资源则会不断积累，因此从长远看电炉流程具有优势；

③环保问题：

电炉流程产生的CO2、NOx、SOx有害气等体量较高炉-转炉流程少；

2.3电弧炉工艺流程：

电弧炉炼钢从整体可分为原材料的收集、冶炼前的准备工作、熔化期、氧化期和还原期五大阶段。

　　2.3.1原材料的收集

　　废钢是电弧炉炼钢的主要材料，废钢质量的好坏直接影响钢的质量、成本和电炉生产率，因此，对废钢有如下几点要求：

（1）废钢表面应清洁少锈，因废钢中沾有的泥沙等杂物会降低炉料的导电性能，延长熔化时间，还会影响氧化期去磷效果以及侵蚀炉衬。

废钢锈蚀严重或沾有油污时会降低钢和合金元素的收得率，增加钢中的含氢量。

（2）废钢中不得混有铅、锡、砷、锌、铜等有色金属。

铅的密度大，熔点低，不溶于钢液，易沉积在炉底缝隙中造成漏钢事故。

锡、砷和铜，易引起钢的热脆。

　　（3）废钢中不得混有密封容器，易燃、易爆物和有毒物，以保证安全生产。

　　（4）废钢化学成分应明确，硫、磷含量不宜过高。

　　（5）废钢外形尺寸不能过大（截面积不宜超过150mm×150mm，最大长度不宜超过350mm）。

生铁在电弧炉炼钢中，一般被用来提高炉料的配碳量，通常配入量不超过炉料的30%。

　2.3.2　冶炼前的准备工作

　　配料是电炉炼钢工艺中不可缺少的组成部分，配料是否合理关系到炼钢工能否按照工艺要求正常地进行冶炼操作。

合理的配料能缩短冶炼时间。

配料时应注意：

一是必须正确地进行配料计算和准确地称量炉料装入量。

二是炉料的大小要按比例搭配，以达到好装、快化的目的。

三是各类炉料应根据钢的质量要求和冶炼方法搭配使用。

四是配料成分必须符合工艺要求。

　　一般冶炼方法对炉料中的主要元素含量要求如下：

（1）碳含量。

炉料中含碳量应保证氧化期有足够量的碳进行碳氧反应，达到去气、去夹杂物的目的。

配碳量根据熔化期碳的烧损、氧化期的脱碳量和还原期增碳量这3个因素来确定，要求炉料熔清时，钢中碳量高出成品规格下限0.3%～0.4%；但配碳量也不能过高，否则会延长氧化时间并使钢液过热。

（2）硅含量。

含硅量一般不大于炉料的0.8%，过高会延缓钢液的沸腾。

　　（3）锰含量。

一般钢种配料时对锰可不考虑，通常熔清后锰含量小于0.3%，否则也会延缓熔池沸腾。

　　磷和硫含量原则上是越低越好。

通常熔清后，磷的含量应小于0.05%。

　　为使炉内炉料密实，装料时必须把大、中、小料合理搭配，一般小料占15%～20%，中料占40%～50%，大料占40%。

　　进料前炉底应先铺占料重1.5%左右的石灰，以便提前造好熔化渣，有利于早期去磷，减少钢液的吸气和加速升温。

　　装料时应将小料的一半放入底部，小料的上部、炉子中心区放入全部大料、低碳废钢和难熔炉料，大料之间放入小料，中型料装在大料的上面及四周，大料的最上面放入小料。

凡在配料中使用的电极块，应砸成50mm～100mm左右，装在炉料下层。

　　总之，布料应做到：

下致密、上疏松，中间高，四周低，炉门口无大料；使得穿井快，不搭桥。

　　熔化期

　　在电弧炉炼钢工艺中，从通电开始到炉料全部熔清为止称为熔化期。

熔化期约占整个冶炼时间的一半左右，耗电量占电耗总数的2/3左右。

　　熔化期的任务是在保证炉体寿命的前提下，用最少的电耗快速地将炉料熔化升温，并造好烧化期的炉渣，以便稳定电弧，防止吸气和提前去磷。

（1）启弧阶段。

通电启弧时炉膛内充满炉料，电弧与炉顶距离很近，如果输入功率过大，电压过高炉顶容易被烧坏，所以一般选用中级电压和输入变压器额定功率的2/3左右。

（2）穿井阶段。

这个阶段电弧完全被炉料包围起来，热量几乎全部被炉料所吸收，不会烧坏炉衬，所以使用最大功率，一般穿井时间为20min左右，约占总熔化时间的1/4。

　　（3）电极上升阶段。

电极“穿井”到底后，炉底已形成熔池，炉底石灰及部分元素氧化，使得在钢液面上形成一层熔渣，四周的炉料继续受辐射热而熔化，钢液增加使液面升高，电极逐渐上升。

这阶段仍采用最大功率输送电能，所占时间为总熔化时间的1/2左右。

　（4）熔化末了阶级。

炉料被熔化3/4以上后，电弧已不能被炉料遮蔽，3个电极下的高温区已连成一片，此时如长时间采用最大功率供电，电弧会强烈损坏炉盖和炉墙。

　　熔化期的主要任务是熔化炉料，但是在熔化期既是造好炉渣，也是熔化期的重要操作内容，如果仅为满足覆盖钢液及稳定电弧的要求，只需1%～1.5%的渣量就已足够了，但从脱磷的要求考虑，熔化渣必须具有一定的氧化性、碱度和渣量。

　　氧化期

　　1氧化期的主要任务

　　氧化期的主要任务如下：

（1）继续氧化钢液中的磷。

一般钢种要求氧化期结束时钢中磷含量不高于0.015%～0.010%，炼高锰钢时由于锰铁中磷含量较