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毕业设计

摘要

本文涉及内容为年产70万吨良锭电弧炉炼钢车间设计。

根据高等院校冶金工程专业《钢铁厂设计原理》,通过广泛参考有关文献资料,简要介绍了我国炼钢技术的发展历程、电弧炉炼钢的特点、未来的发展趋势。

本文的重点是,通过物料平衡和热平衡的计算、炉型设计与计算,确定了合理的生产工艺，完成了主要设备的选择与计算、烟气净化系统的选择与设计，绘制了电弧炉和炼钢车间等剖面图纸，最后成功完成年产70万吨良锭电弧炉炼钢车间设计。

关键词：

物料平衡，热平衡，炉型，车间设计，电弧炉，连铸

第一章绪论

1.1电弧炉发展史

电炉是在电发明之后的1899年，由法国的海劳尔特在玻利维亚发明的。

它被建在阿尔卑斯山的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火力发电厂。

电能具有清洁、高效、方便等优点，是工业发展的优选能源。

19世纪中叶以后，大规模实现电——热转换的冶炼装置陆续出现：

1879年，WilliamSiemens首次进行了使用电能融化钢铁炉料的实验，1889年出现了普通感应炼钢炉，1900年法国人P.L.T.Heroult设计的第一台炼钢电弧炉突入生产。

从此电弧炉炼钢在一百年中得到了充分的发展，目前已经成为最重要的炼钢方法之一。

电弧炉的出现，开发了煤的替代能源使废钢开始能回收再利用，为可持续发展做出了巨大贡献。

[1]

在国际上，电弧炉装备技术的发展大体经历了以下几个阶段，20世纪70年代，常规交流超高功率电炉及其配套技术的开发应用，使电炉的生产效率大大提高，技术经济指标大大改善。

20世纪80年代，直流电弧炉得到大规模的工业应用。

20世纪80年代后期至90年代中期，利用高温废气对废钢和CO进行预热后再燃烧的技术，以及用化学能代替部分电能的各种节能电炉技术被成功开发并应用。

我国电炉炼钢在20世纪80年代以前一直处于落后的状态，当时全国有3000多座容量为3吨--30吨的小电炉，功率水平普遍不大于350kVAt。

这些小电炉多采用落后的“老三段”冶炼工艺（即在电炉内完成熔化、氧化、还原三步冶炼任务），电炉生产效率低、产品质量差、能源消耗高、生产过程污染严重。

我国电炉钢生产能力在90年代得到发展，从90年代中期的2000万吨/年提高到2011年的6800万吨/年，与此同时电炉炼钢产品的技术经济指标也得到明显改善。

电炉炼钢的发展经历了普通功率电弧炉——高功率电弧炉——超高功率电弧炉的过程，其冶金性能也随之发生了革命性的变化，由传统的制作发展为能提供初炼钢水的二期操作。

[2]

现在国外，最大容量的交流电弧炉，美国为350t、日本为250t、英国和俄罗斯都为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的三电极为最大。

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。

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90t以下的双电极直流电弧炉产品。

株洲电炉厂也有类似产品。

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不久，直流电弧炉也处在初创阶段，相比之下差距可见。

电弧炉炼钢自问世以来，呈不断增长的发展趋势，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——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。

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。

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。

[3]

1）形成了电弧炉冶炼——连铸“三位一体”或电路冶炼——连铸——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世纪以来的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，配置了一台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，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。

近年来SMS公司和Midrex技术公司，联合推出了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具有更高的能源利用效率，且二氧化碳排放量能减少一半。

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。

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%--100%球团矿和0--40%块矿为原料，产品金属化率达93%以上。

1.2电弧炉炼钢工艺的进步

传统的电弧炉炼钢操作集炉料融化、钢液精炼和合金化于同一池内，它经过了熔化期、氧化期和还原期，这使得电弧炉内既要完成融化，又要完成脱碳化、脱磷工序，还要进行脱氧、脱硫、升温的、去气、去夹杂、合金化以及温度和成分的调整，因而冶炼的周期长，既难保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电弧炉炼钢生产率的提高。

现在，电弧炉炼钢工艺只保留了融化、升温和必要的精炼操作，如：

脱磷、脱碳，而把其余的精炼过程均转移到二次精炼工序中进行。

电弧炉炼钢工艺上的改进提高了电弧炉设备的能力，使其能够以尽可能大的功率进行融化、升温操作，将需要较低功率的操作转移到钢包精炼炉内进行。

越来越完善的二次精炼技术，完全能满足钢液清洁度和严格的成分与温度控制要求。

1.3电弧炉炼钢的特点：

1）电能为热源，避免了燃料燃烧对钢液的污染，热效率可达65%以上。

2）冶炼熔池温度高且容易控制，满足冶炼不同钢种的要求。

3）电热转换时，输入熔池功率容易调节，因而容易实现熔池加热制度的自动化，操作方便。

4）电弧炉炼钢可以消化废钢，是一种资源回收再利用的过程，也是处理污染的环保钢技术，它相当于钢铁工业和社会废钢的回收工具。

由于钢铁良好的可再生性及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求，使得尽可能多的提高废钢的利用率成为国际趋势。

废钢如果得不到有效的回收和利用，将会成为巨大的潜在环境污染源。

有些甚至可以对水质、土壤构成严重威胁。

大量腐蚀的钢铁废料，不但造成资源的浪费，也将会造成严重的粉尘污染。

废钢的堆积本身也会给环境带来不利影响：

5）炼钢过程的烟气污染和噪音污染容易得到控制。

6）设备简单，炼钢流程短，占地少，投资省，建厂快，生产灵活。

当今钢铁生产可分为“从矿石到钢材”和“从废钢到钢材”两大流程。

相对于炼钢联合企业中以高炉——转炉炼钢为代表的常规流程而言，以废钢为主要原料的电弧炉炼钢生产线具有工序少、投资低和建设周期短的特点，因而被称为短流程。

近年来，短流程特别指那些电弧炉炼钢与连铸连轧相结合的紧凑生产流程。

在投资、效率和环保等方面，以电弧炉为代表的短流程炼钢具有明显的优越性。

1.4出钢设备

出钢口一般开在炉身上，并装有内衬耐火材料的出钢槽。

这样的出钢口出钢时，炉子的倾角必然较大，水冷电缆较长，电损失较大。

为此，现在已经研制出一种新型的炉底出钢炉。

其出钢口类似于盛钢桶。

炉底出钢电弧炉具有许多优点:

因大大减少了炉子的倾角，倾动机构、炉子基础等均大为简化；可缩短水冷电缆，提高电效率；扩大水冷炉壁面积，节省耐火材料，刚流集中，流程短，出钢时间短，可降低出钢温度减少钢水吸氮量、缩短冶炼周期等。

因此迅速得到推广应用。

[4]

1.5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主要体现在以下四个方面:

[4]

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。

在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——铁水罐扒渣——100t电弧炉脱磷——无渣出钢——转炉少渣吹炼——LF炉精炼——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，优化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。

电弧炉装备技术在未来创新发展中的手段有以下几点：

1），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。

2），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。

3），开发简单实用的电弧炉装备。

4）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。

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——转炉工艺的1/2--1/3。

从两种工艺排放出的二氧化碳气体污染源的数量可知。

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经济循环。

电弧炼钢炉主要炼制高级优质钢及合金钢，也用于炼制普通钢。

随着超高功率电炉装备和配套技术的不断发展和完善，使电炉生产更加具有原料适应广、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。

所以我国要大力发展电弧炉炼钢法，争取缩进我国与发达国家炼钢技术的差距。

参考文献

[1]王新华.钢铁冶金学.高等教育出版社，2005,12.

[2]:

[3]

[4]

[5]罗振才.炼钢机械.冶金工业出版社，2011.

第二章物料平衡和热平衡计算

现代电弧炉冶炼工艺与传统三段式工艺有较大的变化，目前主要方式有：

在超高功率电弧炉内借助大功率供电、高强度供养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，然后在精炼炉内完成脱氧、脱硫、微调合金成分、去夹杂等任务。

但仍有部分小型电弧炉采用传统工艺或者在