120吨电弧炉设计.docx

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120吨电弧炉设计

120吨电弧炉炉体设计

第1章电弧炉炼钢的发展

1.1电弧炉的发展

国外电炉炼钢的发展情况

自上世纪中叶至今，尽管转炉炼钢技术取得了长足的进步。

但世界电炉钢比例不断增长，从1950年的7.3％增长到2004年的33.8％。

电炉钢比例的增长，主要是由于跟高炉转炉长流程相比，电炉炼钢具有固定投资小，消耗铁矿石，焦炭，水等资源少，占地面积小，可比能耗低，对环境污染少，工厂可接近资源产地及市场，启动及停炉灵活等优点，符合全球可持续发展要求。

本世纪前四年，世界上年产钢500万吨以上的主要产钢国家各国粗钢产量稳步增长，电炉钢比例不同国家有增有减，总体上有所降低，从2001年至2003年电炉钢的比例从35%下降至33.1%。

2004年虽然粗钢产量增长迅速，但世界电炉钢比例从33.1%上升至33.8%。

我国现代电炉炼钢的发展情况

我国现代电炉炼钢始于1993年原冶金部和上海市在上海召开的“当代电炉流程和电炉工程问题研讨会”（以下简称第一次上海会议）。

由于各级政府部门引导，支持钢铁企业进行了对现代电炉流程的一轮投资，依靠引进国外现代电炉流程先进技术，在我国建成了一批“三位一体”或“四位一体”的先进电炉流程。

从1993年至今，我国电炉钢生产的发展可分为三个阶段。

在1993年至2000年这一阶段，我国电炉钢产量在1800~2000万t波动，电炉钢比例逐年下降，从23.2%下降至15.7%。

这是由于一方面淘汰了大量落后的小电炉，使得我国电炉钢产量下降，另一方面新投产的大电炉产量还是不够高，致使电炉钢产量在一个水平线上波动，另外由于转炉钢产量的迅速增长，电炉钢产量增长比较慢，致使电炉钢比例下降，但这也正好说明“第一次上海会议”的意义及影响，如果没有1993年的“第一次上海会议”，在小电炉大量被淘汰的情况下，2000年我国电炉钢的比例恐怕还会低很多。

从2000年至2003年，在世界电炉钢比例有所下降的同时，我国电炉钢比例却走出了低谷有所回升。

从2000年的15.7％上升到2003年的17.6％。

电炉钢比例回升说明在这一阶段，虽然全国钢产量迅速增长，但电炉钢增长的速度比钢总量增长的速度更快。

在2001-2003年间，我国钢生产迅速发展，年增长速率达20~22%，远高于世界同期增长速度。

电炉钢增长速度更高，达27-28%，电炉钢比例回升了约2个百分点。

电炉钢比例有所回升的原因，除了国民经济发展的拉动以外，主要是由于上世纪九十年代钢铁企业在有关政府部门的引导和支持下，对发展我国现代电炉钢流程进行的一轮投资新增电炉钢生产能力的释放，一批现代电炉流程迅速投产、达产、超产以及我国电炉钢工作者在消化引进国外先进技术的基础上自主创新，开发具有中国特色的现代电炉炼钢技术方面取得了长足的进步，电炉冶炼周期大大缩短，生产率大大提高。

2004年以后进入第三阶段，在这一阶段，中国电炉钢比例正面临着1990年以来第二次逐年下降的局面，由于前一阶段我国对转炉流程进行大量投资导致的转炉钢生产能力的释放，使我国转炉钢产量大幅度增长，增长速度达27%，而电炉钢第一轮投资导致的潜能挖掘释放已经饱和，年增长速度大大降低到6.7%，转炉钢增长速度高于电炉钢，从而使电炉钢比例又有所下降，估计这次下降的势头比1993-2000年那次更猛，1993-2000年每年平均约降低了一个百分点，而这次在2003-2004年间，一年内就下降了约二个百分点，从17.6%下降到15.2%。

2005年我国钢产量将达到约3.5亿t，电炉钢比例可能低于13%。

今后几年如不控制全国钢的总产量和转炉钢生产，较大幅度增加电炉钢产量，则电炉钢的比例还会迅速下降。

在过去的20年中,我国电炉炼钢得以迅速增长，至2000年底已有19座70t超高功率电弧炉投入运行。

电炉钢的迅速增长已成了第二位的炼钢方法。

在工业发达国家大部分电弧炉钢是一般钢种，电弧炉炼钢已成为重要的常规生产技术，而不仅仅是生产特殊钢、合金钢的特殊生产技术。

这项技术之所以能迅速发展得宜于以下几个主要条件：

（1）冶炼周期缩短为60～100min。

（2）电能充足、电价稳定，吨钢电耗不大于375kW·h。

（3）电炉趋向大型化,超高功率化,与炉外精炼配合,冶炼工艺强化,生产率大大提高。

（4）钢液温度和成分容易控制，品种适应性广。

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在过去20年中，电弧炉炼钢的用氧技术取得了瞩目的发展。

氧气的利用已由最初的脱碳反应跃居为电弧炉的第二热源，部分取代了相对昂贵的电源。

现代电弧炉炼钢的供氧量为20～40m3/t，甚至更高。

其向熔池提供的化学能占总输入能量的30%～40%。

先进的电弧炉广泛采用强化供氧和泡沫渣冶炼、废钢预热等技术，因而电弧炉的冶炼时间大大缩短，即使100t以上的大型电炉，全炉的冶炼时间也只有60～70min，吨钢电耗不大于375kW·h，吨钢电极消耗不大于1.5kg。

现代炼钢流程主要是转炉流程和电炉流程。

2004年世界粗钢产量达10.548亿t，其中转炉钢66452万t，占63%，电炉钢35652万t，占33.8%。

我国钢产量27470万t，其中转炉钢23271万t，占85.72%，电炉钢4167.1万t，仅占15.17%。

笔者在此分析了我国不同时期电炉钢比例逐年下降的原因，讨论了为什么要重视电炉钢的发展，指出了在目前我国废钢资源及电力紧缺的条件下，发展电炉炼钢的方法及技术措施，认为目前应考虑对发展我国现代电炉炼钢的第二轮投资。

1.1.1超高功率电弧炉

超高功率电弧炉作为电弧炉发展的基本方向，为实现其高产、低耗、优质的目标，就必须具备快速而准确的生产控制，全面而优化的综合管理。

单凭经验或依据普通电弧炉的控制和管理方法，已不能适应生产需要，而在生产过程控制中，电气运行是极为关键的技术。

电弧炉电气运行是电炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技术经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行、充分有利于设备资源，还能提高生产率、节能降耗。

50年代，为了提高电弧炉生产率，当时采用加大电炉变压器提高电压的方法来增加输入功率，即采用“高电压、大功率”的运行制度。

到60年代，当时炉子容量还不很大，功率级别也不很高，约为400kVA/t，变压器总容量在30MVA左右。

这一时期，电炉主要生产特殊钢、合金钢，流程为电炉出钢后模铸。

随着炉子供电功率的增大，电弧对炉衬的辐射侵蚀大大增强。

在70年代中后期，一度推崇高功率、大电流、短电弧操作方式。

因而，功率因数值较低，特别是在最大电弧功率处工作，功率因数仅为0.72左右。

因为短而粗的电弧，对炉衬热辐射减少，减轻了因提高功率对炉衬耐火材料的强烈侵蚀，也提高了热效率；同时由于电弧电流加大，对钢渣的搅拌加强，强化了熔池的传热；此外，大电流短电弧稳定性高，对电网的冲击小。

这一时期，典型的炉子变压器容量大约在50MVA左右，功率级别约为500kVA/t，典型的流程为电炉、钢包炉、连铸、棒线材轧机。

所谓“低电压”和“短电弧”都只是相对于相同的变压器容量而言。

实际上，如果把1台普通功率电弧炉改造成为超高功率电弧炉，由于功率大大增加，变压器的二次电压和电弧长度都比原来普通功率电弧炉的大。

这种短弧操作法，在美国又称为“滑动功率因数法”。

其要点是整个熔炼过程自始至终只采用一档相当低的电压而连续改变电流工作点。

若用平衡的回路特性理论来描述工作点的“滑动”，那就是功率因数先由电弧功率最大点（0.72～0.75）逐渐平缓地过渡到有功功率最大点（0.707），再减少到0.68。

这种情况适应于美国的条件：

废钢行业发达，可保证入炉废钢块度小且均匀。

这种方法的难点是判断何时由相对长弧改为短弧。

上述低功率因数的运行方式不利于变压器能力的充分利用，且电极消耗很大。

随着水冷炉壁、水冷炉盖尤其是泡沫渣技术的出现和成功，使“高电压、低电流、长电弧、泡沫渣”操作有了可能，这类超高功率电弧炉是80年代中期的先进技术。

在这个时期，炉子容量进一步大型化，功率级别又有所提高，炉子变压器容量达到了70MVA以上，电炉钢进入扁平材、管材市场。

其运行特点是高功率因数操作，使变压器的能力较充分地发挥。

到了90年代，电炉的容量进一步加大，炉子变压器容量达到了100MVA左右，功率级别已超过800kVA/t。

在炉子电气运行特点方面出现了高阻抗和变阻抗技术；另外由于神经网络技术的成功应用，使电弧炉的电气运行工作点的识别和控制有了很大改善。

这一时期的电炉电气运行采用“更高电压、更小电流、更长电弧”的操作制度。

原料条件的改善、薄板坯连铸连轧技术的出现使得电炉钢向管材、板带等纯净钢领域进展。

电炉技术的进步和电炉流程的发展与电炉电气的运行密切相关：

一方面随着对超高功率电弧炉电气运行研究的不断深入，开发了许多新技术、设备及相关操作工艺，如直流电弧炉、导电电极臂、高阻抗电炉、智能电弧炉、水冷电缆、水冷/中空/浸渍/镀层电极等等；另一方面也保障了超高功率电炉炼钢其配套技术的开发和应用，如海绵铁等废钢代用品的使用、泡沫渣操作、替代能源的利用等等。

1.1.2炉底出钢电炉

冶炼工艺操作 

EBT电炉冶炼己从过去包括熔化、氧化、还原精炼、温度、成分控制和质量控制的炼钢设备，变成仅保留熔化、升温和必要精炼功能（脱磷、脱碳）的化钢设备。

而把那些只需要较低功率的工艺操作转移到钢包精炼炉内进行。

钢包精炼炉完全可以为初炼钢液提供各种最佳精炼条件，可对钢液进行成分、温度、夹杂物、气体含量等的严格控制，以满足用户对钢材质量越来越严格的要求。

尽可能把脱磷，甚至部分脱碳提前到熔化期进行，而熔化后的氧化精炼和升温期只进行碳的控制和不适宜在加料期加入的较易氧化而加入量又较大的铁合金的熔化，对缩短冶炼周期，降低消耗，提高生产率特别有利。

      EBT电炉采用留钢留渣操作，熔化一开始就有现成的熔池，辅之以强化吹氧和底吹搅拌，为提前进行冶金反应提供良好的条件。

从提高生产率和降低消耗方面考虑，要求电炉具有最短的熔化时间和最快的升温速度以及最少的辅助时间（如补炉、加料、更换电极、出钢等），以期达到最佳经济效益。

（1）快速熔化与升温操作 

快速熔化和升温是当今电弧炉最重要的功能，将第一篮废钢加入炉内后，这一过程即开始进行。

为了在尽可能短的时间内把废钢熔化并使钢液温度达到出钢温度，在EBT电炉中一般采用以下操作来完成:

以最大可能的功率供电，氧一燃烧嘴助熔，吹氧助熔和搅拌，底吹搅拌，泡沫渣以及其它强化冶炼和升温等技术。

这些都是为了实现最终冶金目标，即为炉外精炼提供成分、温度都符合要求的初炼钢液为前提，因此还应有良好的冶金操作相配合。

（2）脱磷操作 

脱磷操作的三要素，即磷在渣一钢间分配的关键因素有:

炉渣的氧化性、石灰含量和温度。

随着渣中FeO,CaO的升高和温度的降低，渣一钢间磷的分配系数明显提高。

因此在电弧炉中脱磷主要就是通过控制上面三个因素来进行的。

所采取的主要工艺有：

①强化吹氧和氧一燃助熔，提高初渣的氧化性;②提前造成氧化性强、碱度较高的泡沫渣，并充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高炉渣脱磷的能力:

③及时放掉磷含量高的初渣，并补充新渣，防止温度升高后和出钢时下渣回磷; 

④采用喷吹操作强化脱磷，即用氧气将石灰与萤石粉直接吹入熔池，脱磷率一般可达80%，并能同时进行脱硫，脱硫率接近50%;⑤采用无渣出钢技术，严格控制下渣量，把出钢后磷降至最低。

一般下渣量可控制在2kg/t，对于（P2O5）=1%的炉渣，其回磷量≤0.001%。

出钢磷含量控制应根据产品规格、合金化等情况来综合考虑，一般应<0.02% 。

（3）脱碳操作 

电炉配料采取高配碳，其目的主要是:

①熔化期吹氧助熔时，碳先于铁氧化，从而减少了铁的烧损:

②渗碳作用可使废钢熔点降低，加速熔化;③碳-氧反应造成熔池搅动，促进了渣-钢反应，有利于早期脱磷:

④在