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设计题目：100吨交流电弧炉炼钢车间设计

= 学 号：_________________________ 姓 名：_________________________ 专 业 班 级：_________________________

毕业设计说明书 ................................................................................................................... - 1 - 文献综述 .................................................................................................................................. 2

1.3现代电弧炉炼钢技术 ............................................................................................... 5

1.4电弧炉炼钢的发展趋势 .......................................................................................................... 6

1.5电弧炉装备技术未来的创新发展 .................................................................................. 6

2012 年 05月20号

1.5.2我国正进人电炉炼钢高速发展时期 ................................................................... 7

3.4.1、炉料入炉 ........................................................................................................................... 13 第四章 建设所选电弧炉炼钢工程的必要性和可行性分析 .................................................. 13

电弧炉车间设计 ........................................................................................................................... 18

1.1电炉车间计算 ................................................................................................................ 18

11..1电炉容量和座数的确定 ...................................................................................... 18 1.1.2电炉车间生产技术指标 ...................................................................................... 18

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

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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。

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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La Praz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

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制成W TD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

1993~2004 年我国电炉钢产量及电炉钢比例的变化

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电弧炉（electric arc furnace）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%。

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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

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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高，应控制得更低些。

(2)去除气体及夹杂物。氧化期结束时，钢中氮气量降低到0.004%～0.01%，钢中氢含量降到0.00035%左右，夹杂总量不高于0.001%。

(3)使钢液均匀加热升温，氧化末期达到高于出钢温度10℃～20℃。

矿石氧化法是利用铁矿石中含有80%～90%的高价氧化铁加入到熔池中后，转变成低价氧化铁(Fe2O3 Fe=3FeO，Fe3O4 Fe=4FeO或Fe3O4=Fe2O3 FeO)。低价氧化铁一部分留在渣中，大部分用于钢液中碳和磷的氧化。

为达到良好的去磷效果：炉渣中FeO含量为12%～20%，R为2～3，流动性良好；适当偏低的温度，加强钢渣的搅拌。

碳的氧化：炼钢过程中碳的氧化反应是一个非常重要的反应，并有利于整个熔池的迅速加热，有利于钢液成分的均匀化。具体步骤如下： FeO=Fe O，O C=CO， 总的反应FeO C=Fe CO。

所以矿石法的氧化过程为：矿石加入炉内，在渣中转变为FeO，然后扩散到钢液中去，并分布于整个熔池中。碳和氧在气泡容易生成的地方进行反应，生成CO气泡，CO脱离反应区上浮，在上升过程中逐渐长大，并进入炉气，造成熔池的激烈沸腾。为加快脱碳速度，氧化期加矿温度应大于1550℃。

总之，矿石脱碳操作应该是：高温、薄渣、分批加矿、均匀激烈的沸腾。 2 氧化期操作要点

(1)熔清后取样及测温(温度不低于1550℃)。

(2)氧化、测温符合要求，渣况良好即可分批加矿，每批加矿石量不得超过料重的1.0%～2.0%，每批间隔时间需大于5min。

(3)脱碳速度(V)每小时大于或等于0.06%；脱碳量为ΔC≥0.30%。

(4)调整渣况。当氧化沸腾开始，采用流渣要求炉渣R=2～3，炉内渣量控制在

3%～4%。氧化期后阶段，应使炉渣流动性好，渣层要薄、渣量控制在2%～3%左右。 (5)期中取样分析及控制终点碳。为了掌握磷、碳氧化程度，在沸腾开始流渣两批后，应及时取样分析碳和磷的含量，以便决定下步操作。

(6)温度控制。氧化期总的来讲是一个升温阶段，升温速度的快慢根据钢液磷的情况而定。到氧化期时必须使钢液温度升高到大于该钢种出钢温度的10℃～20℃。

(7)净沸腾。当温度、化学成分合适，就停止加矿，调整好炉渣，让熔池进入自然沸腾(5min～10min)，使钢液中的残余含氧量降低，并使气体及夹杂物充分上浮，以利于还原期的顺利进行。

(8)扒渣。氧化期，炉渣中FeO含量很高，又含有P2O5为了还原期脱氧及防止回磷必须扒渣，扒渣的条件是扒渣温度高于出钢温度10℃～20℃；扒渣前碳、磷及其他限制性成分应符合要求。

(9)增碳。如果氧化末期碳含量过低需增碳，可在扒渣后裸露的钢液面上撒加纯净、干燥的碳粉，进行增碳。 还原期

氧化期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。主要任务是脱氧、脱硫、控制化学成

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分、调整温度。还原期的操作工艺如下：

(1)扒渣后迅速加入薄渣料以覆盖钢液，防止吸气和降温。造稀薄渣m(CaO)∶m(CaF2)=3∶1。

(2)薄渣形成后进行预脱氧，往渣面上加入碳粉2.5kg/t～4kg/t，加入后紧闭炉门，输入较大功率，使碳粉在电弧区同氧化钙反应生成碳化钙。

(3)电石渣形成后保持20min～30min，渣子变白，同时注意钢液的增碳。

第三章电弧炉炼钢车布置方式

3.1电炉车间设计方案

电炉炼钢车间设计与建设的基础材料 3.1.1建厂条件

1）各种原料的供应条件，特别是钢铁材料来源； 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，水路运输及地区公铁路的现状与发展计划； 5）当地气象，地质条件； 6）环境保护的要求；

在上述各项主要建厂条件之中，原材料条件对于工艺设计的关系尤为密切重要。

3.1.2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。确定工艺制度的主要依据是产品大纲所规定的钢种，生产规模，原材料条件以及后步工序的设计方案。

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。

3.2电炉炼钢车间的组成

炼钢车间是刚出整个生产系统的一个组成部分。而炼钢车间本身除工艺流程上主要工序——配料、熔炼、浇注之外，尚要有与之配合的必不可少的辅助设施，诸如原料准备、储存与供应、动力设施等，共同组成一个生产部门，但它们的设置与领导关系可能依生产厂家的管理体制而不同。车间各个组成部分应根据生产规模、工艺流程、厂区条件、厂内外协作与原料供应情况确定合理的电炉炼钢车间组成。应视具体情况在下列一般组成中兼并取舍，以满足生产需要为准，可适当简化各种设施的是指与管理系统。完整的车间组成应包括：

（1）炼钢主厂房，包括原料跨、炉子跨、精炼跨及钢水连铸跨； （2）废钢料堆场及配料间包括废钢处理设施（预热、烘烤等）； （3）铁合金及散状材料间； （4）钢锭、坯检验与精整跨间； （5）钢锭、坯存放场地； （6）中间渣场；

（7）机电修间及快速分析室；

（8）炉衬制作与各种备件修理场地；

（9）耐材库、备件备品库、车间变、配电室；

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（10）水处理、烟气净化设施及车间管理、生活服务设施。

3.3电炉各车间的布置情况

由于时一台超高功率电弧炉，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：此跨主要是为各种废钢，耐火材料，散装料等提供场地。废钢坑可按其块度大小分几个不同的坑；另外还有金属料库，合金料和散装料的烘烤区；另外设有两台高架行车，以备装料使用。

2）炉子跨：配以一台100吨的超高功率的偏心底出钢电弧炉；炉体砌修区，炉盖修理区，耐火材料干燥室；电炉装料配置，电炉变压器房，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。另外，设有LF精炼炉。还有钢包烘烤区，修理区，中间包修理区及烘烤区，结晶器修理区；若干钢包车负责钢水的供应工作；由于运输量大，设有两台行车进行钢包的调运工作。

3）过渡跨：此跨主要作用是实现炉子跨河连铸跨的过渡，使炉子跨冶炼的钢水能够顺利浇注，并且为事故模铸的场地。

4）连铸跨：此跨主要是进行钢坯的凝固工作。连铸机是精炼跨和连铸跨的联系纽带，两跨间相同。还设有连铸机备件，备品检修区，良锭存放区，缓冷去，铸坯精整等。

3.4 炉料入炉与送电

3.4.1、炉料入炉

3.4.2送水：炉料入炉后，在送电前应对炉盖、电极、水冷系统、机械传动系统、电气设备等进行检查，如发现故障要及时处理，以免在冶炼过程中造成停工；还应检查炉料与炉门或水冷系统是否接触，如有接触要立即排除，以免送电后被击穿。如电极不够长时，最好在送电前更换，如接头位置松动，应先拧紧，以利于一次穿井成功，减少冶炼过程中造成停工现象。 为维护玩具商品的安全卫生，保障儿童生命健康安全，国家有关部门根据有关法律法规规定，决定自2006年3月1日起，对童车、电玩具、塑胶玩具、金属玩具、弹射玩具、娃娃玩具实施强制性产品认证。自2007年6月1日起，这六类产品凡未获得强制性产品认证证书和未加贴中国强制性认证标志的，不得出厂、销售、进口或在其他经营活动中使用。

第四章 建设所选电弧炉炼钢工程的必要性和可行性分析

现代大型超高功率炼钢电弧炉，由于其容量大，是用电大户，对电网的影响具有举足轻重的作用。它具有功率因数低，无功波动负荷大且急剧变动，产生有害的高次谐波电流，三相负荷严重不平衡产生负序电流等对电网不利的因素，使得电网电能质量恶化，危及发配电和大量用户，也影响电炉自身的产量、质量，使电耗、电极消耗增大，从而成为电网的主要公害之一。现在有关大型电炉对电网公害抑制

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Fe-Si?414394.765?(0.27?0.15)%?11276.030t45%?98%

（1）确定各种废钢配比

设碳素废钢为X吨，生铁加为Y吨。 X+Y+14394.766=423370.69

0.5%+4.0%Y+0.45×14394.766=1.02%×423370.69 得X=345869.496t Y=636106.428t 故本炉炉料的配比为：

返回钢=17993.457t 中碳废钢=315168.692t 中碳废钢=315168.692t 生铁=85928.532t （2)插铝

插铝?414394.765?0.55?230.22t99%?1000

(3)返回吹氧法配料计算 用返回吹氧法冶炼1Cr18Ni9，出钢210526.316吨，炉料

综合回收率为96%。

参考文献

1、钢铁厂设计原理（下册） 李传薪

2、现代电弧炉炉型及其炉体结构设计 阎奎兴 阎立懿 3、钢铁冶金学（炼钢部分） 陈家祥

4、电弧炉——炉外精炼技术 朱文佳 李继宗 幸 超 5、耐火材料应用 韩行禄 刘景林 6专业资料和工程设计资料

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