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1、 120吨电弧炉炉体设计第一章 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%
2、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18002000万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
3、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2
4、001-2003年间，我国钢生产迅速发展，年增长速率达2022%，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199
5、0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
6、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60100min。 (2) 电能充足、电价稳定，吨钢电耗不大于375kWh。 (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。?在过去20年中，电弧炉炼钢的用氧技术取
7、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2040m3/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6070min，吨钢电耗不大于375kWh，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2327
8、1万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
9、、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400 kVA/t，变压器总容量在30 MVA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
10、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50 MVA左右，功率级别约为500 kVA/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
11、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(0.720.75)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
12、大型化，功率级别又有所提高，炉子变压器容量达到了70 MVA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100 MVA左右，功率级别已超过800 kVA/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
13、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、
14、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
15、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：强化吹氧和氧一燃
16、助熔，提高初渣的氧化性;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: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;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%;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1550):为使炉后处理和浇注正常进行，根据所采用的工艺不同要求电炉初炼钢水有一定的过热度，以补偿出钢过
17、程、炉外精炼以及钢液的输送等过程中的温度损失。出钢温度应根据不同钢种，充分考虑以上各因素来确定。出钢温度过低，钢水流动性差，浇注后造成短尺或包中凝钢:出钢温度过高，使钢清洁度变坏，铸坯(或锭)缺陷增加，消耗量增大。总之，出钢温度应在能顺利完成浇注的前提下尽量控制低些。EBT电炉的出钢温度低(出钢温降小)节约能源、减少回磷。 EBT电弧炉的特点EBT电炉结构是将传统电炉的出钢槽改成出钢箱，出钢口在出钢箱底部垂直向下。出钢口下部设有出钢口开闭机构，开闭出钢口，出钢箱顶部中央设有操作口，以便出钢口的填料操作与维护。EBT电炉主要优越性在于，它实现了无渣出钢和增加了水冷炉壁使用面积。优点如下: (1)
18、出钢倾动角度的减少。简化电炉倾动结构:降低短网阻抗:增加水冷炉壁使用面积，提高炉体寿命。(2)留钢留渣操作。无渣出钢，改善钢质量，有利于精炼操作:留钢留渣，有利电炉冶炼、节约能源。(3)炉底部出钢。降低出钢温度，节约电耗:减少二次氧化，提高钢的质量:提高钢包寿命。由于EBT电炉诸多优点，在世界范围迅速得到普及。现在建设电炉，尤其与炉外精炼配合的电炉，一定要求无渣出钢，而EBT是首选。EBT电炉的出钢操作。出钢时，向出钢侧倾动约5后，开启出钢机构，出钢口填料在钢水静压力作用下自动下落，钢水流入钢包，实现自动开浇出钢。当钢水出至要求的约95%时迅速回倾以防止下渣，回倾过程还有约5%的钢水和少许炉渣
19、流入钢包中，炉摇正后(炉中留钢10%15%,留渣95%)检杳维护出钢参考文献： 中国CAD机械论坛1.1.3直流电弧炉直流炼钢电弧炉简介直流电弧炉是用直流电源供给电能的电弧炉。它与交流电弧炉一样，也是利用电极和炉料(或熔池)间产生的电弧来发热，从而达到熔炼的目的。直流电弧炉与交流电弧炉的结构区别在于：三相交流电弧炉顶部安装三根可以上下移动的电极，而直流电炉仅在炉子顶部装设一根可以上下移动的电极，另一电极位于炉子底部固定不动。直流电弧炉需要直流供电，所以比三相交流电弧炉多一套将三相交流电变换成直流电的整流设备。与传统的交流电弧炉相比，直流电弧炉的主要优点是：(1)电弧稳定且集中，熔池搅拌良好，炉
20、内温度分布均匀，生产效率可以提高10%；(2)电流和电压波动小、对电网的冲击减少，三相供电平衡，功率因数高，可以节电5%以上；(3)电极损耗少，吨钢电极消耗比交流电弧炉少50。由于受到直流电源容量的限制，直流电弧炉发展缓慢。随着可控硅技术的发展，大功率直流电源设备的制造技术逐渐成熟，在20世纪70年代后期直流电弧炉开始受到冶金界的重视。世界上第一座直流电弧炉于1982年在德国布什钢厂建成并投产，以后的六、七年中，美、法、意、日等国相继改建或新建成了各自的直流电弧炉，容量从30t到60t不等。1989年日本东京钢铁公司建成了当时最大的一座容量为130t的直流电弧炉。近年来世界各国相继建成并投产多
21、座直流电弧炉，容量从60t到180t。1989年中国太原机械铸造厂研制成中国第一座小型直流电弧炉并投产，同年宣化铁合金厂一座2000kVA埋弧直流电弧炉投产，用来生产硅铁、锰铁、硅钙等铁合金。进入90年代后，直流电弧炉越来越受到重视，上海第三钢铁厂、长城钢厂、齐齐哈尔钢厂、江阴沿山钢厂、上海第一钢铁厂等先后引进大型直流电弧炉，容量80100t不等。宝山钢铁(集团)公司从法国引进一套双炉壳(个电源)的150t直流电弧炉设备。采用直流电源的炼钢电弧炉。采用单相直流电通到炉子上部顶电极作为阴极，底部（底电极或导电炉底）作为阳极，形成上部电极电弧熔池下部电极为负载回路的电弧炉。其优点是电极消耗大幅度降
22、低；电弧稳定；对电网冲击小，一般不设动态补偿装置；噪音小；能有效利用电能。参考文献： 直流电弧炉炼钢 金鼎 编著1.2电弧炉炼钢的优缺点：电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有以下的优点：电炉炼钢的设备投资少、基建速度快；炼钢的热能来自于电弧上，温度可高达40006000，并且直接作用在炉料上，热效率比较高，一般在65以上。此外，冶炼中含有难熔元素W、Mo等高合金钢；电炉炼钢可以去除钢中含有的夹杂物和有害气体，以及去硫、脱氧、合会化等，以此来冶炼出高质量的特殊钢；电炉炼钢可采用热装或冷装，不的受炉料的限制；适应性强，可连续生产也可间断生产。电弧炼钢的缺点有：电弧是点热源，炉内温度分布不
23、均匀，熔池各部位温差较大；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。随着电弧炉技术的发展和完善，以及废钢等代用品的开发与应用，电弧炉流程可以使用废铁、废钢作为代用品，甚至可以使用比较多的生铁进行生产冶炼。因此，在全球角度看，以电弧炉炼钢技术为代表的短流程钢厂生产的前景十分广阔。 第二章 电弧炉炉型尺寸设计2.1熔池的形状电弧炉熔池的形状应利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。目前使用的一般为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如下图所示）。球冠形电炉炉底使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快炉料的熔化并及早造渣去磷。截锥形电炉炉
24、坡便于补炉、炉坡倾角458。熔池尺寸计算：图2.1 电弧炉尺寸图熔池容积V池。根据 (2.1) (2.2)式中 T出钢液量；液-钢液密度，6.87.0t/m3。 (2.3)式中 G渣-按 氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）；渣34t/m32.2.1熔池直径和深度设计在计算熔池直径D和深度H之前，首先得确定一个合适的D/H值。在熔池容积一定的条件下，D/H越大，熔池越浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面越大，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望D/H大一些。但是D/H太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D壳太大，炉壳散热面积增加，电耗也增大，所以D
25、/H又不能过大。若D/H太小，熔池太深，则钢液加热困难，温度分布不均匀性大。在氧化期内应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以促使金属成分和温度均匀9。当选定炉坡倾角45时，一般取D/H=5左右较合适。由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为： (2.4)式中 h1球冠部分高度，一般取h1=H/5；h2截锥部分高度，h2=H-h1=4/5H；D熔池液面直径，通常采取D/H=5，即D=5H；d球冠直径，因d=D-2h2=5H-8/5H=17/5H，整理得： (2.5)2.2.2熔炼室尺寸设计熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小需一次装入堆积密度中等的全部
26、炉料。 熔炼室直径D熔为了防止钢液沸腾或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处）时炉渣冲刷炉壁砖，炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100 mm左右，即当选定炉坡倾角为45时： D熔=D+2100 (2.6) 熔炼室高度H1金属炉门槛至炉顶拱基的高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高80100。从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度H1大些，因为增大熔炼室高度H1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热会相对少一些，炉盖寿命长，另外，熔炼室高度H1大，装轻薄料多。但是如果熔炼室高度H1太大：1)炉壳散热面积大电耗多；2) 电极长电阻大。金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。炉
27、衬门槛较金属门槛高出80100mm。经验值： 40t电炉炉顶高h3炉顶高度h3与熔池室直径D有如下关系：（因炉顶砖而异） (2.8)至此，渣面至炉顶中央高度H2=H1+h3 熔炼室上缘直径D1通常熔炼室要设计成上大下小倾斜形的，即D1D熔，炉壁上部薄下部厚，这种形状的熔炼室增强了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔炼室的容积增大，可多装轻薄料。另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀10。其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H1100）的10%左右；所以： （2.9) 炉门尺寸的确定一般电炉设一个加料炉门和一个出钢口，其位置相隔18
28、0。确定炉门尺寸要考虑以下因素：便于顺利观察炉况，能良好地修补炉底和整个炉坡，采用加料机加料的炉子，料斗应能自由进入，能顺利取出折断的电极。炉门尺寸的经验值：炉门宽度=（0.250.3）D熔 (2.10) 炉门高度=0.8炉门宽度 (2.11)为了密封，门框应向内倾斜812。 出钢口和流钢槽出钢口的位置：出钢口下缘与炉门槛平齐或高出100150mm。出钢口为圆形孔洞，其直径为120150mm。流钢槽：外壳用钢板或角钢，断面为槽型，固定在炉壳上，内衬凹形预制砖（称流钢槽砖）。为了防止打开出钢口以后钢水自动流出，流钢槽应上翘，与水平面成1012的角。流钢槽长度与电炉在车间的布置方式及出钢方式相关，
29、纵向或高架式布置同跨出钢的可以短一些，以减少钢水散热和二次氧化，一般1m以下。横向地面布置异跨出钢的应长些，一般2m以上。电弧炉容量是2吨，根据式式(2.1)到式(2.11)可求出：熔池容积 V池=449/1400 m3 熔池液面直径 D = 1500mm熔池深度 H= 300mm熔炼室高度 H1= 675mm熔池室直径 D熔= 1700mm熔炼室上边缘直径 D1=1815mm 熔炼池高度 H2 = 864mm球冠部分高度 h1 = 60mm球锥部分高度 h2 = 240mm球冠直径 d= 1020mm炉顶高度 h3 = 189mm 炉门槛 h0=100mm炉门宽度= 510mm 炉门高度=
30、408mm2.3电弧炉炉衬及厚度的确定 由于电弧炉内部生产环境很复杂，因而对耐火材料的使用要求相对苛刻，以适于电弧炉的生产条件，提高生产率，降低生产成本11。1）高耐火度。电弧温度在4000以上，炼钢温度常在15001750，有时甚至高达2000，因此要求耐火材料必须有高的耐火度。2）高荷重软化温度。电弧炉炼钢过程是在高温载荷条件下工作的，并且炉体要受钢水的冲刷，因此耐火材料必须有高的荷重软化温度。3）良好的热稳定性。电弧炉从出钢到装料时间内温度急剧变化，温度由原来的1600左右骤然下降到900以下，因此耐火材料必须具有良好的热稳定性。4） 抗渣性好。 在炼钢过程中，炉渣，炉气，钢液对耐火材料
31、强烈的化学侵蚀，因此耐火材料有良好的抗渣性。5） 高耐压强度。电弧炉衬在装料时受炉料的冲击，冶炼时受钢液的静压，出钢是受钢液的冲刷，操作时又受机械振动，因此耐火材料必须有高的耐压强度。 6）低导热性。为了减少电弧的热损失，降低电能消耗，要求耐火材料的导热性要差，即导热系数要小12。第三章 变压器功率和电参数的确定3.1变压器功率的确定电炉的生产率决定于电炉的容量，变压器的功率，电炉全年的工作天数，冶炼周期，电效率和热效率。影响电炉工作的因素很多。目前，电炉利用系数以1000kVA变压器功率昼夜的合格钢产量定为电炉生产率的标准32。确定变压器功率的目的是为了选择与电炉容量相匹配的变压器。变压器功
32、率的确定是一个比较复杂问题，它受电炉的容量，冶炼时间，炉衬材质，电效率、热效率等许多因素的影响。为了简化计算，把变压器功率于炉壳直径D壳联系起来，抛开其他影响因素。研究发现变压器功率与炉壳直径D壳存在如下关系。当炉壳直径D壳已知时，可用下面经验公式选择变压器的额定功率33。 (3.1) 式中， P视变压器视在功率，kVA； D壳炉壳外径，m；额定装量时的熔化时间，0.75h。通过对炉体和耐火材料的计算可以知道D壳为3m，从而计算出P视为5628.26KV.A 3.2电极直径设计电极是将电流输入熔炼室的导体，当电流通过电极时，电极会发热，此时会有8%左右的电能损失。当功率一定时，电极直径减小，电
33、极上电流密度增大，电能损失增大，电极直径增大，电极上电流密度减小，电能损失减小，因此希望电极直径大点，但太大，电极表面热量损失增加，所以电极直径又不能太多，应有一个合适值34。根据经验，电极直径可按下式确定。 (3.2)式中，石墨电极500时电阻系数m；石墨=100mm2/m；K系数，对石墨电极K=2.1W/cm2；I电极上的电流强度，A； (3.3)式中，U最高二次电压。带入数据计算出I=12178.43A，d电极=300mm不同尺寸电极I/S值见下表5.1。表3.1 I/S值d电极/mm100200300400500600（I/S）/（A/cm2）282017151412为了减少电极消耗，
34、露出炉顶外的那部分电极温度：石墨电极不超过500，为此电极上电流密度也不应超过该尺寸电极的I/S允许值，以免电极温度过高。3.3电极心圆直径设计d三级心：过三个电极极心的圆周直径。d三极心过小，三根电极彼此靠的比较近，电极距离炉壁远，对炉壁寿命有利，但是，炉坡上的炉料难熔化，熔池加热不均匀，炉顶中心结构强度差，容易损坏，并且电极把持器上下移动困难。如果电极芯圆直径太大，电弧距炉壁近，加剧炉衬的损坏。电极心圆直径的经验值为：d三极心=（0.250.3）D式中，D熔池直径。 代入数据算出d三级心=500mm3.4电压级数设计为了熔炼的正常进行，应在熔炼的各个时期使用不同的电力及不同长度的电弧，以满
35、足工艺的要求。在功率一定时，工作电压提高可以减小电流，因而可提高el及Cos。选择最高一级二次电压，有如下经验公式：对碱性电炉 U=15Prat1/3； 式(3.4)对酸性电炉 U=70+15Prat1/3 式(3.5)熔炼过程还原期用较低级的二次电压，一般不高于120180V，因电压高则电弧长，从而造成炉顶炉墙上热负荷加大，对炉衬寿命和钢的质量有不利影响。电压级数决定与最高一级电压和各个冶炼期对炉子供给电能的不同要求，电压级数取决于最高二次电压和各冶炼期对供电的要求见图表5.2。表3.2 电压级数参数表最高级二次电压/V200250250300320400400电压级数244668818电压
36、级数用高压绕组三角形联接获得。 对2t炉子，其最高级工作电压为：U=1556281/3=267V采用8级电压，中间各级电压为：三角形联接1级 267V2级（2670.85） 227V3级（2270.85） 193V4级（1930.85） 164V第四章 电弧炉耐火材料的选用4.1电弧炉炉墙、炉底用耐火材料设计 炉墙和炉底的工作条件同炉盖大致相当，易受到电弧的高温辐射，在极高的温度条件下工作，经常受到急冷作用。比炉盖更严重的是炉墙和炉底直接同钢水、炉渣接触，受到钢水的冲刷和炉渣的侵蚀，并且装料时还受到炉料的撞击。因此，选用优质的耐火材料就显得非常重要，尤其是与炉渣接触部位和接近电弧热点的部位要求
37、更高，常用的耐火材料如下： 镁砂镁砂是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来打结炉底和炉坡，也可用来制作镁砖13。同时又是补炉的主要材料。镁砂是由天然的菱镁矿在1650温度下煅烧而成的。镁砂的耐火度可达到2000以上，有较好的抵抗碱性炉渣的侵蚀的能力。但其热稳定性差，导热系数大。镁砂的主要成分是氧化镁85%，也含有少量杂质。 白云石白云石也是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用作炉墙和补炉材料，也可制作成白云石砖。白云石的耐火度也在2000以上，它能抵抗碱性炉渣的侵蚀，热稳定性比镁砂好，但白云石易吸水粉化，因此应尽量缩短白云石从烧成到使用的时间14。 石英砂 石英砂是砌筑酸性电弧炉炉衬的主要材
38、料之一，用来砌炉底和炉坡，也用作酸性电弧炉的补炉材料。纯的石英砂为水晶透明体，含有少量杂质时为白色，杂质愈多就愈呈暗灰色，电弧炉用的石英砂大多为白色。 各种耐火砖粘土砖主要作为电弧炉炉墙和炉底用的耐火材料，故耐火度和荷重软化温度低，因而用作隔热砖，砌在靠近炉壳的部位。在粘土砖的里面再砌镁砖和其他碱性砖。镁铝砖由于原料缺乏，价格较贵，用的较少。硅砖用于酸性电弧炉。炉衬的组成：炉底和炉墙组成。炉壁衬砖厚度由按耐火材料热阻计算确定，计算依据的是炉壳在操作末期被加热的温度不大于200，防止炉壳变形。总的来说，增加炉壳厚度，炉壳受热及热损失可以减少，这在一定程度上正确的，但是炉壳厚度增加与热损失减少并非
39、线性关系，当厚度达到一定值以后，再增加炉衬厚度，热损失减少不显著，反而因为厚度增加过大，而增加炉壳直径D壳，耐火材料消耗增加，所以比较经济的办法是选择优质材料，使用较薄的炉衬15。炉底的组成：绝热层保护层工作层考虑到用材经济节省，结构合理通过2.1表选出合适的耐火材料：绝热层的组成：石棉板（200-50）硅藻土粉（600-200）粘土砖（1000-600），砖缝应不大于2mm，缝隙用硅藻土粉或者粘土砖粉填充。保护层的组成：镁砖（1400-1000）工作层的组成：镁砖（1700-1400）图4.1炉底耐火材料绝热层砌筑时砖缝不应大于2mm，缝隙用硅藻土粉或粘土砖粉填充。保温层，其作用是保证熔池的
40、坚固性，防止漏钢砌筑方法有平砌、侧砌和立砌。工作层是容纳钢液和炉渣的部位，因此必须保证它的质量，工作层成形方法分打结、振动和砌筑16。 表4.2 耐火材料参数 材料名称材料最高允许温度 t/密 度导 热 率石棉板3077010450.100.14A级硅藻土制品9005000.0395+0.00019tB级硅藻土制品9005500.0477+0.0002t耐火粘土砖13501450180020400.70.84+0.00058t轻质耐火粘土1250130080013000.290.41+0.00026t超轻耐火粘土11002703300.058+0.00017t硅砖1700190019500.9
41、3+0.0007t镁砖6001700230026002.1+0.00019t通过单层平壁公式： (4.1)以硅藻土粉20mm推算： (4.2) ，（0.0395+0.00019400）=0.1155w/(m2k)石棉板：，, 粘土砖：，工作层和保护层都是用的镁砖，所以一起计算它们的厚度镁砖：，, 所以炉底厚度保温层通常紧贴炉壳钢板处用一层石棉板，再砌筑一层粘土砖。工作层直接与钢渣接触，热负荷高，化学腐蚀严重，机械冲刷作用剧烈。砌筑方法有机制小砖砌筑，大块镁砖装配，整体打结和整体振动形成。炉墙的组成 ： 保温层工作层保温层的组成： 石棉板（200-50）粘土砖（1200-200）工作层的组成：镁砖（1700-1200）图4.3 炉墙耐火材料石棉板：，, 粘土砖：，,镁砖：，,所以炉壁厚度4.2炉盖用耐火材料炉盖在冶炼过程中长期处于高温状态，并且经常受到温度的剧烈变化的影响，受到化
