电弧炉设计

电弧炉设计

1.炉型设计

新设计的电炉应具有如下特点：具有较高的生产率，电能、耐火材料和电极消耗低，满足多种钢种冶炼时冶金反应的要求。

一个新的电炉炼钢车间设计，首先应根据车间的生产规模和钢种要求合理的确定炉子容量和座数，然后进行电炉设计，包括以下内容：确定电弧炉的形状和尺寸，并选择变压器的变量和确定合理的电力参数。

设计步骤：

①求出炉内钢液和熔渣的体积。 ②计算熔池的深度和直径；

③确定熔炼室空间的高度和直径； ④确定炉顶的拱高和炉盖的厚度； ⑤确定炉衬尺寸和炉壳直径；

⑥确定变压器的功率与电压的级数和大小； ⑦求出电极直径； ⑧确定电极心圆直径。

1.1熔池的形状和尺寸

电弧炉的大小以其额定容量（公称容量）来表示，所谓额定容量是指新设计的电炉熔池所能容纳的钢水量。熔池：容纳钢液和熔渣的那部分容积。熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼的钢液和熔渣，并留有余地。 熔池的形状：

其形状应有利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。目前使用的多为锥球形熔池，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。截锥形电炉炉坡便于补炉、炉坡倾角45°。 熔池尺寸计算： ① 熔池容积V 池。 根据渣液池

V V V +=；

液

液ρT

V =

式中 T —出钢液量；ρ液-钢液密度，6.8～7.0t/m 3。

渣

渣

渣ρG V =

式中 G 渣-按氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）； ρ渣—3～4t/m 3

② 熔池直径D 和深度H 。

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：

）

（）（池2

1212

22h 4

d 3h 6d d h 12+?+++=π

π

D D V 式中 h 1—球冠部分高度，一般取h 1=H/5；

h 2—截锥部分高度，h 2=H-h 1=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-2h 2=5H-8/5H=17/5H ，整理得：

330968.01.12D H V ==池

1.2熔炼室尺寸

熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小应能一次装入堆积密度中等的全部炉料。 ① 熔炼室直径D 熔

炉坡和炉壁交接处的直径，为了防止钢液沸腾时炉渣冲刷炉壁砖或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处），炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100mm 左右，即当选定炉坡倾角为45时：

D 熔=D+2×100

② 熔炼室高度H 1

金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高出80~100mm 。 经验值：

D

H 1

=0.5～0.45 <40t 电炉 D

H 1

=0.44～0.40 >40t 电炉 ③ 炉顶高h 3

炉顶高度h 3与熔池室直径D 有如下关系：

熔

D h 3

=1/7～1/9（因炉顶砖不同而异） 至此，渣面至炉顶中央高度H 2=H 1+h 3 ④ 熔炼室上缘直径D 1

一般熔炼室要设计成上大下小倾斜形的，即D 1>D 熔，炉壁上部薄下部厚，这样形状的熔炼室增加了炉壁的稳定性，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。

其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H 1—100）的10%左右；所以：

%10100211?-?+=）（熔H D D

1.3炉衬及厚度（δ）的确定

炉衬的组成：炉壳→石棉（100mm ）→绝热层→工作层。

炉壁衬砖厚度通常按耐火材料热阻计算确定，计算依据的条件是炉壳在操作末期被加热的温度不大于200℃，以免炉壳变形。一般而言，增加炉壳厚度，炉壳受热及热损失可以减少，这在一定限度内是正确的，但是炉壳厚度δ增加与热损失减少并非线性关系，厚度δ达到一定值以后，再增加炉衬厚度δ，热损失减少不显著，反而因为厚度δ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。

按经验值选，炉顶砖厚度（δ）如下表所示。

炉顶砖厚度

1.4炉壳及厚度δZ

炉壳要求承受炉衬和炉料的质量，抵抗部分衬砖在受热膨胀时产生的膨胀力，承受装料时的撞击力。 炉壳厚度δZ 一般为炉壳直径D 壳的1/200，即：200

壳D Z =

δ

炉壳厚度δ

Z 与炉壳直径

D 壳的关系见下表。

壳

Z 壳1.5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180°。 确定炉门尺寸要考虑下列因素：应便于顺利观察炉况，能良好的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=（0.25~0.3）D 熔 炉门高度=0.8×炉门宽度

为了密封，门框应向内倾斜8°~12°。

1.6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100~150mm 。出钢口为一个圆形孔洞，其直径为120~150mm 。

流钢槽：外壳用钢板或角钢做成，其断面为槽型，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，流钢槽上翘与水平面成10°~12°的角。

流钢槽长度取决于电炉在车间的布置方式及出钢方式，对于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，对于横向地面布置异跨出钢的应长些，一般2m 以上。

2变压器功率和电参数的确定 2.1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1000kV ·A 变压器功率昼夜的合格钢产量定为电炉生产率的标准。

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。

τ

32

.3110壳

视D P =

式中， P 视—变压器视在功率，kV ·A ； D 壳—炉壳外径，m ；

τ—额定装量时的熔化时间，h 。

2.2电压级数

为了满足冶炼工艺的要求，在各冶炼期采用不同的功率供电，如熔化期采用最高功率及最高二次电压供电，在精炼期使用较小功率及低电压供电。在功率一定时，工作电压提高，可以减小电流，因而可提高功率因数cos Φ和电效率η电，为此变压器要设置若干级二次电压。首先选最高一级的二次电压，其经验公式为：

315视

P U =

电压级数取决于最高二次电压和各冶炼期对供电的要求。

用高压绕组三角形连接获得，另一半用星形连接获得。

2.3电极直径（d 电极）

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。根据经验，电极直径可按下式确定。

32

406.0K

I d ρ=电极

式中，ρ—石墨电极500℃时电阻系数，Ω·m ；ρ石墨

=10Ωmm 2/m ；

K —系数，对石墨电极K=2.1W/cm 2； I —电极上的电流强度，A ；

U

P I 31000视

=

式中，U —最高二次电压。

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。

2.4电机心圆直径（d 三极心）

d 三极心：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=（0.25～0.3）D

式中，D —熔池直径。

3 电炉容量和座数的确定

在进行电炉炉型设计之前，首先要确定电弧炉的容量和座数，它主要与车间的生产规模，冶炼周期，作业率等因素有关。

在同一车间，所选电炉容量类型一般认为不超过两种为宜。座数不宜过多，一般设置一座或两座电炉。为了确定电炉的容量和座数，首先要估算每次出钢量q ：

y

G q a ητ8760=

式中，G a —车间产品方案中确定的年产量，t ；

τ—冶炼周期，h ； η—作业率，%100?=

年日历天数

年作业天数

η，一般取η=90%～94%；

y —良坯收得率，连铸一般95%～96%；

然后根据估算出的每次出钢量来选择电炉容量和座数，要使车间各个电炉每次出钢量总和稍大于或等于q 。

一般力求选用较大容量的电炉，大电炉技术经济指标较好，热损失和电耗小，在同一车间内所选用电炉容量的类型不宜过多，一般认为不超过两种为宜，电炉类型过多对车间的设备配置，配件的准备，炉子的维修都有困难，一般按下表选择电炉容量。

对生产管理是有利的，要力求少，否则车间内生产调度复杂，相互干扰和影响严重。

现代电弧炉炼钢车间一般配置一座电弧炉，一套炉外精炼装置和一台连铸机，组成“三位一体”一对一的生产作业线。这种配置方式具有生产管理方便，技术经济指标先进，相对投资省的优点。