论电弧炉的发展和设计

论电弧炉的发展与设计一、电弧炉简介及其发展趋势电弧炉是炼钢电炉的一种，也是目前世界上熔炼优质钢、特殊用途钢种的主要设备。

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程中，美国曾用六支电极，由两台变压器供电，电弧炉为椭圆形。

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。

电弧炉炼钢得到迅速发展的主要原因：(1)废钢日益增多(2)钢铁工业迅速增长。

由于发电设备大型化和技术不断改进，可利煤用部分劣质粉发电，电的供应和价格比较稳定，使电炉炼钢有了比较可靠的基础。

此外，电炉用废钢比高炉——转炉炼钢的能耗低。

(3)电炉趋向大型化、超高功率化，冶炼工艺化。

(4)投资少，基建速度快，基金回收速度。

(5)钢液温度、成份容易控制，品种适应性大，可冶炼多种牌号的钢，同时还能间断性生产。

电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有一系列的优点：(1)电炉炼钢的设备投资少、基建速度快；(2)炼钢的热源来自于电弧，温度高达4000～6000℃，并直接作用于炉料，热效率较高，一般在65％以上。

此外，还冶炼含有难熔元素W、Mo等高合金钢；(3)电炉炼钢可去除钢中的有害气体与夹杂物，以及脱氧、去硫、合会化等，故能冶炼出高质量的特殊钢；(4)电炉炼钢可采用冷装或热装，不受炉料的限制；(5)适应性强，可连续生产也可间断生产。

目前，由于炼钢电炉的大型化、超高功率化及冶炼工艺的强化，并与不断发展完善的二次精炼和连铸连轧技术相配套，已形成了自动化、机械化水平高、能耗低的专业生产体系，使得它在钢的生产中更具有竞争能力。

电弧炼钢的缺点有：(1)电弧是点热源，炉内温度分布的不均匀，熔池各部位的温差较大；（2)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代用品的开发与应用，电弧炉流程己可使用废钢、废铁的代用品，甚至可以用相当数量的生铁进行生产操作。

因此，从全球角度看，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。

二、电弧炉的设计（炉型尺寸计算及变压器功率确定）1、电弧炉设计要求电弧炉的整体设计是包括机械、电气、热工、冶炼、耐火材料等多门专业的工程。

随着钢质量不断的提高，熔炼工艺在革新，也向炉子结构（包括耐火材料砌衬）提出了更高的要求。

正确设计电弧炉应保证炉子生产率高，电能、耐火材料和电极的单位消耗低，同时应满足多品种的钢冶炼时冶金反应的顺利进行。

为此必须考虑如下几个方面：（1）选定大功率变压器；（2）提高热效率和电效率，即保证少的热损失和电损失；（3）采用高质量耐火材料砌筑炉衬；（4）炉子各部分的形状、尺寸和结构设计合理，钢与渣接触面积适当增大，以保证熔池中冶金反应顺利进行，提高钢质量；（5）炉子熔炼室容积应能一次装入中等堆比重的全部炉料；（6）炉子倾动30°～45°能保证全部钢液顺利流出。

计算参数要求：1）求出炉内钢液和熔渣的体积，一般常以炉容量的公称吨位来进行计算；2）计算熔池直径和熔池深度；3）确定熔炼室直径和熔炼室高度；4）确定炉顶拱高和炉盖厚度；5）决定各部分炉衬尺寸和炉壳直径；6）决定变压器功率与电压级数和大小；7）求出电极直径；8）确定电极分布圆直径即三级心圆直径。

2、电弧炉炉型计算电弧炉的内部可分为两大部分，在炉壁下缘以下容纳钢水和熔渣的部分称作炉缸，或部分炉缸以上的空间可容纳全炉或部分冷钢铁料并在此进行熔化，称作熔化室。

熔池最好的形状是由截头圆锥和球缺组成的锥球型内型，炉坡倾角为45°。

这样的形状可保证炉料加速熔化，且易砌筑和修补方便，以及易于保持熔池形状。

2.1炉缸尺寸计算确定钢液面的直径是由下面的经验公式计算的钢液的体积 ：V=GV 。

(1-1)式中 G ——炉子额定容量，tV 。

——一吨钢液的体积，m3/t ，V 。

=0.14m3/t 。

钢液面直径： D=2.0C 3V m (1-2)式中 C=0.875+0.042HD (1-3) 钢液面直径D 和钢液深度H 的比值H D 是确定炉型尺寸的基本参数，通常HD =3.5～5。

次比值愈大则增大渣——钢接触面积，有利于钢水精炼，所以，炉中还原精炼期较长的工艺宜取HD≈5,较短的精炼期取 3.5～4，此处选取HD=5。

炉渣的质量为钢水量的7-8%，体积可取钢液的体积的10-15%，由此即可计算渣层厚度。

炉门坎平面应高于渣液面20-40mm，炉缸与炉壁连接面应高于炉门坎面30-70mm，减轻炉渣对炉坡连接缝处的侵蚀。

所以炉缸上缘直径（或熔化室直径）DB为：DB=D+0.1～0.2 （1-4）球缺弦长 d=D-2*（H-h1）（1-5）为更清楚的表述设计过程，下面以公称容量40吨的电弧炉设计为例进行示范设计计算：根据式（1-1）到（1-5）可求出40吨电弧炉钢液面直径 D=3.8535m≈3850mm钢液深度 H=0.7707m≈770mm熔化室直径（下部） DB=4.0035m≈4000mm球缺高度 h1=154.14mm球缺弦长 d=2621mm渣层厚度 75mm2.2熔化池尺寸1、炉壁高度熔化室的高度即为炉壁的高度，可按下表所列范围选取。

由于电炉容量为40吨，所以选取炉壁高度：H 1=0.40DB(1-6)则H1=1.6014m≈1600mm熔化室的容积加上炉缸的容积应能容纳一炉所需废钢铁料，在合理的配料比其中重型、中型废钢占有较大比例时，按上表所定熔化室容积是合适的。

但使用轻型废钢较多时，必须二次或三次装料才能完成，势必加长熔化时间，增加熔化电耗。

2、熔化室上部直径采用耐火材料炉壁，特别是散装料与粘结剂打结炉壁时，一般用大块打结砖，内壁作成向外倾斜，这样，炉壁上部的厚度减薄，耐火材料消耗减少，炉壁稳定且易于修补，同时使熔化室容积增大，可多装比重轻的炉料。

将炉壁做成倾斜式的，倾角ß≈6°。

从而可得熔化室上部直径；D 1=D B +2H 1tan ß （1-7）则D 1=4.3401m ≈4340mm2.3炉顶1、炉顶拱高h 3炉顶拱高h 3与熔化室直径D 1的关系：13D h =71～91（因炉顶砖材质不同而异） 电炉炉顶用砖多为高铝质专用型砖，则取h 3=91D 1=94340≈482 mm （1-8） 2、炉顶厚度δR 是按耐火材料的热阻计算和实际经验决定的，推荐如下：对20t 以下的炉子 δR =230mm对20t 及20吨以上的炉子 δR =300mm对40吨以上的炉子 δR =350mm砌炉顶时，砖缝小于2mm ，砖与砖高低凹凸差小于5mm ，以“人字形”砌法最为普遍。

所以这里采用炉顶厚度δR =300mm 。

2.4炉壳直径和炉衬厚度1、炉壁炉壁厚度是指D ，平面上的厚度，即炉壁的最大厚度。

该厚度通常可按耐火材料的热阻计算而定。

计算所依据的条件是炉子在操作末期炉壳被加热的温度不得超过1500～200°C，以免炉壳变形。

计算指出，炉衬厚度对热损失的影响只在一定范围内是显著的。

在用砖砌筑炉壁时必须考虑标准砖尺寸。

通常，对于10～40t的炉子，炉衬耐火砖层厚度为345mm，绝热层厚度为75mm。

对于所设计的炉子，耐火砖层厚度取为345mm，绝热层厚度取为75mm，于是可求出炉壳内经为：D h1==DB+2δh1=4003.5+2*(345+75)=4840mm炉壳钢板厚度:δh =2001Dh1=2004840=24.2≈25mm则炉壳外径为：D h2=Dh1+2δh=4840+2*25=4890mm2、炉底（1）对炉底结构的要求能耐温度的急剧变化；具有高温度下抗冲击的性能和抵抗炉渣冲刷的作用；有足够的热阻，使熔池内上下温度比较均匀。

为满足以上的要求，炉底应由砌砖层和打结层组成，砌砖层下部要有较低的导热性。

（2）炉底各层的厚度炉底的总厚度应由热量计算来确定，近似等于熔池深度。

可采用下表推荐的数据。

应减薄10～15%。

2.5加料门及出钢口的尺寸1、加料门尺寸中小型电炉只有一个加料门和一个出钢口，它们处于相对的位置。

大于80t 的炉子最好装两个加料门，有正门（对出钢口）和侧门，一般正门和侧门成90度布置。

加料门尺寸应便于观察炉况、修补炉底和炉坡，应能使加料机的料斗自由地伸入炉内面碰不到炉门柱和炉门拱的衬砖，应能顺利地取出破断的电极，同时应能方便吹氧。

加料门宽度近似等于熔炼室直径的0.3倍，对于炉顶装料的炉子可以将炉门宽度减小为熔炼室直径的0.1倍。

工作台至炉门距离一般为700mm 。

有的资料介绍，炉门宽B=(0.2～0.3)D B=，炉门高h=(0.75～0.85)B,可作参考。

对所设计的炉子设一个加料门，其尺寸为：炉门宽度 4000*0.25=1000mm炉门高度 1000*0.8 =800mm2、出钢口，出钢槽炉子的出钢口是一个圆形洞孔或修砌成方形（或长方形）,直径为120～150mm （有的资料介绍，直径150～200mm ）。

出钢槽采用角钢或棉板作成，断面为槽形，固定在炉壳上，且上倾10°～12°。

槽内用高铝砖或用沥青浸煮过粘土砖砌成，目前大多数采用预制整块的流钢槽砖，衬质有用高铝砖、铝镁质、高温水泥质捣打成型。

在保证出钢到包中的情况下出钢槽应短一些好，通常为1～2m ，最长不超过2.5m 。

3、炉子的变压器功率及电极参数确定3.1 炉子的变压器功率在电弧炉的整个熔炼过程中，各个阶段所需要的能量不同，应根据炉内的温度情况，即热负荷的程度，以及熔炼操作对电能的要求来供给。

确定变压器功率，应考虑两个方面：每日的生产率最大，单位炉料电能消耗应最小。

目前通常是以每1000KVA 变压器功率每昼夜的合格产量定为炉子的生产率标准。

下面是对已知装入量的电炉根据熔化时间要求来计算所需供电功率，即变压器容容量： P=Nt qG m cos （2-1） 式中 P ————炉用变压器额定容量，KVA ；q ————熔化每吨废钢料及熔化相应的渣料并升温所需要的电量，KWh/t, q ≈410kWh/t ；G ————电炉装入量，t ；t m ________预期熔化时间，h ；当决定变压器功率时，熔化期时间应采取 1～1.5h 。