8 电弧炉设计

3.1 电弧炉炼钢技术现状及发展
电弧炉是电炉炼钢的一种，也是世界上熔炼优质钢、 特殊钢的主要设备。目前由于电炉大型化、超高功 率化及冶炼工艺的强化，并与不断发展和完善的二 次精炼和连铸连轧技术相配套，已形成了自动化、 机械化水平高和能耗低的专业生产体系； 电炉炼钢具有设备简单、投资少、热效率高、易于 提高温度、有效去除气体及夹杂物、脱氧脱硫合金 化、适应性强、可间歇生产也可连续 生产、不受炉料限制，尤其对废钢的处 理最为理想等一系列优点；
超高功率电炉


1964 年,美国Schwabe 和Robinson 提出了超高功率 的概念。 它显著地提高了交流电弧炉的生产率, 同时摆脱了 炉壁损耗过快的问题, 并且具有缩短熔化时间、改 善热效率、降低电耗、电弧稳定等优点。因此, 超 高功率电炉在70 年代后期得到了广泛的应用, 目前 已经成为现代电弧炉的总称, 是高效、节能的炼钢 设备。 UHP技术近年有炉子容量趋大、功率水平趋高的趋势 , 国外个别UHP-EAF的功率水平已达到1000 kVA/t , 甚至更高, 可以称为超超高功率电弧炉。为了更好 地发挥UHP 的优点, 相继开发了与超高功率相匹配 的技术, 主要是水冷炉壁、水冷炉盖以及长弧泡沫 渣冶炼技术。
国内外电炉炼钢技术的发展趋势



(3) 用初级能源代电, 采用氧燃烧嘴助熔技术,可以 降低电耗、降低生产成本、缩短冶炼时间, 尤其是 煤氧助熔技术更有发展前途。 (4) 扩大铁源应用范围, 除废钢外广泛应用DRI、 HBI (热压块铁) 、碳化铁、高炉铁水、熔融还原 铁、生铁块等灵活配比, 以适应不同地区的原料供 应状况。 (5) 电炉炼钢应逐步趋向连续化操作, 改善劳动条 件, 提高设备的利用率。 (6) 环保问题是全世界永恒的话题, 应注意环境保护和废气物的回收利用。
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传统电弧炉技术上的改进主要表现为废钢预热竖炉 化、原料灵活多样化，炼钢过程连续化；开发了倾 斜电极直流电弧炉（ comelt process）、转炉型 电弧炉（ConArc、Arcon炉及ContiArc）； 这几种电弧炉结构已经出现了根本的变化，对原料 类型已无多大限制，炼钢过程逐渐转向封闭，电弧 炉已不仅仅是一个依靠电能来冶炼的设备，甚至集 转炉和电弧炉功能于一身（ConArc 、 Arcon ）； 我国电弧炉发展较快，50吨以下超高功率和150吨 以下钢包精炼炉技术已成熟，具备了制造100-130 吨电弧炉的能力； 引进了大量设备，如珠江钢厂150吨直流竖炉、重 庆特殊钢100吨直流、宝钢150吨直流电弧炉；
3.3 电弧炉炉型设计
炉型是指炉子内部空间的形状
和尺寸。现今电弧炉炉体中部 是圆筒体，炉顶为拱形; 自发展高功率和超高功率技术 以来，新型电炉大多采用水冷 炉壁及水冷炉顶，炉壁均做成 柱形。 而采用耐火材料砌筑的小型电 炉，一般还是圆柱外壳，内形 为上升倾斜的炉壁表面。
3.3 电弧炉炉型设计
超高功率供电
电弧炉的电气运行理论和操作技术的进步：近期采 用“高电压、长电弧、高功率系数”的操作制度； 炉衬的热负荷大幅度增加，相应的技术发展有：提 高耐材质量、水冷炉壁、泡沫渣等； 二次回路的电流强度大大增加，降低回路阻抗和进 一步改善三相平衡成了重要问题； 熔炼工艺的变化：为了充分利用变压器的能力，传 统的电弧炉三期操作消亡，电弧炉变成了一台高效 的熔化炉； 电弧炉机械结构、自动化系统不断进步，促进了高 效、优质、低成本三方面综合发展，如底出钢技术， 过程计算机控制； 熔炼周期缩短，物料输送和试样化验等负担增加。
3. 电弧炉设计
两种炼钢方法不同点
原料不同是根本
矿石——铁水——氧气转炉炼钢 废钢——电弧炉炼钢 能源 转炉法——主要是利用铁水的物理热和化学热 电炉法——主要是利用电弧的物理热
主要操作目标
转炉法——在给定的时间内完成冶金操作：脱碳、 脱磷、脱硫等； 电炉法——在给定的时间内完成废钢的升温、熔 化和过热等；

炉身壳做成圆筒形，可减少散热面 积及热损失。炉门及出钢口四周的 部分要用钢板加固，容量20吨以上 的炉子在炉壳外面焊有水平和垂直 的加固筋；
加固圈由钢板或型钢焊接而成，大 型炉采用中间通冷却水的加固圈， 增加刚度，防止受热变形； 炉底壳有球形、截头圆锥形和平底 三种。球形底坚固，砌筑时用耐火 材料最少，但制造困难；目前较多 采用截头圆锥形，虽然坚固性稍差， 但制造和耐火材料砌筑都方便；
(1)
电炉炼钢余热利用技术



(2) 化学余热利用——二次燃烧 随着氧煤喷吹技术逐渐应用,原料高配碳技术和泡沫 渣操作工艺的采用,相当量的炉气燃烧不完全。 炉气能量损失有两种: 1) 高温炉气带走的物理显热: 2) 炉气可燃成分带走的化学能。 电炉冶炼过程中, 产生的废气所携带的热量约为向 电炉输入总能量的11% 左右, 有的高达20%。 充分利用炉气可燃成分带走的化学能，进行CO二 次燃烧，产生的能量用于预热废钢也是行之有效的 余热利用技术。
3. 2 电弧炉结构



电弧炉结构是由炼钢工艺决定的，同时与容量大小、 装料方式和传动方式有关。其基本结构由炉体、电 极夹持器及电极升降装置、炉盖提升和旋转装置等 组成； 炉体：由金属构件和耐火材料砌筑而成的炉衬两部 分组成；炉体金属构件包括炉壳、炉门、出钢槽、 炉盖圈和电极密封圈。 （1）炉壳结构 包括炉身壳、炉底壳和上部加固圈三部分。大多由 钢板焊接而成，要求有足够的强度和刚度。炉壳钢 板厚度与炉壳直径大小有关，根据经验取炉壳直径 大小的1/200，通常厚度为12-30㎜；

炉门包括炉门盖、炉门框、 炉门坎和炉门升降机构等 几部分；炉门盖用钢板焊 成，大多制成空心水冷式， 改善炉前工作环境，升降 方式包括手动、气动、电 动、液压传Байду номын сангаас； 炉门框是用钢板焊成的一 个Π形水冷箱，上部嵌入 炉墙体中，支撑上部墙体 重量；
炉门宽C =（0.2-0.3）D； 炉门高=（0.75-0.85）C
电炉炼钢余热利用技术
物理余热利用———废钢预热 *利用废炉气带走的物理余热预热废钢的技术已有 多年的历史, 但各种中低温废钢预热方案都没有取得理 想的效果, 近年来又由于环保问题使中低温度废钢预热 遭到反对。 *物理预热的利用近年来取得了重大突破, 主要有竖 炉——电弧炉法和康钢法(Consteel) 等, 这些技术要么 产生了新的炉型或者有较重大的技术改进。 *从废钢预热技术的预热种类来看, 有料篮式、双炉 式、坚炉型、多级竖炉式、中心装入移动竖炉式等。其 中, 多级废钢预热(Multi Stage Preheating) 技术代表 着当代废钢预热技术发展方向。
国内外电炉炼钢技术的发展趋势



炼钢新原料和短流程的发展, 促进了电炉炼钢的飞 速发展。21 世纪, 是电炉与转炉平分秋色的时代, 因此世界各国都非常重视电炉的发展, 而电炉炼钢 技术发展趋势有如下几点: (1) 超高功率直流电弧炉具有电极消耗低、节电且 对渣线耐火材料侵蚀小等特点, 是世界范围内电炉 发展的总趋势。 (2) 尽可能地利用电炉冶炼废热和化学能, 发展废钢 预热及烟气二次燃烧技术。 竖式电炉不仅在生产率、能量利用、环境适用性及 炉料灵活性等方面占有优势, 而且实现了电炉炼钢 的连续化, 是目前最有发展前途的电炉。

3.1 电弧炉炼钢技术现状及发展


1899 年出现了完全依靠废钢为 原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解 决了充分利用废钢炼钢的问题， 此炼钢法自问世以来，一直在 不断发展，是当前主要的炼钢 法之一。 目前，由电炉冶炼的钢占世界 总的钢的产量的30-40%。
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60年代，出现了超高功率概念，使冶炼时间缩短为 2h，70年代开始为进一步提高生产率、降低能耗和 成本，进行了一系列技术改进，包括水冷炉壁、长 弧操作、计算机控制、泡沫渣操作、炉底出钢、钢 包炉、偏心底出钢及废钢预热等； 到80年代，电弧炉功率水平已经达到800-1000 KV.A/t，冶炼时间缩短为1h； 80年代特殊钢连铸技术在生产上普遍推广，逐渐形 成了废钢预热-电弧炉-炉外精炼-连铸-热送热轧 90年代直流电弧炉推广，并普遍大型化、超高功率 化，相继出现了煤氧喷吹工艺、CO二次燃烧技术、 竖炉交直流电弧炉、双炉壳电弧炉；



电弧炉的内部空间可分为两部分：①在炉壁下缘容 纳钢水和炉渣的部分，称为炉缸，相当于熔池；② 炉缸以上的空间，可以容纳废钢料并进行熔化，称 作熔化室； （1）炉缸：容积能够容纳钢水及钢水量7-8%的熔 渣，并留有适当余量；目前炉缸的形状大致有两种， 倒圆台形和圆台加球缺形。 当熔池全部采用砌砖结构时，多为倒圆锥台，而对 于打结或振动成型的熔池，一般选用圆台加球缺形； 以保证熔化初期聚集一定深度的钢液，以保护炉底 不被电弧烧坏，球缺高度大约为炉缸深度的1/5.圆 台侧面与水平面成45度角，便于出钢后修补炉坡， 出钢时钢水与炉渣能够倒尽；
技 术 措 施
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提高炉龄，减少补炉时间
高的能量利用效率
从某种意义讲，冶炼是一种以能量换取合格钢生 产量的过程。 冶炼能耗用于 合格钢水的物理热——有用能量380kwh/t steel或1368MJ/t steel 合格钢水与杂质的分离——冶炼操作耗能 可利用的余热——物理余热和化学余热 热损失 对于电弧炉炼钢，电能利用效率的指标是变压器 d或t/MVA· a。国内重点企业原平 利用系数：t/kVA· d，相当于～5000 t/MVA· a， 均指标是13～15t/kVA· a。 而国际水平是1.2104t/MVA·
（1）炉壳


（2）炉门

（3）出钢槽
* 出钢槽由钢板和角钢焊成，固定 在炉壳上，槽内砌大块耐火砖。 目前广泛采用整块预制的溜钢槽 砖，砌筑方便，寿命长。 * 出钢槽长度尽量缩短，防止二次 氧化和吸气； *为减少钢液对盛钢桶壁的冲刷及 防止出钢口打开后钢水自动流出， 出钢槽做成上倾8-12度角； *为增加水冷面积，开发了底出钢、 虹吸出钢、偏心底出钢、偏位底 出钢及滑动阀门出钢，普遍采用 偏心底出钢；