150T直流电弧炉炼钢工艺.docx

摘 要
改革开放以来，我国电弧炉炼钢技术紧跟世界电炉炼钢工业的发展趋势，得到了快速发展。特别是冶金工艺流程的革命性变换，如电炉从三期操作发展到只提供初炼钢水的两期操作，从模铸到连铸，从出钢槽到偏心底出钢，以及为了满足连铸生产的快节奏提高炉子生产率而采用多能源的综合利用等等，所有这些改变都是促使为冶金工艺服务的电炉装备也取得了突破性的发展。近十年，我国从国外先后引进了交流超高功率电弧炉、直流电弧炉、高阻抗电弧炉、双壳炉和竖炉。通过这些设备的调试、操作、维护以及备品的制造，提高了我国电炉制造的设计制造水平。在消化吸收与创新的基础上，我国大容量电弧炉的国产化奠定了基础。当前电弧炉正朝着大型电弧炉、超高功率供电技术、采用各种炉外精炼、发展直接还原法炼钢、逐步扩大机械化自动化及用电子计算机进行过程控制等的发展，所以我们进行了电炉炼钢的设计，以适应潮流的发展。
当前电弧炉正朝着大型电弧炉、超高功率供电技术、采用各种炉外精炼、发展直接还原法炼钢、逐步扩大机械化自动化及用电子计算机进行过程控制等的发展，所以我们进行了电炉炼钢的设计，以适应潮流的发展。电炉的主要产品是钢材，而钢的质量取决于电炉冶炼技术和工艺，目前我国钢铁产业大量整合趋向于集中，整合资源优化升级。本设计根据指导老师的课题范围，查阅相关资料，结合南京地区实际条件，优化设计150t直流电弧炉炼钢车间。
本次设计查阅国内大型电炉车间设计的相关内容和文献资料，明确本次设计的目的、方法，并向老师请教可行性方案。结合《炼钢设备及车间设计.》、《炼钢设计原理》、《炼钢设计原理》等资料进行设计提纲的书写。对电炉进行配料计算，计算出电炉炼钢的原料配比。对电炉电气设备、炉外精炼、连铸系统、车间烟气净化系统、炼钢车间布局，结合国内大型电炉进行设定并向苏老师探讨可行的方法和数据。绘制电炉炼钢车间平面布置图。

关键字：电弧炉，车间设计，连铸，炉外精炼

第一章、文献综述
电弧炉炼钢工艺的现状及发展趋势
1.1前言
简史 1888～1892法国埃鲁(P．L．T．He’roult)创建工业电炉，1900～1910年应用于炼钢，其后电炉容量和单位容量功率不断扩大，20世纪60年代初，又成功地发展成高功率、超高功率电炉，单位炉容量的变压器功率逐步由300～400kV•A加大至700～1000kV•A。加上相关技术的应用，从而大幅度地提高电炉炼钢的产量和质量，降低了生产成本，20世纪80年代后，直流电弧炉逐步得到推广采用。
20世纪70年代前，中国的电炉一般都是30t以下的普通功率电炉。80年代开始建设50～。75t普通功率和高功率电炉，同时引进建设了40～150t高功率和超高功率电炉，配备不同型式的炉外精炼设施，炼钢工艺由传统的电炉一步炼钢法转变为电炉与炉外精炼配合的二步炼钢法，电炉承担熔化任务，还原精炼移到炉外精炼装置中进行。
工艺流程选择 传统的电炉炼钢车间采用电炉一模铸的生产流程。新建的电炉炼钢车间普遍采用高功率或超高功率电炉一炉外精炼一连续铸钢(简称连铸)的新流程(图1)。这种流程的最大特点是电炉主要作为炉料的熔化设备，而精炼任务移至炉外进行，不仅可以提高电炉的生产率，而且也保证了钢水质量，解决了电炉与连铸配合上的矛盾，有利于车间全连铸的实现。电炉炼钢车间的产品要考虑专业化生产，尽量避免品种多而全。车间的电炉座数应根据车间产量和品种的要求选用1～2座电炉为宜。
1.2电炉钢比重
近年来，世界电炉钢产量占钢总产量的比重为32%一35%欧盟电炉钢的比重已达到50%。由于电力资源不足以及废钢资源的短缺，我国电炉钢所占比重仍较低。从1993年至今，我国电炉钢生产的发展可分为3个阶段，近几年我国电炉钢占钢总产量比重总体呈下降趋势。
我国电弧炉座数逐年减少，炉容趋向大型化。据不完全统计，2007年>=50t电弧炉产能约占电炉钢总产能的83.5%，成为我国电炉钢生产的主体设备，但是多loot电弧炉产能占电炉钢总产能的比例不及45%，与发达工业国家仍存在较大差距[2]。因此，新建电弧炉应严格按照《钢铁产业发展政策》规定，公称容量不小于70t。
1.3生产情况
1.3.1生产钢种
目前国外150t以上的电弧炉几乎都用于冶炼普通钢，许多国家电炉钢产量的60%一80%均为低碳钢。而我国受废钢和电力资源不足的限制，电弧炉主要用于冶炼高合金钢、大型铸锻件用钢、不锈钢等钢种。随着技术开发力度的继续加大，我国电炉钢质量有较大提高，一些企业成功开发出氮含量小于等于80*10的(-6)次方钢种，最低的氮含量可控制在30*10的(-6)次方，达到了转炉钢的水平，但目前电弧炉普遍生产转炉钢种不具备成本优势[4]。
1.3.2炉料结构
我国电弧炉消耗钢铁料结构发生变化，吨钢废钢消耗逐年减少，而吨钢生铁消耗逐年增加。
为降低生产成本，多数钢铁企业电弧炉炼钢采用配加高炉铁水工艺。根据实践经验，我国电弧炉炼钢采用热装30%一35%的高炉铁水效果最佳，也有少数钢铁企业选择配加40%一50%的热铁水。目前国外还有电弧炉配加Corex铁水的冶炼工艺，与高炉铁水相比，铁水质量无明显优势，但是生产和运行成本较高，进一步推广还有较大难度。
1.3.3工艺措施
目前电弧炉技术开发主要以提高能量输人、缩短冶炼周期、提高生产效率为主。随着国内外电弧炉炼钢向大型化、超高功率以及计算机自动控制等方向发展，生产企业为缩短冶炼周期、提高生产效率、降低电耗，研究了多种冶炼方式，并采用了不同的强化冶炼工艺技术和装备。近年来出现的主要新型电弧炉有双壳电弧炉、Consteel电弧炉、带废钢预热装置的竖式电弧炉等，甚至出现了双炉壳、同时带有电极和氧枪，能根据炉料变化以电弧炉和转炉两种工艺操作的
CONARC炉，称为电转炉。电弧炉冶炼工艺不断改进，总体目标是缩短冶炼周期，工艺措施分类总结如下[3]:
(l)提高吨钢输人电功率，如超高功率电弧炉、直流电弧炉、高阻抗或变阻抗交流电弧炉;
(2)提高电效率、功率因数，如优化电弧炉供电制度和短网结构、采用导电横臂、长弧操作、吹氨搅拌等;
(3)提供化学热源，如二次燃烧、氧燃烧嘴、碳-氧喷枪、底吹氧、外加热铁水技术等;
(4)提供物理热源，如废钢预热、加适量的热铁水显热等;
(5)优化工艺，如偏心底出钢、机械化加料系统和连续加料方式、快速测温取样分析等。
1.4短流程电炉炼钢新技术
1.4.1废钢预热
目前工为应用较为普遍的新型废钢预热的方式大约有以下三种:
(1)竖炉法。竖炉法是德国福克斯(Fcrh)s公司开发的技术，该方法产生于20世纪80年代末期，其特点是在炉盖一侧直接装有废钢预热竖井，使排出炉外的电炉烟气直接穿过待预热废钢，高温烟气与竖井内废钢进行充分的热交换，然后进
入除尘系统。与常规电炉比较，节电与节能效果可达lokow·队，金属收得率可增加2%.
(2)双炉壳法。20世纪60年代，瑞典第一次将双炉壳电炉用于生产中，即用两个尺寸完全相同的炉壳，共用一套供电系统，两个炉子轮流进行装料、熔化、精炼出钢操作，近年来在日本、德国也出现采用这种工艺操作的电炉，使电炉炼钢的非通电时间大大缩短时可达到2一4分钟(比常规电炉可缩短10~15分钟)。双炉壳电炉的主要特点是缩短冶炼时间，提高生产率(比如单电炉不易掌握，操作难度大，且与后步工序配合困难。此处，还多出一套炉壳的投资费用，占地面积也相应加大，因此建投资增加很多[5].
(3)水平式废钢预热一Cnoestel法水平热烟道下部的传送料车连续地送入炉内，外排的炉内烟气与废钢逆向运动进行热交换。在水平烟道中的不二次燃烧，出口烟温度可达到1000℃。这种预热方式可以最大限度地利用与减少烟气中的物
理热与化学热，同时烟气中的氧化铁尘粒同样可由废钢吸附带回炉内，提高金属收得率。水平、连续地预热废钢，预热后的废钢连续加入炉内，带来的好处不仅是烟气余热利用与减少烟尘排放，而且这种独特的操作方式对稳定供电很有好处。炉内总能保持相当部分的液态钢水熔池，这非常有利于电极电弧稳定，消除电网闪烁，保持较高的输入功率[6]。
废钢预热方式可以给电炉冶炼带来以下几个好处:
节约能量;节约时间;收得率提高;减弱电网闪烁。
1.4.2水冷炉壁和水冷炉顶
现代电炉的平均水冷炉壁面积已达到70%，水冷炉顶面积已达到8%。该技术的采用使电炉的热损失增加5%~10%，但由于节省了50%~75%的耐火材料成本和喷补料成本，并使炉顶寿命提高了50%。渣线上部耐火材料的维护作业被取消，使工人劳动强度大大降低。同时，由于电炉改用长弧操作，冶炼时间缩短5~10min，总体效益显著[10]。
1.4.3氧一燃烧嘴与炉门碳氧枪
(1)炉炼钢化学能供应
现代电炉炼钢化学能输入有以下途径:
氧气;
碳粉、煤粉、石油焦等，主要是固体碳颗粒;
天然气、丙烷等可燃气体;
轻油、重油等液体燃料。
除氧气外，其余三种也称为石化燃料(ofsseliufel)或矿物燃料(而nearluefl)。通过氧燃烧嘴将这些矿物燃料输入炉内。输入化学能的目的是增加辅助能量，但这不仅仅是起一个能量补充的作用，对于电炉炼钢来说，采用辅助能源输入还有以下几个原因:
电能及电极费用的普遍增长，提高了电炉熔化废钢等金属料的成本。
对超高功率电炉来说既存在着电极附近的热区，也存在着远离电极的冷区，为减少炉内炉料的不均匀性，以氧一燃烧嘴作为辅助能源手段，对冷区进行热量补偿。
氧一燃烧嘴安装在水冷炉壁上，与从炉门输入化学能相比，操作简单，维护方便。辅助能源输入以比较少的设备投资，换出缩短熔炼时间，提高生产率，节电、节省电极的效果显著。一般可节电100/0015%，增加生产率6-0/010%，安装后-68个月即可回收投资,氧一燃烧嘴安装是辅助能源输入方式的一种，另外一种辅助能源输入方式是炉门碳氧枪。
氧燃烧嘴
纯氧助燃的优越性[8]
使用纯氧代替空气助燃，亦即避免惰性气体NZ进入燃烧区。它有两个优点，一是能提高火焰温度(因为避免了无助燃作用，并且吸热的氮气混入);而是能提高燃烧率(即燃料完全燃烧的程度)。从图3可以看出使用空气助燃天然气，火焰温度可达1800℃，随着助燃气体中氧含量的增加，当达到100%纯氧时，火焰温 度可以提高1000度，达2800℃。
图4烟气温度上升对天然气完全燃烧不利，但使用纯氧助燃与使用空气助燃，二者燃烧率下降幅度不同，使用氧气助燃时，燃烧率下降幅度小。同是1600℃的烟气温度，使用纯氧助燃，燃烧率在70%以上，而使用10%过量空气助燃，天然气燃烧效率只有20%。因此，现代电炉使用的氧一燃烧嘴全部都是使用纯氧助燃。

图1-3 火焰温度与助燃物氧气含量的关系

图1-4 燃烧率与烟气温度的关系
氧一燃烧嘴结构以及在电炉内的布置
依使用燃料种类不同，氧一燃烧嘴结构也会不同，但基本结构还是一致的。最外层一般都是冷却水保护，使烧嘴免受高温辐射以及溅渣等侵蚀。里面依次是氧气和燃料的喷嘴，假如使用液体或粉状材料，则燃料喷嘴内还要考虑有载气输送。烧嘴的大小和多少依据电弧炉容量(也即电炉炉壳尺寸)以及电炉冶炼工艺条件(如废钢种类、DRI使用数量、是否有废钢预热或热装铁水等)而定。一般来说，使用废钢预热或有铁水热装的电炉，氧一燃烧嘴的个数与功率都可适当减少小，而使用重型废钢或。DRI比例大的电炉，烧嘴配置应适当多些或功率需适当大些。氧-燃烧嘴一般是安装在电炉水冷壁上，个数3一6只，大部分电弧炉烧嘴在炉壁上安装的位置先靠近炉内的冷区(如交流电弧炉，在电极之间共有3个冷区，ETB底出钢电炉的留钢区域也是冷区)，便于加速废钢熔化。较小的电炉可以在炉门上安装烧嘴，单个烧嘴安装在一支撑小车上可使烧嘴灵活对准炉内某个区域，使烧嘴火焰有效地达到炉内冷区。也有个别的电弧炉，氧一燃烧嘴被设计安装在炉盖之上，这对于炉盖旋转或平移的操作很不方便，但对于使用大量泡沫渣的电炉，炉盖烧嘴可以避免炉壁烧嘴出现灌渣现象
(3)炉门碳氧枪
为加速炉内废钢熔化，传统电炉操作是采用人工吹氧的办法，即操作工手持吹氧管从炉门从炉门切割废钢，或将吹氧管插入熔池加速废钢熔化，并可加速脱碳。现代电弧炉炼钢取消人工操作而代之以氧枪机械手，在电炉主控室内遥控吹氧。近年来，由于造泡沫渣的需要，在向炉内吹氧的同时，用另一只喷枪向炉内喷枪向炉内喷入碳粉。
炉门碳氧枪可分为两大类，一类是水冷碳氧枪，一类是消耗式碳氧枪。碳氧枪系多层无缝钢管制造，端头为紫铜喷头，类似于氧气顶吹转炉的水冷氧枪，电炉用水冷碳氧枪是在炉门前(渣门)水平放置，长度比顶吹转炉所用氧枪短得多。另
外，铜喷头吹氧口下方放置喷碳粉出口，或另外附加水冷碳粉喷枪。碳粉可用压缩空气或氮气做载气喷入炉内。
水冷碳氧枪在炉内工作时，水平角度与坚直角度均可调整以便灵活地实现助熔废钢与造泡沫渣的功能。
由于喷枪是用套管水冷的，因此，水冷碳氧枪伸入炉内时不可插入钢水熔池，也不能与炉内废钢接触，否则会影响喷枪的寿命，喷枪浸入钢水熔池，会发生爆炸事故。为了保证氧气流股吹入熔池水冷氧枪喷嘴设计成拉瓦尔式，气体出口速度超过音速。水冷碳氧枪使用时枪头距熔池液面距离应在100mm以上。
消耗式氧枪是用机械手驱动的三根外层涂料(AIN)的钢管钢水熔池，也可直接用于切割废钢助熔，喷枪一边工作一边消耗。喷枪机械手由电炉主控室遥控，将喷枪头部对准炉内需要的位置，水平角度与竖直角度均可调整，且比水冷喷枪在炉内活动范围大。
两种碳氧枪各有特点，各有利弊。水冷氧枪一次性投资大些，且操作中不能接触钢水与红热废钢，有一定的局限性，但操作成本低，且操作工无需更换喷管。消耗式氧枪在炉内可更早地开始切割废钢，在炉内活动空间大，且不用担心水冷碳氧枪会发生的漏水事故，但操作过程中隔一段时间需要接吹氧管，增加一些麻烦。
4）电炉炉底出钢(留钢留渣操作)
传统电弧炉炼钢一般采用三期冶炼工艺，即熔化期、氧化期、还原期。出钢时，随钢水从出钢槽流入钢包的炉渣，对钢水质量没什么不利影响。相反，由于还原渣洗的作用，钢水还会进一步脱硫，夹杂物在某种程度上被还原渣吸收，还原渣对钢水有一定净化作用。
现代高功率电炉与炉外精炼技术应用以后，取消初炼炉电炉的还原期操作。电弧炉出钢前的炉渣是氧化性的。出钢过程中，假如这种氧化性炉渣流入钢包，会对炉外精炼效果以及钢水质量造成不利影响:
(1)降低钢包精炼渣的脱氧脱硫能力;
(2)降低合金回收率，特别是会增加脱氧用铝的消耗;
(3)增加对钢包包衬的侵蚀，特别是渣线部位。
因此，自20世纪70年代以后，电弧炉无渣出钢(留钢留渣操作)技术研究成为现代电弧炉冶炼技术研究的一个热门课题。
5）ETB出钢法[13]
1989，蒂森特钢公司与曼内斯·德马克冶金技术公司及丹麦特殊钢厂合作，开发出世界上第一座偏心炉底出钢电炉，也叫EBT(EeentrieBottomTapping)电炉。这种电炉吸取了中心炉底出钢的经验，把底出钢口移至炉壳的一个向外突出部份。
偏心炉底出钢电弧炉的炉壳上半部仍为圆形，下半部带有突出的圆弧形出钢箱。传统的电弧炉出钢时，一般需要把炉子倾动450左右，才能把钢水出完。为使钢水不接触水冷炉壁，在出钢槽铡钢水面以上400mm这一部分，仍是用耐火材料砌筑的，这是影响炉衬寿命的薄弱环节，对超高功率的电炉来讲，这个问题更为严重。采用偏心炉底出钢技术后，出钢时炉子倾动最多仅需150左右，可以避免钢水与水冷炉壁的接触。这样炉衬可以大面积采用水冷炉壁，从而提高炉衬寿命。一般采用偏心炉底出钢法，可以使电弧炉水冷壁面积从整个面积的70%~80%扩大到80%~90%。偏心炉底出钢电弧炉炉底设计成浅盘状，以确保无渣出钢。ETB电炉出钢口底部的开启与关闭机构有两种形式。
① 将密封盖固定在一个空心轴上，轴内通水冷却，轴安装在电弧炉摇架下部，用液压缸或气缸将轴快速转动到一定角度，即可实现出钢口开启和关闭。此种机构无相对磨擦，应用较多。
② 以一种类似钢包底部的滑动水口底板，用液压缸将底板平移。从而实现钢口的开启和关闭。
为确保顺利出钢，在上一炉钢水出钢完毕后，出钢口中要填入引流砂，引流砂是一种含Fe03大约10%(质量分数)的MgO与SiO2混合填料。开启出钢口以后，先是引流砂自动流出，然后才是钢水出来。当钢水温度、成分达到出钢要求时，即可准备出钢。出钢过程为:先将钢包车开到出钢箱下面;打开出钢口之前，使炉子向出钢口侧倾斜约5度，形成足够的静压力，防止炉渣从钢水产生的漩涡中流入钢包;打开出钢口盖板，开始出钢，出钢过程中，炉子渐渐地倾斜到12度，以保证出钢口上面的钢水深度基本不变。大约排出90%钢水后，炉子就以3度/s的速度回倾到原位置，以避免或减少漂在剩余钢水上的炉渣从出钢口流进钢包。
（1）SSF竖式电炉RBT出钢
SSF电炉出钢在炉底位置。这种圆形出钢方式的优点是出钢时炉子倾动角度可以更小，出钢时间可以控制在3min以内。除此之外，与ETB相比，最大的优点是在冶炼熔化期避免偏心留钢部分的炉内冷区，防止出钢时出钢口区由凝结冷钢，再有就是这种出钢方式也有利于实现出钢口自动填砂。减轻工人劳动强度。
（2）采用ETB或RTB出钢的冶炼工艺效果
采用ETB或RTB出钢电弧炉冶炼，可以摆脱传统的“老三期”冶炼工艺，为实现超高(或高)功率电弧炉冶炼咔炉外精炼十连铸的现代化炼钢工艺提供良好的冶炼条件。由于实现留钢、留渣操作、冶炼熔化期电弧稳定，熔池形成可提前10~15min，可提前和强化吹氧，同时也改善了钢水脱磷条件。与传统的电弧炉相比，底出钢电弧炉冶炼的生产率及各项技术经济指标都有明显的改进，如表2所示。
表1-2传统电炉和EBT电炉各指标比较

在冶炼工艺方面可以获得以下几方面的效果[11]:
A减少出钢过程温降。偏心炉底出钢电弧炉出钢时，钢流垂直流下，较为集中呈柱状，流程缩短，出钢速度远高于传统电弧炉，使出钢过程钢液温度降减少。表3一2是炉容量为50t的偏心炉底出钢电弧炉出钢时间和出钢温降与普通电弧
炉的比较。对EBT电弧炉，出钢时间仅为2min，而普通电弧炉需要5min，出钢时间缩短60%，而出钢温降从40.6’C下降到34.8’C。
B.减少出钢过程下渣量。在熔化、氧化操作结束后，此时的炉渣是氧化性的，如果炉渣进入钢包，则会增加合金的消耗量，影响钢水的精炼效果。采用偏心炉底出钢，可以减少或避免氧化渣进入钢包。采用EBT工艺使钢包内渣层厚度由240减少到80rnrn，因而使钢水回磷少0.004%。这样采用EBT工艺可不通过钢包扒渣而生产低磷钢。
表1-3 出钢时间和出钢温降
炉型
出钢时间/min
出钢温降/℃
普通电弧炉
5
40.6
偏心炉底出钢电弧炉
2
34.8
C.提高钢包寿命。采用EBT工艺，出钢时钢包底部加入的合金料或新的渣料，可以防止钢流对包底的冲刷。同时，垂直密实的钢流，不会冲刷包壁及使钢包周围结瘤，这样可提高钢包寿命20%~40%。
D.提高生产率。EBT或RBT电弧炉由于在出钢时炉子倾角小，钢水不会浸没水冷炉壁，因此可使水冷炉壁面积加大，从占整个面积70%一80%扩大到80%一90%，从而大大提高炉衬寿命，大面积用水冷炉壁，允许电弧炉采用最大功率供电，每炉钢熔化时间可缩短3一5min左右，与此同时冶炼电耗也可以得到降低[7]。
1.5我国电炉炼钢现阶段存在的主要问题
1.5.1 废钢资源现状
废钢资源的短缺：我国工业化进程短，社会废钢资源不足，而且钢铁制造过程技术进步使自产废钢不断减少，同时废钢进口量也相应下降，所以我国废钢资源短缺、价格居高不下[9]。
1.5.2 电能电价现状
电能短缺与电价成本：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[14]。
1.5.3有害元素的困扰
废钢循环过程中有害元素的富集：废钢作为短流程的主要原料，其质量在不断恶化。一方面随着废钢循环次数的增加，有害元素不断富集；另一方面钢材表面涂层技术和复合材料的广泛应用使回收的废钢带有 C u 、Z n 、P b 、S n 、M o 、N i 等元素，这会不同程度地对钢材质量造成影响。大部分短流程没有实现全线优化，生产效率不理想。因此应以循环经济的要求来衡量，保证生产顺行，减少设备故障和生产事故，合理调度，提高作业率[14]。
1.5.4环保问题
在节能环保方面存在较大差距：由于认识不足、生产管理不善以及缺乏技术和投资等原因，造成大量的能源浪费及环境污染。
1.6电弧炉短流程发展趋势
1.6.1 短流程生产工艺体系的优化
电炉短流程炼钢工艺是集中了当今先进的炼钢生产技术于一身的先进生产工艺，其关键技术将是整体工艺的优化设计、物流参数的合理匹配以及总体装备水平的最佳配置。短流程生产工艺体系的整体优化不仅包括了大型电炉及其相关配套技术、精炼技术、近终型连铸技术等单项的技术优化进步，更需要注意建设过程中的生产布局优化和生产过程中的生产物流优化和工序持续优化。传统的工程初步设计往往采用类似工程的简单套用和基于设计者经验的主观判断法，并不能体现全局综合物流优化效果，而采用仿真技术将会成为未来的发展趋势，其能够对多种方案进行分析比较，将复杂动态的钢铁运行过程通过模型得以再现，可定量对多方案进行技术经济比选，优化短流程生产工艺中的时间节奏和物流流量的匹配衔接，从而发挥短流程优势，为钢铁工业的资源优化、能源优化、产品结构优化、经济效益优化提供了一条最优化的工艺布局和路线。
1.6.2电炉冶炼高效化
电炉作为短流程工序的生产核心，其生产的高效化直接影响着该生产流程效益的发挥。电炉冶炼高效化追求的目标是冶炼周期、通电时间尽可能缩短，冶炼电耗尽量降低。随着电炉转炉化的趋势越来越明显，电炉的熔化周期成为短流程炼钢的研究热点，已有学者以能量平衡为基础分析了影响电炉熔化周期的因素指出进一步强化电弧炉炼钢、提高生产率的手段主要在于提高能量供应量和供应强度，表现在技术层面上就是装备的大型化、更高功率、提高化学能输入强度以及减少非通电操作时间或辅助操作时间等[15]。
值得一提的是，让电炉具有高炉连续生产特征的CRISP连续电弧炉炼钢工艺已成功完成中试实验，以DRI 为原料的CRISP 炉，完全可以实现连续加料、连续冶炼和周期出钢：像高炉炼铁一样的连续炼钢，该工艺在未来短流程的成果应用将有效提高整个生产流程的生产效率。
1.6.3低生产成本的过程管理与控制
成本是制约短流程发展的关键因素。在短流程炼钢工艺中，成本构成包括原料成本、能源成本以及生产管理成本等。未来竞争的胜利者将是那些所有拥有的技术能够控制成本的厂家，因此任何降低成本的技术均能促进短流程的发展[16]。
1）减少原料成本的技术：如加强对废钢的分类加工和管理。
2）降低能源消耗的技术：展开电炉供电技术优化的研究加强炉气物理热和化学热的回收，如采用电炉热装海绵铁以及废钢预热技术以及连续上料装置的实现。据报道德国奥蒙德输送技术有限公司（Aumund fordertechnik公司）开发出一种新的直接还原铁输送系统，可以将热直接还原铁密封输送，该技术的应用可使电能消耗最多降20%，另外，在缺电地区，可发展EOF(Energy Optimizing Furnace)的短流程炼钢工艺。
1.6.4控制生产成本的技术
操作过程的连续化和自动化，缩短热停工时间，以及围绕缩短电炉冶炼周期的新技术和新装备的研发，从而起到强化电炉冶炼，降低能耗提高劳动生产率，以使吨钢能耗、耐材和电极等辅助材料消耗及劳动成本大幅度降低。
1.6.5节能环保
实现短流程工业的可持续发展电炉短流程本就是有利于循环经济和环境保护的生产流程，据统计在满足国民经济需求的钢产量一定时，生产一吨电炉钢比生产一吨转炉钢可以多循环利用废钢500～600公斤，少消耗铁矿石1.3吨，降低可比能耗265公斤标煤，减少二氧化碳排放1126.3公斤。生产一吨转炉钢约排放二氧化碳1.8吨，生产一吨电炉钢约排放0.6吨，为转炉钢的1/3。从节能环保、实现电炉短流程可持续发展角度，需研究大量关键技术，如控制电弧炉冶炼中二恶英产生和排放的技术；以提高能源与资源利用率为目标的多种能源与多种炉料的匹配与优化技术；以降低冷却水能耗与水耗为目标的气化冷却技术；以改善氧气利用率和降低排放为目标的加压与密封技术；基于先进连续检测、成分与温度预报模型和智能化控制技术的计算机集成制造技术；实现将材料制造、能源生产和废物处理等功能相结合的综合管理和控制技术等，让短流程成为清洁生产、能量和资源循环利用的典范[17]。
1.7电弧炉短流程展望
与转炉长流程相比，电炉短流程在投资、资源（包括土地）、能源（包括铁矿石、焦煤等）和节能环保、可持续发展等方面都具有优势。而短流程必须依靠自主创新来支撑电炉炼钢工艺，以进一步优化工艺过程，降低生产成本。随着世界范围内低碳经济的呼声越来越高以及国家关于节能环保等相关政策的实施，短流程的发展将会主要围绕原料和能源两方面展开。因此，能适应原料以及带入炉内的能量的变化，同时采用全封闭设计，高温预热废钢以及连续加料工艺的连续电弧炉炼钢工艺在未来发展中将会比较有潜力。中国钢铁行业的工程公司和研究机构应致力于加大对炼钢短流程工艺和设备技术方面的研发力度，形成拥有自主知识产权的、独创性的相关技术，逐步追上国际同行的步伐，才能在不久的将来炼钢短流程迅猛发展的时代占据一席之地。总之，随着对炼钢短流程工艺以及各项关键技术的深入研究，中国的电炉炼钢短流程将会有更大的发展和提升，也会大大促进我国钢铁工业的可持续发展[17]。
第二章、设计总体规划
2.1设计概述
2.1.1 设计的基本原则及内容
(1)设计的基本原则
①贯彻执行党和国家建设四化的方针、政策及其有关规定。在厂址选择及进行厂总平面布置时，尽量少占有现有耕地，“三废”的处理和排除不应污染环境，不应有害农业生产，且应综合利用。在方案的确定和选择上要考虑到国家的现状和要求以及未来发展的需要。
② 设计中的技术紧密结合我国的具体情况，保证技术先进与经济合理相结合。在生产工艺流程和机器设备的选择上。考虑到我国现有的生产技术水平，尽可能地提高机械化，自动化的程度。以达到高产、优质、低耗，提高经济效益。充分利用本地资源，发挥现有工业基地的潜力，降低成本。
③ 设计应充分体现社会主义制度对劳动者的安全与健康的关怀，应把环境提到重要位置，重视“三废”处理及综合利用。
(2)设计内容
设计内容包括：产品方案确定，炉型设计(炉子容量及座数确定，炉型尺寸计算、变压器及电器参数选择等)，电炉车间的设计和选择(车间设备选择及布置，各跨间的设计),烟气净化设计等。
2.2电炉炼钢生产技术经济指标和车间生产能力计算
2.2.1电炉生产作业效率指标
作业率：有效作业时间(按年、季、或月内的)占日历时间的百分比，称为作业率。如年作业率：
有效作业时间=有效作业时间/365=340/365=93.15%
有效作业时间＝日历时间－停工时间
2）日历利用系数：它是一个包含有电炉变压器容量在内的平均日产量指标，定义为：每百万伏安昼夜（24小时）产钢量（合格钢锭吨数），t/d·MVA。
利用系数==0.032
3）良坯收得率
α＝合格钢锭量/全部入炉金属料量
合格钢锭量＝全部入炉金属料量-熔损量-（汤道+铸余+包底量）-废品量
收合率的倒数称为金属消耗系数。
金属收合率与冶炼钢种、方法、钢铁料质量、锭型大小、铸锭方法、炉子公称容量等因素有关。我国连铸法生产的收合率为95～96%。取96%。
另外，要注意钢锭收合率与钢水收得率的区别。
钢水收得率＝合格钢锭量/合格钢水量
4）冶炼周期
电炉冶炼周期一般为60～70分钟，本设计取约为1.2小时.
2.2.2 材料消耗指标的计算
表2-1.熔化期和氧化期综合物料平衡
收 入
支 出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
废钢
75.000
63.85
金属
97.894
83.83
生铁
25.000
21.28
炉渣
8.050
6.89
焦炭
0.843
0.72
炉气
9.271
7.94
电极
0.400
0.34
铁的挥发
1.564
1.34
矿石
2.000
1.70

石灰
4.700
4.00

火砖块
0.500
0.43

炉顶
0.128
0.11

炉衬
0.350
0.30

氧气
2.236
1.91

空气
6.296
5.36

合计
117.453
100.00
合计
116.779
100.00

1）150t电弧炉实际消耗量为：
○1废钢150×75%=112.5t 　○2生铁150×25%=37.5t
○3焦炭150×0.843%=1.2645t　 ○4电极150×0.4%=0.6t
○5矿石150×2.0%=3t ○6石灰150×4.7%=7.05t
○7火砖块150×0.5%=0.75t ○8炉顶150×0.128%=0.192t
○9炉衬150×0.35%=0.525t ○10氧气150×2.236%=3.354t
○11空气150×6.296%=9.444t
2.2.3电弧炉车间生产能力计算
电弧炉年产量A（t）的计算
A=
式中：n——全年实际有效作业日数 （一般取340d/年）
g——出钢量t
t——冶炼周期1.2h
y——良锭收的率96%
24——一天的时间

2.2.4 电弧炉车间组成
1）电弧炉车间的组成
电弧炉炼钢车间组成大致可分两部分，一个是主生产系统，另一个是辅助生产系统。
完整的电弧炉车间应包括:
○1炼钢主厂房（炉子跨、原料跨、等）
○2废钢料堆场及配料间
○3铁合金的散状料间（包括废钢处理设施）
○4钢锭坯检验与精整胯间 ○5合金钢锭存放场地
○6中间炉渣场 ○7机电维修间 ○8快速分析室
○9炉衬制作与修理场地 ○10车间变配电室
○11耐火材料库 ○12 备品备件库○13水处理设施
○14烟气净化设施 ○15车间管理及生活服务设施
○16各种气体和燃料的供给与生产一般有全厂统一管理
2.3电弧炉预热方式
本设计采用双壳电弧炉预热方式。双壳电弧炉是两座炉壳共用一套供电系统（包括高压供电设备、变压器、短网、电极、及其他把持升降机构），当一个炉壳在进行废钢融化时，另一个则在出钢补炉时装料等非通电作业，从而非通电时间不占用每炉钢的冶炼时间，电气设备的利用率提高，冶炼时间缩短，技术经济指标改善。

电弧炉生产工艺简图

第三章、现代电弧炉炉型及其炉体结构设计
3.1电弧炉炉型设计
电弧炉是电炉炼钢车间的核心设备，电炉设计的好坏直接影响到炼钢生产的顺利与否。如果设计不合理造成先天性缺陷，一旦投产就很难再做改动，所以对于电炉设计应予以重视。
3.2 超高功率炉型设计
设计步骤：（以150吨电弧炉为例）
（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） 确定炉顶的拱高和和炉盖的厚度；
（5） 确定炉衬的尺寸和炉壳的直径；
（6） 确定偏心炉尺寸

图2-1 电炉炉型

3.2.1 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。实际生产过程中，随着熔炼炉数的增多，熔池容积不断增，装入量或者出钢量也就不断增大。另外生产中还经常用提高炉门门槛即造假门槛的办法来增加炉产量，这样就出现了超装问题，一般认为超装20％左右为宜，不宜超装太多，大电弧炉基本上不超装。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。
（1）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。本设计使用目前较为流行的锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠。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°，其优点如下：
（1） 45°角叫自然锥角，沙子等松散材料堆成堆后的自然锥角正好是45°。当用镁砂补炉时利用镁砂自然滚落的特性，可以很容易的使被侵蚀的炉坡得到修补，恢复原状；
（2） 出钢时炉子倾斜12°～15°能顺利出净钢水。
（2）熔池尺寸计算
① 熔池的容积V池。根据定义：V池＝V金+V渣
电炉的氧化期具有最大的渣量。
对碱性电炉：G渣/G钢＝0.07＝7%，而渣的比重为3.0~3.5 t/m3，取每立方米渣重3.3t，则每吨渣的体积为0.3 m3。
则： V渣/V金＝＝0.15，所以：V池＝1.15V金＝1.15 GV0
式中：G—炉子容量，吨；V0—吨钢液的体积，取0.14 m3/t 。
则对于150吨电弧炉：
V池＝1.15V金＝1.15 GV0＝1.15×150×0.14=24.15 m3
② 熔池直径D（渣面直径）和深度H之比D/H；在计算熔池直径D和深度H之前，首先确定一个合适的D/H值。在熔池容积一定的条件下，D/H大，则熔池浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面积越大，有利于钢渣之间冶金反应的进行。因此，希望D/H大一些，但D/H太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是炉壳直径增大，导致D壳太大，炉壳散热面积增大，电耗也增大，因此D/H又不能太大。如果D/H太小，熔池太深，钢液加热困难，温度分布不均匀性增大。在氧化期应对金属进行良好的加热，并对熔池中金属进行强烈沸腾搅拌，以使金属成分和温度均匀。
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：

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带入上式，整理后得：
V池＝12.1H3＝0.0968D3
若V池＝24.15 米3，则

h1＝H/5=1.259/5＝0.252 m
h2＝4/5H＝4/5×1.259＝1.007 m
d＝17/5H＝17/5×1.259＝4.281 m
3.2.2 熔炼室尺寸
熔炼室是指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小应能一次性装入堆积密度中等的全部炉料。
（1）熔炼室直径D熔
炉坡与炉壁交接处的直径，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
因D＝6.295m，则D熔＝D+2×100＝6295+200＝6.495 m
（2）熔炼室高度H1
金属炉门槛至炉顶拱基的