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Yu

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Abstract

Thisisdesignedtothisdevelopmentsurveyofcurrentelectricarcfurnace（eaffuturedevelopmentprospectsandcombinedwiththeprofessionaltheoriesknowledge,Electricarcfurnacesteelmakingworkshopdesignedannualoutputof1.8milliontonsofbillets.accordingtothedomesticandforeignsteelmakingtechnologydevelopmenttrend,steelproducts,chosethedevelopmentdirectionofadvancedandhavelargerdevelopmentroomofshortflowprocess:

rawmaterials,scrapandhighpowerelectricarcfurnaceandfurnacerefining-VODfurnaceLFcastingandrefining.Throughproductsoutlineascertained,eafmaterialbalanceandthethermalequilibriumcalculation,eaffurnacetypedesign,equipmentselection,workshopcastingprocessdesignandworkshoplayout,identifiedwitha200tonsofhighpowerelectricarcfurnace,aLFfinerandacastermainproductionequipment.ForDesignschemestotechnologyandnewandhighefficiencyfortheprinciple,fullyembodiestheadvanced,flexible,multi-functioncharacteristics,withsustainabledevelopment.Thecontentincludesthedesignspecificationssubmitteda（includingprojectandmetallurgyprofessionaltranslationrelatedforeigndocumentseachanarticle）,eaffurnacetypefigure,workshoplayoutandsectioneachone.

Keywords:

development,UHP-EAF，Steelmaking，LF，VOD，processdesig

1综述

1.1电弧炉简介

电弧炉（electricarcfurnace）利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。

气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在3000℃以上。

对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。

电弧炉按电弧形式可分为三相电弧炉、自耗电弧炉、单相电弧炉和电阻电弧炉等类型。

电弧炼钢炉的炉体由炉盖、炉门、出钢槽和炉身组成，炉底和炉壁用碱性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。

电弧炼钢炉按每吨炉容量所配变压器容量的多少分为普通功率电弧炉、高功率电弧炉和超高功率电弧炉。

电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢。

电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利。

电弧炉炼钢发明后不久，就用于冶炼合金钢，并得到较大的发展。

随着电弧炉设备的改进以及冶炼技术的提高，电力工业的发展，电弧炉炼钢的成本不断下降，现在电弧炉炼钢不但用于生产合金钢，而且大量用来生产普通碳素钢，其产量在主要工业国家钢总产量中的比重，不断上升。

1.1.1电弧炉炼钢发展概况

电弧炉炼钢起源可上溯到1853年，法国人皮松（Pisson）用两根水平电极在熔池上方发生电弧间接加热熔池，熔炼金属成功。

1879年西门子（K．w．Siemens）改用一根直立电极与金属熔池直接产生电弧而加热熔池。

1899年，美国有人曾试用两根直立电极直接加热熔池的方法，但使用的仍是直流电源，功率不足以熔化废钢，未能用于生产。

近代电弧炉炼钢的雏型是1907年美国出现的埃鲁（P．L．T．HEroult）式电弧炉-三相交流电弧炉。

由于其功率大、工艺灵活、可用废钢为原料、产品质量高而赢得市场，随后推广到各国。

电弧炉炼钢是向炉内通过3个石墨电极输入交流电，电极下端与炉料之间放电产生电弧，利用电弧的热效应，使电能在弧光中转变为热能并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣，使炼钢过程得以进行，冶炼出各种成分的钢。

1.1.2电弧炉分类

1.三相电弧炉

这种电弧炉用三相交流电为电源，一般用碳素电极或石墨电极。

电弧发生在电极与被熔炼的炉料之间，炉料受电弧直接加热。

电弧长度靠电极升降调节。

为提高熔炼质量，大型电弧炉在炉底装有电磁搅拌器，驱使炉内熔螎金属沿一定方向循环。

50吨以上的电弧炉常装有炉体回转机构，炉体能左右旋转一定角度，使炉料受热均匀，金属液出炉时炉体可以倾斜。

三相电弧炉广泛用于炼钢。

2.自耗电弧炉

　　这种电弧炉的电极就是被熔炼钢的原料。

熔炼时，随着钢原料的不断被熔化，电极不断下降。

熔化的钢水滴入用水冷却的紫铜筒形坩埚内，凝结成钢锭。

这种炉主要用于合金钢的熔炼。

用于熔炼钛、锆、钨、钼、钽、铌等活泼金属和难熔金属的自耗电弧炉，一般在真空下工作，因而称为真空自耗电弧炉。

3.单相电弧炉

　　这类电弧炉用单相交流电供电。

炉料在电弧间接加热。

单相电弧炉多用于铜和铜合金的熔炼。

4.电阻电弧炉

炉子结构同炼钢电弧炉相似。

工作时，电极下端埋在炉料内起弧，除电极与炉料间的电弧发出热量外，电流通过炉料时炉料电阻也产生相当大的热量。

这类电弧炉主要用于矿石的冶炼,因此又称矿热炉。

1.1.3电炉炼钢的发展

　　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60～100min。

（2）电能充足、电价稳定，吨钢电耗不大于375kW·

h。

（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20～40m3/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60～70min，吨钢电耗不大于375kW·

h，吨钢电极消耗不大于1.5kg。

1.2电弧炉炼钢的新技术

1.2.1超高功率电弧炉技术

为提高电弧炉炼钢的生产率和降低成本,1964年,在美国矿冶石油工程师协会的电炉会议上,美国的Schwabe和Robinson共同提出了超高功率的概念。

超高功率电弧炉具备如下特征:

（1）具备较高的单位功率水平。

（2）高的电弧炉变压器最大功率利用率和时间利用率。

（3）较高的电效率和热效率。

（4）较低的电弧炉短网电阻和电抗,且短网电抗平衡。

1.2.2强化供氧技术

近代电弧炉炼钢大量使用氧气,有的甚至达到45m3/t,再加上冶炼周期缩短至40～60min,故有“电炉炼钢转炉化”之说。

现代电弧炉炼钢过程中，水冷超音速氧枪已广泛地用于助熔、脱碳和炉内供氧操作中。

近几年国外某公司发明了一种新氧枪即聚流氧（Co2herentJet）用于电炉炼钢中。

聚流氧枪与超音速氧枪相比,具有氧气射流长度长、吸入空气少、射流发散少、衰减慢和射流冲击力大等优点。

1.2.3电弧炉智能控制技术（专家系统）

电弧炉专家系统是一种新型解决工艺优化问题的方法。

DanExp系统在意大利ABS炼钢厂DANARCPlus工艺中得到了应用。

专家系统可以帮助技术人员改进工艺设计和管理,为操作者提供单炉分析、熔化曲线设计和工艺控制的完整工具。

1.2.4直流电弧炉技术

直流炼钢电弧炉结构的特点是只有1根炉顶石墨电极和相应的炉底电极。

直流电没有集肤效应和邻近效应,因此在石墨电极和导电体截面中电流的分布是均匀的,从而可以减少这些部件的尺寸和重量。

全部电流都要通过炉顶中心的单电极,为此应用电流密度大的超高功率石墨电极。

大型可控直流电源和炉底电极是直流炼钢电弧炉最关键的技术。

直流电弧炉有如下特点：

（1）石墨电极消耗大幅度降低；

（2）电压波动和闪变小，对前级电网的冲击小；

（3）只需一套电极系统，可使用与三相交流电弧炉同直径的石墨电极；

（4）缩短冶炼时间，可降低熔炼单位电耗5%～10%；

（5）噪音水平可降低10～15dB；

（6）耐火材料消耗可降低30%；

（7）金属熔池始终存在强烈的循环搅拌。

1.2.5热装铁水技术

铁水在1350℃时其热焓为1221kJ/kg。

因此每加热1t铁水即可带入物理热1.22×

106kJ，相当于339kW•h的电能。

从元素氧化释放热量的角度来看，氧化铁水中元素所释放的热量要比氧化废钢中元素所释放的热量多。

以1t铁水代替1t废钢为例，按1400℃时元素氧化释放的热量计算，铁水氧化后多释放的化学热为559265kJ，相当于155kW•h的电能。

因此热装1t铁水，可节电339＋155＝494kW•h。

电弧炉炼钢法的基础是废钢的稳定供给，而由高炉向电弧炉直供热装铁水不但可以缓解废钢资源紧缺的压力，同时，热装铁水带入大量的物理显热，并有大量的C、Si、Mn等元素与O反应释放大量的化学潜热，可有效地提高熔池温度，降低冶炼电耗，减少电极等辅助材料的消耗，缩短冶炼周期，从而提高炼钢生产效率。

电弧炉热装铁水能显著降低冶炼能耗与炼钢本身的总能耗，但铁水炼钢是一个从铁矿石到冶炼的长流程工艺，其总能耗比用废钢为原料的短流程工艺约高出一倍，因此电弧炉热装铁水只适用于具有多余铁水的钢铁企业。

1.2.6电弧炉偏心炉底出钢技术

为了实现无渣出钢,1974年德国蒂森公司的50t超高功率电弧炉首先采用了电弧炉炉底出钢技术。

偏心炉底出钢与传统电弧炉出钢方法相比具有如下优点：

（1）炉内能保留98%以上的钢渣,这些液态钢渣有利于下一步炉料的熔化和脱磷，提高生产率15%左右。

（2）出钢时，电炉倾动角度小于15度（传统电炉为40～45度），炉体能增加水冷炉壁使用面积，吨钢耐火材料消耗可降低25%；

同时缩短短网长度，降低阻抗8%左右。

（3）出钢时钢液垂直下降，呈圆柱形流入钢包,缩短了在空气中的路径，钢液的温降减少，可降低出钢温度25～30℃，相应节约电力消耗20～25kW/h，同时减少了钢液的二次氧化。

（4）偏心炉底出钢提高了钢液的纯净度,，减少了夹杂物的含量,提高了钢液脱硫效率，并能防止钢液的回磷。

1.3电弧炉发展现状

在国际上，电弧炉装备技术的发展大体经历了以下几个价段：

20世纪70年代，常规交流超高功率电炉及其配套技术的开发应用，使电炉的生产效率大大提高，技术经济指标大大改善；

20世纪80年代，直流电弧炉得到大规模工业应用；

20世纪80年代后期至90年代中期，利用高温废气对废钢和CO进行预热后再燃烧的技术，以及用化学能代替部分电能的各种节能电炉技术被成功开发并应用。

我国电炉炼钢在20世纪80年代以前一直处于落后的状态。

当时，全国有3000多座容量为3吨—30吨的小电炉，功率水平普遍不大于350kVA／t。

这些小电炉多采用落后的“老三段”冶炼工艺（即在电炉内完成熔化、氧化、还原三步冶炼任务），电炉生产效率低、产品质量差、能源消耗高、生产过程污染严重。

我国电炉钢生产能力在90年代得到发展，在90年代中期的2000万吨／年，提高到2002年的4035万吨/年。

与此同时，电炉炼钢产品的技术经济指标也明显改善，如2003年，舞阳钢铁公司90吨电炉的技术经济指标已全面超越了当时国际上指标最先进的德国巴登钢厂。

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