年产100万吨钢坯锭电炉炼钢车间初步设计.docx
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年产100万吨钢坯锭电炉炼钢车间初步设计
年产100万吨钢坯(锭)电炉炼钢车间初步设计
摘要
世界电炉钢产量不断增长,总产量占整个粗钢产量的1/3,但我国目前面临自1990年以来第二次逐年下降的局面。
因此,针对我国目前废钢及电力紧缺的现状,从全球可持续发展和使我国由钢铁大国变为钢铁强国的战略出发,目前国家应通过宏观调控,扶持我国电炉钢的发展,引导钢铁企业对发展我国现代电炉炼钢流程进行第二轮投资。
本设计根据这些情况并结合贵州地区的市场需求、废钢资源、生铁资源、电力资源、水资源、交通运输、环境保护等多方面提出在贵州地区兴建年产100万吨钢坯(锭)电炉炼钢车间的可能性并作了可行性分析,在此基础上进行了电炉车间的初步设计。
主要内容有:
产品方案、车间生产能力的确定、全厂金属平衡图的绘制;电炉炉型设计、变压器功率及主要电参数的计算;物料平衡与热平衡的计算;车间主要附属设备的选择、计算;环境保护;电炉炉型砌砖图和车间平面工艺布置图等。
关键词:
电炉钢坯设计
Yearlyproduces1,000,000tonsbillets(spindle)theectricsteelmakingworkshoppreliminarydesign
Abstract
WorldEAFsteelproductionisgrowing,thetotalcrudesteelproductionoutputof1/3,butiscurrentlyfacingourcountrysince1990,anannualdeclineinthesecondsituation.Therefore,inviewofthecurrentshortageofscrapsteelandelectricitystatusquo,fromaglobalsustainabledevelopmentandtomakeourcountryintoagreatpowerbytheIronandSteelIronandSteelstrategicpower,thecurrentmacro-controlbytheStatetosupportthedevelopmentofChina'selectricfurnacesteeltoguidetheironandsteelenterprisesdevelopmentofmodernelectricfurnacesteelmakingprocessthesecondroundofinvestment.
ThedesignunderthesecircumstancesandwiththeGuizhouregionmetallurgicalresources,marketdemand,transportation,environmentalprotection,andsoproposetheconstructionoftheGuizhouregionwithanannualoutputof1,000,000tonssteelbillet(ingot)electricfurnacesteel-makingworkshopandthepossibilityofafeasibilityAnalysis,onthebasisofapreliminarydesignoftheelectricfurnaceworkshop.Elementsinclude:
productprogramme,workshopproductioncapacityofthedeterminationoftheentireplantmetalbalanceplanrendering;EAFfurnacedesign,powertransformersandmajorelectricalparametersofthecalculation;materialbalanceandtheheatbalancecalculation;workshopprincipalsubsidiaryequipmentselection,Calculation,environmentalprotection,electricfurnacefurnacebricklayermapandlayoutofworkshopprocess,suchasplane.
Keywords:
ElectricArcfurnace,Billets,design
第一章新建电炉炼钢车间可行性分析
1.1前言
自上世纪中叶至今,尽管转炉炼钢技术取得了长足的进步,但世界电炉钢比例不断增长,从1950年增长到2004年的33.8%。
电炉钢比例的增长,主要是由于跟高炉转炉长流程相比,电炉炼钢具有固定投资小,消耗铁矿石、焦炭、水等资源少,占地面积小,可比能耗低,对环境污染少,工厂可接近资源产地及市场,启动及停炉灵活等优点,符合全球可持续发展的要求。
本世纪前四年,世界上年产钢500万吨以上的主要产国家各国粗钢产量稳步增长,电炉钢比例不同国家有增有减,总体上有所降低,从2001年至2003年电炉钢的比例从35%下降到33.1%。
2004年虽然粗钢产量增长迅速,但世界电炉钢比例从33.1%上升至33.8%。
10年来,我国在现代电炉流程与电炉工程技术方面取得了长足的进步,主要体现在以下几个方面:
第一,我国实现了电炉炉容大型化,形成了电炉炼钢——炉外精炼——连铸或电炉炼——炉外精炼——连铸——连轧的先到话电炉流程群体。
1992年我国的电路基本上式小炉子,平均炉容为4.6吨/台。
目前我国有60-150吨的大炉子36台,打电炉的产钢量约占电炉总产量的61%。
大电炉采用先进的、集约的技术,可以实现高电压、长弧、低电流操作,流程合理、生产效率高、消耗低。
第二,我国电炉炼钢生产的技术经济指标大幅度提高,不少钢厂在冶炼周期、电耗、利用系数、生产率等方面已经进入国际先进甚至国际领先行列。
电炉冶炼技术的进步,促进了我国电炉钢生产规模的扩大和发展。
进两年来我国电炉钢在废钢及电力资源紧缺、价格高、成本比转炉钢高等很多不利条件下,产量大幅度增长,电炉钢比例有所回升,电炉钢增长速率略高于总钢量的增长速率。
第三,我国消化吸收引进国外先进电炉冶炼技术的基础上有所创新,有些创新推动了我国现代电炉炼钢技术及电炉钢生产的快速发展。
比如电弧冶炼周期的高效化、综合节能技术,电弧炉加炼钢废料结构合理化技术、余热利用技术,电炉冶炼强化供氧供能技术、电炉炼钢控制技术等。
1.2市场需求
随着我国经济的快速增长,人们对钢材的需求量越来越大。
从国内造船、修船、海洋工程钢材需求量以及外国企业在华船舶分段厂钢材需求量四个方面预测,2006~2010年我国船用钢材需求量为4152万吨,年均830万吨,2011~2015年船用钢材需求量为5141万吨,年均1028万吨。
2006~2015年共需船用钢材9293万吨。
从造船形势的发展来看,我国船舶工业对船用钢材的需求量较预测的数据会有进一步增长,需求量将保持在较高的水平。
根据2008~2020年汽车产量及保有量预测数量,汽车用钢构成及部分灵部件、总成国产化情况进行预测,2008年汽车用钢材需求量为1371万吨,2009年为1510万吨,2010年为1637万吨,2015年2176万吨,2020年为2767万吨,是08年需求量的两倍。
从国内五金行业的钢材需求方面进行了分析,2005年,五金行业用钢量为1400万吨左右,比上年增长8%~10%,当年所消耗的钢材是电力行业用钢量的3倍多,其中线材用量在750万吨以上,板材用量300万吨以上。
国产钢材占有率在95%;到2010年,五金行业的用钢量将增加到1850万吨;2005年,日用杂品行业的钢材需求量160~200万吨,2010年需求预测将达到200~250万吨。
由上可知无论是在汽车,造船、建筑还是五金及其它行业,每年都需要大量的钢材。
就贵州而言,2005年我省钢材需求量为500万吨,而实际产量只有350万吨,之间存在很大空缺。
所以在贵阳地区新建年产100万t钢坯(锭)电炉车间是完全可行的,也是非常有必要的。
1.3冶金资源
1.3.1电力与水资源
电炉炼钢是耗能大户之一,它需要大量的电力、水与及其它生产所需。
贵州能源资源富集。
水、电、煤多种能源兼备,水能与煤炭优势并存,水火互济。
水能资源蕴藏量为1874.5万千瓦,居全国第六位,其中可开发量达1683万千瓦,占全国总量的4.4%,特别是水位落差集中的河段多,开发条件优越。
贵州省素以“西南煤海”著称,煤炭资源储量达507.28亿吨,居全国第五位,超过南方12省(区、市)煤炭资源储量的总和。
煤炭不仅储量大,且煤种齐全、煤质优良,为发展火电,实施“西电东送”奠定了坚实的基础,同时为煤化工、实施“煤变油”工程提供了资源条件。
在“西电东送”的推动下,电力建设得到快速发展。
2006年末,贵州省6000千瓦及以上电厂合计63个,装机总容量1866.647万千瓦。
其中水电厂36个,装机容量431.672万千瓦;火电厂27个,装机容量1434.975万千瓦。
在全省6000千瓦以上电厂中,贵州电网统一调度的电厂34个,装机总容量1816.832万千瓦,其中水电厂18个,装机414.832万千瓦,火电厂16个,装机1402万千瓦。
在2006年,全省6000千瓦以上电厂共计发电854.868亿千瓦时,其中贵州电网统调电厂发电830.7112亿千瓦时,非统调电厂发电24.1356亿千瓦时。
2006年,全省新增机组总计498.95万千瓦,其中火电470万千瓦,水电28.95万千瓦。
至2007年末,全省电网统调装机容量达到2029.9万千瓦,发电量达到1166.32亿千瓦小时。
除此之外,贵州每年都向广东、广西等领省输送大量的电能。
以上数据足以说明,贵州电力完全可供新建电炉车间对电能的需求。
贵州电能的充沛,电价较低。
这样可以减少用电成本。
1.3.2废钢资源
废钢是电炉炼钢的最主要原材料。
1986年,通过对全国废钢铁资源的抽查及分析,大概统计出全国80%以上的废钢铁资源分布在京、津、沪、粤、辽、黑、冀、晋、鲁、鄂、川及江苏这12个工矿企业比较集中、人口比较稠密的省市;其它地区由于地理条件较差、人口较少,生成的废钢资源不足20%,具体如表1-3-1所示。
表1-3-190年代我国废钢铁资源的分布简表(单位:
万吨)
华北
华北
华东
中南
西南
西北
总计
四川
贵州
云南
700
400
1100
500
63%
25%
12%
150
3050
200
这就是说在贵州当时废钢有50万吨左右。
随着钢铁生产率的提高,以及各行业钢铁产品的报废,贵州的废钢资源有了较大幅度提高,能满足新建电炉车间对废钢的需求。
1.3.3铁合金供应
铁合金是炼钢过程中重要的材料,它可做脱氧剂和合金剂。
据有关数据表明,贵州的铁合金产量目前位居全国之首。
2003年,全国铁合金总产量约为1000万吨,其中约有200~300万吨出自贵州。
现在,全省境内共有铁合金生产企业200多家,年产能力超过200万吨。
贵州如今已成为中国乃至世界上最重要的锰系铁合金及金属硅生产基地。
从省内铁合金企业的分布看,形成了以遵义为中心的北部产区;以清镇、龙里为中心的中部生产区;另以独山为中心的南部生产区。
所有产品以锰系铁合金中的硅锰,碳素锰铁及金属硅为主,兼有其它的铁合金种类,能够满足电弧炉炼钢生产对铁合金的各种需求。
1.3.4生铁供应
作为电炉炼钢生产的另一原材料之一的生铁,它的多少对电炉炉钢也有一定的影响。
在一些废钢资源少的地方,厂家生产钢时,通常会配入一定量的生铁。
贵阳废钢资源并不是十分丰富,远远低于其它发达城市。
因此在生产时也可以配加部分生铁。
据中国2006年全年生铁产量分省市统计表明,贵州2006年生铁产量为319万吨,完全能满足电炉炼钢生产对生铁的需求。
1.4贵阳交通与地理位置
贵州北靠湖南,南邻广西,西毗云南,北连四川和重庆,省会贵阳市距重庆长江口岸300多千米、距广西北海直距约500千米。
是一个山川秀丽,气候宜人,资源丰富的城市。
也是整个西南地区交通运输的枢纽。
境内拥有湘黔铁路、320国道等,这些组成了便捷的交通运输网络,能满足新建电炉炼钢车间产品、原料及其它所需的运输要求。
1.5环境保护
电炉炼钢生产对环境会造成一定程度的污染,其主要表现为大气污染,水污染以和噪声污染。
而大气污染又主要是电炉烟尘、二氧化硫和燃煤烟尘污染。
实践表明,对于这些污染可以采取相应的技术措施来预防、减轻和控制使之达到国家排放要求。
就电炉炼钢生产所产生的粉尘,可以采用布袋收尘的方法或电收尘的方法,使粉尘量达到国家排放标准。
而对于水污染可以通过采用较先进的生产工艺来减少对水使用量,从而减少水的污染。
综合以上几个方面来看,在贵阳地区兴建年产100万吨钢坯(锭)电炉炼钢车间是有必要的,也是完全可行的。
第二章产品方案、车间生产能力的确定以及全厂金属平衡
2.1产品方案的确定
车间产品方案的确定得结合我国及我省钢材市场对各钢种的需求.我国钢材消费主要集中在建筑、机械、汽车、家电、造船;石化、集装箱、铁路八大行业,这八大行业钢材消费量占全国消费量的80%。
然而我省工业不是很发达,钢材主要用于建筑方面。
对于这方面,棒材和线材需求量较大。
这里所说的棒材主要是碳素结构钢和低合金钢。
因此,设计该电炉车间主要生产优质碳素结构钢和中、低合金钢。
下面是电炉炼钢车间生产的钢种。
如表2-1-1
表2-1-1产品方案
序号
钢种
代表钢号
年产钢水量
(万吨)
全年连铸坯
(万吨)
比例
(%)
1
2
合计
优质碳素结构钢
合金结构钢
20
30
45
50Mn
30CrMnSi
42CrMo
20MnSi
40Cr
5.26
10.52
10.52
12.62
4.20
6.30
46.30
8.42
104.14
5.00
10.00
10.00
12.00
4.00
6.00
45.00
8.00
100
5
10
10
12
4
6
45
8
100
表2-1-2代表钢号的化学成分
序
号
钢
号
C
Si
化
Mn
学
Cr
成
Mo
分
Ni
Cu
P
S
1
2
3
4
5
6
7
8
20
30
45
50Mn
30CrMnSi
42CrMo
20MnSi
40Cr
0.17~0.24
0.27~0.35
0.42~0.50
0.48~0.56
0.27~0.34
0.38~0.45
0.17~0.25
0.37~0.44
0.17~0.37
0.15~0.35
0.17~0.37
0.17~0.37
0.90~1.20
0.17~0.37
0.40~0.80
0.17~0.37
0.35~0.65
0.70~1.00
0.50~0.80
0.70~1.00
0.80~1.10
0.50~0.80
1.20~1.60
0.50~0.80
≤0.25
≤0.25
≤0.25
0.80~1.10
0.90~1.20
0.80~1.10
0.15~0.25
≤0.25
≤0.30
≤0.30
≤0.30
≤0.25
≤0.25
≤0.025
≤0.30
≤0.035
≤0.06
≤0.035
≤0.035
≤0.05
≤0.035
0.08~0.15
≤0.035
≤0.035
≤0.05
2.2车间生产能力的确定
车间生产能力的确定即是电弧炉的容量与座数的确定,它主要与车间的生产规模、冶炼周期、作业率等因素有关。
2.2.1电弧炉总容量的确定
由电弧炉产量一般计算式
A----电炉车间年产总量,A=1000000t
n----有效工作日,n=332天
a----钢坯收得率,a=90%
t----冶炼周期,t=1h
g----电炉总容量,t
全年实际工作日332天
2.2.2电炉公称容量选择及台数的确定
由
,选择两台公称容量为70t的电炉,所选电炉总容量为140t。
2.2.3车间实际年产量计算
A1=
t>1000000t
因此,满足设计生产的要求。
2.2.4校核
计算二者的相对误差E,其计算公式为:
E=
因此,计算符合设计要求。
2.3金属平衡图
金属平衡图反映了整个电炉生产车间金属的流向以及金属收入与支出状况。
它的绘制是根据炼钢车间生产工艺、年产合格钢坯量来确定。
用年产合格钢坯量除以钢坯收得率、烧损率等,这样反算回去最终确定大致的金属料需求。
本设计考虑到车间今后生产高合金钢的可能,车间预留模铸。
合格钢水量100.000÷90%=110.111万吨
金属料量111.111÷(1-6.19)=118.443万吨
废钢量118.443×75%=88.832万吨
生铁量118.443×22.5%=29.611万吨
铁合金量118.443×2.5%=2.961万吨
现根据生产工艺将金属平衡图绘制如图2-2-1。
图2-2-1生产工艺及金属平衡图(单位:
万吨)
第三章电弧炉炉型、变压器功率及电参数设计
3.170t电弧炉炉型的选择及尺寸计算
电弧炉炉型是指炉子内部空间的形状与尺寸。
不同熔炼炉因工作条件不同,供热热源不同而有不同的内型空间。
现代电弧炉炉体中部是圆桶型,炉底为弧型,炉顶为拱型。
电弧炉近于球形体,以减少散热表面。
电弧炉的内部可分作两大部份,在炉壁下缘以下容纳钢水和溶渣的部份称作炉缸,也叫熔池。
其熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼重量的钢液和炉渣,并适当留有余地。
熔池形状应有利于炉池以下的空间容纳全炉或部分费钢铁料,并在此进行熔化,称作熔化室。
设计电弧炉时,冶炼反应的顺利进行、砌筑,容易补炉。
目前使用的多为锥球形熔池,上部为倒置的截锥,下部分为球冠形,球冠形电炉炉底使得熔化的钢液能积累在熔池底部迅速形成金属池,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度。
基于偏心炉底出钢电炉的优点[2],倾动角度小,短网短,炉体结构简单且电耗小,钢流短而成直线状且钢包可带盖等。
本设计采用偏心底出钢电炉。
3.1.1熔池的形状与尺寸
炉缸的容积应能容纳钢水和为钢水10~15%的熔渣,并留有适当的余量。
熔池的形状为:
上部为倒置的截锥,下部分为球冠形,炉坡倾角45度,利于炉料加速熔化,因为钢液可聚集在球冠形熔池低上,且易于砌筑和修补。
熔池的容积Vb等于球冠部分体积和倒截头圆锥部分之和,球冠部分高度h1为熔池深度Hb的1/5。
于是有
式中h1球冠部分高度h1=hb/5
h2—倒圆锥部分高度h2=hb-h1=
Rb—熔池半径RB=Db/2=2hb
r1球冠半径
把以上数值代入
得
=8.79hb3
取9.0hb3
因1t钢液的体积为0.14m3,则70t钢水所占容积为
=70×0.14=9.8m3
取渣的体积为钢液体积的15%,则
=9.8×15%=1.47m3
用
=
+
=9.8+1.47=11.27m3
=9.0hb3=9.0×(0.25b3)3=0.14Db3m3
11.27=0.14Db3m3
Db3=80.5Db=4.32m=4320mm
所以由上公式及结果可得到:
熔池深度hb=1080mm
球冠部分高度h1=215mm
球冠部分直径d1=3455mm
倒截头园锥高度h2=865mm
3.1.2熔化室
门坎水平面是指门坎炉衬水平面以下的金属门坎而言,也就是炉壳上开的加料门的下部水平面。
炉衬门坎较金属料门坎水平高出80~100mm。
其次,根据实际操作,可以认为氧化期炉渣面与加料门门坎水平面是一致的。
在钢液沸腾时,为了使炉渣不致冲刷炉墙上,炉坡应高于炉门门坎,也就是渣面100mm,因此,熔化室直径Dsm=4320+100×2=4520mm。
在确定熔化室高度Hsm时,考虑到炉顶寿命和装料要求,
Hsm/Db=0.39,则Hsm=0.39Db=0.39×4320=1685mm
炉顶拱高与熔炼市直径Dsm的关系为:
h3/Dsm=1/9(因材质的不同而不同)
对硅砖和高铝砖而言h3=
炉顶厚度δft=是按耐火材料的热阻计算和实践经验决定的,
取δft=350mm
炉壁内侧倾斜度等于炉坡水平面到炉顶拱脚高度的10%
(1685-100)×10%=185.5mm取185mm
由此可得熔化室上部直径:
Dsm,t=Dsm+2×185=4520+370=4890mm。
3.1.3电极极芯圆分布
电弧炉是以三个电极圆心构成的直径Dp来表示电极在炉内的分布。
比值Dp/Db决定电极炉中的位置,同时也决定炉内热量的分布,考虑到炉壁热负荷的均匀和电极把持器的布置。
Dp/Db=0.30
电极芯圆的尺寸
ded,c=0.30Db=0.30×4320=1296mm取1300mm
3.1.4工作门
设计一个工作门,用于加料,炉前操作和观察炉况。
炉门宽度L=0.25Db=1080mm
炉门高度b=0.80L=865mm
出钢口直径d=130mm
3.2耐火材料及炉壳的设计
用高铝砖,其具有耐火度高,致密度大,抗渣能力差,导热系数大但抗热能力差的特点,适宜做到炉顶选其厚度为350mm
炉缸和熔池选用镁碳砖,由于采用超高功率,电弧辐射将大幅度增加,镁碳砖耐
高温可达3000℃,厚度炉缸460mm,底800mm,绝热层75mm。
炉壳厚度取25mm
炉衬耐火砖厚度为460mm,绝热层厚75mm,于是炉壳内径为
Dsh,i=Dsm+2δwl=4520+2×535=5590mm
取炉壳钢板厚25mm,则炉壳外径为
Dsh,e=Dsh,i+2δsh=5590+2×25=5640mm
炉底厚度近似与熔池深度,炉底厚度取为800mm
3.3变压器功率和电参数设计
3.3.1炉子变压器功率
电炉变压器容量可以有熔化时间来计算,亦可以根据熔池表面积的功率密度进行计算,这里有前者来进行计算。
电炉熔化期占熔炼周期的大部分,熔化期长短主要由供电功率决定。
以下是对已知装入的电炉根据熔化时间要求来计算所需供电功率,即变压器的容量。
P=
P炉用变压器的容量,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/tq≈410kwh/t
G电炉装入量,tG=70t
tm预期熔化时间tm=1h
cos
熔化期平均功率因数,超高功率取0.70
η变压器有用功率的热效率η=0.80
N熔化期变压器功率平均利用系数N=1.1
选取变压器功率为50000KVA
若按电炉的额定容量计算其单位功率为50000/70=714KVA/t,说明该电炉属超高功率电弧炉。
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