65万吨电炉炼钢车间设计
材料与冶金学院
指导老师：
摘要
电炉短流程钢厂与转炉长流程钢厂相比，在占地、投资、节能、环保等方面都有优势，电炉钢比逐年提高是冶金工业发展趋势。中国钢铁业存在的问题有设备老化、普通钢生产过剩、生产率低，而优质钢产品质量欠佳、生产能力薄弱等；再加上中国废钢资源不足，电炉钢比一直处于较低水平，相比西方主要产钢国存在一定差距。随着电弧炉采用高功率或超高功率，炉外精炼、连续铸钢，连续轧钢等一系列技术的发展和社会废钢资源的足量累计，直接还原技术的开发，二次精炼技术的飞速发展，电力工业的发展，电弧炉生产成本会相对下降，国家对能源、资源和环保标准的进一步提高及管理的加强，电炉炼钢有着更加广阔的发展空间，电炉钢在钢产量上的比例增长势头不会改变。通过查阅国内外电炉车间设计的文献资料，阅读有关书籍，并向老师请教完成了本次设计。包括产品大纲的制定；电炉、炉外精炼、连铸的论证；然后进行配料计算，选择合适设备；最后绘出电炉的剖面图和电炉车间的平面布置图。
关键字：电弧炉；车间设计；超高功率；连铸；炉外精炼
ABSTRACT
Compared with the long steel mill, the short process steel plant of the electric furnace has advantages in the area of the area, investment, energy saving and environmental protection. The electric furnace steel is the development trend of the metallurgical industry.. Problems existed in the Chinese iron and steel industry of aging equipment, ordinary steel overproduction, low productivity, and poor quality of the high quality steel products, production capacity is weak, coupled with the lack of scrap resources in China, the electric furnace steel than has been in a low level, compared to the western major steel producing countries, there is a certain gap.With the electric arc furnace with high power and ultra high power, refining, continuous casting, continuous rolling and a series of technical development and social scrap resources adequate amounts of accumulated development of direct reduction technology, rapid development of secondary refining technology, the development of electric power industry, electric arc furnace production cost will decline relative, countries on energy, resources and environmental standards to further improve the management and strengthen, EAF steel making has a broader space for development, electric furnace steel in steel output in the proportion of growth momentum will not change.Through the review of domestic and foreign electric furnace workshop design literature, read about books, and to the teacher to consult the completion of the design. Including the formulation of product outline; furnace, refining, continuous casting, material balance and heat balance calculation; then ingredients calculation, calculation and selection of suitable equipment; finally draw the furnace profile and electric furnace workshop la yout.
Keywords:electric arc furnace; plant design; ultra-high power; continuous casting; furnace outer refining
目录
1 概述 (1)
1.1 钢铁工业现状 (1)
1.2 电弧炼钢厂 (2)
1.3 炼钢厂生产规模与物料平衡 (3)
1.3.1 炼钢厂生产规模与产品大纲 (3)
1.3.2 炼钢厂的物料平衡 (3)
1.4 炼钢车间设计的内容 (4)
2 设计方案的确定 (6)
2.1 产品大纲的制定 (6)
2.1.1 产品大纲 (6)
2.1.2 制定产品大纲的依据 (6)
2.1.3 钢种的特性以及用途 (7)
2.2 工艺方案与工艺流程的选择 (8)
2.2.1 炉容量与座数的确定 (8)
2.2.2 工艺方法与工艺流程的选择与论证 (9)
2.2.3 车间生产能力核算及主要原材料的消耗 (15)
2.2.4 车间组成和工艺布置 (15)
3 车间物料与热平衡及主要经济技术指标 (18)
3.1 物料平衡计算 (18)
3.2 热平衡计算 (28)
3.3 主要技术经济指标 (32)
4 车间主体设备的计算 (34)
4.1 电弧炉的设计 (34)
4.1.1 炉型的设计 (34)
4.1.2 变压器的设计 (38)
4.1.3 石墨电极的选用 (39)
4.1.4 水冷炉壁的设计 (40)
4.1.5 电弧炉主要技术参数 (41)
4.1.6 连续加料装置的设计 (42)
4.2 钢包尺寸的设计 (44)
4.3 连铸的设计 (46)
4.3.1 连铸机的主要参数设计 (46)
4.3.2 连铸机生产能力的计算 (52)
4.3.3 连铸机的主要设备 (53)
4.4 精炼炉的设计 (63)
5 车间主厂房设计 (65)
5.1 电弧炉车间的布置方案 (65)
5.1.1 电弧炉车间的组成 (65)
5.1.2 车间布置类型 (65)
5.2 电炉车间各部分的设计 (65)
5.2.1 电炉炼钢车间原材料供应与原料工段 (65)
5.2.2 炉子跨的设计 (67)
5.2.3 散装料和铁合金加料跨 (68)
5.2.4 精炼跨的设计 (68)
5.2.5 钢水接受跨设计 (69)
5.2.6 浇铸跨设计 (69)
5.2.7 切割跨设计 (70)
5.2.8 出坯跨设计 (70)
6 电弧炉的相关技术 (71)
6.1 超高功率电弧炉配套相关技术 (71)
6.1.1 水冷炉壁和水冷炉盖技术 (71)
6.1.2 无渣出钢技术(EBT) (71)
6.1.3 泡沫渣埋弧技术 (71)
6.1.4 废钢预热技术 (72)
7 车间主要经济技术指标 (73)
参考文献 (75)
致谢 (76)
1 概述
1.1 钢铁工业现状
钢铁是用途最广泛的金属材料，人类使用的金属中，钢铁占了90%以上。人们生活离不开钢铁，人们从事生产或其他活动所用的工具和设施也都要使用钢铁。钢铁产量往往是衡量一个国家工业化水平和生产能力的重要标志，钢铁的质量和品种对国民经济的其他工业部门产品的质量，都有着极大地影响。
一个多世纪以来，钢铁生产工艺流程经过长时间的探索、发展和选择，目前只剩下两种主要的工艺流程。一种是以氧气转炉为炼钢中心的钢铁联合企业生产流程；另一种是以电弧炉炼钢为中心的电炉厂生产流程。
氧气转炉炼钢生产的主要原料是铁水，大多数情况下由高炉供给，而高炉的主要原料是铁矿石。转炉生产出来的产品是钢坯或钢锭，它们还不是最终成品，必须经轧钢机轧制成各种类型和规格的钢板、型钢、钢管等最终产品，提供给市场。因此，氧气转炉不可能独立存在，它必须前有炼钢，后有轧钢，以及其他辅助原材料的生产和供给系统，共同组成一个钢铁生产的联合体，我们称这样的生产模式为钢铁联合企业。电弧炉炼钢的主要原料是废钢或直接还原铁，其产品依然是钢坯或钢锭，需经由轧钢机轧制成最终产品，供市场需要。在这种情况下，作为成品钢材的一个生产单位，往往由炼钢和轧钢两个部分组成，我们称这样的生产模式为电炉钢厂。随着电弧炉采用高功率或超高功率，炉外精炼、连续铸钢、连续轧钢等一系列技术的发展和社会废钢资源的足量积累，由于资源和环境的影响“废钢——电弧炉——连铸——轧制”的钢生产工艺流程显示出强劲的发展势头，与传统的钢铁联合企业工艺相比，这种新型的电弧炉钢厂又称短流程工艺。电炉炼钢的产品主要是特殊钢如轴承钢、不锈钢等。
我国的轴承市场巨大,特别是国内机械、电子、航空、汽车等行业的高速发展,将为轴承行业发展提供广阔的市场空间。轴承市场的不断拓展,也为轴承钢带来了市场和商机，未来的国内轴承市场还将不断扩大。
一方面，轴承是消耗性的机械基础件，除新增项目和新增机械产品将拉动轴承需求外，机械产品（如：机床、汽车、火车等）保有量的增加和利用率的提高都会增加对轴承的消耗；另一方面，随着我国国民经济持续发展、自动化程度不断提高，对机械的性能要求将越来越高，从而对轴承的性能、技术要求也会越来越高。
因此，我们要抓紧机遇，努力发展国内的轴承钢产业的技术水平，实现轴承钢产业向着优质的方向发展，满足国内未来的发展要求。
1.2 电弧炼钢厂
近年来，电弧炉炼钢在整个世界范围内都在持续不断地发展，电弧炉钢在世界钢的总产量中所占的比例在不断增加。电弧炉炼钢厂多以废钢为原料，或者加一部分直接还原铁，其冶炼部分的构成通常是：一座高功率或超高功率电弧炉+一座炉外精炼装置如LF炉+一台连铸机，生产出来的钢坯热送至紧邻的轧钢车间直接轧制。由此可以看出电炉炼钢厂具有结构紧凑、投资省、建设周期短、节约能源消耗、改善对环境的污染、劳动生产率高等优点，年产钢可以从万吨到百万吨，品种范围广，从普通碳素钢到优质合金钢钢材。与传统钢铁联合企业相比规模小，工艺流程相对较短，也称“短流程”
在我国电弧炉钢厂产品大多是优质钢、合金钢、等特殊用途的钢种。在特殊钢厂里，由于品种质量的要求，其冶炼与加工工艺较为复杂，也需要设置出电炉以外的精炼炉、真空熔炼炉、电渣炉等多种类型的设备以适应不同钢种的生产需要。
炼钢生产流程的方案是指选择什么炼钢方法与浇铸方法。
若在建厂地区可以取得充足的废钢供应条件，废钢来源可以是该地区内能回收到的废钢，也可能是来自外地、或拆船业或进口，此外还应有一定数量的生铁供给来源，则以选择电炉炼钢为合理。电炉炼钢的特点是：冶炼品种适应性强，既可以熔炼高级优质钢种，也可以价廉快速地熔炼一般钢种，在生产管理上也较为灵活机动。
钢水炉外精炼，是新兴的提高钢质量、增加钢的品种和电弧炉产量的有效技术。通过精炼使钢水温度与成份均匀化，有助于顺利进行连铸。炉外精炼设备与工艺多种多样，各有特点，选用哪一种合理可行，应考虑产品品种质量是否必需，分析对比研究，谨慎从事。所以当采用炉外精炼环节时，要全面衡量，细致地从技术与经济论证，再决定选择。
钢水浇铸方式的选择：在冶炼钢种与产量规模合适的条件下，应当以连铸为首选方案，与炼钢—铸锭—开坯(—轧材)这一传统的生产流程相比，连续铸钢具有一系列优点：
1) 金属收得率可提高10%～15%；
2) 采用连铸生产工艺要比模铸工艺节约能耗25%～50%；
3) 节省基建投资40%；
4) 促进生产过程自动化，使钢种扩大，钢坯质量得到提高。
连铸坯生产的技术经济效益是显著的，发展连铸是炼钢—浇铸工艺的重大改革，与后续工序衔接，提高生产率，降低能耗，各种新技术也因连铸水平的提高(生产出无缺陷铸坯)而得以实现：采用连铸连轧，铸坯热送、热装，连铸坯直接扎制等。
1.3 炼钢厂生产规模与物料平衡
1.3.1 炼钢厂生产规模与产品大纲
炼钢厂(车间)的生产规模指该厂(车间)年产合格连铸坯的数量。对于一个车间还应区分它的“生产能力”和“实际(或计划)产量”，当设备运转正常，无意外的外界因素影响时，二者实际上相同。
炼钢车间的产量是由该厂钢材生产的需要决定的。根据厂的产品计划，该厂钢材产品的产量、品种、产品规格等诸参数来确定加工工序和加工设备类型，再依加工工序的要求来确定炼钢车间所应提供的铸坯的质量与断面形状、尺寸，从而计算出按不同钢种所需供应的铸坯的数量(吨)，这通常称为炼钢车间的产品大纲。
设计炼钢车间时首先应制定车间的产品大纲(或称之为设计的产品计划)，应详细地列出所要冶炼的钢种，各钢种具有代表性的若干钢号，各钢号的产量及在总产量中所占的比例。这样就可使炼钢车间的产品品种、产量、所占比例十分清楚地表述出来。
1.3.2 炼钢厂的物料平衡
炼钢厂（或车间）生产的物料平衡是指进入车间的各项原材料的量(月耗用量或年耗用量，kg或t)，同一时期内生产出的合格连铸坯量，排出的炉渣、工业垃圾量以及排放的废气与可回收的烟尘量的平衡计算。也就是一个车间生产的投入与产出的实物量的关系。炼钢过程消耗的原料以金属料(废钢和铁水)的量为最大，所以物料平衡中宜以金属料平衡为主。
物料平衡计算是以实际生产中统计的技术经济指标为依据，应当选用生产上的平均先进指标(如原材料的单位消耗和收得率，合格率等)作为设计的指标进行计算。而各项指标又与不同的生产流程、设备的类型(不同种类的初炼炉及其容量大小)及与所熔炼的钢种密切相关。因此，选用计算时必须认真考虑，并且用这些指标来代表设计方案的技术可行性和经济合理性。原料的单位消耗是指平均的单位合格产品所用的原料量，通常以kg/t计。表1.1是超高功率电弧炉炼钢主要经济技术指标，可供计算时参考。
表1.1 超高功率电弧炉熔炼主要经济技术指标
项目单位主要经济技术指标
冶炼周期min/炉40 ～ 70
冶炼电耗kw·h/t250 ～ 400
石墨电极消耗量kg/t AC:<3；DC:<1.5
单位功率水平kv·A/t700 ～ 1000
电炉的公称容量t 60 ～ 150
计算车间生产物料平衡的意义在于：
1)对一定规模的生产车间显示出其输入与输出任务的大小，即车间吞吐量的定量概念。由此又可以选定各种原材料输入，成品与废品的输出应采用的运输方式。计算所得运输任务的大小亦是进行总图运输设计的依据。
2)由物料消耗量设计各原材料的储存量与储存容器或存放场地面积。
3)所选用指标的优劣直接反映设计的经济合理与否，特别是金属料的消耗与部分金属在生产流程中的循环往复更能显示所设计流程的先进与否，显示金属利用的水平。
1.4 炼钢车间设计的内容
(1) 车间设计的依据。
炼钢厂或一个车间的设计工作应按照基建程序来安排，每段工作均应以前一段设计内容为依据，若非必要不得任意修改。设计之前，应该制定详细的设计任务书。设计任务书是根据当地的实际经过充分讨论研究之后制定的。
(2) 车间设计的目的和基本内容。
设计的目的是要建设新的生产厂。设计的任务是要对建设单位作出技术的与经济的详细规划，确定企业的生产经济状况，技术经济指标。设计中所拟定的劳动人员编制和建设投资估算与概算，是企业招工定额、建立人员编剧和申请拨付投资或贷款的依据。
炼钢车间设计一般应包含下列各项基本内容：
1) 车间的工艺设计部分；
2) 车间机械设备设计；
3) 供电设施设计，电讯系统设计，照明设计；
4) 给水、排水(包括污水处理)设计；
5) 厂房通风与局部的采暖、通风设计；
6) 厂房与设备基础及其它构筑物设计；
7) 环境保护与安全卫生。
显然上述众多设计内容应由各种专业设计人员共同协作完成，各专业之间形成一个完整的组合体，不同专业为一个共同目的而互相协作，密切配合，而由该项目的总设计师(项目总负责人)组织、协调各方面的设计工作，共同的任务。
(3)车间工艺设计的任务。具体地说，工艺设计的任务是以设计任务书为依据，对下列各项内容完成较详细的设计与计算，编制设计况明书，绘制相应的图纸：
1)制订详细的产品计划方案(产品大纲)；
2)根据不同钢种，制订生产工艺大纲；
3)主体设备的选型，确定设备数量，型号等；
4)选择各种辅助设备，提出非标准设备的设计工艺要求；
5)设计并绘制车间的工艺布置平面图，及剖面图；
6)提供水、电、热力、土建、通风、照明，设备制造及总图运输等各专业设计所需要的资料；
7)计算各项原材料的消耗量，计算炼钢—浇铸生产过程的各项技术经济指标；
8)编制劳动定员计划；
9)连铸坯生产成本计算或提出成本计算的技术资料，提出进行技术经济分析所需要的资料。
由上述各项可见，工艺设计部分是决定一个车间(或厂)面貌的主要因素，是决定和影响其它专业设计的前提条件。正确进行工艺设计便成为完成设计任务、保证设计质量的关键。因此，设计者必须根据设计任务所提出的要求，严格按照设计工作所应遵循的程序，既避免繁琐，又不可简略草率，保证设计工作的质量。
本设计主要解决的是工艺设计部分。概括地说，是制定了产品大纲，确定了主体工艺流程，选定了各项主要生产设备(电炉、精炼设备、连铸设备以及各跨间所需的相关起重设备等的确定)，解决生产车间各组成部分的布置问题（主要指电炉、精炼设备、连铸设备等的工艺布置），绘制了车间布置的平面图、剖面图以及电弧炉的炉型图，核算了车间主要经济技术指标。
2 设计方案的确定
2.1 产品大纲的制定
2.1.1 产品大纲
（1）冶炼钢种
主要钢种：轴承钢
其他钢种：碳素钢、合金结构钢、冷镦钢、碳素工具钢
（2）代表钢号成分。见表2.1。
表2.1代表钢号成分
Q235（碳素钢）≤0.22 ≤0.3 0.3~0.8 ≤0.35~0.45
30Mn2（合金结构
0.27~0.34 0.17~0.37 1.40~1.80
钢）
ML15（冷镦钢）0.13~0.18 0.15~0.35 0.3~0.6 ≤0.035
T7（碳素工具钢）0.65~0.75 ≤0.35 ≤0.4 ≤0.035 ≤0.030 （3）各钢种代表钢号、产量以及产量比（%）。见表2.2 。
表2.2各钢种代表钢号、产量以及产量比单位：万吨钢种代表钢号产量产量比(%)
高碳铬轴承钢GCr9 39 60
碳素钢Q235 13 20
合金结构钢30Mn2 6.5 10
冷镦钢ML15 3.25 5
碳素工具钢T7 3.25 5
2.1.2 制定产品大纲的依据
近年来,我国轴承市场发展迅速，与机械、汽车等行业的发展迅猛有关,为轴承行业的发展提供了市场空间，轴承市场空间的拓展,为轴承钢的发展带来了机遇和前景。
工程机械轴承占轴承钢比例较大。从长期发展着眼，中高档轿车轴承、航空航天轴承、数控机床轴承、前景很不错。由于市场对轴承的要求的因素如质量,噪音和使用寿
命等越来越高,轴承行业对轴承钢的要求也随之增高。比如,航空航天、机床主轴精密轴承,计算机专用轴承等,这些产品对轴承的要求很高。
所以，在现阶段，除了保证轴承钢的产量，还应大力提高冶炼水平，生产优质轴承钢，为国内航空航天、汽车轮船、计算机等行业的未来发展提供保障。
2.1.3 钢种的特性以及用途
(1) 高碳铬轴承钢GCr9。
表2.3 GCr9的化学成分
1) 特性：
淬透性和耐磨性高，冷应变塑性和切削加工性中等，焊接性差，对白点形成敏感，热处理有回火脆性倾向。GCr9因为具有良好性能、合金含量较少而成为最广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火加回火后具有均匀的组织、良好的耐磨性、较高的硬度、高的接触疲劳性能。
2) 用途：
用于制作各种滚动体以及轴承套圈。例如:制作汽车、机床、火车、钻探机、各种机械,传动轴承的套圈、钢球、滚子。 有时也用来制造冲模、量具等工具
(2) 碳素钢 Q235
1) 特性：
含碳量适中，塑性、韧性、焊接性能、冷加工性能良好。强度良好，易于加工。
2) 用途：
大量生产钢板、钢筋、型钢、桥梁、车辆等。质量好的含S 、P 量低的C 、D 级Q235，相当于优质碳素结构钢，适于制造机座、支架、连杆、轴、轴套圈等对焊接性和韧性要求较高的工程结构机械零部件。
（3）碳素工具钢 T7
1） 特性：
亚共析钢，韧性和强度良好。
2） 用途：
元素
C Si Mn Cr P S N H O Ti 含量
(％) 1.00~ 1.10 0.15~ 0.35 0.25~ 0.45 0.90~ 1.20 ≤0.025
≤80 ppm ≤1~2 ppm ≤12 ppm ≤15 ppm
用于制造能够承受冲击负荷的工具，如冲头、锻模、钳工工具、锤和冲模、钻子、手用大锤的锤头、钢印、较纯的外科医疗用具等。
（4）冷镦钢 ML15
1） 特性：
塑性和韧性良好，较好的冷镦和冲击性能。
2） 用途：
常用来制作铆钉、开口销、弹簧插销、螺钉、等。
（5）合金结构钢 30Mn2
1） 特性：
经处理后，具有很好的强度、韧性和耐磨性能。拉丝、冷镦、热处理工艺在制造截面尺寸小的零件时表现更好，可加工性与焊接性尚可，一般不作为焊接件。具有较高的淬透性，淬变性小，但有过热、脱碳敏感性及回火脆性。
2） 用途：
汽车、拖拉机中的车架、变速箱齿轮、轴、较大截面的调质件多是用其制造，起重机的后车轴等心部强度较高的渗碳件也可用其制造。
2.2 工艺方案与工艺流程的选择
2.2.1 炉容量与座数的确定
大电炉技术经济指标较好，热损失和电耗较小，因此一般力求选用较大容量的电炉。车间的生产规模，冶炼周期，作业率等因素对电弧炉的炉容量影响较大。每次的出钢量q 由此可以估算出： y
G q ???=ητα8760 (2.1) 式中αG ——车间产品方案中确定的年产量，t ；
τ —— 冶炼周期，取51分钟即0.85h ；
η —— 作业率，100%η=?年作业天数年日历天数
，取88%； y —— 良坯收得率，连铸一般 95%~96%；
求得q = 75 t 。
留钢量设计为炉子公称容量的21.1%，由此确定电弧炉的公称容量为 95 t 。
现代电弧炉炼钢车间一般配置1座电弧炉——1套炉外精炼装置——1台连铸机——1套成品连轧机的“四位一体”一对一的生产作业线。这种配置方式具有生产管理方便，技术经济指标先进，相对投资省的优点。
2.2.2 工艺方法与工艺流程的选择与论证
现代电炉生产流程是以电炉生产的现代化、高效化为出发点。而超高功率供电技术、炉外精炼技术和用氧技术是提高电炉生产效率的最重要的技术。由于精炼任务移到炉后的精炼炉中进行，传统电炉所承担的熔化、脱碳、还原等多项任务被分解，电炉的任务单纯化，主要任务是熔化废钢。通过提高电炉功率，发展用氧技术，增强化学能的使用，提高了熔化废钢所需能量的输入强度。并改进能源在炉内的分布，极大地缩短了电炉冶炼周期，实现了与连铸机生产节奏匹配，为建立现代电炉流程奠定基础。从电炉生产普钢开始，电炉钢厂逐渐形成了现代电炉—精炼—连铸—连轧的生产线，成为有竞争能力的炼钢生产线。
在生产高碳铬轴承钢方面江阴兴澄特种钢铁有限公司居全国领先、世界先进水平。品种包括棒材和线材，其生产的主要工艺流程为：
较大规格棒材生产工艺流程为：
高炉铁水十优质废钢→ 100t EAF超高功率偏心底出钢直流电弧炉→ 100t LF精炼炉→ 100t VD 真空脱气炉→ R12m、5机5流300mm×300mm大方坯连铸CC → 热送→ 热装→ 加热→ 连轧轧制( → 抛丸→ 矫直→ 涡流探伤→ 超声波探伤 )。
较小规格棒材生产工艺流程为：
高炉铁水十优质废钢→ 100t EAF超高功率偏心底出钢直流电弧炉→ 100tLF精炼炉→ 100tVD真空脱气炉→ R12m、5机5流300mm×300mm大方坯连铸CC → 热送→ 热装→ 加热→ 连轧开坯→ 中间坯加热→ 连轧轧制( → 抛丸→ 矫直→ 倒角→ 涡流探伤→ 超声波探伤)。
线材生产艺流程为：
高炉铁水十优质废钢→ 100t EAF超高功率偏心底出钢直流电弧炉→ 100tLF精炼炉→ 100tVD真空脱气炉→ R12m、5机5流300mm×300mm大方坯连铸CC 。
本次设计考虑到实际和先进性，采用：95t Consteel交流电弧炉（UHP-EAF，EBT）