《钢冶金学》_第9章电弧炉炼钢设备

钢冶金学重庆科技学院王宏丹第九章电弧炉炼钢设备◆电弧炉的炉体构造与机械结构◆电弧炉炼钢的排烟与除尘◆电弧炉的电气设备电炉炼钢的发展现代炼钢流程电炉炼钢的发展◆长流程（高炉—转炉）铁矿石高炉铁水转炉钢水浇注钢材轧钢钢坯◆短流程（废钢—电炉）废钢等电炉钢水浇注钢材轧钢钢坯电炉炼钢的发展投资比高炉—转炉流程减少l/2以上。如美国、日本等国的薄板坯电炉短流程，实际费用约为传统流程的l/4。生产成本低，劳动生产率高。钢铁联合企业从铁—焦—烧开始到热轧板卷为止，吨钢能耗一般为23kJ/t，而以废钢为原料的电炉钢厂短流程工艺生产的产品能耗接近10kJ/t，能耗降低60%左右。◆电炉“短流程”的优势◆电炉“短流程”的优势电炉炼钢的发展如从两种工艺排放出的CO2气体污染源的数量看，电弧炉为641kg/t钢，高炉—转炉工艺为1922kg/t钢，是高炉—转炉工艺的1/3。充足的废钢资源。在世界每年废钢产量为3亿多吨的情况下，电炉短流程的发展对于促进环保，消化废钢，净化冶金工厂的环境起到了良好的推动作用。◆电炉及电炉炼钢电炉炼钢的发展电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称。按电能转换热能方式的差异，电炉可分为电渣重熔炉—利用电阻热；感应熔炼炉—利用电磁感应；电子束炉—依靠电子碰撞；等离子炉—利用等离子弧；电弧炉—利用高温电弧。◆电炉及电炉炼钢电炉炼钢的发展目前，世界上电炉钢产量的95%以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。电炉炼钢是：以废钢为主要原料；以三相交流电作电源；利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温，来加热、熔化炉料；它是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法(现在也用来生产普通钢)。电炉炼钢的发展电弧炉炼钢◆电炉钢比例电炉炼钢的发展◆国内外电炉炼钢现状电炉炼钢的发展◆近年来我国电炉钢产量和比例的变化电炉炼钢的发展◆电炉炼钢与可持续发展电炉炼钢的发展1027354555回收率/%塑料铝纸玻璃钢铁物质名称常见材料的循环利用率◆电炉炼钢与可持续发展电炉炼钢的发展◆电炉炼钢与可持续发展电炉炼钢的发展◆电炉炼钢与可持续发展电炉炼钢的发展设转炉最佳废钢比为15%，电炉最佳铁水比为30%，生产1t电炉钢比生产1t转炉钢要多循环利用废钢约600kg，少消耗铁矿石1.3t，节约可比能耗350kg标煤，少排放CO21589kg，少排放废渣600kg，减少1/3以上从原料到成品的运输量，并节约土地和水资源，减少投资。电炉炼钢的发展电弧炉设备布置9.1.1电弧炉的炉体构造9.1电弧炉的炉体构造与机械结构9.1.2电炉倾动机构9.1.3电极升降机构9.1.4炉顶装料系统电弧炉结构炉壳包括圆筒形炉身、上部加固圈和炉壳底三部分。炉壳钢板及炉壳底钢板厚度选为炉壳外径的1/200左右，一般用厚度为12～30mm的钢板焊接而成。炉壳受高温作用易发生变形，特别是炉役后期，为此一般在炉壳上设有加固圈，大型炉子设有加强筋。炉壳底部形状有平底形、截锥形和球形3种。9.1.1电弧炉的炉体构造◆炉壳电弧炉的炉壳电弧炉的砌筑炉门由金属门框、炉门和炉门升降机构三部分组成。炉门框起保护炉门附近炉衬和加强作用，一般用钢板焊成或采用铸钢件。采用空心水冷炉门，炉门的大小以便于观察、修补炉底和炉坡为宜。炉门的升降机构可通过电动、气动或液压传动方式实现。中小型炉子只有一个炉门，位于出钢口对面。大型电弧炉常增设一个侧门，两炉门位置呈90°。9.1.1电弧炉的炉体构造◆炉门电弧炉的炉门电弧炉的炉门电弧炉的炉门传统的槽式出钢电炉，出钢口为一圆形（直径为150～250mm）或矩形孔，正对炉门，位于熔池液面上方。出钢槽用钢焊接，内砌高铝砖或用沥青浸煮过的黏土砖；而采用预制整块的出钢槽砖（用高铝质、铝镁质、高温水泥质捣打成型）时，方便、耐用、效果好。为避免冶炼过程钢液溢出，流钢槽向上倾斜与水平面呈8～15°。出钢槽尽量短些，减少钢液二次氧化和吸气。9.1.1电弧炉的炉体构造◆出钢槽电弧炉（槽式出钢）偏心炉底出钢法（EBT，EccentricBottomTapping），是目前应用最广泛的电炉出钢方法。出钢口由外部套砖和内部管砖组成，均采用镁碳管砖，内径一般为140～260mm，视炉容和出钢时间而定。EBT电弧炉的出钢操作。加填料即引流砂，为MgO基的颗粒状耐火材料，一般用含Fe2O3约10%的MgO与SiO2混合填料。EBT电弧炉的优点。9.1.1电弧炉的炉体构造◆偏心炉底出钢箱电弧炉（偏心底出钢EBT）电弧炉EBT出钢炉盖圈由钢板或型钢焊成，保护炉顶的正确形状以及把炉盖的全部质量落在炉壳上。为防止变形，一般采用水冷。9.1.1电弧炉的炉体构造◆炉盖圈电弧炉的炉盖圈设置电极密封圈，可以改善电极夹头的工作条件，防止炉气外逸，同时也可冷却炉盖，延长炉盖寿命。砌砖炉盖的电极密封圈（又称电极冷却器），有环形水箱式和蛇形水管式两种。金属水冷炉盖的电极密封圈（实为绝缘圈），为避免电极与金属炉盖导电起弧，通常采用弧形高铝大块砖密封，或用高温耐火泥捣打成圆形制作电极密封圈。9.1.1电弧炉的炉体构造◆电极密封圈电炉倾动机构是为满足电弧炉冶炼过程的出钢和出渣操作需要，实现炉子倾动的装置。冶炼过程的出渣，要求炉体向炉门方向倾动10°～15°。出钢时，要求炉体能够向出钢方向倾动40°～45°。偏心底出钢电炉，要求向出钢方向倾动12°～15°以出净钢水。倾动机构驱动方式多采用液压倾动。9.1.2电炉倾动机构电弧炉倾动电弧炉倾动（底倾）电极升降机构由电极夹持器、横臂、立柱及传动机构等组成。它的任务是夹紧、放松、升降电极和输入电流。电极夹持器多采用铜或内衬铜质的钢夹头，铬青铜的强度高、导电性好。电极夹持器的夹紧常用弹簧，而放松则采用气动或液压。横臂用来支持电极夹头和布置二次导体。横臂要有足够的强度。今年来，在超高功率电弧炉上采用导电横臂。电极立柱为钢质结构，与横臂连接成形结构。电极升降驱动机构的传动方式有电机与液压传动。9.1.3电极升降机构电极夹持器电极升降机构9.1.4炉顶装料系统◆炉盖提升旋转机构根据装料时炉盖和炉体相对移动的方式不同，炉顶装料可分为炉盖旋转式、炉体开出式和炉盖开出式3种。炉盖旋转式在国外和国内新建的电弧炉上普遍采用。炉顶装料是通过料罐将炉料一次或分几次装入炉内。料罐主要有两种类型：链条底板式和蛤式。◆料罐炉盖提升旋转机构料罐（蛤式）料罐（蛤式）高位料仓9.2.1排烟方法9.2电弧炉炼钢的排烟与除尘9.2.2除尘方法钢铁工业对环境造成的污染，主要是排放废水、废气和废渣（即三废），危害极大。其中，影响最大的是废气。各国标准规定排放的气体中粉尘含量在50～150mg/m3范围内。而电炉直接排放气体中的粉尘含量高于20000mg/m3，1t钢的灰尘量高达20kg。国家环境保护法要求，在上冶金设备的同时，必须配建除尘设备。9.2电弧炉炼钢的排烟与除尘9.2电弧炉炼钢的排烟与除尘1934552440其他Fe2O3PbOSiO2CaOZnOFeO◆电弧炉烟气和烟尘氧化期吹氧烟气量最大，其次是熔化期，还原期最小。烟气的主要化学组成(=0.5～3)5~1445~7412~201~34含量（%）O2N2CO2CO烟气成分烟尘的来源及组成：电弧炉熔池中一部分铁及其氧化物蒸发而随炉气带出，部分散状料粉尘和渣粒也随炉气带出，组成了烟尘，其主要成分是氧化铁。炉顶第四孔排烟法：由炉顶直接从炉内吸出烟尘（又称直接排烟法）的方法，即电炉中烟尘由炉顶第四孔（直流炉为第二孔），经水冷弯管→燃烧室→降温除尘→排放。车间屋顶大罩法：车间屋顶大罩位于车间屋顶主烟气排放源顶端的最高处。第四孔法与车间屋顶大罩法结合比较完美，使车间内外环境均有改善。电弧炉密闭罩法：用一个内衬硅酸铝等隔热吸声材料的大罩将整个电弧炉密闭起来。在排烟的同时，还可有效抑制噪声。此法常与第四孔排烟法结合，并进行废钢预热。抚钢50t电弧炉采用第四孔排烟法结合电弧炉密闭罩法的二级除尘；宝钢150t双壳电弧炉采取三级排烟。9.2.1排烟方法9.2.1排烟方法炉内排烟炉外排烟炉内外结合排烟9.2.2除尘方法强制冷却器重力除尘器布袋除尘器◆烟气净化设备9.2.2除尘方法强制冷却器重力除尘器布袋除尘器9.2.2除尘方法强制冷却器重力除尘器布袋除尘器9.2.2除尘方法强制冷却器重力除尘器布袋除尘器9.2.2除尘方法组成：由布袋房，集尘仓，进出气孔，反清仓管道组成。特点：适用于气体温度较低，压差较小的环境。结构简单，价格低，使用可靠。◆烟气净化设备——布袋除尘器9.3.1电弧炉的主电路9.3电弧炉的电气设备9.3.2电弧炉的电控设备电弧？？？电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放电产生的电弧，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，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。一、炼钢中的电弧闪电闪电是如何发生的盛夏时节，气温及气流变化活跃，伏在空气中的云层随气流的变化而急剧翻滚、移动，云层在急剧运动中，与空气反复摩擦而带上了大量电荷，有些云层积累了大量正电荷，有些云层则积累了大量负电荷。由于电荷的感应，在地面靠近云层处，也会积累大量的与云层所带电荷相反的异种电荷，产生电压。在一般情况下，空气是不导电的，但云层之间、云层与地之间的电荷积累到一定数量时，会产生达几亿伏的电压，强大的电场力就会将空气分子的原子里的电子“拉”出来，成为自由电子，而原子失去电子后成了带正电的离子，这叫做电离。一旦空气被电离，就成了导电物质，云层之间、云层与地面之间积累的电荷就会瞬息之间通过空气放出，正、负电荷相撞，会释放出大量的能量，这些能量一部分以光形式放出，这就是闪电。闪电是如何发生的如果这种放电发生在地面的建筑物与云层之间，巨大的能量会摧毁建筑物，这就是雷击。防止建筑物避免遭雷击的方法，就是在建筑物上安装“避雷针”。避雷针是由一根一端尖细的金属杆通过导体与一块埋在地下深处的金属板相连，它可以使地面上感应出的电荷不断地向空中放出，也可以把空中云层的电荷输送到地下，使建筑物与云层间没有电压，这样就可以避免雷击的灾难。电弧如何产生电弧是电流通过两极间气体时使之电离的一种放电现象。阴极放电：热电子发射，强电场发射。电子自阴极发射后，以极高速度向阳极冲击，在运动中与极间气体碰撞，使其电离成正、负离子，形成电弧。电弧中的电子数目或者电弧电流大小与两极间电功率、阴极材质、气体种类等都有关系。电弧产生的高热可以熔化或是汽化所有的金属，工业上利用电弧来焊接、熔化或是切割金属。例如炼钢厂的电弧炉。二、交流电弧的特性按电流特性，电弧炉可分为交流电弧炉和直流电弧炉。交流电弧炉以三相交流电作电源，利用电流通过三根石墨电极与金属料之间产生电弧的高温来加热、熔化炉料。直流电弧炉是将高压交流电经变压、整流后转变成稳定的直流电作电源，采用单根顶电极和炉底底电极。1981年，国际钢铁协会提议按电弧炉的额定功率分类电弧炉。对于50吨以上的电弧炉：额定功率100～200kVA/t为低功率电弧炉、200～400为中等功率、400～700为高功率、700～1000为超高功率(UHP：UltraHighPower)电弧炉，超过1000kVA/t，将其称为超超高功率(SUHP)。交流电弧炉和直流电弧炉炉膛传热电弧炉炉膛中热交换是电弧炉料和炉衬（包括炉壁和炉顶），三者共同构成一个封闭体系。电弧炉炉膛热交换极复杂，以辐射传热为主。①电弧→熔池②电弧→炉衬③炉衬→熔池液面④炉衬→炉衬⑤熔池→炉衬⑥熔池表面向钢液中的传导对流⑦炉衬、炉门、水冷件的散热炉膛传热过程示意图交流电弧的特性不连续性：由于交流电弧电压与电流的周期性变化，故当电弧电压未达到燃弧电压时，电流为0，电弧就会熄灭。但当电路中有感抗存在时，则即使电弧电压小于燃弧电压，电弧电流≠0。当感抗增加到一定值时，则可保证电弧连续燃烧而不熄灭。纯电阻电路的交流电弧交流电弧的特性不连续性：由于交流电弧