电炉设备

冶金学—炼钢篇阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2010年4月27日～6月29日/逸夫楼405（No12）2020/2/17东北大学/阎立懿2主要内容炼钢学概述炼钢基础理论炼钢用原材料转炉炼钢法电炉炼钢法2020/2/17东北大学/阎立懿3上回讲过：从废钢资源、能源供应、流程及环境保护等方面分析电炉炼钢的发展前景；介绍“短流程”及其优点，电炉炼钢“三位一体”、“四个一”；电炉设备的大小与分类，电炉的技术经济指标：“641”、“531”等。2020/2/17东北大学/阎立懿4第五章电炉炼钢法5.3电炉炼钢设备及其电热特性设备主要包括机械结构和电气设备两部分：电炉大小与分类电炉的机械结构电炉排烟与除尘电炉的电气设备电炉电气特性与供电制度2020/2/17东北大学/阎立懿55.3.2电炉的机械结构主要由四部分组成：炉体装置；炉子倾动机构；炉盖升转机构；电极升降机构。电炉机械结构部件，见系列图。2020/2/17东北大学/阎立懿6图5-3电炉结构分解图2020/2/17东北大学/阎立懿7图5-4电炉机械结构图2020/2/17东北大学/阎立懿8大型电炉设备三维动画2020/2/17东北大学/阎立懿91）炉体装置～包括：炉壳与水冷炉壁，炉门及开启机构，出钢口及其开启机构，水冷炉盖等，见图5-5。炉壳炉壳由钢板焊成，筒形炉身内径即炉壳内径，是炉子主要参数之一。水冷炉壁与水冷炉盖的形式现代大型电炉均采用～，其形式普遍采用的是管式。水冷炉壁布置在距渣线300mm以上的炉壁上。采用水冷炉壁后炉容积扩大，增加了废钢一次装入量，提高炉衬寿命。水冷炉盖由大炉盖与中心小炉盖组成，大炉盖设有第四孔排烟，第五孔加料；中心小炉盖用耐火材料打结成，安装在大炉盖中心。2020/2/17东北大学/阎立懿10图5-5炉体装置2020/2/17东北大学/阎立懿112）炉子倾动机构为满足出钢及出渣操作，要求炉体能前后倾动。对于槽式出钢电炉要求能向出钢方向倾动42～45°出净钢水，对于偏心底出钢电炉要求能倾动15～20°；还要求炉子能向炉门方向倾动12～15°以利出渣，这些都要靠倾动机构来完成。广泛采用摇架底倾结构，整个倾动机构由导轨、摇架平台及驱动机构组成，见图5-6。倾动机构驱动方式多采用液压倾动。2020/2/17东北大学/阎立懿12图5-6倾动机构2020/2/17东北大学/阎立懿133）炉盖提升旋转机构炉盖旋转式电炉早在1925年就出现了，中国上世纪70年代末开始大量采用。炉盖升转机构大多为整体平台式（图5-4）。炉盖升旋转机构主要由支承轴承、旋转架、炉盖顶起缸、旋转油缸及旋转锁定装置等组成。这种结构（图5-7），它的炉体、倾动、电极升降及炉盖的提升旋转机构全都设置在一个大而坚固的平台上—倾动平台，即四归一的共平台式。因炉子基础为一整体（整体式），整个升转机构随炉体一起倾动。2020/2/17东北大学/阎立懿14图5-7炉盖升转机构2020/2/17东北大学/阎立懿154）电极升降机构～由电极夹持器、横臂、立柱及传动机构等组成，见图5-8。电极夹持器用铜的或用内衬铜质的钢夹持器，夹持器的夹紧常用碟簧式，而放松则采用气动或液压的。横臂用来支持电极夹头和布置二次导体（传统式）。近年采用铜-钢复合的和铝合金导电横臂（先进），不但结构简单，而且强度高、阻抗低，后者还具有重量轻、反应灵敏等优点。电极立柱为钢质结构，它与横臂连接成一个Γ型结构，通过传动机构使立柱沿着固定的导向轮升降。电极升降驱动机构传动方式多为液压传动，起动、制动快，控制灵敏，速度高12～18m／min。2020/2/17东北大学/阎立懿16导电铜管式横臂2020/2/17东北大学/阎立懿17图5-8电极升降机构2020/2/17东北大学/阎立懿18铜钢复合导电横臂2020/2/17东北大学/阎立懿19铝导电横臂2020/2/17东北大学/阎立懿205.3.3电炉炼钢的排烟与除尘钢铁工业对环境造成的污染，主要是向环境排放三废，危害极大。其中影响无论深度、还是广度最大的是废气。据GB9078-1996，1997年1月1日以后建的炉窑（含电炉、LF炉），其烟尘及粉尘的最高排放浓度按表5-1：地区类别执行标准排放限制烟(粉)尘排放浓度/mg/m3一类一级100禁止新建二类二级150三类三级2002020/2/17东北大学/阎立懿21电炉直接排放的灰尘量20000mg／Nm3，每吨钢的灰尘量高达15～20kg／t。粉尘粒度很细，≤１μm的超过50％。新起草的国家标准中规定，对电炉排放的灰尘量≤35/20mg／Nm3，要求消除电炉烟气中“二垩英”的影响，即要求排放气体中多氯二苯类化合物——PCDD/Fs(二垩英也称戴奥辛—dioxin)浓度小于0.2ng-TEQ／Nm3（即＜0.2纳克毒性当量浓度/Nm3）。2020/2/17东北大学/阎立懿22有关二垩常识何谓二垩英：它是一类化合物的简称，英文称dioxin（戴奥辛），中文称二恶英，学术上称：多氯二苯并二恶英polychlorinateddibenzo-p-dioxin（简称PCDDs）多氯二苯并呋喃polychlorinateddibenzofuran（简称PCDFs），在学术界喜欢简称为PCDD/Fs。它是无色无味、毒性严重的脂溶性物质；非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂；非常容易在生物体内积累，在环境中很难自然降解消除。来源：“二垩英”常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中，主要的污染源是化工、冶金工业，垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。日常生活所用的胶袋，PVC（聚氯乙烯）软胶等物都含有氯，燃烧这些物品时便会释放出二垩英，悬浮于空气中。2020/2/17东北大学/阎立懿23危害：它的毒性十分大，是氰化物的130倍、砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称。具有“三致”毒性，即致畸、致癌、致突变。导致初期胎儿的死亡、缺陷，造成儿童的免疫能力、智力和运动能力的久性障碍；造成男性永久性性功能障碍；造成女性子宫癌变畸形、乳腺癌。减排：一是减少“二垩英”的生成量，即减少含有苯环结构的化合物，减少氯源及催化物质，缩短有机废气在“二垩英”易生成温度区间的停留时间；二是排除，即采取高效的过滤、物理吸附、高温焚烧、催化降解等措施。2020/2/17东北大学/阎立懿241）排烟方法目前，世界范围电炉采用的排烟方法有：炉顶开孔排烟法（由第四孔或第二孔）、电炉封闭罩法、车间屋顶大罩法，以及它们之间的结合法等，电炉排烟除尘方法见图5-9、图5-10。宝钢150吨双壳电炉则是采取三级排烟的结合法，即炉顶第二孔排烟（单电极直流炉）＋电炉封闭罩＋车间屋顶大罩，使之成为“无烟”车间，并采用炉顶第二孔排出的高温废气进行废钢预热。炉顶排烟与封闭罩结合法见图5-10。2020/2/17东北大学/阎立懿25图5-9电炉排烟除尘方法2020/2/17东北大学/阎立懿262020/2/17东北大学/阎立懿27图5-10封闭罩（doghouse）2020/2/17东北大学/阎立懿282）除尘方法除尘方法与特点：大多数电炉的除尘采用干式布袋除尘法。它是用多孔编织物制成的过滤布袋，有玻璃纤维的，工作温度260℃，但寿命低为1～2年；有采用聚脂纤维，即涤纶的，工作温度低135℃，但涤纶耐化学腐蚀性能好、耐磨，其寿命高为3～5年。近年也有一些新材料的出现。布袋除尘法的特点是：价格便宜、设备简单、运行可靠、操作容易，以及便于增容；布袋工作温度低，除尘系统占空间较大。2020/2/17东北大学/阎立懿29图5-11除尘室布置图2020/2/17东北大学/阎立懿30布袋除尘器结构与工作原理若干条数米长的布袋布置在除尘室中，当烟尘经冷却后（＜135℃）进入除尘室中，经布袋过滤后的净气离开除尘室进入排气筒（烟囱）排空；当布袋中灰尘（外壁或内壁）聚积至一定厚度时，对气流的阻力加大，布袋的内外压差增大，将触发一个信号，启动空气反吹或振打装置，使灰尘由布袋外壁（或内壁）下落，进入到布袋除尘器下部的灰仓中，再经铰笼运送至储灰室，灰尘定期进行清理。2020/2/17东北大学/阎立懿315.3.4电炉电气设备电气设备包括“主电路”设备和电控设备。一般电炉炼钢车间的供电系统有两个：一个系统由高压线（高压供电系统）直接供给电炉变压器、然后送到电炉上，这段线路称电炉的“主电路”或叫“主回路”；一个系统由高压线供给工厂变电所，或直接通过变压器送到需要用电的其它低压设备上，这也包括电炉的电控设备，如低压配电柜，高低压控制柜及电极升降调节器等。2020/2/17东北大学/阎立懿321）电炉的主电路～或叫主回路，其作用是实现电-热转换，完成冶炼过程。主电路图见右图12:1-高压电缆；2—隔离开关；3-高压断路器；4-电抗器；5-电抗器开关;6-电压转换开关7-变压器；8-短网;9-电弧；10-钢水2020/2/17东北大学/阎立懿33主电路电器(元件)组成及其作用：隔离开关用以检修设备时断开高压电源（进线），为一无载刀形开关。高压断路器（开关）为电炉的操作开关。当电流过大时，断路器会自动跳闸切断电源，以保护电源和电器，为一有载开关。种类有油、空气、磁吹、SF6及真空断路器（开关），后者使用广泛。电抗器串联在变压器一次侧，用来增加电路电抗值，以稳定电弧燃烧及限制短路电流。22xrUId2020/2/17东北大学/阎立懿34电炉变压器～是一特种变压器，与一般电力变压器相比，具有以下特点：变压比大，变压级别多，如100t/90MVA超高功率电炉，K＝U1／U2＝35kV/950～500V＝37～70，计19级；二次电流大，数以万计，如100t/90MVA电炉的二次电流为65kA，130t直流电弧炉的二次电流为120kA；过载能力大，可长时间超载10％～20％；机械强度大，冷却条件好。2020/2/17东北大学/阎立懿35电炉短网～是指从电炉变压器低压侧出线到石墨电极末端为止的二次导体，它包括电极、横臂、挠性电缆及硬母线，见图5-13。由于这段导线流过的电流特别大，又称大电流导体（大电流线路），而长度与输电电网相比又特别短10～25m，故常称为短网或短线路。短网中因流过的电流很大，故要求水冷。三相短网的布线方式影响三相功率的平衡；短网的阻抗，影响输入功率的大小。2020/2/17东北大学/阎立懿36图5-13-1电炉短网结构示意图1-石墨电极;2-电极立柱;3-水冷电缆;4-变压器;5-电极夹头;6-导电横臂;7-导电铜管2020/2/17东北大学/阎立懿37图5-13-2短网结构示意图2020/2/17东北大学/阎立懿38电极电炉炼钢用电极要求强度大、电阻低及热膨胀系数小，故常用石墨电极。因制造石墨电极的原料—石油焦价格及加工成本不断上涨，使得电极消耗占炼钢成本提高，一般2～3kg/t(高达50～100元/t钢)，因而降低电极消耗十分重要。采取涂层电极、浸渍电极及水冷电极技术等，均可使电极消耗降低5%～10%，其中水冷喷淋电极效果好、使用广泛。2020/2/17东北大学/阎立懿39电弧电炉是利用电弧产生的高温（其温度高达3000～8000℃）进行熔炼金属的。电弧是气体放电（导电）现象的一种形态。气体放电的形式：按气体放电时产生的光辉亮度不同可分为：无声放电—弱，辉光放电—明亮，电弧放电—炫目三种。电弧产生过程：按直流讨论交流的瞬间。从电炉操作的表面现象看，合闸后，首先使电极与钢铁料做瞬间接触，而后拉开一定距离，电弧便开始燃烧——起弧。2020/2/17东北大学/阎立懿40图5-14电弧产生过程示意图2020/2/17东北大学/阎立懿41电弧产生过程：当两极接触时产生非常大的短路电流，在接触处，因焦耳热而产生赤热点，于是在阴极将有电子逸出。当两极拉开一定距离后（形成气隙），极间就是一个电场。——两极分开形成气隙在电场作用下，电子向阳极加速运动，在运动过程中与气体分子、原子碰撞，使气体发生电离。这些电子与新产生的离子、电子在电场中做定向加速运动的过程，又使另