120吨电弧炉设计(2)

考文献： 中国CAD机械论坛

1.1.3直流电弧炉

直流炼钢电弧炉简介

直流电弧炉是用直流电源供给电能的电弧炉。它与交流电弧炉一样，也是利用电极和炉料(或熔池)间产生的电弧来发热，从而达到熔炼的目的。 直流电弧炉与交流电弧炉的结构区别在于：

三相交流电弧炉顶部安装三根可以上下移动的电极，而直流电炉仅在炉子顶部装设一根可以上下移动的电极，另一电极位于炉子底部固定不动。 直流电弧炉需要直流供电，所以比三相交流电弧炉多一套将三相交流电变换成直流电的整流设备。

与传统的交流电弧炉相比，直流电弧炉的主要优点是：

(1)电弧稳定且集中，熔池搅拌良好，炉内温度分布均匀，生产效率可以提高10%； (2)电流和电压波动小、对电网的冲击减少，三相供电平衡，功率因数高，可以节电5%以上；

(3)电极损耗少，吨钢电极消耗比交流电弧炉少50％。

由于受到直流电源容量的限制，直流电弧炉发展缓慢。随着可控硅技术的发展，大功率直流电源设备的制造技术逐渐成熟，在20世纪70年代后期直流电弧炉开始受到冶金界的重视。世界上第一座直流电弧炉于1982年在德国布什钢厂建成并投产，以后的六、七年中，美、法、意、日等国相继改建或新建成了各自的直流电弧炉，容量从30t到60t不等。1989年日本东京钢铁公司建成了当时最大的一座容量为130t的直流电弧炉。近年来世界各国相继建成并投产多座直流电弧炉，容量从60t到180t。1989年中国太原机械铸造厂研制成中国第一座小型直流电弧炉并投产，同年宣化铁合金厂一座2000kVA埋弧直流电弧炉投产，用来生产硅铁、锰铁、硅钙等铁合金。进入90年代后，直流电弧炉越来越受到重视，上海第三钢铁厂、长城钢厂、齐齐哈尔钢厂、江阴沿山钢厂、上海第一钢铁厂等先后引进大型直流电弧炉，容量80～100t不等。宝山钢铁(集团)公司从法国引进一套双炉壳(—个电源)的150t直流电弧炉设备。 采用直流电源的炼钢电弧炉。采用单相直流电通到炉子上部顶电极作为阴极，底部（底电极或导电炉底）作为阳极，形成上部电极—电弧—熔池—下部电极为负载回路的电弧炉。其优点是电极消耗大幅度降低；电弧稳定；对电网冲击小，一般不设动态补偿装置；噪音小；能有效利用电能。

参考文献： 直流电弧炉炼钢 金鼎 编著

1.2电弧炉炼钢的优缺点：

电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有以下的优点： ① 电炉炼钢的设备投资少、基建速度快；

② 炼钢的热能来自于电弧上，温度可高达4000～6000℃，并且直接作用在炉料上，热效率比较高，一般在65％以上。此外，冶炼中含有难熔元素W、Mo等高合金钢；

③ 电炉炼钢可以去除钢中含有的夹杂物和有害气体，以及去硫、脱氧、合会化等，以此来冶炼出高质量的特殊钢；

④ 电炉炼钢可采用热装或冷装，不的受炉料的限制； ⑤ 适应性强，可连续生产也可间断生产。 电弧炼钢的缺点有：

① 电弧是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池各部位温差较大； ② 炉气或水分，在电弧的作用下，能解离出大量的H、N，而使钢中的气体含量增高。随着电弧炉技术的发展和完善，以及废钢等代用品的开发与应用，电弧炉流程可以使用废铁、废钢作为代用品，甚至可以使用比较多的生铁进行生产冶炼。因此，在全球角度看，以电弧炉炼钢技术为代表的短流程钢厂生产的前景十分广阔。

第二章 电弧炉炉型尺寸设计

2.1熔池的形状

电弧炉熔池的形状应利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。目前使用的一般为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如下图所示）。球冠形电炉炉底使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快

[8]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°。

熔池尺寸计算：

图2.1 电弧炉尺寸图

熔池容积V池。

根据

V池?V液?V渣 (2.1)

V液?T?液 (2.2)

式中 T—出钢液量；ρ液-钢液密度，6.8～7.0t/m3。

V渣?G渣?渣 (2.3)

式中 G渣-按 氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）；ρ渣—3～4t/m3

2.2.1熔池直径和深度设计

在计算熔池直径D和深度H之前，首先得确定一个合适的D/H值。在熔池容积一定的条件下，D/H越大，熔池越浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面越大，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望D/H大一些。但是D/H太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D壳太大，炉壳散热面积增加，电耗也增大，所以D/H又不能过大。

若D/H太小，熔池太深，则钢液加热困难，温度分布不均匀性大。在氧化期内应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以促使金属成分和温度均匀[9]。

当选定炉坡倾角45°时，一般取D/H=5左右较合适。

由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为：

2d222V池?h（D?dD?d）?h（3??h211）1264 (2.4)

??式中 h1—球冠部分高度，一般取h1=H/5； h2—截锥部分高度，h2=H-h1=4/5H；

D—熔池液面直径，通常采取D/H=5，即D=5H； d—球冠直径，因d=D-2h2=5H-8/5H=17/5H，整理得：

V池?12.1H3?0.0968D32.2.2熔炼室尺寸设计

(2.5)

熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小需一次装入堆积密度中等的全部炉料。

① 熔炼室直径D熔

为了防止钢液沸腾或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处）时炉渣冲刷炉壁砖，炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100 mm左右，即当选定炉坡

倾角为45°时：

D熔=D+2×100 (2.6)

② 熔炼室高度H1

金属炉门槛至炉顶拱基的高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高80~100。

从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度H1大些，因为增大熔炼室高度H1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热会相对少一些，炉盖寿命长，另外，熔炼室高度H1大，装轻薄料多。但是如果熔炼室高度H1太大：1)炉壳散热面积大→电耗多；

2) 电极长→电阻大。

金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高出80~100mm。 经验值：

H1?0.50~0.54 <40t电炉 (2.7) DH1?0.44~0.40 >40t电炉 D③炉顶高h3

炉顶高度h3与熔池室直径D有如下关系：

h3?1/7~1/9（因炉顶砖而异） (2.8) D熔至此，渣面至炉顶中央高度H2=H1+h3 ④ 熔炼室上缘直径D1

通常熔炼室要设计成上大下小倾斜形的，即D1>D熔，炉壁上部薄下部厚，这种形状的熔炼室增强了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔炼室的容积增大，可多装轻薄料。另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀[10]。

其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H1—100）的10%左右；所以：

D1?D熔?2?（H1?100）?10%⑤ 炉门尺寸的确定

（2.9)