150T直流电弧炉炼钢工艺.docx
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1、摘 要改革开放以来,我国电弧炉炼钢技术紧跟世界电炉炼钢工业的发展趋势,得到了快速发展。特别是冶金工艺流程的革命性变换,如电炉从三期操作发展到只提供初炼钢水的两期操作,从模铸到连铸,从出钢槽到偏心底出钢,以及为了满足连铸生产的快节奏提高炉子生产率而采用多能源的综合利用等等,所有这些改变都是促使为冶金工艺服务的电炉装备也取得了突破性的发展。近十年,我国从国外先后引进了交流超高功率电弧炉、直流电弧炉、高阻抗电弧炉、双壳炉和竖炉。通过这些设备的调试、操作、维护以及备品的制造,提高了我国电炉制造的设计制造水平。在消化吸收与创新的基础上,我国大容量电弧炉的国产化奠定了基础。当前电弧炉正朝着大型电弧炉、超高
2、功率供电技术、采用各种炉外精炼、发展直接还原法炼钢、逐步扩大机械化自动化及用电子计算机进行过程控制等的发展,所以我们进行了电炉炼钢的设计,以适应潮流的发展。当前电弧炉正朝着大型电弧炉、超高功率供电技术、采用各种炉外精炼、发展直接还原法炼钢、逐步扩大机械化自动化及用电子计算机进行过程控制等的发展,所以我们进行了电炉炼钢的设计,以适应潮流的发展。电炉的主要产品是钢材,而钢的质量取决于电炉冶炼技术和工艺,目前我国钢铁产业大量整合趋向于集中,整合资源优化升级。本设计根据指导老师的课题范围,查阅相关资料,结合南京地区实际条件,优化设计150t直流电弧炉炼钢车间。本次设计查阅国内大型电炉车间设计的相关内容
3、和文献资料,明确本次设计的目的、方法,并向老师请教可行性方案。结合炼钢设备及车间设计.、炼钢设计原理、炼钢设计原理等资料进行设计提纲的书写。对电炉进行配料计算,计算出电炉炼钢的原料配比。对电炉电气设备、炉外精炼、连铸系统、车间烟气净化系统、炼钢车间布局,结合国内大型电炉进行设定并向苏老师探讨可行的方法和数据。绘制电炉炼钢车间平面布置图。关键字:电弧炉,车间设计,连铸,炉外精炼第一章、文献综述电弧炉炼钢工艺的现状及发展趋势1.1前言简史 18881892法国埃鲁(PLTHeroult)创建工业电炉,19001910年应用于炼钢,其后电炉容量和单位容量功率不断扩大,20世纪60年代初,又成功地发展
4、成高功率、超高功率电炉,单位炉容量的变压器功率逐步由300400kVA加大至7001000kVA。加上相关技术的应用,从而大幅度地提高电炉炼钢的产量和质量,降低了生产成本,20世纪80年代后,直流电弧炉逐步得到推广采用。20世纪70年代前,中国的电炉一般都是30t以下的普通功率电炉。80年代开始建设50。75t普通功率和高功率电炉,同时引进建设了40150t高功率和超高功率电炉,配备不同型式的炉外精炼设施,炼钢工艺由传统的电炉一步炼钢法转变为电炉与炉外精炼配合的二步炼钢法,电炉承担熔化任务,还原精炼移到炉外精炼装置中进行。工艺流程选择 传统的电炉炼钢车间采用电炉一模铸的生产流程。新建的电炉炼钢
5、车间普遍采用高功率或超高功率电炉一炉外精炼一连续铸钢(简称连铸)的新流程(图1)。这种流程的最大特点是电炉主要作为炉料的熔化设备,而精炼任务移至炉外进行,不仅可以提高电炉的生产率,而且也保证了钢水质量,解决了电炉与连铸配合上的矛盾,有利于车间全连铸的实现。电炉炼钢车间的产品要考虑专业化生产,尽量避免品种多而全。车间的电炉座数应根据车间产量和品种的要求选用12座电炉为宜。1.2电炉钢比重近年来,世界电炉钢产量占钢总产量的比重为32%一35%欧盟电炉钢的比重已达到50%。由于电力资源不足以及废钢资源的短缺,我国电炉钢所占比重仍较低。从1993年至今,我国电炉钢生产的发展可分为3个阶段,近几年我国电
6、炉钢占钢总产量比重总体呈下降趋势。我国电弧炉座数逐年减少,炉容趋向大型化。据不完全统计,2007年=50t电弧炉产能约占电炉钢总产能的83.5%,成为我国电炉钢生产的主体设备,但是多loot电弧炉产能占电炉钢总产能的比例不及45%,与发达工业国家仍存在较大差距2。因此,新建电弧炉应严格按照钢铁产业发展政策规定,公称容量不小于70t。1.3生产情况1.3.1生产钢种 目前国外150t以上的电弧炉几乎都用于冶炼普通钢,许多国家电炉钢产量的60%一80%均为低碳钢。而我国受废钢和电力资源不足的限制,电弧炉主要用于冶炼高合金钢、大型铸锻件用钢、不锈钢等钢种。随着技术开发力度的继续加大,我国电炉钢质量有
7、较大提高,一些企业成功开发出氮含量小于等于80*10的(-6)次方钢种,最低的氮含量可控制在30*10的(-6)次方,达到了转炉钢的水平,但目前电弧炉普遍生产转炉钢种不具备成本优势4。1.3.2炉料结构 我国电弧炉消耗钢铁料结构发生变化,吨钢废钢消耗逐年减少,而吨钢生铁消耗逐年增加。为降低生产成本,多数钢铁企业电弧炉炼钢采用配加高炉铁水工艺。根据实践经验,我国电弧炉炼钢采用热装30%一35%的高炉铁水效果最佳,也有少数钢铁企业选择配加40%一50%的热铁水。目前国外还有电弧炉配加Corex铁水的冶炼工艺,与高炉铁水相比,铁水质量无明显优势,但是生产和运行成本较高,进一步推广还有较大难度。1.3
8、.3工艺措施 目前电弧炉技术开发主要以提高能量输人、缩短冶炼周期、提高生产效率为主。随着国内外电弧炉炼钢向大型化、超高功率以及计算机自动控制等方向发展,生产企业为缩短冶炼周期、提高生产效率、降低电耗,研究了多种冶炼方式,并采用了不同的强化冶炼工艺技术和装备。近年来出现的主要新型电弧炉有双壳电弧炉、Consteel电弧炉、带废钢预热装置的竖式电弧炉等,甚至出现了双炉壳、同时带有电极和氧枪,能根据炉料变化以电弧炉和转炉两种工艺操作的CONARC炉,称为电转炉。电弧炉冶炼工艺不断改进,总体目标是缩短冶炼周期,工艺措施分类总结如下3:(l)提高吨钢输人电功率,如超高功率电弧炉、直流电弧炉、高阻抗或变阻
9、抗交流电弧炉;(2)提高电效率、功率因数,如优化电弧炉供电制度和短网结构、采用导电横臂、长弧操作、吹氨搅拌等;(3)提供化学热源,如二次燃烧、氧燃烧嘴、碳-氧喷枪、底吹氧、外加热铁水技术等;(4)提供物理热源,如废钢预热、加适量的热铁水显热等;(5)优化工艺,如偏心底出钢、机械化加料系统和连续加料方式、快速测温取样分析等。1.4短流程电炉炼钢新技术1.4.1废钢预热目前工为应用较为普遍的新型废钢预热的方式大约有以下三种:(1)竖炉法。竖炉法是德国福克斯(Fcrh)s公司开发的技术,该方法产生于20世纪80年代末期,其特点是在炉盖一侧直接装有废钢预热竖井,使排出炉外的电炉烟气直接穿过待预热废钢,
10、高温烟气与竖井内废钢进行充分的热交换,然后进入除尘系统。与常规电炉比较,节电与节能效果可达lokow队,金属收得率可增加2%.(2)双炉壳法。20世纪60年代,瑞典第一次将双炉壳电炉用于生产中,即用两个尺寸完全相同的炉壳,共用一套供电系统,两个炉子轮流进行装料、熔化、精炼出钢操作,近年来在日本、德国也出现采用这种工艺操作的电炉,使电炉炼钢的非通电时间大大缩短时可达到2一4分钟(比常规电炉可缩短1015分钟)。双炉壳电炉的主要特点是缩短冶炼时间,提高生产率(比如单电炉不易掌握,操作难度大,且与后步工序配合困难。此处,还多出一套炉壳的投资费用,占地面积也相应加大,因此建投资增加很多5.(3)水平式
11、废钢预热一Cnoestel法水平热烟道下部的传送料车连续地送入炉内,外排的炉内烟气与废钢逆向运动进行热交换。在水平烟道中的不二次燃烧,出口烟温度可达到1000。这种预热方式可以最大限度地利用与减少烟气中的物理热与化学热,同时烟气中的氧化铁尘粒同样可由废钢吸附带回炉内,提高金属收得率。水平、连续地预热废钢,预热后的废钢连续加入炉内,带来的好处不仅是烟气余热利用与减少烟尘排放,而且这种独特的操作方式对稳定供电很有好处。炉内总能保持相当部分的液态钢水熔池,这非常有利于电极电弧稳定,消除电网闪烁,保持较高的输入功率6。废钢预热方式可以给电炉冶炼带来以下几个好处:节约能量;节约时间;收得率提高;减弱电网
12、闪烁。1.4.2水冷炉壁和水冷炉顶现代电炉的平均水冷炉壁面积已达到70%,水冷炉顶面积已达到8%。该技术的采用使电炉的热损失增加5%10%,但由于节省了50%75%的耐火材料成本和喷补料成本,并使炉顶寿命提高了50%。渣线上部耐火材料的维护作业被取消,使工人劳动强度大大降低。同时,由于电炉改用长弧操作,冶炼时间缩短510min,总体效益显著10。1.4.3氧一燃烧嘴与炉门碳氧枪(1)炉炼钢化学能供应现代电炉炼钢化学能输入有以下途径:氧气;碳粉、煤粉、石油焦等,主要是固体碳颗粒;天然气、丙烷等可燃气体;轻油、重油等液体燃料。除氧气外,其余三种也称为石化燃料(ofsseliufel)或矿物燃料(而
13、nearluefl)。通过氧燃烧嘴将这些矿物燃料输入炉内。输入化学能的目的是增加辅助能量,但这不仅仅是起一个能量补充的作用,对于电炉炼钢来说,采用辅助能源输入还有以下几个原因:电能及电极费用的普遍增长,提高了电炉熔化废钢等金属料的成本。对超高功率电炉来说既存在着电极附近的热区,也存在着远离电极的冷区,为减少炉内炉料的不均匀性,以氧一燃烧嘴作为辅助能源手段,对冷区进行热量补偿。氧一燃烧嘴安装在水冷炉壁上,与从炉门输入化学能相比,操作简单,维护方便。辅助能源输入以比较少的设备投资,换出缩短熔炼时间,提高生产率,节电、节省电极的效果显著。一般可节电100/0015%,增加生产率6-0/010%,安装
14、后-68个月即可回收投资,氧一燃烧嘴安装是辅助能源输入方式的一种,另外一种辅助能源输入方式是炉门碳氧枪。氧燃烧嘴纯氧助燃的优越性8使用纯氧代替空气助燃,亦即避免惰性气体NZ进入燃烧区。它有两个优点,一是能提高火焰温度(因为避免了无助燃作用,并且吸热的氮气混入);而是能提高燃烧率(即燃料完全燃烧的程度)。从图3可以看出使用空气助燃天然气,火焰温度可达1800,随着助燃气体中氧含量的增加,当达到100%纯氧时,火焰温 度可以提高1000度,达2800。图4烟气温度上升对天然气完全燃烧不利,但使用纯氧助燃与使用空气助燃,二者燃烧率下降幅度不同,使用氧气助燃时,燃烧率下降幅度小。同是1600的烟气温度
15、,使用纯氧助燃,燃烧率在70%以上,而使用10%过量空气助燃,天然气燃烧效率只有20%。因此,现代电炉使用的氧一燃烧嘴全部都是使用纯氧助燃。图1-3 火焰温度与助燃物氧气含量的关系图1-4 燃烧率与烟气温度的关系氧一燃烧嘴结构以及在电炉内的布置依使用燃料种类不同,氧一燃烧嘴结构也会不同,但基本结构还是一致的。最外层一般都是冷却水保护,使烧嘴免受高温辐射以及溅渣等侵蚀。里面依次是氧气和燃料的喷嘴,假如使用液体或粉状材料,则燃料喷嘴内还要考虑有载气输送。烧嘴的大小和多少依据电弧炉容量(也即电炉炉壳尺寸)以及电炉冶炼工艺条件(如废钢种类、DRI使用数量、是否有废钢预热或热装铁水等)而定。一般来说,使
16、用废钢预热或有铁水热装的电炉,氧一燃烧嘴的个数与功率都可适当减少小,而使用重型废钢或。DRI比例大的电炉,烧嘴配置应适当多些或功率需适当大些。氧-燃烧嘴一般是安装在电炉水冷壁上,个数3一6只,大部分电弧炉烧嘴在炉壁上安装的位置先靠近炉内的冷区(如交流电弧炉,在电极之间共有3个冷区,ETB底出钢电炉的留钢区域也是冷区),便于加速废钢熔化。较小的电炉可以在炉门上安装烧嘴,单个烧嘴安装在一支撑小车上可使烧嘴灵活对准炉内某个区域,使烧嘴火焰有效地达到炉内冷区。也有个别的电弧炉,氧一燃烧嘴被设计安装在炉盖之上,这对于炉盖旋转或平移的操作很不方便,但对于使用大量泡沫渣的电炉,炉盖烧嘴可以避免炉壁烧嘴出现灌
17、渣现象(3)炉门碳氧枪为加速炉内废钢熔化,传统电炉操作是采用人工吹氧的办法,即操作工手持吹氧管从炉门从炉门切割废钢,或将吹氧管插入熔池加速废钢熔化,并可加速脱碳。现代电弧炉炼钢取消人工操作而代之以氧枪机械手,在电炉主控室内遥控吹氧。近年来,由于造泡沫渣的需要,在向炉内吹氧的同时,用另一只喷枪向炉内喷枪向炉内喷入碳粉。炉门碳氧枪可分为两大类,一类是水冷碳氧枪,一类是消耗式碳氧枪。碳氧枪系多层无缝钢管制造,端头为紫铜喷头,类似于氧气顶吹转炉的水冷氧枪,电炉用水冷碳氧枪是在炉门前(渣门)水平放置,长度比顶吹转炉所用氧枪短得多。另外,铜喷头吹氧口下方放置喷碳粉出口,或另外附加水冷碳粉喷枪。碳粉可用压缩
18、空气或氮气做载气喷入炉内。水冷碳氧枪在炉内工作时,水平角度与坚直角度均可调整以便灵活地实现助熔废钢与造泡沫渣的功能。 由于喷枪是用套管水冷的,因此,水冷碳氧枪伸入炉内时不可插入钢水熔池,也不能与炉内废钢接触,否则会影响喷枪的寿命,喷枪浸入钢水熔池,会发生爆炸事故。为了保证氧气流股吹入熔池水冷氧枪喷嘴设计成拉瓦尔式,气体出口速度超过音速。水冷碳氧枪使用时枪头距熔池液面距离应在100mm以上。消耗式氧枪是用机械手驱动的三根外层涂料(AIN)的钢管钢水熔池,也可直接用于切割废钢助熔,喷枪一边工作一边消耗。喷枪机械手由电炉主控室遥控,将喷枪头部对准炉内需要的位置,水平角度与竖直角度均可调整,且比水冷喷
19、枪在炉内活动范围大。两种碳氧枪各有特点,各有利弊。水冷氧枪一次性投资大些,且操作中不能接触钢水与红热废钢,有一定的局限性,但操作成本低,且操作工无需更换喷管。消耗式氧枪在炉内可更早地开始切割废钢,在炉内活动空间大,且不用担心水冷碳氧枪会发生的漏水事故,但操作过程中隔一段时间需要接吹氧管,增加一些麻烦。 4)电炉炉底出钢(留钢留渣操作) 传统电弧炉炼钢一般采用三期冶炼工艺,即熔化期、氧化期、还原期。出钢时,随钢水从出钢槽流入钢包的炉渣,对钢水质量没什么不利影响。相反,由于还原渣洗的作用,钢水还会进一步脱硫,夹杂物在某种程度上被还原渣吸收,还原渣对钢水有一定净化作用。 现代高功率电炉与炉外精炼技术
20、应用以后,取消初炼炉电炉的还原期操作。电弧炉出钢前的炉渣是氧化性的。出钢过程中,假如这种氧化性炉渣流入钢包,会对炉外精炼效果以及钢水质量造成不利影响:(1)降低钢包精炼渣的脱氧脱硫能力;(2)降低合金回收率,特别是会增加脱氧用铝的消耗;(3)增加对钢包包衬的侵蚀,特别是渣线部位。因此,自20世纪70年代以后,电弧炉无渣出钢(留钢留渣操作)技术研究成为现代电弧炉冶炼技术研究的一个热门课题。 5)ETB出钢法131989,蒂森特钢公司与曼内斯德马克冶金技术公司及丹麦特殊钢厂合作,开发出世界上第一座偏心炉底出钢电炉,也叫EBT(EeentrieBottomTapping)电炉。这种电炉吸取了中心炉底
21、出钢的经验,把底出钢口移至炉壳的一个向外突出部份。 偏心炉底出钢电弧炉的炉壳上半部仍为圆形,下半部带有突出的圆弧形出钢箱。传统的电弧炉出钢时,一般需要把炉子倾动450左右,才能把钢水出完。为使钢水不接触水冷炉壁,在出钢槽铡钢水面以上400mm这一部分,仍是用耐火材料砌筑的,这是影响炉衬寿命的薄弱环节,对超高功率的电炉来讲,这个问题更为严重。采用偏心炉底出钢技术后,出钢时炉子倾动最多仅需150左右,可以避免钢水与水冷炉壁的接触。这样炉衬可以大面积采用水冷炉壁,从而提高炉衬寿命。一般采用偏心炉底出钢法,可以使电弧炉水冷壁面积从整个面积的70%80%扩大到80%90%。偏心炉底出钢电弧炉炉底设计成浅
22、盘状,以确保无渣出钢。ETB电炉出钢口底部的开启与关闭机构有两种形式。 将密封盖固定在一个空心轴上,轴内通水冷却,轴安装在电弧炉摇架下部,用液压缸或气缸将轴快速转动到一定角度,即可实现出钢口开启和关闭。此种机构无相对磨擦,应用较多。 以一种类似钢包底部的滑动水口底板,用液压缸将底板平移。从而实现钢口的开启和关闭。 为确保顺利出钢,在上一炉钢水出钢完毕后,出钢口中要填入引流砂,引流砂是一种含Fe03大约10%(质量分数)的MgO与SiO2混合填料。开启出钢口以后,先是引流砂自动流出,然后才是钢水出来。当钢水温度、成分达到出钢要求时,即可准备出钢。出钢过程为:先将钢包车开到出钢箱下面;打开出钢口之
23、前,使炉子向出钢口侧倾斜约5度,形成足够的静压力,防止炉渣从钢水产生的漩涡中流入钢包;打开出钢口盖板,开始出钢,出钢过程中,炉子渐渐地倾斜到12度,以保证出钢口上面的钢水深度基本不变。大约排出90%钢水后,炉子就以3度/s的速度回倾到原位置,以避免或减少漂在剩余钢水上的炉渣从出钢口流进钢包。 (1)SSF竖式电炉RBT出钢 SSF电炉出钢在炉底位置。这种圆形出钢方式的优点是出钢时炉子倾动角度可以更小,出钢时间可以控制在3min以内。除此之外,与ETB相比,最大的优点是在冶炼熔化期避免偏心留钢部分的炉内冷区,防止出钢时出钢口区由凝结冷钢,再有就是这种出钢方式也有利于实现出钢口自动填砂。减轻工人劳
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