钢铁厂设计电弧炉设计说明书

-1-第一章总论一、的目的掌握有关钢铁厂设计的基本知识，处理有关的技术和经济问。二、设计的主要内容1、钢铁厂设计的基本原则；2、钢铁厂主要生产工艺及布置；3、车间的主要设备和选择与计算以及有关技术及经济指标；三、基本原则1、贯彻国家的有关规定；2、设计中的技术决定与应结合我国的实际情况；3、充分利用当地的物质资源和民挥现有的工业基地的物资资源；4、合理的提高产品质量；5、减少污染，保护环境。四、厂址的选择要求：1、所选厂址的面积和外形要满足生产工艺的过程的需要；2、厂址的地势要平整，并且有向外倾斜的坡度，以防雨水大，向厂外排水不至于注入车间；3、良好的工程地质和水利条件；4、钢铁厂的选择要接近原料、燃料的基地；5、处于城市的下风向；6、渣料的堆场选择在河流、山谷等低洼地带；7、合理地利用土地，尽量减少占用农用耕地。-2-第二章设计方案一、依设计任务提出具体钢种及冶炼的方法1、具体钢种轴承钢GCr152、冶炼方法轴承钢：GCr15氧化法二、冶炼作业指标的确定1、冶炼周期的确定冶炼周期受炉子的吨位、冶炼方法、钢种、供电、原材料情况、加料方式和操作水平等因素的影响。初选冶炼周期为1.5小时。其中：扒渣炉———10min装料———5min熔化期———50min氧化期——10min扒渣————5min还原期——10min2、炉衬寿命及材料炉衬寿命受钢种、冶炼方法、供电制度、操作水平、炉衬材质及砌筑方法等因素的影响。炉盖：一级高铝砖110炉；炉墙：镁砖80炉；炉底：镁砖80炉3、停炉时间及停工的影响因素本设计取停工率s=10%，则：总停炉时间=10%×365×24=876小时停工的影响因素：停工有热停工和冷停工。热停工的影响因素：换炉盖、换炉壳、换水冷圈、抢修炉电气、机械故障（大、小修）、天车调度和炉料配置。冷停工的影响因素：大修、小修、修变压器和停产。4、作业率：a=1-s=1-10%=90%，作业天数取330天。5、良锭收得率b=96%三、炉子年产量的确定取熔化期为50分钟，总冶炼周期为1.5小时，收得率为96%，作业率90%则：电弧炉产量24ngaAt==2436590%3096%1.5××××=154526.8t≈150000t则三座炉子年产量约为45万吨。四、车间布置采用横向高架布置五、铸锭方法-3-1、采用全连铸；2、用保护浇注：不锈钢、高锰钢等特殊用途钢采用保护渣浇注（低沸点、固体），其余钢种采用复合保护渣，沸腾钢不加保护渣。不锈钢浇注用发热剂，采用复合渣不再用发热剂。3、钢锭的处理采用退火的方法处理。4、冷却方式：水冷、空冷。-4-第三章炉型设计及变压器功率的选定一、电弧炉炉型及其尺寸的计算熔池的容积V等于球冠部分体积和倒截头圆锥部分之和，一般球冠部分的高度大约为熔池深度的，则：因d1=Db-2h2=5hb−85hb-175hb因1t钢液的体积为0.14m2，则，30t钢液的体积为0.14×30=4.2m2因电弧炉氧化其渣量大，对碱性电炉而言，渣液与钢液重量之比采用0.07，刚渣重量为：30×0.07=2.1t设渣比重为3，则渣所占体积为0.7m3Vb=Vm+Vsg=4.2+0.7=4.9m3则熔池直径Db=3699mm，取3700mm则hb=15Db=740mm取740mmh1=15hb=148mm取150mmd1=175hb=2516mm取2500mmh2=4h1=592mm取600mmDsm=Db+2×100=3699+200=3899mm取3900mm取Hsm/Db=0.47则，Hsm=0.47Db=1739mm取1740mm取h3/Sm=1/9则，h3=Dsm/9=433mm取430mmHcen=Hsm+h3=2172mm取2200mm取δft=300mm炉壁内侧倾斜度（Hsm-100）10%=164mm取160mmDsm，t=Dsm+2×164=4227mm取4200mm取炉衬耐火砖层厚度为345mm，绝热层厚度为75mm，则Dsh，i=Dsm+2δwl=4739mm取4740mm取炉壳钢析厚为30mm，Dsh，e=Dsh，i+2δsh=4799mm，取4800mm炉底厚度:δb=hb×90%=666mm炉门宽度:0.25Dsm=975mm取1000mm2221122111()()326bbbhrrVRRrrhππ=++++11117210drh==-5-炉门高度:975×0.8=780mm出钢口和出钢槽尺寸出钢口为圆形或修砌成方(或长方)形，直径约150～200mm。出钢槽长度与出钢倾炉方式和炉子在车间内布置有关，原则上出钢槽应尽量减短，以避免出钢过程中的钢液降温和吸收气体。出钢槽一般向上倾斜约7°。通常，出钢口的下沿与工作门门坎在同一水平面上，但对于虹吸式出钢或偏心底出钢的电炉则要另作特殊设计以满足工艺过程的需要。二、耐火材料的选择炉盖在冶炼过程中长期处于高温状态，并且经常受到温度急变的影响，受到炉气和粉末造渣材料的化学侵蚀以及升降炉盖时的机械振动作用，炉盖的使用条件变得更加苛刻，炉盖用耐火材料也随之发生变化，本次设计炉盖用的耐火材料选用高铝砖。含Al2O3大于46%的硅酸铝质耐火材料称为高铝砖，它的原料是高铝矾土矿。高铝砖的优点是具有耐火度高，热稳定性好，抗渣性好和耐压强度高等优良性能，并且我国矾土矿蕴藏量又多，所以目前它是我国碱性电炉炉盖用的主要耐火材料。炉墙和炉底的工作条件和炉盖大致相同，受到电弧的高温辐射，在极高的温度下工作，并且经常受到急冷作用。比炉盖更严重的是，炉墙和炉底直接与钢水和炉渣接触，受到钢水的冲刷和炉渣的侵蚀，同时装料时还受到炉料的撞击。因此，必须选用优质的耐火材料，尤其是与炉渣接触部位和接近电弧热点的部位要求更高。镁砂是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来打结炉底，炉坡和炉墙，也可制成镁砂砖，同时又是补炉的主要材料。本次设计选用镁砂作为炉墙和炉底用耐火材料。镁砂是由天然菱镁矿在1650℃温度下煅而成的。镁砂的耐火度可达2000℃以上，有较好的抵抗碱性炉渣侵蚀的能力。但其热稳定性差，导热系数大。镁砂的主要成分是氧化镁，也含有少量杂质。（1）绝热材料绝热材料的作用是为了减少炉衬的热损失，常用的绝热材料有石棉板，硅藻土，硅藻土砖和轻质粘土砖等。绝热材料的体积密度都是比较小的，体积密度愈小导热系数和愈低，绝热作用愈好。因为绝热材料的允许工作温度较低，只能用于温度在1000℃以下的部位，所以在电炉上只用在炉墙的最外层和炉底的最下层，避免与高温钢渣和炉气接触。（2）粘结剂粘结剂的作用是将各种散状的耐火材料粘结成一个整体，使其在高温下有一定的坚固性。粘结剂是电炉炉底和炉墙打结时不可缺少的材料，常用的粘结剂有沥青、焦油、卤水和水玻璃等。三、变压器功率的选定变压器功率及电参数Prat=1000Dsh，e3.32/tsm取tsm=2h则，Prat=10041kVA取12000kVA的变压器，-6-熔化期的平均功率：Paver=0.8×Prat=8800kVA熔化期的有用功率：Paval=Paver×cosϕ×ηel=6732kVA最高工作电压：U=153rPat=334V电极上的电流密度:I=3r10P3atU=19015A则电极直径：ded=230.406ededIKρ=41.2cm≈410mm校核电极的电流密度：Ix=IS=24edIdπ=×14.4A/cm2，可行。电压级数：为了熔炼的正常进行，应在熔炼的各个期中使用不同的电力及不同长度的电弧，以满足冶炼工艺的要求。一般这可用改变炉子变压器高压侧线圈的匝数及其接法来达到。熔化期使用变压器的全部电力并用最高阶电压，精炼期使用较小电力及低电压。在功率要求一定时，工作电压提高可以减小电流，因而可提高cosϕ和elη。选择最高一级二次电压，根据公式：（对碱性电炉）315ratPU=，可算出对所设计的50t炉子，其最高级工作电压为32500015×=U=439V。电极心圆尺寸，到,/edibdD=0.30,edid=0.3Db=1110mm电极总长度Led,t=h1+h2+h3+h3+h4+h5+(100~150)mm式中，h1：炉子工作空间高度，即炉底最低点到炉顶最高点；h2：炉盖厚度；h3：炉盖上面冷却器突出部分高度；h4：电极夹持器夹持部分高度；h5：保持2～3炉的储备高度。四、电弧炉机械设备1、炉结构体（1）炉壳它由圆筒形炉身、炉壳底和上部加固圈三部分组成。炉壳应有足够强度，通常用12～30mm普碳钢或低合金钢钢板焊接而成。它除了要承受炉衬和钢液的重量以外，还要抵抗炉衬砖在加热膨胀时产生的膨胀力和装料时产生的强大冲击力。因此，炉壳钢板厚度是随炉子容量和炉壳直径而变。-7-炉底壳有平底、锥底和球底三种，平底制造容易，砌砖方便，但有死角，耐火材料消耗多，目前已基本不用，锥底刚度比平底好，较易制造，适用于中小炉子，球底刚度大，没有死角，炉衬最少，但加工要困难些，适用于大型电炉，对装有电磁搅拌器的炉子，炉底应用无磁性材料制造。近年来，随着超高功率电炉的发展，采用水冷挂渣炉壁愈来愈多，这主要是为了降低炉壳温度，减少炉壳变形，提高炉龄。（2）炉门包括炉门，炉门框，炉门坎以及炉门升降机构。大多用钢板焊接而成。炉门和炉门框一般能水冷却。（3）出钢口和出钢槽出钢口一般开在炉体后身与炉门相对的中心位置，并与衬有耐火材料的出钢槽连接。出钢末端应向上翘起，与水平成8°～12°的斜度，这是为了打开出钢口时钢液不会马上沿出炉钢槽流出。出钢的长度决定于车间的布置形式和出钢要求，如电炉与铸锭在同一跨间（同跨出钢），出钢槽可以短些，一般在1m以下；若电炉和铸锭不在同一跨间（异跨出钢），则出钢槽就要长些，一般约2m左右，当然，出钢应尽量短些，以减少钢流的二次氧化。（4）炉盖及电极密封圈炉盖由炉盖圈并内耐火砖而成。炉盖圈常采用钢板和型钢焊接，一般均水冷。近年来有很多电炉已采用水冷炉盖，但在三个电极孔周围仍衬以耐火材料，以防止电极碰撞水冷炉盖，这种炉盖寿命长，电耗稍有增加，效果良好。炉盖的升降和旋转，我国电炉新系列中均已采用液压传动，整个炉盖部分通过可以调整的链条或拉杆吊装在旋转臂上，旋转臂运动的同时也带动炉盖运动。旋转臂的底座安装在一个支架上，支架又安装在电炉炉体上，一个柱塞油缸顶起旋转臂和炉盖，再由另一个油缸推动它们旋转，两个动作分别有机械和电器的联锁装置，以防止误操作。电极密封圈是为了防止炉盖三极心圆上的三个电极孔漏气和保护电极少被氧化而特设的。由于电极与电极之间必须留有间隙（一般为20～25mm），因此必须采取措施---用电极密封圈来加以密封。密封圈的形式有蛇形管式、环式和箱式。蛇形管式对电极的冷却效果好，但密封效果差，易被烧坏，只有少数小炉子使用；环式的冷却作用差，用的也少；箱式是在环式的基础上改进的，嵌入炉顶80～100mm，冷却和密封效果较好，目前使用较普遍，本设计采用箱式电极密封圈。2、倾动机构为出钢和出渣，应设置倾动机构。按传动方式有液压传动和电机传动两种。我国电弧炉新系列中已多改用液压传动式，即炉子的倾动是靠柱塞油缸（单个或双个）推动弧架实现的，可向前（出钢方向）倾动40°～45°，向后（出渣方向）倾动10°～20°，其倾动速度为每秒1度左右。炉子回到水平位置时有锁紧机构和信号标志。3、电极升降机构电炉装有三套电极升降机构，即每相单独设一套。它的任务是：加紧或放松电极，升降电极并输送电流。一般包括电极夹持器（又叫电极夹头）、电极横臂、立柱、升降液压缸等。电极夹持器的作用是夹持住电极并把电流输送到电极上，因此必须加紧牢固，尽量减少接触电阻，降低电的损耗。由于受高温的作用，夹持器一般采用水冷。它的设计好坏，大大影响电炉二次回路的电参数，因为其功-8-率损耗约占整个短网功率消耗的20～40﹪。电极夹持器是固定在电极（水平）横臂上，横臂与立柱连接成“Γ”字形，立柱内设有液压缸，借液压传动式立柱升降，因而电极也随之升降。4、炉顶装料系统现代电炉大多采用炉顶装料，即将炉料装于料筐内，再用料筐把炉料由炉顶卸入炉内。要实现炉顶装料，必须使炉盖与炉体脱开并产生水平相对位移，使炉膛全部露出。因此常采用炉盖旋开式、炉体开出式和炉盖开出式。大中型电炉常采用炉盖旋开式，小型电炉常采用炉体开出式较多，炉盖开出式已很少采用。本设计选用炉盖旋开式装料。五、炉子适宜的装入量所设计的炉子熔池尺寸是要按新炉条件进行的。此时炉子可容纳钢液50T（炉渣除外）。在实际生产中，由于炉衬被冲刷以及炉内的化学反应、电弧的高温作用、机械装料时的毁损等，因而会使熔池的直径和深度（即熔池的容积）增大。这样即可增加装料量，从而使实际装料量比额定装料量大。根据实际经验，实际装料量一般以增大20%～50%为宜。-9-第四章碱性电弧炉熔炼GCr15钢种物料平衡和热平衡计算一、物料平衡计算（一）计算所需原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及其成分（表1）；原材料成分（表4）；炉料中元素烧损（表5）；合金元素回收率（表6）；其它数据（表7）。表1冶炼钢种为GCr15其成分成分（%）钢种CSiMnPSCrFe备注15rGC00.105.1~95.025.035.0~15.035.045.0~25.0025.0≤025.0≤53.165.1~40.1余量氧化法冶炼表2主要原材料成分CSiMnPSFe废钢0.210.270.540.0280.029余量表3石灰成分CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CO2H2OP2O5S石灰88.552.802.501.000.804.100.100.100.05原材料成分如表4表4原材料成分（%）名称CSiMnPSCrAlFeH2O灰分挥发分碳素废钢0.180.250.550.0300.030余量炼钢生铁4.200.800.600.2000.035余量FeMn6.600.5067.80.2300.13024.74FeSi73.00.500.0500.0302.5023.92SiMn1.6520.563.20.0650.04514.54FeCr4.350.400.0350.04567.327.87Al98.51.50焦炭81.50.5812.45.52电极99.01.00-10-续表原材料成分（%）名称CaOSiOMgOAl2O3CaF2Fe2O3H2OP2O5S萤石0.305.500.601.6088.001.501.500.900.10铁矿石1.305.750.301.4589.771.200.150.08火砖块0.5560.800.6036.801.25高铝砖1.256.400.1291.350.88镁砂4.103.6589.500.851.90焦炭灰分4.4049.700.9526.2518.550.15电极灰分8.9057.800.1033.10炉料中元素烧损率如表5表5炉料中元素烧损率成分CSiMnPS熔化期25～40，取3070～95，取8560～70，取6540～50，取45可予忽略烧损率（%）氧化期①全部烧损20②25～30，取27注:①按末期含量比规格下限低0.03～0.10%（取0.06%）确定（一般不应低于0.30%的脱碳量）；②按末期含量0.015%来确定。合金中元素的回收率如表6表6合金中元素的回收率回收率（%）合金材料加入时间CSiMnCrAl还原初期10010096FeMn出钢前10010098还原初期651000FeSi还原后期9510060FeCr还原初期10010096还原初期预脱氧0Al还原后期终脱氧40Fe-Si粉还原期扩散脱氧500Al粉还原期扩散脱氧0其它常用数据如表7表7其它数据名称参数配碳量比钢种规格中限高0.70%，即达1.70%熔化期脱碳量30%，即1.70×30%=0.51kg电极消耗量5kg/t（金属料）：其中熔化期占60%；氧化期和还原期各占20%炉顶高铝砖消耗量1.5kg/t（金属料）：其中熔化期占50%，氧化期占35%，还原期占15%炉衬镁砖消耗量5kg/t（金属料）：其中熔化期占40%；氧化期和还原期各占30%熔化期和氧化期需氧量50%来自氧气，其余50%来自空气和矿石-11-氧气纯度与利用率99%，余者为N2，氧利用率90%焦炭中碳的回收率75%（系指配料用焦炭）碳氧化产物均按70%生成CO，30%生成CO2考虑烟尘量按8.5kg/t(金属料)考虑（二）物料平衡基本项目。收入项目：废钢、铁水、石灰、矿石、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖块、铁合金、氧气和空气。支出项有：钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦碳中挥发分。计算步骤。以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段—熔化期、氧化期和还原期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表。1、熔化期计算1）确定物料消耗量：A、金属炉料配入量。废钢和铁水按75kg和25kg搭配，不足碳量用焦碳来配。其结果例于表8。计算用原始数据见表1和表7。B、其他原材料消耗量。为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金属料））和矿石（10kg/t(金属料)）。炉顶、炉衬和电极消耗量见表7。表8炉料配入量配料成分（kg）名称用量CSiMnPSFe废钢75.000.12750.20250.4050.0210.0217574.19225生铁25.001.0500.2000.1500.050.00923.541焦碳0.80570.4925合计100.80571.7000.40250.5550.0710.0307597.73325注:炭烧损率25%。2）确定氧气和空气消耗量耗氧量包括炉料中元素的氧化，焦炭和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。前后二者之差即为所需净氧量——2.816kg。详见表9。根据表7中的假定，应由氧气供给的氧为50%，即3.085×50%=1.543kg，空气应供氧1.543—0.269=1.274kg。由此可求出氧气与空气的实际消耗量。详见表10。1）+2）便是熔化期的物料收入量。3）确定炉渣量炉渣源于炉料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物，炉顶和炉衬的蚀损，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。结果见表11。4）确定金属量金属量Qi=金属炉料重+矿石带入的铁量—炉料中C、Si、Mn、P和Fe的烧损量+焦炭配入的碳量=100+0.628—3.199+0.4925=97.9215kg。5）确定炉气量炉气来源于炉料以及焦炭和电极中碳的氧化产物CO和CO2，氧气和空气带入的N2，物料中的H2O及其反应产物，游离O2及其反应产物，石灰的烧减（CO2），-12-焦炭的挥发分。计算结果列于表12。6）确定铁的挥发量由表9中的设定，铁的挥发量为：97.733×2%×80%=1.564kg3）+4）+5）+6）便是熔化期的物料支出量。由此可列出熔化期物料平衡表13。表9净耗氧量计算项目名称元素反应产物元素氧化量（kg）耗氧量供氧量[C]→{CO}1.7×30%×70%=0.3570.476C[C]→{CO2}1.7×30%×30%=0.1530.408Si[Si]→(SiO2)0.4025×85%=0.3680.391Mn[Mn]→(MnO)0.555×65%=0.34210.105P[P]→(P2O5)0.071×45%=0.031950.0412[Fe]→(FeO)97.733×2%×15%=0.2930.084炉料中元素的氧化Fe[Fe]→(Fe2O3)97.733×2%×85%=1.6610.712小计3.1992.217[C]→{CO}0.8057×81.5%×25%×70%=0.1150.153焦碳中碳的氧化C[C]→{CO2}0.8057×81.5%×25%×30%=0.04940.132[C]→{CO}0.300×99%×70%=0.2080.277耗氧项电极中碳的氧化C[C]→{CO2}0.300×99%×30%=0.08910.238合计3.017矿石Fe2O3Fe2O3=2Fe+3/2O21×0.8977×48/160=0.269石灰CaOCaO+S=CaS+O2×0.04%×12/32=0.00022供氧项合计0.269净耗氧量3.017-0.269=2.748注：令铁烧损率为2%，其中80%生成Fe2O3挥发掉成为烟尘的一部分；20%成渣，在这20%中，按3:1之比例分别生成（FeO）和（Fe2O3）。表10氧气与空气实际消耗量氧气（kg）空气（kg）带入O2带入N2带入O2带入N21.509/90%=1.676(1.704/99%)×1%=0.0173.017×50%-0.269=1.23951.2395×(77/23)=4.1496∑=1.676+0.017=1.693∑=1.2395+4.1496=5.389注：77/23为空气中N2与O2的质量比。-13-表11熔化期炉渣量的确定成渣组分备注名称消耗量CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计Si0.34210.7330.733Mn0.36080.4660.466P0.031950.07320.0732炉料中元素的氧化Fe0.3910.3770.1400.517炉顶0.0750.0010.004略0.0690.0010.075炉衬0.2000.0080.0070.1790.0020.0040.200焦碳0.80570.0050.0520.0010.0270.019略0.104电极0.300略0.002略0.0010.003矿石1.0000.0130.0580.0500.015(0.898)0.0020.0020.093石灰2.0001.7710.0560.2330.020.0160.0020.001合计1.7980.9120.0030.1340.4660.3770.180.07720.0035.078%35.4117.964.592.649.187.423.541.520.06100.00注：①石灰中CaO被自身S还原，消耗0.002kgCaO。②Fe2O3还原出的Fe量为1×0.8977×112/160=0.628kg）表12炉气量计算项目COCO2N2H2OH2挥发物合计备注物料中C的氧化0.357×28/12=0.8330.153×44/12=0.5611.394焦碳带入0.115×28/12=02680.0494×44/12=0.1810.0050.0470.501电极带入0.208×28/12=0.4850.0891×44/12=0.32670.8117矿石带入0.0120.012石灰带入2.000×4.1%=0.0820.0020.084氧气带入0.0170.017空气带入4.14960.0574.207液离O2参与反应CO+1/2O2=CO21.676×10%×28/16=-0.29331.676×10%×44/16=0.46090.1676H2O参与反应H2O+CO=H2+CO20.076×28/18=-0.1180.076×44/18=0.186-0.0760.076×2/18=0.0080合计1.1751.7984.16700.0080.0477.194%16.3324.9957.9200.110.65100.00-14-表13熔化期物料平衡表收入支出项目质量%项目质量%废钢75.0067.29金属97.921587.62生铁25.0019.74炉渣5.0784.54焦碳0.80570.723炉气7.1946.44电极0.3000.269铁的挥发1.5641.399矿石1.0000.897(其余烟尘)石灰2.0001.79炉顶0.0750.0673炉衬0.2000.179氧气1.6931.52空气5.3894.38合计111.46100.00合计111.76100.00注：计算误差=(111.46-111.76)/111.46×100%=-0.269%2、氧化期计算引用氧化期物料波动的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金属种元素的进一步氧化；炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损。1）确定渣量A、留渣量。为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去70%左右熔化渣，而进入氧化期只留下30%的渣。其组成见表14。B、金属中元素的氧化产物。根据表5给出的值可以计算产物量，详见表14。C、炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表7的假定进行计算。其结果一并列入到表14。D、造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。见表14。渣量计算的几点说明：关于石灰消耗量：由表14可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO2量为：SiO2=0.274+0.129+0.009+0.058+0.304=0.774kg；已含CaO=0.539-0.04+0.001+0.006+0.013+0.003=0.522kg，取碱度3.5，故石灰计加入量为：[RΣ(SiO2)-Σ(CaO)]/(%CaO石灰-R%SiO2石灰)=2.187/(88.55%-3.5×2.80%）=2.777kg。关于磷的氧化量，根据表9，可近似求得：[(0.071-0.03195)/97.9215-0.015%]×97.9215=0.024kg。关于铁的烧损量：一般可以设定，当氧化末期金属中含C约0.09%时，渣中ΣFe约达到7%；且其中75%系（Fe2O3）。因此，渣中含（FeO）为（7%×75%×72）/56=6.75%，含（Fe2O3）为（7%×25%×160）/112=2.50%。由表可知，除FeO和Fe2O3以外的渣量为2.974+0.852+0.279+0.566+0.190+0.085+0.0555=5.00kg，故总渣量=2.00/(100-6.02-2.41)%=5.46kg，于是可得（FeO）=0.369kg，（Fe2O3）=0.129kg。其中，由Fe氧化成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.234kg和0.054kg。-15-表14氧化期渣量的确定成渣组分名称消耗量CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计留渣30%×5.078=1.5230.5390.2740.06990.04020.13980.1130.05390.02310.00091.523Si0.1290.129Mn0.05030.0503P0.0570.057Fe0.2340.0540.288炉料中元素的氧化火烧损S0.04950.0095炉顶蚀损量0.05250.0010.003略0.048略0.052炉衬蚀损量0.150.0060.0050.1340.0010.0030.149电极烧损量0.100略0.001略略0.00280.00310.001石灰带入2.7772.4560.07780.06940.2780.02220.0020.0022.91矿石带入1.0000.0130.0580.0030.015(0.898)0.093火砖块带入0.5000.0030.3040.0030.1840.0060.500合计2.9740.8520.2790.5660.1900.3470.1390.0850.05555.762%51.614.794.849.823.306.022.411.480.963100.00注：石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO）表15净耗氧量的计算名称元素烧损量反应产物耗氧量供氧量备注[C]→{CO}0.29770%[C]生成COC0.318[C]→{CO2}0.25430%[C]生成CO2Si0.0604[Si]→(SiO2)0.069Mn0.039[Mn]→(MnO)0.011P0.024[P]→(P2O5)0.031[Fe]→(FeO)0.052金属种元素的氧化Fe0.220[Fe]→(Fe2O3)0.0160.09270%[C]生成CO电极中碳的氧化C0.0990.07930%[C]生成CO2合计0.901矿石供氧Fe2O30.8980.269还原出Fe0.628kg石灰中S还原CaO供氧S0.0020.001金属中S还原CaO供氧S0.0090.005-16-合计0.275净耗氧量0.6262）确定金属量根据熔化期的金属量以及表14中的元素烧损量和矿石还原出的铁量，即可求得氧化末期的金属量为97.9215-(0.0604+0.039+0.024+0.220+0.022+0.318)+0.628=97.866kg。（其中0.318为碳的烧损量近似值，即(1.70-0.51)-0.89%×97.9215=0.318kg）3）确定炉气量计算方法如同熔化期：先求净耗氧量(表15），再确定氧气与空气消耗量（表16），最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类，而得其结果（表17）。具体算法可参照表12。熔化期和氧化期的综合物料平衡表列于表18。表16氧气和空气实际消耗量氧气（kg）空气（kg）带入O2带入N2带入O2带入N20.901×50%/90%=0.501(0.501/99%)×1%=0.0050.901×50%-0.275=0.17550.1755×77/23=0.588∑=0.501+0.005=0.506∑=0.1755+0.588=0.7635注：氧气供氧50%，即0.899×50%=0.450kg；空气供氧为0.450—0.275=0.175kg。表17炉气量备注项目COCO2N2H2OH2合计金属中C的氧化0.5190.3500.869C烧损0.318电极带入0.1620.1090.0120.271C烧损0.099矿石带入0.0030.012石灰带入0.1250.0050.128氧气带入0.5880.0080.005空气带入0.594湿空气0.651m3液离O2参与反应CO+1/2O2=CO2-0.0880.1380.0560.05游离的O2为0.05kgH2O参与反应H2O+CO=H2+CO2-0.036-0.0230.0030水全部消耗合计0.5570.7780.59100.0031.929%28.8740.3330.6400.16100.00-17-氧化末期金属成分如下：CSiMn0.891%痕迹0.161%(894.97318.0510.0700.1−−)(894.97039.0366.0563.0−−)PS0.015%0.023%(894.97025.0033.0073.0−−)(894.97009.0032.0−)表18熔化期和氧化期综合物料平衡表收入支出项目质量%项目质量%废钢75.0063.97金属97.86683.03生铁25.0021.32炉渣5.078+5.762-1.523=9.3177.90焦碳0.80570.687炉气7.194+1.929=9.1237.74电极0.300+0.100=0.4000.341铁的挥发1.5641.33矿石1.00+1.00=2.001.71(其余烟尘)（列入总物料平衡）石灰2.00+2.700=4.7004.01火砖块0.50.426炉顶0.075+0.053=0.1280.109炉衬0.2+0.15=0.350.299氧气1.693+0.506=2.1991.88空气5.389+0.7635=6.1535.25合计117.236100.00合计117.87100.00注：计算误差=(117.236-117.87)/117.236×100%=-0.54%3、还原期计算还原期采用白渣操作，引起该期物料变化的因素有：扒渣氧化渣，再造稀薄渣，扩散脱氧和沉淀脱氧。1）还原期渣量的确定见下页表A、残渣量。定残渣量为5%，则5.762×5%=0.288kg（见表14），组成如表19B、造稀薄渣加入的渣料。渣料组成为：石灰：萤石：火砖块=3：1：0.5，其用量保证顺利完成脱硫任务，根据理论需要，欲使S在还原期降至0.015%以下，加入量为钢水量的2%～3%，本计算取3%，如暂定钢水量为98kg，则渣料量为：98×3%=2.94kg则：石灰：萤石：火砖块=1.96kg：0.653kg：0.327kgC、加入脱氧剂。沉淀脱氧和扩散脱氧相结合，取出稀薄渣形成以后，先按0.6kg/t插铝预脱氧；再分批加入碳粉，（2.5kg/t）和硅铁粉（5kg/t）进行扩散脱氧；待渣变成白色，按0.5kg/t插铝终脱氧。其入渣组成列于表19。-18--19-D、加入合金剂。还原期需要往炉内加入FeMn、FeCr和FeSi进行合金化。加入量计算如下，计算结果列于表19。Mn：(0.555-0.3608-0.039)/97.866=0.159%0.35%-0.159%=0.191%QMn=(98×0.191)/(0.678×0.96)=0.288Cr：[Cr]=1.53%QCr=(98×1.53%)/(0.673×0.96)=2.32Si：[Si]=0.25%QSi=(98×0.25%-0.49×73%×50%)/(0.730.95)=0.0952）确定炉气量先计算净消耗量（表20）和空气消耗量（表21），再将其它方面带入的气态产物归类合并，即得其结果，如表22。表20净耗氧量计算名称元素烧损量反应产物耗氧量供氧量电极中C的氧化C0.1×99%=0.099C→{CO}0.132C粉中C的氧化C0.245×81.5%-0.020=0.180C→{CO}0.232Si0.490×73%×50%=0.179Si→(SiO2)0.205FeSi粉中Si、Al的氧化Al0.490×2.5%×100%=0.012Al→(Al2O3)0.011Al块的氧化Al0.059×92.5%+0.049×98.5%×60%=0.087Al→(Al2O3)0.077FeMn中Mn的烧损Mn0.288×67.8%×4%=0.0078Mn→(MnO)0.002FeCr中Cr的烧损Cr2.32×67.3%×4%=0.062Cr→(Cr2O3)0.029Si0.095×73.0%×5%=0.003Si→(SiO2)0.003FeSi中Si、Al的烧损Al0.095×2.5%×40%Al→(Al2O3)0.001合计0.692石灰中S还原CaOS1.960×0.05%=0.001Ca+S=CaS+O0.001金属中S还原CaOS0.008Ca+S=CaS+O0.004合计0.6920.005净耗氧量0.692-0.005=0.687注：C粉中约10%的C转入金属中，即0.245×81.5%×10%=0.020kg；0.180kg包括还原渣中的（FeO）和(Fe2O3)所消耗的C量0.006kg，和被空气中O2燃烧的C量0.174kg。表21空气消耗量及其带入的水分空气供O2量随O2带入的N2量0.6870.687×77/23=2.30空气消耗量=0.687+2.30=2.987kg(2.321m3)空气带入的水分=[2.321×(273+20×0.1/(0.1-0.0023)]×0.012=0.031-20-3）确定钢水量还原期结束时的钢水量及其成分如表23所示，该期的物料平衡如表24。将表18和表24归类合并，即得总物料平衡表25。表22炉气量气态产物项目COCO2N2H2OH2SiF4挥发分合计备注C粉带入0.4060.0010.0100.417C烧损量0.174kg电极带入0.0210.021C烧损量0.009kg石灰带入0.08040.0020.0824萤石带入0.0100.010空气带入2.300.0312.331H2O+CO=H2+CO2-0.0680.107-0.044-0.0050水全部消耗2(CaF2)+(SiO2)=2(CaO)+{SiF4}0.3830.383合计0.3590.18742.3000.0050.3830.0103.244%11.075.7870.900.15411.810.31100.00表23钢水量及其成分钢水成分项目CSiMnCrPSAlFe合计还原初期金属带入0.8720.15596.80297.866C粉带入0.0200.020FeSi粉带入0.1790.0020.1170.298FeMn带入0.0190.0010.1870.001略0.0710.279FeCr带入0.1010.0091.4990.0010.0010.6472.258FeSi带入0.066略略略0.0010.0230.090Al带入0.0190.0010.02渣中(FeO)和(Fe2O3)被C、Si还原带入Fe0.0510.051渣中(P2O5)被Si还原带入P0.005金属脱硫(CaO)+[FeS]=(CaS)+(FeO)-0.014-0.022总计1.010.2550.3441.4990.0220.0150.02097.698100.863%1.000.2530.3411.4860.0220.0150.0296.86100.00-21-表24还原期物料平衡表收入支出项目质量%项目质量%金属液97.86690.83钢液101.20793.464炉渣0.2750.255炉渣3.8343.540石灰1.9601.82炉气3.2442.996萤石0.6530.606其它烟尘(列入总物料平衡表)火砖块0.3270.303Al块0.1080.100C粉0.2450.227FeSi0.095+0.490=0.5850.543FeMn0.2880.267FeCr2.3202.15电极0.1000.093炉顶0.0230.02炉衬0.0150.014空气0.9872.77合计107.752100.00合计108.285100.00误差计算=(107.752-108.285)/107.752×100%=-0.49%表25总物料平衡表收入支出项目质量%项目质量%废钢75.00059.13钢水101.20778.58生铁25.00019.71炉渣5.078×70%+5.762×95%+3.834=12.8639.99石灰4.700+1.960=6.665.25炉气9.123+3.244=12.3679.60萤石0.6530.515铁的挥发1.5641.21火砖块0.500+0.327=0.8270.652其余烟尘0.790.613矿石2.0001.58焦炭0.8057+0.245=1.0510.829炉顶0.128+0.023=0.1510.119炉衬0.35+0.015=0.3650.288氧气2.1991.73空气6.153+2.987=9.147.21电极0.400+0.100=0.5000.394Al0.1080.085FeMn0.2880.227FeCr2.3201.83FeSi0.5850.461合计126.847100.00合计128.791误差计算=(126.847-128.791)/126.847×100%=-1.53%-22-二、热平衡计算以100kg金属料（生铁+废钢）为基础。（一）计算热收入Qs1、物料的物理热计算结果列于表26。表26物料带入的物理热名称热容温度消耗量物理热废钢0.699298751310.625生铁0.74529825465.625石灰0.7282986.66121.212萤石0.8962980.65314.627火砖块0.8582980.82717.739矿石1.0472982.0052.350焦炭0.8582981.05122.544炉顶高铝砖0.8798730.15179.637炉衬镁砖(砂)0.9968730.365218.124氧气1.3182932.19972.457空气0.9632939.14220.046电极1.5077230.5339.075Al0.8962980.1082.419FeMn0.6782980.2884.882FeCr0.5655732.320393.240FeSi0.7452980.58510.896合计3345.4982、元素氧化热及成渣热计算结果列于表27。3、消耗电能根据消耗的热量确定，为164352.09kJ。（二）计算热支出Qz1、钢水物理热Qg1）该钢熔点为：1536-(1.01×70+0.255×8+0.344×5+1.499×15+0.022×30+0.015×25+0.02×3)-6≈1432oC。出钢温度控制在中下限，本计算取1580oC。Qg=100.863×[0.699×(1432-25)+272+0.837×(1580-1432)]=139127.30kJ2、炉渣物理热Qr计算结果列于表28。-23--24-表28炉渣物理热名称熔化期炉渣氧化期炉渣还原期炉渣合计温度150016501620热容1.1721.2161.210物理热3.55×[1.172×(1500-25)+209]=1934.155.474×[1.216×(1650-25)+209]=11960.693.834×[1.210×(1620-25)+209]=8200.7322095.573、吸热反应消耗热Qs计算结果列于表29。表29吸热量名称消耗量化学反应ΔH吸热量金属脱炭1.7000-97.866×0.891%=0.8286244/C5170.03C=0.0026244/C12.49渣中(FeO)被C粉中的C还原C=0.0048520/C34.08金属脱硫0.03075-0.015=0.0162143/CaS34.29石灰脱硫6.660×4.64%=0.3094177/CO21290.69石灰带入6.660×0.10%=0.007矿石带入2.000×1.2%=0.024萤石带入0.653×1.5%=0.010焦炭带入1.051×0.58%=0.0061水分挥发(由25OC升至1200OC)空气带入0.057+0.008+0.031=0.096小计0.1431227/H2O175.461113.65金属增C0.515+(1.002-0.891)=0.6261779/C7830.69合计4、炉气物理热Qx令炉气温度为1200oC，热容为1.137kJ/kg•K，由炉气量可得：Qx=12.367×[1.137×(1200-25)]=16522.00kJ-25-5、烟尘物理热Qy将Fe的挥发物计入烟尘中，烟尘热容0.996kJ/kg•K，则Qy=(1.564+0.79)×[0.996×(1200-25)]=2754089kJ6、冷却水吸热Ql如炉子公称容量为30t，冷却水水泵量为25m3/h，冷却水进出口温差为20oC，冶炼时间平均为1.5h，则：Ql=(25×1000×1.5×4.185×20)/300=10462.5kJ/100kg7、其它热损失Qq包括炉体表面散热热损失、开启炉门热损失、开启炉盖热损失、电极热损失等。其损失量与设备的大小、冶炼时间、开启炉门和炉盖的总时间以及炉内的工作温度有关。实践表明，该项热损失约占总热收入的6%～9%，本计算取8%。表30热平衡表收入支出项目热量%项目热量%物料物理热3345.4981.14钢水物理热139127.3060.19C氧化149855.09炉渣物理热22095.579.56Si氧化100293.40吸热反应消耗热7830.693.39Mn氧化8870.30炉气物理热16522.007.15P氧化1350.05烟尘物理热2754.891.19Al氧化14620.50冷却水吸热10462.51.53Cr氧化1860.006其它热损失18492.378.00Fe氧化3169110.76变压器系统热损失13869.286.00SiO2成渣34231.16P2O5成渣6590.22氧化热和成渣热合计6345721.54电能164352.0955.79合计294611.59100.00合计231154.6100.008、电压器系统热损失Qb一般该损失量为总热收入的5～7%，这里取6%。令总热收入为Qs，则Qs=139127.30+22095.57+7830.69+16522.00+2754.89+10462.5+Qs×(8%+6%)Qs=231154.59kJ-26-故应供电：231154.59-3345.498-63457=164352.09kJQq=231154.59×8%=18492.37kJQb=231154.59×6%=13869.28kJ总热量平衡计算结果列于表30中。-27-第五章电炉冶炼工艺电弧炉冶炼工艺流程图：配料→装料→熔化期→氧化期→还原期→出钢→精炼→浇铸一、配料配料准确可获得化学成分稳定的钢液，使冶炼顺利进行，配料应立足于实际，合理利用原料以降低成本。1、要求：1）冶炼方法代号，氧化法用“O”代表，部分氧化法用“P”代表，不氧化法氧化法用“N”代表，返回法用“C”代表，装入法用“Z”代表。2）配料时应注意，上炉冶炼的钢种，上炉冶炼含Ni、Cr、Mo、W等元素的高合金钢，下炉应配相应的刚种洗炉，并注意残余元素不得出格。3）炉