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电弧炉模具钢零割设计 电孤炉是炼钢电炉模具钢零割的一种，也是目前世界上熔炼优质钢、特殊用途钢种的主要设备。电弧炉模具钢零割的整体设计是包括机械、电气、热工、冶炼、耐火材料等多门专业的工程。随着钢质量不断提高，熔炼工艺在革新，也向炉子结构（包括耐火材料砌衬）提出了更高的要求。自60年代中期提出电弧炉模具钢零割超髙功率概念以来，电弧炉模具钢零割建造趋于大型化、高功率化，出现了多种新型式的电弧炉模具钢零割。伹是初学者仍需了解电弧炉模具钢零割炉型计算的基本原则和方法，在炼钢厂时常遇到核验炉子炉型尺寸和炉衬改造设计的问题，需要应用炉子计算的基本知识。故本章仍将传统的炉子计算方法作简要叙述，并提供一些经验数据作参考。水冷挂渣炉壁是伴随炉子髙功率化而发展的相关技术，在我国小型电炉模具钢零割上也有的采用不同型式的水冷炉壁（或附加水冷件）以提高使用寿命《直流电弧炉模具钢零割f发展非常迅速，限f篇幅和教学要求，本章仅重点阐述各种炉底电极的结构原理和们在应用上的优缺点。 3.1 电弧炉模具钢零割炉型设计及配用变压器容量计算 3.1.1电炉模具钢零割炉型 此处所讨论的炉型是指炉子内部空间的形状与尺寸。不同熔炼炉因X作条件不同，供热热源不同而有不同的内型空间。如平炉，为便于燃料的火焰燃烧、通过其向熔池传热，炉子内型近似为长方型，因而炉体上部结构亦接近于长方体形状•电弧炉模具钢零割近于球形体，从减少敗热表面出发，以球形为最好。现代电弧炉模具钢零割炉体中部是圆桶型，炉底为弧型,炉顶为拱型。 作为发热体，电极端部的三电弧位于炉内中心部位。 在发展大型电弧炉模具钢零割的过程中，美国曾用六支电极，由两台变压器供电，电弧炉模具钢零割为椭圆形。50年代，当时苏联在发展大型电炉模具钢零割OlOOt)时亦曾有过椭圆型炉的方案，伹以后并没有设计制造。这可能是由于该种炉型的结构复杂，而且在当时大型高功皁电炉模具钢零割变压器的设计制作尚有困难，以及其它原因。现今世界上各工业发达国家所制造的大型高功率电弧炉模具钢零割均为圆桶形炉体和拱顶炉盖，三电极分布在等边三角形顶点上。 图3-1«、6所示是50〜70年代某些工广对原有电炉模具钢零割进行改造时发展的一种炉子内型，即将炉壁由直立的内表面改为倾斜形，同时炉体外型（炉壳上部）也随之改为倒IMI锥台，这样可以适当地提高炉子容量（容纳钢水量)，也可以提高炉衬使用寿命。伹是自发展电炉模具钢零割高功率和超高功率技术以来，新型电炉模具钢零割多数都采用水冷炉壁以及水冷炉顶，而当今采用水冷块或管式水冷炉壁的电弧炉模具钢零割炉壁均作成柱形，在采用耐火材料砌讨的小型电炉模具钢零割（一般为普通功率电炉模具钢零割）上，一般还是圆柱外壳，内形为向上倾斜的炉壁表面，如图3-lc及图3-2炉子内型图。为提高炉衬使用寿命，可在炉壁外增加某种水冷措施。 3.1.2电孤炉炉型计算 电弧炉模具钢零割的内部可分作两大部份，在炉壁下缘以下容纳钢水和熔渣的部份称作炉缸，炉缸以上的空间可容纳全炉或部汾冷废钢铁料（如为轻薄废钢料时）并在此进行熔化，称作熔化室。根据炉子钢水容量来计算炉子内型尺寸并确定炉子整体尺寸•此处所称钢水容量 39  田3-1电弧炉模具钢零割的不同内型 是炉子的额定容量。 炉型尺寸的计算既可用于设计新炉子，又可用于核算改造旧炉子。确定炉型尺寸时应考虑下列因素•I)能满足冶炼工艺的要求*2)有利于提高炉衬寿命》3)有利于热能的充分利用，包括电弧热与其它氧一燃助熔热能• 现代炼钢电弧炉模具钢零割炉型各部尺寸如图3-2。 (I)炉缸。炉缸的容积应能容纳钢水和为钢水量7〜8%的熔渣，并留有适当的余炉缸形状一般选用球冠加倒置的圆锥台，或者，为了简化炉衬，（炉底部份）的制作而将整个炉缸作成为倒置圆锥台。圆台侧面与水平面成45°角（图3-2中《角），便于出钢后修补炉坡，出钢时钢水与炉渣能够倒尽。 带有球冠部份的炉缸，球冠高约为钢液总深度的20%,即。 钢液面直径I?和钢液深度H的比值I是确定炉型尺寸的基本参数，通常D/«=3,5〜 5。此比值愈大则增大渣一钢接触面积，有利于钢水精炼，所以，炉中还原精炼期较长的  工艺宜取较短的楮炼期取D/H»3*5〜4。分桁实际生产中各种容最的电炉模具钢零割，其D/H比值可能有较大的波动范围。考虑渣一钢问反应，研究ZV过与渣一钢界面面积的关系，对宁一定容馕的炉子，淹一钢界面面积F随£>/片增加而增大，有如图3-3的依从关系。 由图可见心/fl与单位炉缸容枳的界面(图中为与熔池的热阻(图中为 的关系是I当丑/及=尺20,5时（即TV丑<4>，熔池热阻显著增加，不利于熔池钢水 加热，熔池沿深度方向温度不均匀。同时当〜0.3时（即D///>4〜6〉，单位容积的界面面积将急剧增大。从上述D/H与二种工艺过程因素之关系来看，D/只的选择应在5左右。 确定炉缸钢液面直径可由以下经验式与计算方法求得， 一定质量的钢液体积：(3-1)式中G——炉子额定容量，t, Vo ■吨钢液的体积，InVtPa=O-IimVto 钢液面直径• D=2.0CTMm (3-2) 式中 ¢"=0.875+0.042-^* (3-3) 炉渣体积可取钢液体积的10〜15%,由此即可计算渣层厚度。炉门坎平面应高于渣液面20~40mm,炉缸与炉壁连接面应高于炉门坎面30〜70mm，减轻炉渣对炉壁与炉坡接缝处的侵蚀。所以炉缸上缘直径（或即为熔化室直径）£>«为， DB-D+0.1〜0.2m (3-4) 由式（3-1)〜<3-4〉，在选取D/丑后，即可求出钢液面直径与钢液深度孖，并从而确定炉缸直径（即熔化室直径）和炉缸总的深度。 (2)熔化室。炉缸以上至炉顶拱角以下的空间称作熔化室。熔化室的高度即为炉壁的髙度，可按表3-1所列范围选取。 焙化室的容积加上炉缸容积应能容纳一炉所需废钢铁料，在合理的配料比其中重型、中型废钢占有较大比例时，按表3-1所定熔化室容积是合适的。但使用轻型废钢较多时,必须二次或三次装料才能装完•势必延长熔化时间，增加熔化电耗。 表3-1电铒炉炉壁离度计算值 炉子容董，I 炉壁髙度A1.m 0.5〜6.0 0.5^ 12〜SO 0.45^ ^0.40^ 100〜400 0.38- .34^0；i 采用耐火材料炉壁，特别是散状料与粘结剂打结炉壁时，为了提高炉衬寿命，便于修补和节省材料，将炉壁作成倾斜式的（或向上阶梯式的>,倾角0»6°。熔化室上部直径， Di=DB+ZHitg^ (3-5) (3)电极分布。电弧炉模具钢零割是以三个电极圆心构成的圆的直径•来表示电极在炉内的分 布。比值决定电极在炉中的位置，同时也决定炉内热量的分布。 考虑到炉壁热负荷的均匀和电极把持器的布置（在小型电弧炉模具钢零割上，Dp过小，电极把持器结构布置困难，也使炉顶的中央部份减弱电极分布圆直径与有如下关系， Z),/Z?a<0.25〜0.35 (3-6) (4)炉衬厚变。炉壁底部厚度，包括隔热层（石棉与轻质粘土砖或普通粘土砖）与I：作层，设计时可采用表3-2的推荐值。 表3-2电孤炉炉S底部厚度 炉子容董，t 炉壁厚度，mm <5 250〜450 10〜50 450〜500 75〜100 550〜650 近代高功率或超高功率电炉模具钢零割多采用水冷挂渣炉壁，水冷块的厚度小于上表所列炉壁厚度值很多。在这种情况下，表3-2中的推荐值可作为炉坡上沿处耐火材料_衬的厚度。 炉顶拱脚处直径Dr与炉顶拱高如按以下比值决定， Ar//?s=0.11〜0,13 (3-7) 电炉模具钢零割炉顶用砖多为高铝质专用型砖。国家标准已规定了电炉模具钢零割顶用砖形状尺寸和理化性能指标，见GB2991—87与GB2993—82。容量ClOt的炉顶厚<3«=230mm;20〜50t炉的&=30Ommo 近年来我国炼钢厂亦有采用全水冷炉顶或部分为水冷件的炉顶，其ak/dk则可取较小的数值。 炉底厚度31>(包括隔热层与工作层总厚度）约等于钢液深度的尺寸，即可取Sb=I (5)大型高功率（超高功率）炉炉子尺寸的选定。比较世界各3超高功率电孤炉资料可知，就同容纛的炉子而言，炉壳直径和配用的变压器容量的差别是很大的。例如，同是IOOt的电弧炉模具钢零割炉壳直径最小的6.1m,最大的达到7.01m。究竟多大技术上才是合理呢？对此，前苏联学者H.H•伊格拉托夫对炉膛直径分别为7tn、6.75m,6.5m和6.25m,炉壁高度分别为3.38m、3.6m,3.8m和3.9m的四座IOOt炉水冷炉盖和水冷炉璧电弧炉模具钢零割(炉内容积均为IOOm3,炉料密度为0.8~1.0t/m3，钢水量115t,泡沫淹厚度为200〜250mm,电极心分布圆直径心=1.4m,功率为50MW),采用二次装料熔化（第一次70t,第二次4«，炉料堆积密度0.9~1.0t/rn3),用计算机对熔化期的热I情况作了计箅，其结果列于表3-3。 可见以<^6.25m(炉子熔化室高3.9m)的炉子获得较好的结果，炉壁、炉顶的散热S小于其他炉子I熔化时间最短，比¢7.Om炉子缩短10分钟,因而熔化期综合热效率最高，达到90%。作者还计算了上述四种直径的炉子熔淸后钢水升温（由15001升至1700<�〉操作的热工资料，同样表明《6.25m型电炉模具钢零割有最好的指标。例如，当以功率36MW加热升温时，热效率达到0,680,高于其它电炉模具钢零割， 从以上情况看，当炉子其它参数相同时，即变压器容量与冶炼操作方法相同的条件下，将炉子的直径设计得较小，（对IOOt炉，例如6,25m)而将炉子熔化室髙度设计得较大  *3-3.不同尺寸的电*炉_化期热工情《 项目 炉子直 径⑷ 7 0.75 6.5 6.25 熔化时间，min 58 53 50 49 熔毕时总热流， 水冷炉壁下部 330 325 230 205 氷冷炉壁上部 315 230 200 165 作用到水冷炉盖上的热流（kW/m。， 装第二次料前 155 155 140 140 熔毕时 290 230 148 120 饱化期综合热效率 0.8 0.83 0.88 0.9 炉盖耐火材料部另的表面温度，T 2000 1700 1470 1350 (例如3.9m),对熔化时间、升温时间和热效率等都是有利的。 (6)工作门和出钢口。现代电弧炉模具钢零割一般只设一个工作门，用于加料、炉前撖作和观察炉况。 炉n宽度,f=(0.20〜0.30)D炉门髙度I6=(0.75〜0.85)/ 出钢口为圆形或修砌成方（或长方）形，直径约150〜200mmt出钢槽长度与出钢倾炉方式和炉子在车间内的布置有关，原则上出钢槽应尽置减短，以避免出钢过程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乎面上，但对于虹吸式出钢或偏心底出钢的电炉模具钢零割则要另作特殊设计以满足工艺过程的徭要，3.1.3电菹炉变压器容置的选择 (I)如何确定电弧炉模具钢零割变压器的容董。电炉模具钢零割配用变K器的容量和二次电压不断提高，电炉模具钢零割向大型化发展同时亦在向高功率化发展，60年代中期出现了高功率、超高功率电孤炉及与之配套的相关技术。一般，变压器与电炉模具钢零割容童的匹®应考虑到下列因素I 1) 电炉模具钢零割仅仅作为熔化装置还是作为熔炼装置？ 2) 电炉模具钢零割熔炼的钢种，采用何种熔炼工艺？ 3) 当配用变压器为高功率或趄高功率时，电炉模具钢零割炉体结构和其它相关技术是否配套？ 4) 选用不同功率水平要考虑电炉模具钢零割的作业制度，是间断生产还是满负荷连续生产？ 5) 选用何种功率水平还要考虑到车间或建厂的供电条件。 (2) 不同功率水平的范围。不同的功率水平是以电炉模具钢零割单位容量所配备的变压器功率来表示，kVA(kW)/t。到目前，功率水平的划分并没有严格的界限与统一的标准，各国广家都有自己的标准系列。而单位变压器容量也非一成不变,属于同一功率水平时，大炉子与小炉子的单位变压器功率kVAkW>/t亦不同，此值随炉子容量增大而减电弧炉模具钢零割功率水平的大致范围如图3-4所示  (3)变压器容摄计谇。 I) _化时间（培化期）计算变压器容惫，电炉模具钢零割培化期占培炼周期的大部份，純期长短主要由供电功率决定。下面是对已知装入量的电炉模具钢零割根据熔化时间要求来计算所需供电功率，即变压器的容量， Drs 9^ 一LcosVW (3-8) 式中P一炉用变压器额定容馕，kVA, ?一一熔化每吨废钢料及熔化相应的渣料并升温所需要的电量，kWh/t,?«410kWh/t, G 电炉模具钢零割装入量，t» ^——预期的熔化时间，h+« cos«P——熔化期平均功率因数，一般功率电炉模具钢零割取0*82〜0.85,超高功牟电炉模具钢零割取0.70, V—变压器有功功率的热效率，1=0.75〜0.80» N——熔化期变压器功率平均利用系数，N==1.0〜1.2。 举例I计算一台额定容量30t超高功率电炉模具钢零割所应配用变压器的额定容量。超高功率电 炉熔化期可取50'〜60'。按实际装料量可达37t计算• P=1X0.80X0.75X1.1=22980kVA 若按电炉模具钢零割的额定容量计算其单位功率为22980/30=766kVA/t。 2)根据熔池表面积的功率密度计算变压器容量I钢液面接受电弧热量及炉衬表而反射的热量并向熔池深部传递，因此熔池表面单位面积所接受功率的量（kVA/m*)可作为炉子功率指标之一。表3-4是由电弧炉模具钢零割系列计算得出的钢液表面积功率密度的实际数值，亦可作为确定电炉模具钢零割配用变压器容量的依据。 表3-4电霣炉痦油表面积功車密度，kVA/m> 电炉模具钢零割公称容馕，t 炉用变压器额定容JSUMVA 炉壳内径，m 钢液面面积，m* 钢液面积功率密度，kVA/m> RP HP UHP RP HP UHP 20 6 9 12 4 9.1 659 989 1320 30 9 13.5 18 4.6 11.9 757 1135 1515 40 12 18 24 5 14.5 828 1240 1657 50 15 22.5 30 5.2 16.9 945 1415 1887 60 18 27 36 5.5 18.1 995 1490 1990 70 21 31.5 42 5.8 20.4 1030 1543 2059 80 24 36 48 6.1 22.9 1045 1570 2090 100 30 46 60 6.4 25.5 1175 1765 2350 125 37.5 56 75 6.7 28.3 1325 1980 2650 150 67.5 90 7 31.2 2160 2880 175 79 105 7.3 34.2 2310 3075 200 90 120 7.6 37.3 2375 3170 80年代的电弧炉模具钢零割单位熔池面积功率密度约有如下的划分范围*普通功率（KP) 1722kVA/ml(160kVA/ft*) 髙功率（HP) 1939.5kVA/m2(180kVA/ftz) 压级数 170 180 190 210 240 240 〜140 〜150 〜160 〜170 〜180 110 121 127 139 210 210 13级及 13级及 13级及 13级及 13级及 98 104 110 131 139 139 以上 以上 以上 以上 以上 上表中各项技术参数各厂的产品可能略有差异，对同一额定容量炉子因所设计炉壳直径不同，其过装能力也有差异。同时因高功率电炉模具钢零割的需要，可以要求配用较高功率档次的变压器。例如，20t额定容量电炉模具钢零割配用12500kVA变压器。30t炉配用15000〜18000kVA变压器。则按计箅单位功率达到500〜625kVA/t。 日本工业炉协会制定的炼钢电弧炉模具钢零割功率等级如表3-7« 4)不同国家电弧炉模具钢零割功率水平比较I图3-5所示为12个主要产钢国家现有电炉模具钢零割变压器容量及推荐的匹配值，亦可作为配备炉用变压器时作参考。 该图统计资料表明大部份电炉模具钢零割尚属较低功率范围，部份电炉模具钢零割处于高功率或超高功率水平，如德国DEMAG所推荐的炉子。图中a、b、推荐值均髙于已有炉子的装备水平c,I/O曲线的推荐值在容童<100t炉子上似乎与现有超髙功率电炉模具钢零割的配用功率相一致，时且该曲线也反映/不同容量电炉模具钢零割其单位变压器功率的变化趋势。 3.2 水冷挂渣炉壁设计 3.2.1 采用水冷挂澶炉壁的意义 电弧炉模具钢零割设备与工艺在向大型化、高功率化和快速熔炼（缩短炉内熔炼工艺过程）方向发展。开发出各种氧一燃助熔技术，提高了炉料熔化速度，具有较高的时间利用率和变压器功率利用率。单位时间内输入炉内的热能（主要是电弧电热）大大提高，以至炉忖所接受的热负荷也相应增大。因此，水冷挂渣炉壁技术也成为发展高功率、超高功率电炉模具钢零割不可 則办狀3£办甩热议备科学研宂院推荐值• 办一德国DEMAG公司推荐值•c—现有大部份电炉模具钢零割的功率范围： 美国推荐值j #—V.A.Romonets,A.M.Leontye7推荐值 缺少的一部份• 由于电弧炉模具钢零割三相功率的不平衡性，也由于三电极分布于等边三角形的三顶点，炉壁圆周上与电孤的距离不等，造成传统的耐火材料炉衬的损蚀情况有如下特征， 1) 整个环形炉壁耐火材料被侵蚀得很不均匀，有的地方耐火材料仍很厚，而有的地方已是耐火工作层脱落，露出保温层砖衬。 2) 炉内形成高温区（热区）与低温区（冷区），炉料熔化速度不均勻同一水平面上炉壁接受的热负荷也极不均勻，于是产生了炉壁上的“热点”与“冷点”。 3) 炉壁热点耐火材料平均残留厚度小于冷点，其厚度差大于IOOmm以上。通常排顺序被称作#2电极（靠近电极升降立柱一侧的电极）所对的炉壁上热点部份残留部份比其它两个热点处都薄。其厚度相差约为40〜60mra。 以上耐火材料炉壁损耗特征说明，炉壁损蚀极不均匀，2•炉壁热点处损坏最为严重，有时该处炉壳会被烧穿造成事故，所以2•炉壁热点是热#中的“热点”。其次是靠近至出钢口的3•炉壁热点，再次是靠近炉门的I•炉壁热点。 针对上述情况，改善炉壁工作条降,提高炉衬使用寿命的措施是，在电弧炉模具钢零割供电方面，从设备结构上设法解决三电弧功率的不平衡性，如增大中间相（2•电极导电线路）的阻抗值，变压器二次电压分别调压,适当选择三电极心分布圆（节圆）直径等可以在一定程度上减少炉壁热点与冷点上热负荷的差异，从而提高炉衬使用寿命。在提高炉壁耐火材料质童方面，研制与采用高性能耐火材料和改进炉壁及炉坡的砌筑方法，如采用高温烧成镁砖，烧成铬镁砖、电熔镁砖和镁碳砖等高性能耐火砖，_代替不烧制镁砂砖。镇碳砖不仅耐崩裂性强，而且热传导率高，150(TC时的导热系数为Il*6〜17.5W/m*K，而镁砖的导热系数为1.75〜2.33W/m*K，导热系数大的镁碳砖砌筑炉衬的热点区,其热点温度相应比镁 47 砖要低。因此，镁碳砖的炉壁寿命高于镤砖炉壁。然而电孤炉供电功率不断提高，大量使用氧气或采用氧一燃助熔技术，使电弧炉模具钢零割耐火砖讨的使用条件更加恶劣，应该对耐火材料进一步采取措施，降低其消耗。UHP出现后，各国开始研制代皆耐火材料的长寿炉壁，即水冷型炉壁。初期，为消除炉壁局部过热，仅在局部炉壁使用水冷箱强化冷却。以后逐渐扩大水冷炉壁的使用面积，水冷面积可达淹线以上直到炉壁整个内表面（受热面）的60〜70½,而底出钢（CBT型）与偏心底出钢电炉模具钢零割（EBT型电炉模具钢零割）水冷面积比普通电弧炉模具钢零割有更高的比率，约达到90%。 根据炉壁承受热碑强度的大小，常用电弧炉模具钢零割水冷炉壁分为《普通功率电弧炉模具钢零割、高功苹电弧炉模具钢零割和超高功率电弧炉模具钢零割水冷挂渣炉壁。普通功率电孤炉炉壁热流强度可趄过0.056X10uW/m*(0.2x10skJ/m*-h),离功率电弧炉模具钢零割炉壁超过0.22XlO'W/m^O.SxlO^kJ/m*.h),超高功率电弧炉模具钢零割炉壁超过1.1X10sW/m2UxlOskJ/m2*h)。