【正文】 掛渣爐壁和水冷爐蓋已成為提高超高功率電弧爐爐襯使用壽命、促進(jìn)超高功率電弧爐技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。本設(shè)計(jì)使用板式水冷爐壁，如圖24。板式水冷爐壁：板式水冷爐壁采用鍋爐鋼板焊接，水冷爐壁內(nèi)部為由導(dǎo)流板分割成的冷卻水道，流道截面面積可根據(jù)爐壁熱負(fù)荷來(lái)確定。熱工作面鑲掛渣釘或焊上掛渣筋板。本設(shè)計(jì)采用板式水冷掛渣爐壁。 水冷爐蓋電弧爐水冷爐蓋的結(jié)構(gòu)主要是管狀的，根據(jù)水冷卻管的布置，將其結(jié)構(gòu)分為管式環(huán)狀、管式套圈和外環(huán)套圈組合式、管式環(huán)狀與耐火材料組合式等。本設(shè)計(jì)采用管式套圈和外環(huán)套圈組合式水冷爐蓋。水冷爐蓋根據(jù)需要開(kāi)設(shè)數(shù)個(gè)孔，包括3個(gè)電極孔，裝輔助料孔、氣體排放孔等。三相交流電弧爐需3個(gè)電極孔。由于電極自身被加熱，電極孔應(yīng)由具有良好導(dǎo)熱性的水冷卻管組成的金屬環(huán)構(gòu)成。水冷爐蓋的部件有：管式環(huán)形外套圈，具有1個(gè)中心，1組管式支桿從外套圈向中心伸展；管式環(huán)形內(nèi)套圈，固定在支桿上且形成數(shù)個(gè)通道；由各自凹管件構(gòu)成的內(nèi)套圈彎頭形成通道，在通道間各個(gè)管自內(nèi)凸管彎頭構(gòu)件安裝在支桿上，且與各自凹管件共同形成3個(gè)管狀通孔（電極孔）；與外套管同心，并位于內(nèi)套圈內(nèi)，由與內(nèi)套圈相連的管組成中心套圈，它與外圈中的循環(huán)系統(tǒng)相聯(lián)，還有一組冷卻管套圈，它和支桿相互連通。3 電弧爐電氣設(shè)備的計(jì)算和選擇 電弧爐的電器設(shè)備是電爐煉鋼車(chē)間的重要組成部分，本部分設(shè)計(jì)包括：電弧爐變壓器功率和電參數(shù)的確定、電壓級(jí)數(shù)的計(jì)算、電極直徑的計(jì)算、電極心圓直徑的計(jì)算、短網(wǎng)的設(shè)計(jì)。 變壓器功率和電參數(shù)的確定 變壓器功率的確定電爐的生產(chǎn)率決定于電爐的容量、變壓器的功率、電爐的全年工作天數(shù)、冶煉周期、電效率以及熱效率。影響電爐工作的因素很多。確定變壓器功率的目的是為了選擇與電爐容量相匹配的變壓器。變壓器功率的確定是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，它受電爐容量、冶煉時(shí)間、爐襯材質(zhì)、電效率、熱效率等諸多因素的影響。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把變壓器功率與爐殼直徑D殼聯(lián)系起來(lái)，拋開(kāi)其他影響因素。研究發(fā)現(xiàn)變壓器的功率與爐殼直徑D殼存在如下關(guān)系。當(dāng)爐殼直徑D殼已知時(shí)，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式選擇變壓器的額定功率。目前電爐煉鋼的發(fā)展趨勢(shì)是增大變壓器的能力，采周高功率或超高功率供電技術(shù)，加速爐料熔化，提高電爐的生產(chǎn)能力。對(duì)于設(shè)計(jì)的150t爐子，取tsm=，則所需變壓器功率為：Prat= =80462KVA可選用80000KVA的變壓器。 熔化期平均功率()：Paver=80462=64370KVA 熔化期的有用功率(熔化過(guò)程自身消耗的功率)為:Paval=PavercosΨηel Paval=64370=53298VA式中： cosΨ——功率因素，； ηel——電力利用系數(shù)，接熔化期平均值。 電壓級(jí)數(shù)為了熔煉的正常進(jìn)行，應(yīng)在熔煉的各個(gè)期中使用不同的電力及不同長(zhǎng)度的電弧，以滿足冶煉工藝的要求。一般可用改變爐子變壓器高壓側(cè)線圈的匝數(shù)及其接法來(lái)達(dá)到。熔化期使用變壓器的全都電力并采用最高階電壓，還原期使用較小電力及較低級(jí)的二次電壓，一般不應(yīng)高于120～180V(上限用于大型爐子)。選擇最高一級(jí)二次電壓，推薦用如下的經(jīng)驗(yàn)公式：對(duì)堿性電爐 U=15對(duì)酸性電爐 U=70+15 電壓的級(jí)數(shù)決定于最高一級(jí)電壓和各個(gè)冶煉期對(duì)爐了供給電能的不同要求。一般為，如表31:表31 最高級(jí)電壓與二次電壓級(jí)數(shù)最高級(jí)電壓，V200～250250～300 320～400 ＞400二次電壓級(jí)數(shù)2～4 4～6 6～8 8～18 電壓級(jí)數(shù)的一半用高壓繞組三角形聯(lián)接獲得，另一半用星形聯(lián)接獲得。 對(duì)所設(shè)計(jì)的100t爐子，其最高級(jí)工作電壓為：U==648V 采用10級(jí)電壓，中間各級(jí)電壓為：三角形聯(lián)接 星形聯(lián)接1級(jí) 648V 6級(jí)(648/)=374V2級(jí)(648)=551V 7級(jí)(551/)=318V3級(jí)(551)=468V 8級(jí)(468/)=270V4級(jí)(468)=398V 9級(jí)(398/)=229V5級(jí)(398)=338V 10級(jí)（338/）=195V 電極直徑（d電極）煉鋼電弧爐多半采周直徑600mm以下，長(zhǎng)2500mm以下的圓形截面石墨電極。一般最好采用大直徑的電極，以降低電極上的電流密度，從而減少電能損失。電極直徑可按加下公式?jīng)Q定:式中： I——電極上的電流密度，APed——石墨電極500℃時(shí)達(dá)到電阻系數(shù)，為10Ω?mm2/m，即10104cmKed——系數(shù)，對(duì)石墨電極Ked=對(duì)變壓器功率為80462KVA，二次電壓為648V的條件下，電流密度為： (沒(méi)考慮過(guò)載電流)則可得電極直徑為：于是，可以校核這個(gè)電極的電流密度為：不同尺寸的電極I/S值見(jiàn)表3－2。表3－2 不同尺寸的電極I/S值/mm1002003004005006007009001000I/S / (A/cm2)28201715141211109在為了減少電極消耗，露出爐頂外的那部分電極溫度：石墨電極≯500℃，為此電極上的電流密度不應(yīng)超過(guò)該尺寸電極的I/S允許值，以免電極溫度過(guò)高。上述校核的電流密度顯然是在允許范圍內(nèi)，因而是可行的。（d三極心）d三極心：過(guò)三個(gè)電極極心的圓周直徑。 圖31 短網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖片d三極心過(guò)小，三根電極彼此靠的比較近，電極距離爐壁遠(yuǎn)，對(duì)爐壁壽命有利；但是爐坡上的爐料難熔化，熔池加熱不均勻，爐頂中心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，容易損壞，并且電極把持器上下移動(dòng)困難。如果電極心圓直徑d三極心太大，電弧距離爐壁近，加劇爐壁損壞。電極心圓直徑的經(jīng)驗(yàn)值為：d三極心＝（～）D 式中：D—— 熔池直徑。 則：d三極心＝＝6300＝1890mm。表 3－3 變壓器功率和電參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)變壓器視在功率90MVA電極直徑 750 mm最高的二次電壓 U670 V電極上的電流密度I/S A/cm2電極電流強(qiáng)度I44776 A電極心圓直徑 d三極心1890 mm電路的短網(wǎng)是指變壓器低壓側(cè)的引出線至電極這一段傳導(dǎo)低壓大電流的導(dǎo)體。這一段線路不長(zhǎng)，約10m～20m，但是導(dǎo)體的橫截面積大，電流大。它的電參數(shù)（電阻和電抗）對(duì)電爐裝置的工作有很大的影響，在很大程度上決定了電爐的電效率、功率因數(shù)以及三相電功率的平衡（圖31）。圖32 硬銅母線布置方式短網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由硬銅母線（銅排）、軟電纜和爐頂水冷銅管幾部分組成，電極有時(shí)也算做短網(wǎng)的一部分。因?yàn)槎叹W(wǎng)導(dǎo)體中電流，特別是經(jīng)常性的沖擊性短路電流使導(dǎo)體之間存在很大的電動(dòng)力，所以目前絕大多數(shù)電弧爐的短網(wǎng)都采用銅來(lái)制造，而很少采用機(jī)械強(qiáng)度較差的鋁。從變壓器低壓側(cè)出線端到變壓器室外面的軟電纜接頭處是硬銅母線。這段硬銅母線通常采用矩形銅排，考慮到交流電的集膚效應(yīng)矩形銅排的高寬比為10～20。有的電爐為了簡(jiǎn)效應(yīng)和鄰近有的電爐為了簡(jiǎn)效應(yīng)和鄰近效應(yīng)矩形銅排的高寬比為化結(jié)構(gòu)，減少維修，采用空心銅管，中心通水冷卻，以提高平均電流密度。在我國(guó)目前多數(shù)電爐的硬銅母線是采用三相平面布置，有個(gè)別電爐采用了等邊三角形布置（如圖3－2所示），也有采用改進(jìn)平面布置。軟電纜的長(zhǎng)度應(yīng)能滿足電極升降、爐體傾動(dòng)及爐蓋旋轉(zhuǎn)的需要。根據(jù)變壓器額定電流的大小，采用多根軟電纜并聯(lián)連接。軟電纜一般為裸銅電纜，如在裸銅電纜外套水冷膠管，可使允許電流密度提高兩倍左右，這樣既減少電纜根數(shù)，節(jié)約銅材，又可提高使用壽命。水冷導(dǎo)電銅管裝在電極夾持器的上方，一頭與軟電纜相連，一頭與電極夾頭相連。水冷銅管管壁厚度一般為10mm。為了減少短網(wǎng)的電阻和感抗，要盡量縮短短網(wǎng)的長(zhǎng)度；導(dǎo)體的接頭處要緊密連接；導(dǎo)體要有足夠大的截面，并且截面形狀應(yīng)采用較大高寬比的矩形截面或空心銅管，還必須注意合理的布線，導(dǎo)體與粗大的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)離得遠(yuǎn)一些。當(dāng)電弧爐工作時(shí)，即使在變壓器二次側(cè)三個(gè)相的電壓和電弧電流相等的情況下，三個(gè)相的電弧功率卻是不相等的。這種三相功率的不平衡，是由三相的阻抗不平衡引起的。一般短網(wǎng)三相導(dǎo)體是平面布置的，并且相間的距離是相等的。中間相的短網(wǎng)長(zhǎng)度較其他兩相短，且電感也比其他兩相小，所以阻抗小。這樣中間相的電弧功率通?？偸浅^(guò)其他兩相的。其他兩相也由于感抗不同而電弧功率不相同，兩相中電弧功率大的一相稱(chēng)為“增強(qiáng)相”，電弧功率小的一相稱(chēng)為“減弱相”。增強(qiáng)相與減弱相電弧功率增強(qiáng)與減弱的數(shù)值是相等的，也就是有一部分功率從減弱相轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)相去了，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“相間功率轉(zhuǎn)移”。電流愈大，三相電弧功率的不平衡現(xiàn)象愈嚴(yán)重。三相電弧功率不平衡對(duì)電爐煉鋼是很不利的，會(huì)造成熔池受熱不均，局部爐墻損壞嚴(yán)重，從而降低爐襯壽命，直接影響電爐生產(chǎn)率。為了減輕三相功率不平衡的不良后果，可以采取如下措施：（1）盡可能使短網(wǎng)導(dǎo)體對(duì)稱(chēng)布置，把短網(wǎng)由原來(lái)的平面布置改為等邊三角形布置，或改進(jìn)平面形布置。 （2）要求近爐門(mén)的電極成為增強(qiáng)相，進(jìn)出鋼口側(cè)的電極為減弱相。（3）將中間相電極向爐子中心移動(dòng) 。此外，為了提高爐襯壽命，也可采用不均衡爐襯結(jié)構(gòu)，在熱點(diǎn)區(qū)域采用優(yōu)質(zhì)耐火材料，在非熱點(diǎn)區(qū)采用 般耐火材料。（4）短網(wǎng)線路傳統(tǒng)為單線布法，應(yīng)盡量實(shí)行往返電流交叉排列的雙線布法。4 爐 外 精 煉 設(shè) 計(jì) 隨著對(duì)特殊鋼質(zhì)量要求的不斷提高，就必須不斷強(qiáng)化特殊鋼的冶煉。為此，近些年來(lái)發(fā)展了以爐外精煉法為中心的煉鋼新技術(shù)。鋼的爐外精煉是把電弧爐中要完成的精煉任務(wù)，如脫硫、脫氧、去除有害氣體及非金屬夾雜物、調(diào)整成分及溫度等，移到爐外的鋼包或?qū)Ｓ萌萜髦羞M(jìn)行。這樣就把煉鋼工藝分成兩步進(jìn)行，在轉(zhuǎn)爐和電弧爐中進(jìn)行熔化和初煉，這些爐子稱(chēng)為初煉爐；初煉后的鋼水倒入鋼包或?qū)ｉT(mén)容器中進(jìn)行精煉，這些鋼包或?qū)Ｓ萌萜鞣Q(chēng)為精煉爐。所以也可以把爐外精煉叫做二次煉鋼。電弧爐與精煉爐雙聯(lián)取消了電弧爐的精煉操作，提高了電爐變壓器的時(shí)間利用率和功率利用率，可以大大提高電弧爐的生產(chǎn)率。爐外精煉技術(shù)由于得到幾乎同時(shí)出現(xiàn)的超高功率電爐這一新技術(shù)的配合而更加理想，超高功率電弧爐將作為一個(gè)高效率的熔化爐而存在，而鋼液的精煉任務(wù)則由爐外精煉法去承擔(dān)，可見(jiàn)這是兩個(gè)相互依存的新技術(shù)。鋼包精煉爐同時(shí)具備真空脫氣、精煉和澆鑄三個(gè)功能，鋼包精煉爐既是一個(gè)真空脫氣設(shè)備，又是一個(gè)精煉爐子，同時(shí)也是澆鑄用的鋼包。它對(duì)初煉爐的鋼水可以進(jìn)行真空脫氣、脫氧、脫硫和調(diào)整成分等精煉操作，并能加熱和攪拌鋼液，帶有氧槍裝置的鋼包爐還可真空吹氧脫碳。精煉任務(wù)完成后，沒(méi)有出鋼操作而直接進(jìn)行澆鑄。因此，冶煉的鋼種范圍較廣。. 真空吹氬脫氣法（VD法） VD法是把鋼包真空脫氣法和吹氬攪拌相結(jié)合產(chǎn)生的一種方法。鋼包真空脫氣法是出鋼后將鋼包置于真空室內(nèi)，蓋上真空蓋后抽真空使鋼液內(nèi)氣體由液面逸出。在包內(nèi)無(wú)強(qiáng)制攪拌裝置的情況下，脫氣主要靠負(fù)壓作用在鋼液上層進(jìn)行。并借助于鋼液內(nèi)的碳自發(fā)脫氧反應(yīng)形成的CO氣泡的排除造成鋼液沸騰攪拌鋼液，增大氣液界面積，并提高了傳質(zhì)系數(shù)，從而提高了脫氣效果。因此，認(rèn)為脫氣由液面脫氣和上浮氣泡脫氣構(gòu)成。但因無(wú)強(qiáng)制攪拌措施，只有鋼包上部一層鋼液與真空作用，所以脫氣效果差。特別是大容量鋼包，因鋼液靜壓力的影響大，包底層的氣體不易逸出。而VD法的精煉手段是底吹氬攪拌與真空相結(jié)合。在真空狀態(tài)下吹氬 攪拌鋼液，一方面增加了鋼液與真空的接觸界面積；另一方面從包底上浮的氬氣泡吸收鋼液內(nèi)溶解的氣體，加強(qiáng)了真空脫氣效果，脫氫率可達(dá)到42%～78%，同時(shí)上浮的氬氣泡還能黏附非金屬夾雜物，促使夾雜物從鋼液內(nèi)排除。使鋼的純凈度提高，清除鋼的白點(diǎn)和發(fā)紋缺陷。真空室的壓力一般為660～104Pa，處理時(shí)間為12～15min。VD法的裝置如圖4－1所示，其所用鋼包壁普通鋼包稍深一些，使鋼包液面以上留有800～1000mm的凈空高度，以適應(yīng)鋼液沸騰的需要。包底裝有透氣原件或透氣磚，真空蓋上裝有加料設(shè)備，可以在真空狀態(tài)下添加合金料。實(shí)現(xiàn)真空有兩種形式：（1）真空罐式，鋼包坐入真空室內(nèi)，蓋上真空蓋然后抽真空。（2）桶式密封結(jié)構(gòu)，連接真空系統(tǒng)的包蓋蓋在帶凸臂的鋼包上代替真空室。本設(shè)計(jì)采用真空罐式密封結(jié)構(gòu)。VD法的工藝過(guò)程：需要處理的鋼液在LF爐處理后，將鋼包坐入真空室內(nèi)，接通吹氬管吹氬攪拌，測(cè)溫取樣，再蓋上真空蓋，啟動(dòng)真空泵，大約10～15min后可達(dá)到工作真空度（～），在真空下保持10min中左右，達(dá)到脫氣、去夾雜、均勻成分和溫度的作用，整個(gè)精煉時(shí)間約30min，吹氬攪拌貫穿整個(gè)精煉過(guò)程。VD法的工藝參數(shù)：（1）氬氣壓力：為了將氬氣吹入鋼液內(nèi)并攪拌鋼液運(yùn)動(dòng)，氬氣應(yīng)具有一定的壓力，最小壓力應(yīng)滿足下列關(guān)系式：式中：—— 鋼液面上的氣相壓力，Pa；—— 鋼液的靜壓力（），Pa；—— 渣層靜壓力，Pa；—— 氣泡形成克服表面能的壓力損失，Pa；—— 系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失，Pa。壓力過(guò)小形不成氣泡，壓力過(guò)大，使氣泡分散性下降，嚴(yán)重時(shí)形成連泡氣柱，使氬氣利用率下降，同時(shí)劇烈攪拌增加熱損失。實(shí)際操作時(shí)，供氣壓力根據(jù)液面運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，最佳壓力應(yīng)是剛好使氬氣泡在鋼液底部形成，排出的氣體不沖突渣層而使液面上、下脈動(dòng)。常用壓力為200～350kPa 左右。 （2）吹氬時(shí)間：從鋼包坐入真空室開(kāi)始吹氬直至精煉結(jié)束鋼包吊出真空室停止吹氬，吹氬貫穿整個(gè)精煉過(guò)程，等于整個(gè)精煉時(shí)間約30min。 VD法的精煉效果：（1）脫氧。經(jīng)VD法精煉后鋼中全氧含量在（12～27）104%之間，溶解氧含量一般為（7～15）104%，溶解氧的脫除率平均為82%；（2）脫氫