【正文】 20CrMnTiH 50 30 10 10 鋼種介紹及工藝選擇 ① 軸承鋼 1）簡介 軸承鋼主要用來制造滾珠、滾柱和 軸承套圈 的鋼。軸承在工作時要承受著極大的壓力和摩擦力，所以要求軸承鋼有高而均勻的 硬度 和耐磨性和高的彈性極限。對軸承鋼的化學(xué)成分的均勻性、 非金屬夾雜物 的含量和分布、 碳化物 的分布等要求都十分嚴(yán)格，是所有 鋼鐵 生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。從 1901 年誕生至今 100 多年來，主要成分基本沒有改變，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究工作任在繼續(xù)，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。如果沒有特殊的說明我們所說的軸承鋼，那就是指 GCr15，其占世界軸承鋼生產(chǎn)總量的 80%以上。 2）工藝選擇 當(dāng)今國際上電爐生產(chǎn)軸承鋼主要按是否使用的是連鑄技術(shù)，主要分為兩種：一是日本山陽公司為代表的工藝流程： UHP 電爐 LF 精煉爐 RH 精煉爐 連鑄；另一個是以瑞典 SKF 為代表的： UHP 電爐 LF 精煉爐 模鑄。 SKF 的流程的優(yōu)點(diǎn)是取消了真空精煉工藝，采用鋼包內(nèi)鋁沉淀脫氧和 SKF 精煉爐內(nèi)吹氬加電磁攪拌工藝。山陽廠的特點(diǎn)是用高堿度渣精煉。 而我國廠家流程有： 電爐－ VD 精煉爐－模鑄；電爐－ VD 精煉爐－模鑄； 電爐－模鑄電極－電渣冶金；真空感應(yīng)爐－真空自耗爐 [4]。 ② 不銹鋼 1）簡介 不銹鋼是不銹耐酸鋼的簡稱，耐空氣、蒸汽、水等弱酸腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種即為不銹鋼。不銹鋼具有耐腐蝕性能和較高的硬度等。廣泛應(yīng)用于航天航空、工民建筑、化肥工業(yè)、海洋開發(fā)、食品工業(yè)等人們的日常生活中。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 2）工藝選 擇 世界上各國鋼廠根據(jù)自身的水平即生產(chǎn)條件，大體可分為三類冶煉方法：直接冶煉法、雙聯(lián)法和三步煉鋼法。直接冶煉法現(xiàn)在很少再用到；三步法因為設(shè)備多，所以操作復(fù)雜，管理難度大。所以現(xiàn)在一般采用雙聯(lián)法即電爐或轉(zhuǎn)爐 — 爐外精煉。本設(shè)計也采取此種方法。目前雙聯(lián)法主要有電弧爐 — AOD、電弧爐 — VOD 等 [4]。 ③ 彈簧鋼 1）簡介 彈簧鋼主要是要有良好的彈性，又由于它是在動 載荷 環(huán)境條件下工作的，所 以對制造彈簧的材質(zhì)最主要的是要有高的 屈服強(qiáng)度 ；在承受重載荷時不能引起 塑性 變形；應(yīng)有高的疲勞強(qiáng)度，在載荷反復(fù)作用下具有長的使用壽命；并有足夠的 韌性 和塑性，以防在沖擊力作用下突然脆斷。其廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、火車等運(yùn)輸工具上，還有其他工業(yè)上。 2）工藝選擇 國外采用超低氧、超潔凈的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)中主要采用 電弧爐 — RH、電弧爐— LF— RH 等，我國有很多企業(yè)如武漢鋼鐵、鞍山鋼鐵等則是采用電弧爐－ LF+VD 的工藝 [4]。由于 VD 相較于 RH 而言，脫氣方面差不多，但在渣精煉、設(shè)備投資、生產(chǎn)成本方面更有優(yōu)勢。 ④ 齒輪鋼 1）簡介 齒輪鋼是屬于低合金高強(qiáng)度鋼，是合金結(jié)構(gòu)鋼中的重要一類。它是汽車、鐵路、船舶、工程機(jī)械等中使用要求較高的關(guān)鍵材料之一 ，是保證安全的核心部件的制造材料。 2）工藝選擇 在我國寶鋼、天津榮成鋼鐵等公司是采用電弧爐－ LF+VD 的工藝生產(chǎn)的。 綜合以上的信息，對于本設(shè)計就選擇超高功率電弧爐 — LF+VD— 連鑄的工藝進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計 [4]3 超高功率電弧爐爐型設(shè)計計算 7 3 超高功率電弧爐爐型設(shè)計計算 全廠金屬料平衡計算 煉鋼廠中生產(chǎn)的物料平衡是指某一時期進(jìn)入該廠的各項原材料的量與同一時期生產(chǎn)出來的合格量，排出的爐渣、工業(yè)垃圾、廢氣和可回收的煙塵等量所作的平衡計算。煉鋼過程消耗的原料主要是以金屬料為主，故主要計算金屬料平衡即可。 圖 本設(shè)計弧形連 鑄機(jī)連鑄熱裝工藝的金屬料流程圖（單位：萬 t/a） 確定爐子座數(shù)、大小及年產(chǎn)量的核算 爐子座數(shù)大小的確定 估算每次出鋼量 q（ t）； 8760Atq y?? （ ） 式中 A—車間產(chǎn)品方案中確定的年產(chǎn)量， t； t— 冶煉周期， h，取 1h； 8760— 年日歷時間， h； 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 ?— 作業(yè)率， = 1 0 0 %? ?年 作 業(yè) 天 數(shù)年 日 歷 天 數(shù)，一般 ? =90%~94%； y— 良坯收得率，連鑄一般為 95%~96%。 故計算 42 0 0 1 0 t 1 h= 2 5 6 t8 7 6 0 8 7 6 0h 9 4 % 9 6 %Atq y? ???? （ ） 取爐子座數(shù) 2座 。 故爐容量 256 =1 2 8 1 5 0 t2Ti ?? （ ） 核算年產(chǎn)量 1 5 0 2 8 7 6 0 9 4 % 9 6 % 2 3 7 . 1 5 t 2 0 7 . 7 t1A ? ? ? ??? 萬 萬 （ ） 故符合設(shè)計要求。 超高功率 EBT 出鋼爐型設(shè)計 熔池形狀及計算 ① 熔池形狀 選用錐球型熔池 。 截錐型電弧爐爐坡傾角為 45176。，使被侵蝕后的爐坡容量易得到補(bǔ)修（補(bǔ)爐鎂砂的自然堆角為 45176。），且有利于順利出凈鋼水。 球冠形爐底使得熔化了的鋼液積蓄在熔池底部，迅速形成金屬熔池，有利于加快爐料的熔化及早造渣去磷。 ② 熔池尺寸計算 熔池的容積應(yīng)能容納全部鋼水和約為鋼水量的 7%~8%的熔渣，并留有適當(dāng)余量。故本設(shè)計的 G 渣 =7%G 金 。 故 33333mmV =V +V =G 0 .1 4 +G 0 .3ttmm = 1 5 0 t 0 .1 4 +1 5 0 t 7 % 0 .3tt = 2 4 .1 5 m??? ? ?池 金 渣 金 渣 （ ） 帶有球冠部分的熔池，球冠高度 h1 約為鋼液總深度的 20%，即 h1=H/5。 熔池直徑 D 和熔池深度 H 的比值 D/H 是確定爐型的基本參數(shù)。對于一定容量的路子， D/H 值愈大，則渣 鋼界面面積愈大，有利于鋼水熔煉。但是 D/H 太大，則爐殼直徑也大，散熱面積也大。一般 D/H 值在 5 左右比較合適 [5]。 故本設(shè)計取 /5DH? 。 熔池體積 V 池 （ m3）的計算公式為： 3 超高功率電弧爐爐型設(shè)計計算 9 22 2 22 1 1V ( ) ( 3 )1 2 6 4dh D D d d h h??? ? ? ? ? ?池 （ ） 式中 h1— 球冠部分高度， m，一般取 1 /5hH? ； h2— 截錐部分高度， m， 214 / 5h H h H? ? ? ； D— 熔池液面直徑， m，通常采取 D/H=5，即 5DH? ； d— 球冠直徑， m。 因 22 5 8 / 5 1 7 / 5d D h H H H? ? ? ? ? （ ） 故 33V 1 2 .1 0 .0 9 6 8HD??池 （ ） 爐渣體積可取鋼液體積的 10%~15%，由此可計算渣層厚度。爐門坎平面高于鋼液面 20~40mm。爐坡與爐壁連接面應(yīng) 高于爐門坎平面 30~70mm，以減輕爐渣對爐壁與爐坡接縫處的侵蝕。故熔池上緣直徑 D 熔 （ m）為： 故 0 .1 ~ 0 .2 0 .1D D D? ? ? ?熔 （ ） 所以 D= H= D熔 = h1= h2= d= 熔煉室的尺寸 熔煉室是指熔池以上至爐頂拱基的那部分容積，其大小應(yīng)能一次性裝入堆積密度中等的全部爐料。 ① 熔煉室高度 H1。 金屬爐門坎至爐頂拱 基的空間高度為熔化室高度。爐襯門坎比金屬爐門坎高出約80~100mm。從延長爐蓋壽命和多裝輕薄料考慮，希望熔化室高度 H1 大寫，但是如果H1 太大，則電極太長，電阻太大，爐殼散熱面積大，電耗大。 所以經(jīng)驗值： 40t 電弧爐， H1/D 熔 =~； 40t 電弧爐， H1/D 熔 =~； 本設(shè)計 H1/D 熔 =， 故 H1=。 ② 熔煉室上緣直徑 D1。 采用耐火材料爐壁，特別是散狀料和黏結(jié)劑做爐壁時，一般講熔化室設(shè)計成上大下重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 小，即 D1 D 熔 ，爐壁做成傾斜狀，傾角 β ≈ 6176。這樣形 狀的熔化室增加了爐壁的穩(wěn)定性，并容易修補(bǔ)和節(jié)省材料；另外下部的爐襯接近于爐渣，侵蝕快些，爐襯下厚上薄可以使整個熔化室爐襯壽命趨于均勻 [5]。 熔化室上緣直徑： 112 ta nD D H ???熔 （ ） 故 D1=。 ③ 爐頂拱腳處直徑 D1 與拱頂高 h3 按以下比值決定。 h3/ D1=~ （ ） 本設(shè)計取值 ，故 h3=。 ④ 電弧爐爐內(nèi)空間高度 H2=H+H1+ h3=。 爐門尺寸 本設(shè)計只設(shè)一個工作門，用于加料、爐前操作和觀察爐況。 確定爐門尺寸要考慮以下因素：應(yīng)便于觀察爐況；能良好的修補(bǔ)爐底和整個爐坡；采用加料機(jī)加料的爐子，料斗能自由出入；順利取出折斷的電極。 可按以下經(jīng)驗值確定： 爐門寬度 l=（ ~） D （ ） 爐門高度 b=（ ~） l （ ） 為了密封，門框應(yīng)向內(nèi)傾斜 8176。 ~12176。 故本設(shè)計中 l== b== 門框應(yīng)向內(nèi)傾斜 10176。 出鋼口為圓形，一般取 150~200mm，本設(shè)計取直徑為 180mm。 電弧爐爐襯以及其厚度 爐壁襯磚厚度通常按耐火材料熱阻計算確定，計算依據(jù)的條件是爐殼在操作末期被加熱的溫度不大于 200℃，以免爐殼變形。一般而言，增加爐襯厚度，爐殼受熱及熱損失可以減少，這在一定限度內(nèi)是正確的，但是爐襯厚度 δ 增加與熱損失減少并非線性關(guān)系，厚度 δ 達(dá)到一定值以后，再增加爐襯厚度 δ，熱損失減少不顯著，反而因厚度 δ 增加過大，而增加爐殼直徑 D 殼 ，耐火材料消耗增加，散熱面積增加，所以比較經(jīng)濟(jì)的做法是選擇優(yōu)質(zhì)材料，使用較輕薄的爐襯。 爐壁底部厚度包括絕熱層和工作層，設(shè)計時可采用下表的值。 3 超高功率電弧爐爐型設(shè)計計算 11 表 爐壁底部厚度 δ 噸位 /t 20 20~40 40 絕熱層 /mm 75 75 75 工作層 /mm 230 345 460 故本設(shè)計爐壁底部厚度 δ 為 75+460=535mm=。 爐頂爐襯磚厚度可以按下表取值。 表 爐頂爐襯磚厚度 δD 噸位 /t 20 20~40 40 δD/mm 230 300 350 本設(shè)計取值 δD=350mm=。 爐底厚度 δB約等于鋼液深度尺寸，即可取 δB=H。 電爐爐殼 爐殼厚度 δZ 一般為爐殼直徑 D 殼 的 1/200，其關(guān)系如下表。 表 爐殼厚度 δZ與爐殼直徑 D 殼 的關(guān)系 D 殼 /m 3 3~4 4~6 6 δZ/mm 12~15 15~20 25 28~30 故本設(shè)計 D 殼 6m,故 δZ=30mm=。 Z= + 2 0 .5 3 5 + 2 = 7 .5 2 5 mDD ??殼 熔 （ ） 偏心底出鋼 ① 偏心底出鋼的優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)出鋼口鋼液高度大于臨界高度時，不會產(chǎn)生漩渦效應(yīng)。出鋼時鋼渣分離，剩余鋼水占總鋼水量的 21%。其可以實現(xiàn)無渣出鋼，其減小了出鋼傾角，可以增加水冷爐壁的使用面積。 優(yōu)點(diǎn)： 1）出鋼傾角減?。汉喕姞t傾動機(jī)構(gòu)；降低短網(wǎng)阻抗；增加水冷爐壁的使用面積，提高爐體壽命。 2）留鋼留渣操作：無渣出鋼，改善鋼的質(zhì)量，有利于精煉操作；留鋼留渣有利于電爐冶煉、節(jié)能。 3）爐底出鋼：降低出鋼溫度，節(jié)約電耗；減少二次氧化，提高鋼的質(zhì)量；提高鋼包壽命。 當(dāng)出鋼口鋼液高度大于臨界高度時 ，不致產(chǎn)生漩渦效應(yīng)。出鋼時鋼渣分離，剩余鋼水占總鋼水量的 21%。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 ② 主要尺寸參數(shù)確定。 圖 偏心爐設(shè)計部分尺寸 1）出鋼箱內(nèi)口與中心角α為 90176。 ～ 100176。，本設(shè)計取 100176。 2）出鋼口偏心距 L： 7525[ ( 3 5 0 4 0 0 ) ] = [ 3 7 5 ] 4 1 3 8 m m22DL ? ? ? ?外 殼 ～ （ ） 3）出鋼箱高度 H 內(nèi)： 整個出鋼過程中爐子搖到最大角度出鋼時鋼水不能接觸水冷爐壁，并留有一定安全距離。 出鋼箱內(nèi)高度 H 內(nèi) =H+（ 600～ 800） mm，本設(shè)計取 700mm。 則，出鋼箱內(nèi)高 H 內(nèi) =1259+700=1959mm=。 超高功率爐型設(shè)計尺寸表 表 超高功率爐型設(shè)計尺寸 項目 尺寸 項目 尺寸 電弧爐爐坡傾角 熔池體積 V 池 熔池直徑 D 熔池深度 H 球