3）良好的热稳定性。电弧炉从出钢到装料时间内温度急剧变化，温度由原来的1600℃左右骤然下降到900℃以下，因此耐火材料必须具有良好的热稳定性。
4） 抗渣性好。 在炼钢过程中，炉渣，炉气，钢液对耐火材料强烈的化学侵蚀，因此耐火材料有良好的抗渣性。
5） 高耐压强度。电弧炉衬在装料时受炉料的冲击，冶炼时受钢液的静压，出钢是受钢液的冲刷，操作时又受机械振动，因此耐火材料必须有高的耐压强度。
6）低导热性。为了减少电弧的热损失，降低电能消耗，要求耐火材料的导热性要差，即导热系数要小[12]。
第三章 变压器功率和电参数的确定
3.1变压器功率的确定
电炉的生产率决定于电炉的容量，变压器的功率，电炉全年的工作天数，冶炼周期，电效率和热效率。影响电炉工作的因素很多。目前，电炉利用系数以1000kV·A变压器功率昼夜的合格钢产量定为电炉生产率的标准[32]。
确定变压器功率的目的是为了选择与电炉容量相匹配的变压器。变压器功率的确定是一个比较复杂问题，它受电炉的容量，冶炼时间，炉衬材质，电效率、热效率等许多因素的影响。为了简化计算，把变压器功率于炉壳直径D壳联系起来，抛开其他影响因素。研究发现变压器功率与炉壳直径D壳存在如下关系。当炉壳直径D壳已知时，可用下面经验公式选择变压器的额定功率[33]。
P视?
110D壳3.32? (3.1)
式中， P视—变压器视在功率，kV·A； D壳—炉壳外径，m；
τ—额定装量时的熔化时间，0.75h。
通过对炉体和耐火材料的计算可以知道D5628.26KV.A
壳
为3m，从而计算出P视为
3.2电极直径设计
电极是将电流输入熔炼室的导体，当电流通过电极时，电极会发热，此时会
有8%左右的电能损失。
当功率一定时，电极直径减小，电极上电流密度增大，电能损失增大，电极直径增大，电极上电流密度减小，电能损失减小，因此希望电极直径大点，但太大，电极表面热量损失增加，所以电极直径又不能太多，应有一个合适值[34]。根据经验，电极直径可按下式确定。
d电极?3
0.406I2?K (3.2)
式中，ρ—石墨电极500℃时电阻系数Ω·m；ρ石墨=100Ωmm2/m；
K—系数，对石墨电极K=2.1W/cm2； I—电极上的电流强度，A；
I?
1000P视3U (3.3)
式中，U—最高二次电压。
带入数据计算出I=12178.43A，d电极=300mm 不同尺寸电极I/S值见下表5.1。
表3.1 I/S值
d电极/mm （I/S）/（A/cm2）
100 28
200 20
300 17
400 15
500 14
600 12
为了减少电极消耗，露出炉顶外的那部分电极温度：石墨电极不超过500℃，为此电极上电流密度也不应超过该尺寸电极的I/S允许值，以免电极温度过高。
3.3电极心圆直径设计
d三级心：过三个电极极心的圆周直径。
d三极心过小，三根电极彼此靠的比较近，电极距离炉壁远，对炉壁寿命有利，但是，炉坡上的炉料难熔化，熔池加热不均匀，炉顶中心结构强度差，容易损坏，并且电极把持器上下移动困难。如果电极芯圆直径太大，电弧距炉壁近，加剧炉衬的损坏。
电极心圆直径的经验值为： d三极心=（0.25～0.3）D 式中，D—熔池直径。 代入数据算出d三级心=500mm
3.4电压级数设计
为了熔炼的正常进行，应在熔炼的各个时期使用不同的电力及不同长度的电弧，以满足工艺的要求。在功率一定时，工作电压提高可以减小电流，因而可提高ηel及Cosψ。
选择最高一级二次电压，有如下经验公式：
对碱性电炉 U=15·Prat1/3； 式(3.4) 对酸性电炉 U=70+15·Prat1/3 式(3.5) 熔炼过程还原期用较低级的二次电压，一般不高于120～180V，因电压高则电弧长，从而造成炉顶炉墙上热负荷加大，对炉衬寿命和钢的质量有不利影响。
电压级数决定与最高一级电压和各个冶炼期对炉子供给电能的不同要求，电压级数取决于最高二次电压和各冶炼期对供电的要求见图表5.2。
表3.2 电压级数参数表
最高级二次电压/V
电压级数
200~250 2~4
250~300 4~6
320~400 6~8
>400 8~18
电压级数用高压绕组三角形联接获得。 对2t炉子，其最高级工作电压为：
U=15·56281/3=267V
采用8级电压，中间各级电压为： 三角形联接
1级 267V 2级（267×0.85） 227V 3级（227×0.85） 193V 4级（193×0.85） 164V
第四章 电弧炉耐火材料的选用
4.1电弧炉炉墙、炉底用耐火材料设计
炉墙和炉底的工作条件同炉盖大致相当，易受到电弧的高温辐射，在极高的温度条件下工作，经常受到急冷作用。比炉盖更严重的是炉墙和炉底直接同钢水、炉渣接触，受到钢水的冲刷和炉渣的侵蚀，并且装料时还受到炉料的撞击。因此，选用优质的耐火材料就显得非常重要，尤其是与炉渣接触部位和接近电弧热点的部位要求更高，常用的耐火材料如下：
① 镁砂
镁砂是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来打结炉底和炉坡，也可用来制作镁砖[13]。同时又是补炉的主要材料。镁砂是由天然的菱镁矿在1650℃温度下煅烧而成的。镁砂的耐火度可达到2000℃以上，有较好的抵抗碱性炉渣的侵蚀的能力。但其热稳定性差，导热系数大。镁砂的主要成分是氧化镁≥85%，也含有少量杂质。
② 白云石
白云石也是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用作炉墙和补炉材料，也可制作成白云石砖。白云石的耐火度也在2000℃以上，它能抵抗碱性炉渣的侵蚀，热稳定性比镁砂好，但白云石易吸水粉化，因此应尽量缩短白云石从烧成到使用的时间[14]。
③ 石英砂
石英砂是砌筑酸性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来砌炉底和炉坡，也用作酸性电弧炉的补炉材料。纯的石英砂为水晶透明体，含有少量杂质时为白色，杂质愈多就愈呈暗灰色，电弧炉用的石英砂大多为白色。
④ 各种耐火砖
粘土砖主要作为电弧炉炉墙和炉底用的耐火材料，故耐火度和荷重软化温度低，因而用作隔热砖，砌在靠近炉壳的部位。在粘土砖的里面再砌镁砖和其他碱性砖。镁铝砖由于原料缺乏，价格较贵，用的较少。硅砖用于酸性电弧炉。
炉衬的组成：炉底和炉墙组成。
炉壁衬砖厚度由按耐火材料热阻计算确定，计算依据的是炉壳在操作末期被加热的温度不大于200℃，防止炉壳变形。总的来说，增加炉壳厚度，炉壳受热及热损失可以减少，这在一定程度上正确的，但是炉壳厚度δ增加与热损失减少并非线性关系，当厚度δ达到一定值以后，再增加炉衬厚度δ，热损失减少不显著，反而因为厚度δ增加过大，而增加炉壳直径D壳，耐火材料消耗增加，所以比较经济的办法是选择优质材料，使用较薄的炉衬[15]。
炉底的组成：绝热层→保护层→工作层
考虑到用材经济节省，结构合理通过2.1表选出合适的耐火材料： 绝热层的组成：石棉板（200-50℃）→硅藻土粉（600-200℃）→粘土砖（1000-600℃），砖缝应不大于2mm，缝隙用硅藻土粉或者粘土砖粉填充。
保护层的组成：镁砖（1400-1000℃） 工作层的组成：镁砖（1700-1400℃）
图4.1炉底耐火材料
绝热层砌筑时砖缝不应大于2mm，缝隙用硅藻土粉或粘土砖粉填充。保温层，其作用是保证熔池的坚固性，防止漏钢砌筑方法有平砌、侧砌和立砌。工作层是容纳钢液和炉渣的部位，因此必须保证它的质量，工作层成形方法分打结、振动和砌筑[16]。
表4.2 耐火材料参数
材料最高允许温
材料名称
度 t/℃
密 度
导 热 率
?/(kg?m?3)
770~1045 500 550 1800~2040 800~1300 270~330 1900~1950 2300~2600
?/(W?m?1?℃?1)
0.10~0.14 0.0395+0.00019t 0.0477+0.0002t [0.7~0.84]+0.00058t [0.29~0.41]+0.00026t 0.058+0.00017t 0.93+0.0007t 2.1+0.00019t
石棉板 A级硅藻土制品 B级硅藻土制品 耐火粘土砖 轻质耐火粘土 超轻耐火粘土
硅砖 镁砖
30 900 900 1350~1450 1250~1300 1100 1700 600~1700