yandex.metrica
Электрометаллургия

Конструкция рабочего пространства электродуговых печей

В настоящее время распространены две различающихся конструкции печей — печи с рабочим пространством из огнеупоров и печи с водоохлаждаемыми сводом и стенками.

Футеровка пода включает укладываемый на кожух слой листового асбеста, выравнивающий слой шамотного порошка, теплоизоляционный слой шамотного кирпича толщиной 70-180 мм и рабочий слой кладки из магнезитовый кирпича (280-575 мм) и выше спекшийся слой из магнезитовый порошок толщиной 100-190 мм. Последний слой играет большую роль: во-первых, он предотвращает возможный уход жидкого металла через швы между кирпичами кладки пода и, во-вторых, его толщину поддерживают постоянной путем заправки — забрасывая после каждой плавки на изношенные участки магнезитовый порошок; благодаря этому стойкость пода составляет 1500-6000 плавок (2-3 года). Футеровку стен выполняют из магнезитохромитового, или магнезитового кирпича. Толщина стенок в нижней части составляет 300-570 мм, возрастая с ростом вместимости печи. Стойкость стен 100-т печей составляет 150-200 плавок.

Свод печи имеет форму купола (в поперечном разрезе — форму арки, рисунок 1). Такую форму получают за счет использования при выкладке свода клиновых и прямых кирпичей. Опорой крайних кирпичей свода служит сводовое кольцо (рисунок 2); на средних и крупных печах сводовое кольцо делают водоохлаждаемым.

На рисунке 1 показан разрез печи первой разновидности, имеющей цилиндроконические стенки (верх стенки цилиндрический, низ — конический). При такой форме футеровка стен отдаляется от высокотемпературных электрических дуг, что повышает ее стойкость (по сравнению с цилиндрическими, т. е. вертикальными стенками)

Разрез рабочего пространства 100-т дуговой печи
Рисунок 1 – Разрез рабочего пространства 100-т дуговой печи 1 — кожух; 2 — листовой асбест; 3 — слой шамотного порошка; 4 — шамотный кирпич; 5 — магнезитовый кирпич;  6 — магнезитовый порошок; 7 — кольцевой рельс; 8 — заслонка;  9 — рама рабочего окна;    10 — уплотняющее кольцо; 11 — кольцевой желоб; 12 — магнезитохромитовый кирпич; 13 — молотый асбест
Поперечное сечение сводовых колец
Рисунок 2 – Поперечное сечение сводовых колец а — неохлаждаемое кольцо; б — водоохлаждаемое; 1 — кольцевой нож; 2 — сводовое кольцо; 3 — вода; 4 — сводовый кирпич; 5 — пятовый кирпич

Свод выкладывают из магнезитохромитового кирпича, в кладке оставляют три отверстия для пропускания электродов и отверстие для отвода печных газов. Толщина сводов 230-460 мм. Стойкость сводов 60-200 т печей составляет 50-100 плавок.

Свод является съемным. Когда толщина свода уменьшится и возможно его обрушение, свод заменяют. Мостовым краном его захватывают за сводовое кольцо и снимают, ставя на его место другой, заранее набранный свод; замена длится 20-40 мин. При заменах свода герметичность его соединения с рабочим пространством обеспечивается песочным затвором. Приваренный снизу сводового кольца «нож» (рисунок 2) в момент опускания свода на печь входит в песок, которым заполнен кольцевой желоб 11  (рисунок 1).

Рабочее окно выполнено в виде выреза в кожухе печи, в котором крепится Побразная водоохлаждаемая металлическая рама. Окно закрывается футерованной заслонкой, которая перемещается вверх и вниз. Против рабочего окна расположено сталевыпускное отверстие, его нижняя кромка находится на уровне порога рабочего окна, т. е. ниже уровня шлака и металла. Поэтому для выпуска металла необходим наклон печи в сторону отверстия на 45°, кроме того необходим наклон на 10° в противоположную сторону для слива шлака через рабочее окно.

Кольцевой зазор между сводом и электродами уплотняют, на малых печах с помощью водоохлаждаемых колец (экономайзеров), на больших применяют газодинамические уплотнители — кольцевую конструкцию, подающую в зазор газ под давлением.

Высокомощные печи, т. е. печи с удельной мощностью печного трансформатора 600-900 кВ·А/т имеют водоохлаждаемые стенки и свод, поскольку обычные огнеупоры быстро разрушаются не выдерживая теплового излучения высокомощных электрических дуг. Стенки таких печей делают цилиндрическими, что уменьшает габариты их водоохлаждаемой поверхности, т. е. потери тепла с водой и уменьшает длину токоподвода от трансформатора, повышая электрический к.п.д. печи. Плавка в таких печах, как отмечалось, включает расплавление шихты в печи с последующим выпуском металла (полупродукта) в ковш, где методами внепечной обработки получают ст&ль с нужным составом и температурой. Для эффективной внепечной обработки необходимо предотвратить попадание в ковш печного шлака (из него в металл могут переходить фосфор и кислород), поэтому высокомощные печи обычно оборудуют сифонным или эркерным выпуском металла, обеспечивающими слив стали без попадания печного шлака в ковш.

Основные размеры рабочего пространства отечественных 100-т водоохлажаемых дуговых сталеплавильных печей (ДСП) приведены ниже:

Основные размеры рабочего пространства 100-т водоохлажаемых дуговых сталеплавильных печей (ДСП)

У первой водоохлажлаемой печи, ДСП-100И6 размеры рабочего пространства такие же,как у обычных печей с огнеупорной футеровкой. Созданные позднее печи 100И7 и 100И8, а также печь БМЗ имеют ванну большей глубины при меньшем ее диаметре; величина отношения диаметра к высоте ванны Dв/ Нв также меньше (< 4,0), чем у печей с огнеупорной футеровкой (4,5—5,5). Это объясняется тем, что в высокомощных печах нет необходимости иметь большую поверхность контакта металл—шлак, поскольку основные металлургические процессы вынесены в ковш.

Отечественная 100-т печь с сифонным выпуском (ДСП-100И7) представлена на рисунке 3. Сифонный выпуск металла производят через образованное магнезитовыми трубками (блоками) 9 наклонное отверстие, располагаемое с противоположной отрабочего окна стороны так, что его начало заглублено в металл. В процессе выпуска шлак в отверстие не попадает, т. е. обеспечивается выпуск стали без шлака.

100-т печь с сифонным выпуском металла и водоохлаждаемыми стенами
Рисунок 3 – 100-т печь с сифонным выпуском металла и водоохлаждаемыми стенами 1 — нижняя часть кожуха; 2 — ребро ж есткости (стальная пластина); 3 — фланец; 4, 5, 6 — трубы; 7 — кладка низа стен; 8 — стеновая водоохлаждаемая панель; 9 — трубки из магнезита

Кожух водоохлаждаемых печей (рисунок 3) состоит из двух частей. Нижнюю часть (рис. 3, поз. 1), являющуюся опорой кладки пода, делают как и на обычных печах из стальных листов. Верхнюю часть —опору стеновых водоохлаждаемых панелей, выполняют в виде решетчатого каркаса из стальных труб. Он включает две кольцевые трубы 5 и 6 и ряд вертикальных труб 4, опирающихся на кольцевой фланец 3, служащий для соединения с кольцевым фланцем нижней части кожуха. Отказ от сплошного кожуха стенок вызван необходимостью обеспечить доступ снаружи к большому числу подводов и отводов воды к панелям.

Ниже уровня порога рабочего окна находится ванна с расплавленным металлом и шлаком.

В таблице 1 приведены основные размеры печей с цилиндро-коническими стенками.

Таблица 1 – Основные размеры серийных печей с цилиндро-коническими стенками.

Основные размеры серийных печей с цилиндро-коническими стенками.

С тем, чтобы улучшить рафинирование металла, поверхность контакта металл —шлак должна быть достаточно большой. Поэтому величину отношения Dв/Нв делают в пределах 4,5-5. Кожух стен и пода сварен из стального листа толщиной 10-40 мм.

Футеровку пода (до верха откосов) выполняют так же, как на обычных печах. Нижнюю часть стен высотой 500-600 мм до панелей делают из огнеупоров, чтобы исключить случайный контакт панелей с жидким металлом.

Печь с эркерным выпуском (рисунок 4) имеет с противоположной от рабочего окна стороны выступ (эркер) 6, в котором во время плавки находятся металл и шлак. В дне эркера размещено сталевыпускное отверстие 7; дно с отверстием расположено на такой высоте, что для слива металла достаточен наклон печи на 10-12° и металл сливается без шлака. Отверстие 7 выполнено из магнезитовых трубок; после выпуска очередной плавки его перекрывают снизу графитовой плитой, а сверху в него засыпают магнезитовый порошок. Сверху эркер закрыт съемным трубчатым водоохлаждаемым сводиком 5, при снятии которого обеспечивается доступ сверху к выпускному отверстию.

Рабочее пространство печи с эркерным выпуском
Рисунок 4 – Рабочее пространство печи с эркерным выпуском 1 — утолщённый набивной слой пода; 2 — заслонка; 3 – стеновая панель; 4 — трубчатый каркас стен; 5 — сводик эркера; 6 — эркер; 7 — сталевыпускное отверстие; 8 — запорная пластина; 9 — рабочее окно

Стеновые панели. Внутри решетчатого каркаса стен по всему его периметр закреплено от 8 до 16 водоохлаждаемых панелей (рисунок 3, поз. 8 и рисунок 4, поз. 5); каждая из них имеет самостоятельные подвод и отвод воды. Панели занимают 65-80 % площади стен печи.

Наиболее распространены трубчатые стеновые панели (рисунок 5). Панель фирмы «Крупп» представляет собой (рисунок 5, а) ряд параллельных труб 1, в котором две соседние трубы сверху и снизу соединены приваренными штампованными переходниками (капами) 2, обеспечивающими поворот воды на 180°; патрубки 4 и 3 служат для подвода и отвода охлаждающей воды.

Трубчатые стеновые водоохлаждаемые панели
Рисунок 5 – Трубчатые стеновые водоохлаждаемые панели

Отечественную панель конструкции «Сибэлектротерм» (рисунок 5, б) изготавливают из двух труб диаметром 70-90 мм методом гибки без сварных швов. Трубы 5 (на рисунок 5 отмечена штрихами) и 6 отдельно изгибают по форме прямоугольной спирали с оставлением зазоров между ее ветвями. Далее вставляют трубы друг в друга, получая плоскую панель. Трубы скрепляют с помощью привариваемых накладок 10. Один из вариантов устройства панелей предусматривает (рисунок 5, б) подвод 8 и отвод 9 воды через периферийные концы труб и соединение концов труб 5 и 6 в центре панели с помощью патрубка 7. Эта панель по сравнению с панелью фирмы «Крупп» обладает меньшим гидравлическим сопротивлением изза отсутствия поворотов воды на 180°; более проста в изготовлении, так как не требует сварки труб; более надежна в эксплуатации из-за отсутствия сварных швов.

На тепловоспринимающей поверхности панелей формируется (в результате конденсации паров) гарниссаж, являющийся теплоизолятором. Для его удержания к поверхности приваривают большое число шлакодержателей (штырей, уголков, крючков и т. п.).

Воду применяют химически очищенную. Скорость движения воды должна быть более 2 м/с с тем, чтобы не возникали застойные зоны, поскольку в них начинается кипение воды и выпадают соли жесткости. Расход воды на оба вида трубчатых стеновых панелей составляет 5-9 м3 на 1 м2 поверхности панели, стойкость панелей достигает 2000-4000 плавок и более.

Водоохлаждаемые своды различаются формой поперечного сечения (плоские, куполообразные, выпуклые в виде усеченной пирамиды), устройством основных водоохлаждаемых элементов (трубчатые, коробчатые с циркуляцией воды внутри коробки, со спрейерным охлаждением рабочей поверхности). Наиболее распространены трубчатые куполообразные своды (рисунок 6).

Водоохлаждаемый трубчатый куполообразный свод
Рисунок 6 – Водоохлаждаемый трубчатый куполообразный свод

Свод имеет водоохлаждаемый несущий каркас из верхнего 4 и нижнего 6 трубчатых колец, соединенных изогнутыми трубами (радиальными балками) 5. Снизу к каркасу прикреплены трубчатые водоохлаждаемые панели 7, на которых снизу образуется слой гарниссажа 9, удерживаемый приваренными к панелям шлакодержателями. Одна из панелей выполнена с отверстием 8 для отвода печных газов. Центральная куполообразная часть 2 свода является съемной, она выложена из магнезитохромитовых кирпичей, удерживаемых водоохлаждаемым трубчатым опорным кольцом 3. В ней имеются три отверстия для электродов. Огнеупоры здесь необходимы, чтобы предотвратить возможное короткое замыкание между электродами и металлической водоохлаждаемой частью свода. Обычно периферийная охлаждаемая часть занимает около 80 % поверхности свода, а центральная часть из огнеупоров — около 20 %.

Расход воды на подобных сводах составляет 6-9м3/ч на 1м2 поверхности; для свода 100-т печи в целом он равен ~400м3/ч. Стойкость водоохлаждаемой части свода на высокомощных печах достигает 2000—4000 плавок, стойкость центральной огнеупорной части около 200 плавок, после чего ее заменяют. Скорость движения воды во избежание выпадения накипи в трубах панелей должна быть более 2 м/с, с этой же целью необходимо применять химически очищенную воду.

Конструкции электродуговых печей постоянного тока

Промышленное внедрение дуговых сталеплавильных печей постоянного тока началось в 1981-1985 гг., после того как были созданы мощные, недорогие и простые в эксплуатации выпрямители (преобразователи переменного тока в постоянный). Обычно это тиристорные преобразователи.

К 1993 г. в мире эксплуатировалось около 80 печей достоянного тока вместимостью до 100-150 т и мощностью до 80-100 МВ·А.

В печах постоянного тока электрическая дуга горит между вводимым в рабочее пространство сверху графитированным электродом (одним, иногда тремя) и жидким металлом или твердой шихтой, к которым напряжение подводят с помощью располагаемых в подине специальных токопроводящих устройств (подовых электродов). К верхнему графитированному электроду от источника питания подводят отрицательный, а к металлической ванне — положительный электрический потенциал.

Печи постоянного тока — это высокомощные печи с водоохлаждаемыми сводом и стенками и эркерным выпуском металла. По устройству рабочего пространства и основных механизмов (отворота свода, наклона печи, зажима и перемещения электродов и др.) печи постоянного тока аналогичны печам, питаемым переменным током. Основное отличие заключается в том, что в поду печи установлен подовый электрод (иногда их три). Подовые электроды имеют несколько разновидностей. Например, это вмонтированный в футеровку пода стальной стержень, у которого нижняя, выступающая за пределы пода часть, охлаждается водой; другая конструкция представляет собой вмонтированный в отверстие пода печи блок, состоящий из большого числа тонких стальных пластин или стержней, расположенных вертикально и закрепленных на общей основе (стальном листе), к которой подан ток. Между пластинами или штырями набита огнеупорная масса.