Рабочее пространство печи

Печь с рабочим пространством из огнеупоров

Форма рабочего пространства. В поперечном сечении дуговая печь круглая. В продольном сечении (рис. 118) профиль ра­бочего пространства (внутренние очертания по футеровке) образован сфероконической ванной, стенками над ней и верхней, ограниченной сводом, сферической частью. При этом форма ванны и верхней сферической части у всех печей одинаковы, а стенки, форма которых тесно связана с конфи­гурацией кожуха, могут быть цилиндрическими (а), наклон­ными (б) и цилиндро-коническими (в). При выборе формы стенок учитывают, что печи с цилиндрическими стенками имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, масса и наружная теплоотдаюшая поверхность печи и меньшая длина короткой сети. Основное преимущество печей с цилиндро-коническими и наклонными стенками — повышение стойкости футеровки стенок вследствие их отдаления от высокотемпературных электрических дуг. При этом цилиндро-конические стенки более предпочтительны, так как у печей с наклонными стен­ками чрезмерно возрастает диаметр свода. По этой причине большая часть сооружавшихся в последние годы на отечест­венных заводах электропечей имеют рабочее пространство с цилиндро-коническими стенками.

Ванна образована (рис. 118) нижней сферической частью и откосами 2, которые наклонены под углом 45° к горизон­тали. Такой наклон необходим, чтобы магнезитовый порошок при заправке не ссыпался с откосов вниз (угол естествен-

Рис. 118. Форма кожуха и рабочего пространства электропечей: а — кожух с цилиндрическими стенками; б — с наклонными; в — с цилиндро-коническими; 1 — кожух; 2 — откосы; 3 — разъем кожуха; 4 — футеровка; 5 — кольцевой желоб; 6 — сводовое кольцо; 7 — отверстие для электрода; 8 — рабочее окно

ного откоса магнезита близок к 40°). Сферическая форма днища кожуха обеспечивает минимальные теплопотери и рас­ход огнеупоров на кладку пода.

Рабочее окно всегда располагают на такой высоте, чтобы его порог находился на 70—150 мм ниже уровня верха отко­сов, т.е. ниже уровня, от которого начинаются стенки пе­чи. Это необходимо, чтобы шлак не мог достичь стенок и не растворял бы футеровку стенок, поскольку ее, в отличие от футеровки откосов, невозможно восстановить путем заправ­ки — магнезитовый порошок будет ссыпаться вниз с почти вертикальной стенки.

Основные размеры, определяющие габариты рабочего пространства, — это глубина и диаметр ванны на уровне по­рога рабочего окна (Я_в и D_B) и высота рабочего простран­ства от уровня порога до верха стенок — Я_р (рис. 118). Размеры сфероконической ванны определяют расчетом, зада­ваясь величиной отношения D_B/H_B, и приняв Н_сф = 0,2#_в, исходя из того, что она должна вмещать металл и шлак (~ 15 % от объема металла). Причем порог рабочего окна должен быть на 20—40 мм выше уровня шлака, чтобы послед­ний не вытекал через окно при вспенивании; кроме того, как уже отмечалось, верх откосов должен быть на 70—150 мм выше уровня порога.

Величину отношения DjH_B выбирают с учетом следующих соображений. Увеличение D_B/H_B ведет к росту поверхности контакта металл—шлак и уменьшению глубины ванны, что по-

вышает полноту процессов рафинирования металла и облегча­ет прогрев ванны по высоте. Однако при этом возрастают диаметр кожуха и увеличиваются габариты всех конструкций печи и ее масса; возрастает наружная теплоотдающая повер­хность кожуха и, следовательно, теплопотери; увеличивает­ся расход огнеупоров на кладку стен и свода; ухудшается прогрев ванны у откосов, особенно в зонах между электро­дами; возрастает длина короткой сети, что ведет к росту электрических потерь. Учитывая изложенное, величину D_B/H_B для новых печей принимают в пределах 4,5—5,5, причем ниж­ний предел рекомендуется для печей, выплавляющих стали рядового назначения. Для печей с кислой футеровкой, кото­рые обычно работают по упрощенной технологии без восста­новительного периода, величина D_B/H_B рекомендуется в пре­делах 3,5—4,5.

Высоту рабочего пространства (расстояние от уровня по­рога рабочего окна до верха стен, Я_р) выбирают с учетом следующего. Увеличение Я_р способствует повышению стойкос­ти свода вследствие его отдаления от высокотемпературных электрических дуг и улучшает возможности загрузки шихты одной порцией. Вместе с тем, при этом возрастает теплоот­дающая поверхность стенок и, следовательно, расход электроэнергии, а также длина рабочей части электродов, что увеличивает реактивное сопротивление цепи. Обычно ве­личина Я_р изменяется в пределах 0,4—0,55D_B, возрастая в этих пределах при снижении емкости печи.

У печей с наклонными стенками угол их наклона к верти­кали составляет 10—20°. У печей с цилиндро-коническими стенками высота наклонной части стен Я_н составляет 0,25—0,40Я_Р, угол наклона стенок кожуха в этой части 10—25°, а угол наклона футеровки 15—30°.

Диаметр свода D_CB (см. рис. 118) делают больше диа­метра рабочего пространства D_pn, чтобы сводовое кольцо находилось над песочным затвором, расположенным с наруж­ной стороны кожуха печи. Величина D_CB изменяется в преде­лах от 1,3£>_РП на малых печах до 1,Ю_РП на большегруз­ных. Стрелу выпуклости свода Я_св выбирают такой, чтобы обеспечивалась достаточная строительная прочность свода в нагретом состоянии. Величина Я_св не должна быть менее 1/10D_CB, так как при меньшем ее значении сильно возраста­ют распорные усилия, т.е. усилия, сжимающие кирпичи сво-

да. Для хромомагнезитового свода величину Я_св в холодном состоянии принимают в пределах (1/7—1/8)£>_св, а для дина-сового свода — меньшей: от 1/9 до l/l0D_CB, поскольку динас расширяется при нагреве сильнее, чем хромомагнезит.

Диаметр распада электродов (диаметр окружности, прохо­дящей через оси электродов) выбирают, учитывая, что при его увеличении усиливается износ футеровки стенок вблизи электродов, ухудшается прогрев металла у подины печи и усиливается неравномерность прогрева ванны по периферии. В связи с этим желательно, чтобы диаметр распада не пре­вышал 0,3£>_в. У существующих печей этот диаметр изменяется от (0,3*0,25)Z)_B на большегрузных до (0,45+0,5)D_B на малых печах, где сблизить электроды до требуемой величины не позволяют габариты электрододержателей.

В табл. 10 приведены основные размеры сооружавшихся в последние годы серийных печей с цилиндро-коническими стенками.

Кожух рабочего пространства выполняют сварным из стального листа толщиной 10—40 мм. На больших печах его усиливают наружными вертикальными и горизонтальными реб­рами жесткости. Примерно на уровне порога рабочего окна кожух часто имеет горизонтальный разъем (см. рис. 118), что позволяет снимать верхнюю часть кожуха во время ре­монта футеровки стен и ускорять ремонт. Днище кожуха сфе­рическое, а на малых печах его иногда делают в виде усе-

Таблица 10. Основаые размеры серийных печейс цилиндроконнческими стенами

Вместимость печи, т

Параметр -----------------------------------------------------------------

6 12 25 50 100 200

Диаметр ванны на уровне порога D_B, м Глубина ванны Н_в, мм Высота от порога до верха стен #_р, м Диаметр распада элект­родов, м

Диаметр электродов, мм Внутренний диаметр ко­жуха вверху, м

ченного конуса. Форма стен кожуха представлена на рис. 118; наиболее часто, как отмечалось выше, в послед­ние годы строили печи с цилиндро-коническими стенками. К верхней части кожуха приварен кольцевой желоб (5, см. рис. 118), заполняемый песком для создания герметичного соединения со сводом (песочный затвор). На печах с элект­ромагнитным перемешиванием металла центральная часть дни­ща кожуха выполнена из немагнитной стали.

Рабочее окно выполнено в виде выреза в кожухе печи, в котором крепится П-образная водоохлаждаемая металлическая рама. Рама служит опорой для кирпичной кладки, обеспечи­вая постоянство контура оконного проема. Окно закрывается футерованной заслонкой, которая перемещается вверх и вниз.

Футеровка дуговой печи подвергается воздействию тепло­вого излучения электрических дуг, ударам кусков шихты при загрузке, разъедающему воздействию шлака и металла и тер­мических напряжений, возникающих при резких колебаниях температур — охлаждении во время завалки холодной шихты. Футеровка свода испытывает дополнительные нагрузки, вызы­ваемые распорными усилиями арочного свода.

Поэтому применяемые огнеупоры должны обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, прочностью и шлакоустой-чивостью.

Подина основной печи (рис. 119) состоит из изоляцион­ного и рабочего слоев. Изоляционный слой включает уклады­ваемый на металлическое днище кожуха слой листового асбеста, выравнивающий слой шамотного порошка и слой кладки из шамотного кирпича. Толщина изоляционного слоя 70—180 мм. Рабочий слой включает кладку из нескольких ря­дов магнезитового кирпича толщиной от 280 мм на малых пе­чах до 575 мм на больших и верхний набивной слой из маг­незитового порошка толщиной 100—190 мм, который на первых после выкладки пода плавках спекается в монолитную массу.

Спекшийся слой набивки 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 и она не лимитирует работу печи.

Рис. 119. Разрез рабочего пространства 100-т дуговой печи:

1 — кожух; 2 — листовой асбест; 3 — слой шамотного порошка; 4 — шамотный кирпич; 5 — магнезитовый кирпич; б — магнезитовый порошок; 7 — кольцевой рельс; 8 — заслонка; 9 — рама рабочего окна; 10 — уплотняющее кольцо; 11 — кольцевой желоб; 12 — магнезитохромитовый кирпич; 13 — молотый асбест

В последнее время набивной слой иногда делают толщиной 400—500 мм за счет уменьшения толщины кладки из магнези­тового кирпича и изоляционного слоя; при этом достигнуто повышение срока службы пода, уменьшение расхода магнези­товых огнеупоров и простоев печи на ремонтах пода. Общая толщина пода на печах малой и средней емкости примерно равна глубине ванны Я_в, а на большегрузных снижается до 0,7#_в; на печах с электромагнитным перемешиванием толщина пода не должна превышать 900 мм.

Футеровку стен на отечественных заводах выполняют без слоя теплоизоляционной кладки целиком из основных кирпи­чей (магнезитохромитового, хромомагнезитового, магнезито­вого), которые укладывают на футеровку откосов. Кирпичи в стенке кладут в один ряд либо в два (примыкающий к кожуху арматурный слой и внутренний рабочий, как на рис. 119). Верхнюю часть стенок иногда делают меньшей толщины (рис. 118, а), так как здесь меньше тепловое излучение от электрических дуг. Толщина стенок в нижней части состав­ляет 300—570 мм, возрастая с ростом вместимости печи.

Стойкость стен 100-т печей составляет 150^-200 плавок, на малых печах она достигает 350 плавок.

Местами наибольшего износа стен являются "горячие пят­на" — участки, приближенные к электродам (электрическим дугам). Иногда эти участки выполняют из огнеупоров повы­шенной стойкости, например из Магнезитоуглеродистого кир­пича; их ремонтируют путем торкретирования; размещают здесь водоохлаждаемые панели.

Свод печи имеет форму купола (в поперечном разрезе — форму арки, рис. 119). Такую форму получают за счет использования при выкладке свода клиновых и прямых кирпи­чей. Опорой крайних Кирпичей свода и, таким образом, всей его кладки служит стальное сводовое кольцо (рис. 120), охватывающее свод до периферии; на средних и крупных пе­чах сводовое кольцо делают водоохлаждаемым. Свод основных печей выкладывают из магнезитохромитового кирпича, в кладке оставляют три отверстия для пропускания электродов и отверстие для отвода печных газов. Толщина сводов сос­тавляет 230—460 мм, возрастая с ростом вместимости печи.

В процессе службы внутренняя нагретая поверхность сво­да постепенно разрушается путем оплавления, а также ска­лывания тонких слоев под воздействием распорных усилий, возникающих в арочной конструкции. Когда толщина свода уменьшится настолько, что 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. Набирают свод на выпуклом шаблоне в стороне от печи. Стойкость свода малых печей (5—12-т) составляет 125—225 плавок, она снижается с ростом вместимости печи, составляя 50—85 плавок на 60—200-т печах.

При заменах свода герметичность его соединения с рабо­чим пространством обеспечивается песочным затвором. При­варенный к низу сводового кольца "нож" (рис. 120, 1) в момент опускания свода на печь входит в песок, которым заполнен кольцевой желоб (рис. 119, 11 или же рис. 118, 5).

Футеровку кислых печей (свод, стенки, кладка рабочего слоя пода) делают из динасового кирпича. Набивной слой пода изготовляют из кварцевого песка и огнеупорной глины, взятых в соотношении 9:1. Стойкость футеровки кислых

Рис. 120. Поперечное сечение сво­довых колец:

а — неохлаждаемое кольцо; б — водоохлаждаемое; / — кольцевой нож; 2 — сводовое кольцо; 3 — во­да; 4 — сводовый кирпич; 5 — пя­товый кирпич

дов, которые вследствие этого усиленно окисляются. Приме­няют много различных конструкций уплотнителей.

На больших печах хорошо показали себя газодинамические уплотняющие кольца. Одна из конструкций такого уплотните­ля показана на рис. 121, а. На кольцо из огнеупорного бе­тона опирается полое металлическое кольцо, в которое тан­генциально подводят сжатый воздух. Воздушный поток вокруг электрода препятствует выбиванию газов из печи. На малых и средних печах широко применяют экономайзеры — полые водоохлаждаемые кольца, располагаемые вокруг электрода на своде или заглубленные в свод. На рис. 121,6 показана одна из конструкций заглубленного в свод экономайзера, который для улучшения уплотнения снабжен сверху воротни­ком (воронкой), заполняемым шлаковой ватой.