Рабочее пространство высокомощных водоохлаждаемых печей

Большая часть электродуговых печей нашей страны — это пе­чи с рабочим пространством из огнеупоров и трансформато­рами невысокой удельной мощности (200—400 кВ • А/т). В последние годы, как уже отмечалось, возобладала новая концепция строительства и эксплуатации электродуговых пе­чей. С целью сокращения расхода электроэнергии, длитель­ности плавки и улучшения других технико-экономических по­казателей начали строить высокомощные печи, т.е. печи с удельной мощностью печного трансформатора 600— 900 кВ • А/т. Это вызвало необходимость существенного из­менения конструкции рабочего пространства печи. Одним из важных определяющих факторов при этом явилось то, что сильное излучение высокомощных электрических дуг вызывало перегрев и резкое снижение стойкости футеровки, и поэтому высокомощные печи стали строить с водоохлаждаемыми свода­ми и стенами.

Другим важным фактором послужило то, что из-за увели­ченных теплопотерь с охлаждающей водой работа по техноло­гии с длительной выдержкой жидкого металла в печи оказа­лась неэкономичной и стали применять технологию, при ко­торой в печи проводят расплавление шихты и краткий окис­лительный период, а далее металл выпускают в ковш для доведения до требуемых состава и свойств на установках

внепечной обработки. Поскольку для эффективной внепечной обработки необходимо предотвратить попадание в ковш печ­ного шлака (из него в металл могут переходить фосфор и кислород), высокомощные печи обычно оборудуют сифонным или эркерным выпуском металла, обеспечивающими слив стали без попадания печного шлака в ковш.

Еще одним определяющим фактором явилось то, что в свя­зи с охлаждением водой отпала необходимость повышать стойкость стен печи путем выполнения их наклонными или цилиндро-коническими, поэтому водоохлаждаемые печи обычно делают с цилиндрическими стенами.

Таким образом, вновь сооружаемые высокомощные дуговые сталеплавильные печи — это обычно печи с водоохлаждаемыми сводом и стенами, с эркерным или сифонным выпуском метал­ла и с цилиндрическими стенами. Такие печи зачастую обо­рудуют стеновыми (т.е. вводимыми через стены печи) топли-вокислородными горелками, которые располагают в относи­тельно холодных зонах между электродами и включают в Пе­риод плавления, что позволяет сократить длительность пе­риода и снизить расход электроэнергии.

Основные размеры рабочего пространства отечественных 100-т водоохлаждаемых печей приведены ниже:

Печь ДСП-100И6* ДСП-100И7*; ДСП БМЗ*

ДСП-100И8 Диаметр ванны на уровне

порога рабочего окна, мм 5550 5400 5150

Глубина ванны, мм . . 1100 1365 1320

Высота рабочего прост­
ранства (от порога до
верха стен), мм ... 2070 2450 2600

ДСП-100И6, 100И7 и 100И8 — дуговые сталеплавильные печи, соответст­венно, с обычным выпуском металла, с сифонным и с эркерным; ДСП БМЗ — печь с сифонным выпуском Белорусского металлургического завода.

У первой отечественной водоохлаждаемой печи, разрабо­танной в начале 80-х годов (ДСП-100И6), размеры рабочего пространства такие же, как у обычных печей с огнеупорной футеровкой. Созданные позднее печи ДСП-100И7 и 100И8, а также печь БМЗ имеют ванну большей глубины при меньшем ее диаметре; величина отношения диаметра к высоте ванны D_B/H_B также меньше (менее 4,0), чем у печей с огнеупорной футеровкой (4,5—5,5). Такое Изменение размеров ванны яви-

27-3810 417

лось следствием вынесения операций по рафинированию и до­водке стали из печи в ковш, поскольку при этом отпала не­обходимость иметь в печи большую поверхность контакта ме­талл—шлак и малую глубину ванны, которые были обязательны для обеспечения полноты процессов рафинирования в случае их проведения в печи.

Уменьшение диаметра ванны и выполнение стен водоохлаж­даемых печей цилиндрическими позволило уменьшить диаметр кожуха, особенно в его верхней части, и тем самым сокра­тить площадь водоохлаждаемых поверхностей свода и стен и соответственно снизить теплопотери с охлаждающей водой. Уменьшилась также длина короткой сети и соответственно электрические потери. Диаметр рабочего пространства (D_{p п}) таких печей примерно равен: Z?_OT + 25, где £>_от -диаметр ванны на уровне откосов, а 6 — толщина футеровки нижней части стен под панелями (для 100-т печей это - 500 мм).

Для новых водоохлаждаемых печей характерно также уве­личение высоты рабочего пространства, и тем самым его объема с целью улучшения возможности загрузки печи в один прием (одной корзиной).

Сифонный и эркерный выпуск. Современная отечественная 100-т печь с сифонным выпуском (ДС1КШ0И7) представлена на рис. 122; схема печи с эркерным выпуском — на рис. 123. Сифонный выпуск металла производят через обра­зованное магнезитовыми трубками (блоками) 9 наклонное отверстие, располагаемое в кладке откоса с противополож­ной от рабочего окна стороны и так, что его начало за­глублено в металл. В процессе плавки и при наклоне печи по время выпуска граница металл—шлак находится выше уров­ня отверстия и поэтому шлак В него не попадает, т.е. обеспечивается выпуск стали без шлака.

Печь с эркерным выпуском имеет (рис. 123) с противо­положной от рабочего окна стороны выступ (эркер) б, в ко­тором во время плавки находятся металл и шлак. В дне

£ -£

1*11(1.

1 — нижняя часть кожуха; 2 — ребро жесткости (стальная пластина); 3 - фла­нец; 4, 5, 6 — трубы; 7 — кладка низа стен; 8 — стеновая водоохлаждаемая панель; 9 — трубки из магнезита

1'ис. 123. Рабочее пространство печи с эркерным выпуском:

/ — утолщенный 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

эркера размещено сталевыпускное отверстие 7; дно с отвер­стием расположено на такой высоте, что для слива металла достаточен наклон печи на 10—12°. Стены эркера выложены из магнезитового кирпича, дно выполнено так же, как и под печи; сверху эркер закрыт съемным трубчатым водоохлажда-емым сводиком 5, при снятии которого обеспечивается дос­туп сверху к выпускному отверстию. Последнее выполнено из магнезитовых трубок; после выпуска очередной плавки его перекрывают снизу графитовой плитой, а сверху в него за­сыпают магнезитовый порошок. Прижатие графитовой плиты обеспечивают рычагом, который может быть отвернут от отверстия вбок или вниз. Для выпуска стали отводят рычаг с графитовой плитой, из отверстия высыпается магнезитовый порошок и сталь вытекает через отверстие без шлака.

Кожух водоохлаждаемых печей как правило цилиндрической формы (рис. 122) со сферическим днишем; иногда низ кожуха выполняют сужающимся. Кожух состоит из двух частей. Ниж­нюю его часть (рис. 122,1), являющуюся опорой кладки по­да, делают как и на обычных печах из стальных листов. Верхнюю часть (выше порога рабочего окна), являющуюся опорой стеновых водоохлаждаемых панелей, выполняют в виде решетчатого каркаса. На отечественных печах он сделан из стальных труб и включает две кольцевые трубы 5 и б 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 узлам крепления пане­лей и большому числу подводов и отводов воды к ним, а также обеспечить визуальный контроль панелей.

Футеровку пода (до верха откосов) часто выполняют так же, как на обычных печах (теплоизоляционный слой, кладка из магнезитового кирпича и набивной слой толщиной до 190 мм). На некоторых печах применяют набивной под с тол­щиной набивки до 500 мм (см. рис. 123). Низ стен над откосами делают из огнеупоров, чтобы исключить случайный контакт стеновых панелей с жидким металлом. Этот слой кладки имеет высоту 350—600 мм; в связи с близостью к высокомощным электрическим дугам его выполняют из высоко­стойких огнеупоров, например магнезитоуглеродистых.

Стеновые панели. Внутри решетчатого каркаса стен по всему его периметру закреплено от 8 до 16 водоохлаждаемых

панелей (рис. 123,3); каждая из них имеет самостоятель­ные подвод и отвод воды. Во избежание случайного контакта с жидким металлом панели крепят так, чтобы расстояние от их низа до уровня порога рабочего окна составляло ^50—500 мм. Над сталевыпускным отверстием, в сторону ко­торого наклоняют печь, панели располагают выше, чем в ос­тальных участках стен. Панели занимают 65—80 % площади стен печи; наибольшая площадь панелей у печей с эркерным выпуском, поскольку их можно располагать ближе к металлу, так как при выпуске печь наклоняют лишь на 10—12°, тогда как печи с сифонным выпуском или через желоб— до 45°.

Известны три типа водоохлаждаемых панелей: литые, коробчатые (кессонные) и трубчатые. Ниже охарактеризованы некоторые, наиболее известные. В Японии разработаны пане­ли в виде плоского литого чугунного блока, внутри которо­го залита стальная трубка в виде змеевика для охлаждающей воды, а в поверхностный слой со стороны рабочего прост­ранства вмонтированы огнеупорные кирпичи. В Германии используют коробчатые панели, представляющие собой сва­ренную из листов плоскую коробку с рядом перегородок ннутри, заставляющих подаваемую воду циркулировать по траектории змеевика вдоль всей поверхности коробки так, чтобы не было застойных зон.

Распространены трубчатые панели; они отличаются надеж­ностью, просты в изготовлении, позволяют работать при ббльших давлениях и скоростях движения воды, что предот­вращает образование застойных зон. Применяемые на отечес­твенных заводах трубчатые панели представлены на рис. 124. Панель фирмы Крупп представляет собой (рис. 124, 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. Отечественную панель конструкции "Сибэлектро-терм" (рис. 124, б) изготавливают из двух труб диаметром 70-90 мм методом гибки без сварных швов. Трубы 5 (на рис. 124 отмечена штрихами) и 6 отдельно изгибают по форме прямоугольной спирали с оставлением зазоров между ветвя­ми; вставляют трубы друг в друга, получая плоскую панель. Грубы скрепляют в одно целое с помощью привариваемых нак­ладок 10. Один из вариантов устройства панелей предусмат-

Рис. 124. Трубчатые стеновые водоохлаждаемые панели

ривает (рис. 124, б) подвод 6" и отвод 9 воды через пери­ферийные концы труб и соединение концов труб 5 и б в цен­тре панели с помощью патрубка 7. Эта панель по сравнению с панелью фирмы Крупп обладает меньшим гидравлическим со­противлением из-за отсутствия поворотов воды на 180°; бо­лее проста в изготовлении, так как не требуется сварки труб; более надежна в эксплуатации из-за отсутствия свар­ных швов, по которым обычно происходит разрушение.

На тепловоспринимающую поверхность всех панелей нано­сят слой теплоизолирующей огнеупорной массы с тем, чтобы уменьшить потери тепла через панель; для удержания этой массы к поверхности приваривают большое число шлакодержа-телей (штырей, уголков, крючков и т.п.). В процессе служ­бы панелей на месте разрушающейся обмазки формируется гарнисаж, также являющийся теплоизолятором.

Скорость движения воды должна быть более 2 м/с с тем, чтобы не возникали застойные зоны, поскольку в них начи­нается кипение воды. При кипении выпадают соли жесткости и образующийся слой накипи замедляет теилоотвод, в ре­зультате чего панель в этом месте прогорает. Для пред­отвращения выпадения солей жесткости необходимо применять химически очищенную воду.

Расход воды на оба вида трубчатых стеновых панелей составляет 5-9м>/ч на 1м² поверхности панели, стойкость панелей достигает 2000-4000 плавок и более.

Водоохлаждаемые своды применяют в основном на высоко мощных электропечах, имеющих кроме того ™*⁰⁰™*™™™ стены. Иногда такие своды используют на невысокомощных печах, имеющих рабочее пространство из огнеупоров.

Большинство водоохлаждаемых сводов ^вьшолняют комбини рованными, т.е. их периферийную часть м™™*™™*? даемый из металла, а центральную, через *^0Т0РУ^Ю "?°^Х°^ электроды, из огнеупорного кирпича, ^4To6bJ"f *3™ возможное короткое замыкание между электродами и металли ческой водоох^Рлаждае_Мой частью свода. Обычно периферийная охлаждаемая часть занимает около 80% поверхности свода, а центральная часть из огнеупоров - около 20 /с.

Разработаны и находят применение ряд разновидностей

водоохлаждаемых сводов. /„.„„.

Они различаются формой поперечного сечения (плоские, куполообразные, выпуклые в виде усеченной ^Г^атыГ тройством основных водоохлаждаемых элементов (*РУ^бч*™^е> коробчатые с циркуляцией воды внутри кор«б-. ^с« спреиер-„ым охлаждением рабочей поверхности), формой (в « центральной огнеупорной части. Эта часть может иметь в „лане круглую форму, как на рис.125, или же дельтавидную форму (форму Треугольника) с отверстиями для электродов, ^полагаемыми в углах этой огнеупорной части. При дель-авидной конфигурации огнеупорной части уменьшается ее площадь, т.е возрастает площадь водоохлаждаемои части

^В° д^аве разновидности комбинированных водоохлаждаемых сво­дов показаны на рис.125. Плоский коробчатый свод (конст­рукции МВМЙ) (рис. 125, а) имеет в качестве несущей^ осно­вы водоохлаждаемое трубчатое сводовое кольцо 4. На него опирается пеериферийная кольцевая коробчатая част,2 составленная из трех отдельных полых секторов- 2а 26 и 2в; в полость каждого из них заложен трубчатый змеевик с двумя рядами отверстий для подвода охлаждающей воды. В oZm из секторов выполнено отверстие_ 8 для «-оса печных газов; к нижней поверхности периферийной части приварены стальные полосы или штыри для удержания слоя теплоизоли­рующей огнеупорной массы 5 или гарнисажа.

Рис. 125. Водоохлаждаемые плоские коробчатые (а) и трубчатые куполообразные (6) своды электропечей:

1 — центральная часть свода; 2 — периферийная кольцевая часть из коробчатых секторов 2, а, 2, б и 2, в; 3 — "нож"; 4 — сводовое кольцо; 5 — гарниссаж; 6 — неохлаждаемое стальное кольцо; 7 — отверстия для электродов; * — от­верстие для отвода печных газов; 9 — водоохлаждаемое опорное кольцо; 10, 12 — верхнее и нижнее трубчатые кольца соответственно; 11 — радиальные бал­ки; 13 — водоохлаждаемые панели

Центральная часть 1 свода с тремя отверстиями 7 для электродов установлена на периферийной; она имеет форму купола и набрана из магнезитохромитовых кирпичей, опираю­щихся на неохлаждаемое стальное кольцо 6. К сводовому кольцу 4 приварен "нож" (кольцевая пластина) 3, входящий в песочный затвор при установке свода на печь.

Недостатками такой конструкции являются возникновение в больших по размерам секциях значительных термических напряжений, что может вызвать разрушение сварных швов, а также малая скорость воды, омывающей нижний лист коробча­тых секций, что может вызвать кипение воды в отдельных участках с выпадением накипи и к прогару здесь свода.

Подобные своды применяют на печах с невысокомощными трансформаторами. Расход воды составляет ~ 2,5 м³/ч на I м² поверхности, стойкость охлаждаемой части достигает 2000 плавок.

Трубчатый куполообразный свод (рис. 125, б) имеет водоохлаждаемый несущий каркас из верхнего 10 и нижнего 12 трубчатых кодец, соединенных изогнутыми трубами (ра­диальными балками) 11. Снизу к каркасу прикреплены труб­чатые водоохлаждаемые панели 13, на которые нанесен слой теплоизоляции 5 из огнеупорной массы, удерживаемой прива­ренными к панелям шлакодержателями. Одна из панелей вы­полнена с отверстием 8 для отвода печных газов. Централь­ная куполообразная часть 1 свода является съемной, она выложена из магнезитохромитовых кирпичей, удерживаемых водоохлаждаемым трубчатым опорным кольцом 9.

Расход воды на подобных сводах составляет 6—9 м³/ч на

1 м² поверхности; для свода 100-т печи в целом он равен - 400 м³/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.

Применение водоохлаждаемых сводов снизило расход сво­довых огнеупоров с 3—8 до 0,5-0,8 кг/т стали.

Помимо двух описанных практическое применение находят ряд других конструкций водоохлаждаемых сводов. На оте­чественных печах вместимостью до Ют иногда применяют цельносварные коробчатые плоские своды без огнеупорной вставки в их центре. На зарубежных заводах применяют вы­пуклые своды с центральной частью из огнеупоров и перифе­рийной из плоских коробчатых панелей, расположенных на­клонно с подъемом к центру. В этих панелях сделаны внут­ренние перегородки (схожие с показанными на рис. 24), заставляющие воду двигаться внутри панели по траектории змеевика, омывая всю нагреваемую поверхность панели. За рубежом начинают применять своды со спрейерным охлажде­нием. Такой свод имеет центральную огнеупорную часть и периферийную в виде полого коробчатого кольца куполо­образной формы. Внутри кольцевой коробки расположена сис-

тема форсунок, подающих разбрызгиваемую воду на всю ниж­нюю нагревающуюся поверхность кольца. Вода, стекающая тонким слоем по куполообразной поверхности, отводится из нижней части кольца. Преимущества такого свода по сравне­нию с трубчатым — значительно меньшие (в 1,5—2 раза) рас­ход воды и масса свода.