Дуговые печи для производства ферросплавов

Возможность создания и концентрации зоны высоких тем­ператур при контролируемом составе атмосферы в полной мере используется в печах для производства ферросплавов, обладающих высокой температурой плавления. Этот фактор обусловливает применение в ферросплавной промышленно­сти дуговых печей прямого действия, в которых зона мак­симальных температур дуги находится в непосредственной близости к шихте. Дуговые ферросплавные печи бывают восстановительными и рафинировочными.

В восстановительных печах, как правило, осуществля­ется непрерывный процесс с использованием углерода в ка­честве восстановителя. Электроды в этих печах постоянно погружены в твердую шихту, которую добавляют в печь по мере.ее расплавления, а получаемый сплав и шлак периоди­чески выпускаются. В этих печах выплавляют ферросили­ций, углеродистые феррохром и ферромарганец, силикокальций, силикохром, силикомарганец. Поскольку процессы вос­становления в этих печах являются эндотермическими, они требуют подвода большой мощности н оснащаются трансформаторами мощностью до 60 МВА. Удельный расход электроэнергии составляет 11 – 36 МДж/кг (3 – 10 кВт×ч/кг).

В рафинировочных печах периодического действия осу­ществляют полное расплавление всей загружаемой шихты вплоть до получения полностью жидкой ванны на ее поду. Только в начале плавки электроды погружены в шихту, а затем дуги горят между электродами и поверхностью жид­кой ванны. По окончании плавки выпускают из печи весь шлак и металл. Процесс в рафинировочных печах также имеет восстановительный характер, но в качестве восстано­вителя используются сплавы, содержащие кремний или алю­миний. В таких печах выплавляют безуглеродистые и среднеуглеродистые феррохром, ферромарганец, феррованадий, ферровольфрам и другие сплавы. Экзотермический характер восстановительных процессов при использовании для этой цели алюминия и кремния обусловливает возможность под­вода сравнительно небольшой мощности к этим печам и они обычно имеют трансформаторы мощностью до 6 МВА. Удельный расход электроэнергии в рафинировочных печах существенно ниже, чем в восстановительных.

В восстановительных ферросплавных печах применяют футеровку из углеродистых огнеупоров. При рафинирующей плавке малоуглеродистых ферросплавов требуется исклю­чить контакт расплава с углеродистой кладкой. В этих слу­чаях применяют печи с футеровкой и набивкой сравнитель­но тонкого рабочего слоя из магнезита, укладываемого на углеродистые блоки.

При производстве ферросплавов с очень высокой темпе­ратурой плавления (например, ферровольфрама) получае­мый материал удается расплавить и поддерживать в жид­ком состоянии без существенного перегрева только в небольшой зоне наиболее интенсивной геплогенерации дуги. Выпустить этот расплав из печи не удастся и тогда процесс ведут вплоть до заполнения всей рабочей камеры наплавля­емым слой за слоем продуктом; после этого печь останав­ливают, остужают и извлекают из нее затвердевший блок ферросплава. Такой периодический процесс значительно уступает процессам плавки, ведущимся с выпуском готово­го продукта, по всем технико-экономическим показателям, и его применяют только в случае невозможности осущест­вления выпуска расплавленного ферросплава из печи.

При выплавке ферросплавов обычно выделяется значи­тельное количество запыленных газов, состоящих преимуще­ственно из СО и имеющих теплоту сгорания примерно 11750 кДж/м³. Эти газы необходимо удалять, подвергая очистке от пыли и использовать в качестве топлива. Для этой цели применяют закрытые печи.

Однако иногда используются и печи с открытым вер­хом, через который загружается большое количество ших­ты, а уходящие газы дожигаются на колошнике до СО₂. Условия работы электрододержателейитокоподводов, омываемых раскаленными уходящими газами, на этих печах очень тяжелы, а энергетический потенциал дожигаемого на колошнике оксида углерода, безвозвратно теряется. Систе­мы газоочистки дуговых ферросплавных печей описаны в гл. VII, §4.

Для того, чтобы уяснить принцип устройства и основные конструктивные элементы восстановительной дуговой фер­росплавной печи непрерывного действия, рассмотрим типо­вую закрытую печь типа РКЗ – 16,5 (мощностью 16,5 МВА), показанную на рис. 147. Печь имеет круглую рабочую ка­меру (ванну), футеровка которой выложена в сварном кожухе из листовой стали 10 – 15 мм, усиленном ребрами жесткости. Подовый лист кожуха уложен на двутавровые балки, опирающиеся на круглую (в плане) железобетонную опорную плиту. Плита может вращаться вокруг своей оси благодаря ее установке на колесах, движущихся по коль­цевому рельсу. Плита центрируется с помощью стальной осевой цапфы, а ее привод осуществляется от электродвига­теля постоянного тока через редуктор, передающий враще­ние на стальной зубчатый венец, заложенный в опорную плиту. Печь делает один оборот за время от 33 до 132 ч; скорость вращения может регулироваться. Вращение ванны способствует равномерной работе печи, повышает ее произ­водительность и снижает расход электроэнергии.

Футеровка рабочего слоя пода и нижней части стен ванны выполняется из углеродистых блоков, укладываемых на кладку из нескольких слоев шамотного кирпича. Между кожухом и шамотной кладкой помещают теплоизоляцион­ный слой из асбеста и шамотной крошки. Поскольку футе­ровка верхней части стен закрыта толстым слоем шихты от излучения электрических дуг, ее выполняют сравнительно тонкой из шамота (порядка 300 мм).

Под печи, подвергающийся активному воздействию вы­сокотемпературного расплава, делают толстым, выкладывая его из 4 – 5 рядов шамотного кирпича с рабочим слоем из 2 – 3 рядов углеродистых блоков, уложенных с перевязкой швов, забиваемых электродной массой. Леточное отверстие также футеруют слоем шамота и углеродистым блоком с выточенным в нем желобом. Футеровка рабочей камеры, ра­ботающая в очень тяжелых условиях, должна быть надеж­ной, так как межремонтный срок ее службы составляет не менее года. Большая толщина футеровки пода обеспечивает большую тепловую инерцию и аккумулированное кладкой тепло способствует стабилизации температурного режима работы печи.

Во время работы на поду и нижней части стен печи об­разуется так называемый гарнисаж, т.е. затвердевший слой расплава.

Свод печи выполнен из отдельных секций, каждая из ко­торых представляет собой водоохлаждаемый кессон из не­ржавеющей стали. Рабочая сторона свода пркрыта слоем жароупорного бетона. В своде имеются отверстия для про­хода электродов с примыкающими к ним отверстиями, через которые поступает шихта из загрузочных воронок. Загру­зочные отверстия расположены в своде так, чтобы шихтовые материалы, поступающие в печь из воронок, распределялись бы как можно равномернее в непосредственной близости от электродов. В загрузочные воронки шихта попадает из бун­кера через дозирующие устройства и питатели, расположен­ные над печью. В своде предусмотрен также патрубок для отвода уходящих газов в систему очистки их от пыли (на рис. 147 не показан). В своде печи установлены также взрывные клапаны и имеются отверстия для термопар, а отдельные секции свода и загрузочные воронки электриче­ски изолированы друг от друга. Свод оборудован гидрав­лическим механизмом подъема, позволяющим в случае по­ломки электродов или других нарушений работы печи быст­ро его поднять.

Поскольку газы, образующиеся при восстановительной плавке, состоят в основном из СО, то закрытые печи взры­воопасны и в них следует поддерживать небольшое избыточ­ное давление во избежание подсосов окружающего воздуха в рабочую камеру и образования в ней гремучей смеси.

В печи применяют набивные самоспекающнеся электро­ды диаметром 1200 мм. Они представляют собой цилиндри­ческий кожух из листовой стали толщиной 1,5 – 2 мм, за­полняемый по мере расходования электродной массой, которая спекается в нем благодаря теплу, отводимому через электрод из зоны высоких температур. В состав массы вхо­дит термоантрацит, графитовая стружка или кокс и смолопек. Подвод тока к электродам осуществляется через кон­тактные щеки электрододержателя с гидравлической при­жимающей системой. Электроды удерживаются и опуска­ются по мере их расходования с помощью удерживающего и тормозного механизма с гидравлическими цилиндрами, расположенными в верхней части электродов. Когда элек­трод опускается, сверху к железному кожуху приваривают новую секцию, которую заполняют затем электродной мас­сой. Для осуществления всех этих операций предусмотрена специальная рабочая площадка над печью.

Ток к каждому из электродов подводится от индивиду­ального однофазного трансформатора со вторичным напря­жением, изменяющимся со 130 до 210 В. Общая мощность печи РКЗ – 16,5 составляет 16,5 МВА; максимальный ток в каждом электроде достигает 59000А. Ток от вторичной об­мотки трансформаторов подводится к электродам с помо­щью массивных (иногда частично водо-охлаждаемых) мед­ных шин и бронзовых или медных водоохлаждаемых контактных щек. Участок гибких кабелей, необходимых для обеспечения перемещения электродов, стремятся сделать как можно короче.

Всесоюзным научно-исследовательским институтом элек­тротермического оборудования (ВНИИЭТО) разработан ряд закрытых и открытых ферросплавных печей для осуще­ствления восстановительных процессов. Крупные закрытые печи типа РПЗ – 48 и РПЗ – 72 имеют ванну прямоугольной формы с электродами, расположенными в один ряд, а печи меньшей мощности — круглую ванну с вертикальными элек­тродами, установленными в вершинах равностороннего треугольника (закрытые печи типа РКЗ – 10,5, РКЗ – 24 и РКЗ – 33, подобные описанной выше печи РКЗ – 16,5, а также открытые печи типа РКО – 10,5 и РКО – 16,5, отличающиеся в основном способом загрузки через открытый верх печи и удалением уходящих газов под вытяжной зонт).

Рафинирующая плавка малоуглеродистых ферросплавов осуществляется в печах сравнительно небольшой емкости и мощности типа РКО – 2,5 и РКО – 3,5. Мощность этих печей составляет соответственно 2,5 и 3,5 МВ×А, они имеют круглую в плане ванну с магнезитовой футеровкой и выполня­ются открытыми с загрузкой из бункеров по трубам. Эти печи выполняются наклоняющимися для выпуска металла; ванна имеет механизм вращения вокруг вертикальной оси, позволяющий поворачивать ее со скоростью до 3 – 5 об/ч. Для уменьшения загрязнения металла углеродом на этих печах используются графитированные электроды; конструк­ция электрододержателей, токоподводов и системы питания имеет много общего с описываемыми ниже элементами кон­струкций дуговых сталеплавильных печей.