Дуговые сталеплавильные печи

Дуговые печи прямого действия применяют для выплав­ки преимущественно легированных сталей из металлолома с небольшими добавками твердого чугуна благодаря воз­можности создания и концентрации зоны высоких темпера­тур, управлению составом атмосферы, тщательной очистке металла от нежелательных примесей и малому угару леги­рующих элементов. Высокая стоимость легированных ста­лей и легирующих добавок оправдывает сравнительно боль­шой удельный расход электроэнергии, затрачиваемой на их производство в дуговых печах. Эти печи находят также применение в качестве основного агрегата на заводах с цик­лом прямого восстановления железной руды для переплава металлизованных окатышей.

Как отмечено, дуговые сталеплавильные печи потребля­ют значительное количество электроэнергии и, следователь­но, имеют большую мощность. Их выполняют трехфазными и оборудуют тремя электродами. Поскольку к электродам должен подводиться очень большой ток (например в печи емкостью 200 т ток достигает 87500 А), а в период расплав­ления шихты существует опасность коротких замыканий электродов с металлом, питание дуговых сталеплавильных печей осуществляется через индивидуальные понижающие трансформаторы.

В последние годы наблюдается тенденция к применению более мощных питающих трансформаторов, обеспечиваю­щих удельную мощность свыше 500 кВ×А/т (иногда до 800 кВ×А/т), что способствует стабилизации дуг, увеличению их диаметра и интенсификации теплообмена в печи. Это позволяет очень существенно сократить время плавки и по­высить производительность печей.

Питание производится обычно от сети переменного тока с напряжением 6000 – 10000 В через дроссель, представ­ляющий собой индуктивное сопротивление, обеспечивающее более равномерное горение дуги и уменьшающее «толчки» тока при коротких замыканиях. После разогрева печи и проплавления шихты (когда отсутствует опасность толчков тока) дроссель можно шунтировать. С помощью трансфор­матора напряжение сети снижается до 100 – 600 В. Для ре­гулирования мощности печи можно изменять напряжение во вторичной обмотке переключением схемы соединения первичной обмотки с треугольника на звезду и наоборот. Для этой цели трансформатор может иметь несколько сту­пеней напряжения на вторичной обмотке.

По участку электрической цепи от рторичной обмотки трансформатора до печи, называемому короткой сетью, про­текают токи большой силы. Для уменьшения потерь элек­трическое сопротивление короткой сети должно быть мини­мальным, что достигается возможно близким расположени­ем трансформатора к печи и использованием для проводки короткой сети медных шин большого сечения. Чтобы обес­печить перемещение электродов, небольшой участок корот­кой сети у печи выполняют из гибкого кабеля.

Общий вид дуговой сталеплавильной печи показан на рис. 148. Основой несущей конструкции печи служит двухсекторная люлька, на которой смонтированы кожух с фу­теровкой и консольный мост (портал) с механизмами пово­рота и подъема свода и вращения корпуса. Футеровка ра­бочего пространства печи выкладывается в кожухе, имеющем верхнюю цилиндрическую часть. Его нижняя часть выполняется в виде усеченного конуса, а днище — плоским или полусферическим. Кожух изготовляют из ли­стовой стали толщиной 12 – 30 мм и усиливают ребрами жесткости. Кожух небольших печей выполняют цилиндрической формы. В верхней части кожуха предусматривается кольцо жесткости. На кожухе закреплены водоохлаждаемая рама рабочего окна и желоб сливного носка. Крупные пе­чи имеют два окна.

Рабочее пространство закрывается съемным сводом, ко­торый выкладывают в кольцеобразном сводовом каркасе. В небольших печах емкостью до 5 т, используемых преимуще­ственно для получения стального фасонного литья и рабо­тающих с кислыми шлаками, футеровку выполняют обычно из динаса (кислой). Более крупные печи, применяемые для выплавки высококачественной стали, тщательно очищаемой от серы и фосфора с помощью основных шлаков, имеют ос­новную футеровку из магнезитовых огнеупоров. Кладку пода тех и других печей выполняют многослойной (несколь­ко рядов кирпичей, положенных на ребро), так как она должна обеспечить его механическую прочность при высокой температуре и малые тепловые потери. Рабочий слой футеровки пода толщиной 150 – 300 мм, соприкасающийся с расплавленным металлом, всегда делают набивным с тем, чтобы образовать ванну, непроницаемую для жидкого ме­талла. Набивные массы изготовляют соответственно из динасового или магнезитового порошков на каменноугольной смоле или жидком стекле. Для увеличения срока службы футеровки после каждой плавки проводят наварку пода и стен в кислых печах кварцевым песком, а в основных — маг­незитовым порошком. Стены печей с кислой футеровкой вы­кладывают из динасового кирпича, а с основной футеров­кой — из магнезитового кирпича или крупных набивных блоков, изготовленных в специальных формах из смеси магнезитового (50%) и доломитового (50%) порошков с каменноугольным пеком. Слой теплоизоляции стен и пода, состоящий из асбестового листа, диатомитового и шамотно­го кирпича, сравнительно невелик и достигает 115 мм.

Стойкость стен основных печей весьма невелика: 40 – 60 плавок при выкладке их из магнезитовых кирпичей, 80 – 100 из армированных (в железных кассетах) блоков и кир­пичей. В кислых печах, где кладка работает в более легких условиях, ее стойкость выше и стены служат до 200 плавок, своды до 300 – 400 плавок, а под свыше 1500 плавок.

Хорошо себя зарекомендовали водоохлаждаемые сводо­вые и стеновые панели (выше уровня шлака), устанавливае­мые вместо футеровки на печах со сверхмощными транс­форматорами. Они устраняют необходимость предохранять огнеупорную футеровку от перегрева и разрушения, что позволяет сократить время плавки. Пока еще не решен во­прос об оптимальной конструкции панелей (сварные, литые, из трубчатых элементов) и об использовании тепла охлаждающей воды. Несмотря на разработку в последние годы более стойких огнеупоров для футеровки электродуговых печей, технико-экономические преимущества водоохлаждаемых стеновых панелей и зачастую целых водоохлаждаемых сводов остаются неоспоримыми. Однако в настоящее вре­мя большое число дуговых печей имеют футерованный свод.

Свод не соприкасается непосредственно с металлом и шлаком, поэтому в печах с кислой и основной футеровками могут применяться своды из специального высококачествен­ного динасового кирпича. На основных печах кладка свода проводится преимущественно из термостойкого хромомаг-незитового и плавленого магнезитового кирпича. Стойкость динасового свода основных печей достигает 100 – 140 пла­вок, а свод из хромомагнезитового кирпича служит в 1,5 – 2 раза дольше благодаря тому, что попадающие на него брыз­ги шлака не оказывают разъедающего действия. Однако большая плотность и теплопроводность хромомагнезита (это вынуждает делать свод толще, чем динасовый) приводят к тому, что масса хромомагнезитового свода оказывается большой. На малых печах хромомагнезитовые своды иногда закрывают слоем теплоизоляции.

Известны успешные опыты выполнения свода дуговых печей из высокоглиноземистых огнеупоров.

Электроды проходят через отверстия в своде. Вертикаль­ное расположение электродов обеспечивает минимальные напряжения в них и облегчает их перемещение. От свойств электродов и качества их изготовления в значительной мере зависит работа печи. Электрические и тепловые потери в электродах должны быть невелики, электроды должны быть свободны от серы и золы, наличие которых может привести к загрязнению металла. Электроды должны обла­дать достаточной механической прочностью, чтобы не раз­рушаться и не науглероживать металл, и возможно более высокой температурой окисления на воздухе, так как от этого зависит их расход.

В дуговых печах обычно применяют графитированиые и угольные электроды, которые в наибольшей мере удовлет­воряют перечисленным требованиям. Для исключения по­терь дорогостоящих электродов с огарками в настоящее время применяют наращиваемые (свинчиваемые с помощью резьбовых штифтов-ниппелей) электроды, которые наращи­вают по мере их расходования. Диаметр электродов зави­сит от емкости печи. Так, на малых сталеплавильных печах емкостью 12 т диаметр электродов составляет 350 мм, а на печах емкостью 200 т — 710 мм.

Электроды удерживаются электрододержателями, с по­мощью которых к ним подводится ток. Благодаря эффек­тивным пружинно-гидравлическим зажимам Электрододер­жатели обеспечивают и возможность ослабления зажима для передвижения электродов. Электрододержатели изго­товляют либо из стали (без водяного охлаждения), либо водоохлаждаемыми из бронзы. Электрододержатели при­крепляют к кареткам или телескопическим стойкам с помощью механизмов подъема электродов. Для предохране­ния электродов от чрезмерного нагрева и окисления на воз­духе на своде печи установлены водоохлаждаемые кольца (охладители), уплотняющие места входа электродов в печь.

Для выпуска металла и скачивания шлака печь может поворачиваться вокруг горизонтальной оси при помощи ме­ханизма наклона, имеющего электрический или гидравли­ческий привод. Механизация загрузки шихты в дуговые сталеплавильные печи осуществляется с помощью специ­альной бадьи с секторным раскрываемым днищем через от­крывающийся верх рабочего пространства. Свод при этом поднимается специальным устройством и отводится в сто­рону.

Крупные печи оборудованы также устройством для вра­щения корпуса вокруг вертикальной оси и устройством для электромагнитного перемешивания жидкого металла в пе­чи. Для этого применяют двухфазные статоры, создающие переменное магнитное поле при питании их током низкой частоты. Статоры располагают в нижней части кожуха пе­чи. Днище кожуха выполняется при этом из немагнитной стали. Возникающие в жидком металле электродинамиче­ские усилия вызывают его принудительное перемешивание, что ускоряет процессы рафинирования стали и растворения в ней легирующих добавок. Применение в этих печах за­висимых (горящих между электродами и шихтой) дуг уско­ряет нагрев и расплавление металла, а также облегчает условия работы футеровки свода и стен благодаря экрани­рованию дуг электродами. При этом дуги находятся ближе к нагреваемому металлу, чем к футеровке, что и обеспечи­вает направленный теплообмен в его сторону.

Наибольшая мощность подводится обычно к печи в пе­риод расплавления металла, так как электроды в этот пе­риод погружены в шихту, горение дуг происходит внутри ее и футеровке печи не грозит перегрев. Углубления, образующиеся в шихте постепенно, по мере ее расплавления, пре­вращаются в «колодцы», внутрь которых погружены непре­рывно опускающиеся электроды (рис. 149). К моменту, когда они достигают самого низкого положения, на поду печи образуется расплавленный металл и дуги начинают гореть над ним. Шихта, окружающая колодцы, постепенно оплавляется и оседает, при этом уровень жидкого металла в ванне печи повышается и электроды начинают поднимать.

После образования колодцев в шихте свод и электроды поднимают и поворачивают корпус печи на некоторый угол. Затем проплавляют еще три колодца и снова корпус печи поворачивают в другую сторону и проплавляют оставшуюся твердую шихту. При таком способе плавки зона непосредст­венного воздействия электрических дуг значительно увели­чивается, что ускоряет процесс расплавления.

После полного расплавления шихты длина электриче­ских дуг увеличивается, сами дуги и поверхность ванны из­лучают значительную энергию на свод и стены печи. Поэтому для защиты футеровки подводимую к печи мощность снижают.

В последнее время для ускорения расплавления скрапа и снижения удельного расхода электроэнергии применяют газокислородные горелки. Горелки вводят внутрь печи че­рез отверстия в стене. Широкое распространение получила продувка ванны кислородом через водоохлаждаемую фур­му в период плавки, когда в жидкой ванне происходит окис­ление примесей. Фурму вводят в печь через отверстие в своде и устанавливают так, чтобы ее сопла находились на расстоянии 200 – 250 мм над уровнем шлака. При удельном расходе кислорода 5 – 10 м³/т потребление электроэнергии снижается на 10 – 15%, а производительность печи возра­стает на 5 – 10%. Стойкость фурм достигает 200 плавок.

Все современные дуговые сталеплавильные печи обору­дуются газоочистными устройствами, описанными в § 3, гл. VII.

Для выплавки стали используют печи емкостью от 12 до 200 т (табл. 21), причем применение крупных дуговых пе­чей обеспечивает более высокий к.п.д., меньший удельный расход электроэнергии и более высокую производительность.

При выполнении расчета дуговых сталеплавильных пе­чей определяют (по эмпирическим формулам) геометрию и размеры ванны и рабочего пространства исходя из задан­ной емкости, а также путем составления теплового (энергетического) баланса увязывают между собой производитель­ность печи и мощность трансформатора.