На слив шлака…………………………… 12 12 10

Продолжительность плавки в электропечах за последние 20…30 лет резко сократилась. С 60-х годов XX века в развитых странах Европы наиболее распространенной являлась емкость электропечей 60 т (при длительности плавки 180 мин), с 70-х – 100 т. В последующие годы в результате повышения удельной мощности печных трансформаторов с 350 до 500 кВА/т и применения кислорода для продувки металла длительность плавки сократилась на 30 мин за счет уменьшения периода плавления на 10 мин и периода рафинировки – на 20 мин.

В период 1965…1975 гг. наряду с дальнейшим увеличением удельной мощности печных трансформаторов с 500 до 600 кВА/т, началось интенсивное внедрение оборудования и устройств внеагрегатной обработки металла, в первую очередь – вакуумирование стали и продувка стали газами, что обеспечило существенное сокращение длительности плавки (еще на 30 мин, в основном, за счет расплавления).

До 1980 г. в практику электросталеплавильного производства были внедрены водоохлаждаемые стены и своды электропечей, газокислородные горелки, автоматизация подачи легирующих материалов и ферросплавов. Такие усовершенствования в конструкции печи и в целом электроплавки наряду с повышением удельной мощности печных трансформаторов с 600 до 700 кВА/т позволили сократить примерно на 30 мин продолжительность плавки (практически всех периодов) до 90 мин.

В последующем существенную роль в сокращении длительности плавки обеспечили новый способ внепечной обработки стали с дуговым подогревом (АКОСМ) и подогрев скрапа вне печи. После за счет расширения практики использования подогрева металлолома вне печи, АКОС и оснащения электропечей эксцентриковым донным выпуском удалось сократить длительность плавки в электропечи еще на 10 мин.

Лекция № 13. Особенности устройства сверхмощных дуговых печей. Футеровка. Конфигурация и размеры рабочего пространства. Печное электрооборудование. Электрододержатель. Трансформатор. Расчеты геометрических и электрических параметров дуговой печи. ТЭП.

Значительное повышение производительности и технико-экономических показателей работы дуговых электрических печей, а также увеличение количества свободного металлического лома вследствие интенсивного развития кислородно-конвертерного процесса вызвали рост мирового производства электростали. Современный рынок черных металлов с его высокой конкуренцией требует снижения энерго- и материалоемкости как определяющих условий повышения эффективности и конкурентоспособности производства.

Прогрессивным направлением развития электросталеплавильного производства является применение для плавки дуговых печей с мощными и сверхмощными трансформаторами. Применение таких трансформаторов, совершенствование конструкции дуговых печей, их электрического режима и технологии плавки, использование дополнительных источников тепла для подогрева и плавления шихты позволяют существенно повысить производительность печей и технико-экономические показатели производства.

В сочетании с внепечной обработкой стали это приводит как к повышению качества стали, так и к повышению конкурентоспособности.

Электроплавка - одна из разновидностей электротехнологии, развивалась в странах СНГ в прошедший период главным образом в связи с возрастающими потребностями в высококачественном металле, получение которого в других агрегатах было либо невозможно, либо неэкономично.

Основным видом оборудования электросталеплавильных и ферросплавных цехов являются электроплавильные печи. Они, как разновидность металлургических печей, представляют собой агрегаты, в которых в результате преобразования электрической энергии в тепловую происходит нагрев, плавление и целый ряд физико-химических превращений металлсодержащих материалов с целью извлечения и рафинирования металлов, а также получения сплавов заданного состава и необходимого качества.

Электросталеплавильные печи классифицируют по способу преобразования электрической энергии в тепловую и подвода тепла к нагреваемому объекту, то есть выплавляемому металлу:

Дуговые печи, в которых теплогенерация происходит в электрической дуге, горящей в газовой среде между электродом и металлом (печь прямого нагрева или печь с зависимой дугой), в атмосфере воздуха (дуговые сталеплавильные печи и ферросплавные рафинировочные печи), в разреженных парах переплавляемого металла (дуговые вакуумные печи), в струе плазмообразующего газа (плазменно-дуговые печи).

Печи сопротивления, в которых теплогенерация происходит по закону Джоуля - Ленца при протекании тока через нагреваемый объект (прямой нагрев) или через твердые и жидкие нагревательные элементы (косвенный нагрев): печи электрошлакового переплава.

Промежуточное положение в этой классификации занимают рудовосстановительные печи, являющиеся печами смешанного нагрева, в которых теплогенерация происходит двояко: в дуге, горящей под слоем шихтовых материалов, и при протекании тока через электропроводную шихту по закону Джоуля - Ленца.

Индукционные печи, в которых теплогенерация происходит при поглощении энергии переменного электромагнитного поля в расплавляемом металле (вакуумные и открытые индукционные печи), а также в электропроводной струе плазмообразующего газа в высоко-частотных плазменных установках.

Установки электронного нагрева, в которых теплогенерация происходит в результате преобразования кинетической энергии потока электронов, ускоренных в электрическом поле высокого напряжения.

Установки с применением оптических генераторов, предназначенные для высокотемпературного локального нагрева.

Из перечисленных выше электроплавильных установок в настоящее время широкое применение в черной металлургии для выплавки различных марок сталей и сплавов нашли дуговые сталеплавильные, рудовосстановительные и рафинировочные, открытые индукционные печи.

Дуговая сталеплавильная печь: профиль, геометрические параметры. Основным видом оборудования электросталеплавильных цехов являются дуговые сталеплавильные печи (ДСП). В этих печах высокая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью плавить и нагревать металл до высокой температуры. Имеются две основные разновидности дуговых сталеплавильных печей - печи прямого нагрева, обычно трехфазные, в которых дуги горят между электродами и расплавляемым металлом, и печи косвенного нагрева, в которых дуга горит между двумя электродами над поверхностью металла.

Наибольшее распространение получили дуговые печи прямого нагрева, применяемые для плавки конструкционных углеродистых, низколегированных, легированных и высоколегированных сталей.

По способу загрузки дуговые сталеплавильные печи разделяются на печи с боковой загрузкой через рабочее окно и печи с верхней загрузкой. Боковая загрузка может осуществляться вручную мульдами при помощи напольных или подвесных мульдозавалочных машин, а также краном с помощью загрузочных лотков. Верхняя загрузка осуществляется краном при помощи специальных загрузочных корзин с раскрывающимися днищами (бадьями).

Дуговые печи могут иметь основную или кислую футеровку. Металлургическая электросталь обычно выплавляется в ДСП с основной футеровкой. Наиболее характерным способом работы печи с основной футеровкой является плавка с окислением, в процессе которой производятся обезуглероживание и дефосфорация, затем раскисление и обессеривание, а при необходимости - легирование стали. Повышенные затраты на выплавку стали в печах с основной футеровкой компенсируются возможностью получения высококачественного металла при использовании дешевого металлолома.

В электропечах с кислой футеровкой выплавляется сталь для литья. Эти печи характеризуются повышенной производительностью и низкими издержками производства в результате высокой стойкости футеровки, выполняемой из более дешевых материалов. Недостатком печи с кислой футеровкой является невозможность существенного уменьшения содержания серы и фосфора в сравнении с исходной шихтой, ввиду чего приходиться ориентироваться на применение чистой по сере и фосфору шихты.

В практике электросталеплавильных цехов СНГ в настоящее время эксплуатируются (см. рис.13.1) трехэлектродные ДСП круглого сечения вместимостью до 200 т и мощностью трансформатора 60 мВА, введены в строй первые высокомощные 100-т печи с трансформатором 60 мВА (см. рис.4.2), а в перспективе создание 200-т печей мощностью 125 мВА, а также печей вместимостью более 200 т. За рубежом работают несколько ДСП вместимостью 360 и 720 т.

Основными параметрами дуговой сталеплавильной печи, работающей отдельными циклами, являются, как минимум, два параметра: - номинальная мощность преобразователя электроэнергии; - вместимость печи в виде количества металла, выплавляемого за одну плавку.

Основными эксплуатационными коэффициентами, позволяющими наилучшим образом оценить работу всей установки в целом и зависящим при данном технологическом процессе от технического совершенства данной ДСП, являются производительность (за единицу времени) и удельный (на единицу массы продукции) расход электрической энергии.

Определение размеров рабочего пространства и футеровки печи. Определение размеров печи производится для заданной номинальной вместимости печи (G_м). Основными электрическими параметрами ДСП являются размеры рабочего пространства печи, разновидности которой представлены на рис. 13.2., состоящего из двух частей (ванна, общий вид которой представлен на рис. 13.3., и свободное пространство). Обычно ванна – это пространство в которой размещается жидкий металл и шлак. Объем ванны должен быть с небольшим запасом на случай вспенивания шлака и барботажа металла в окислительный период, а также во избежания размыва основания футеровки стен металлом и шлаком.

Характеристика размеров ванны): D_м- диаметр зеркала жидкого металла; D_ш- диаметр на уровне зеркала шлака; D_п- диаметр на уровне порога завалочного окна; D_от - диаметр ванны на уровне откосов; Н_м- глубина ванны жидкого металла; Н_в- суммарная глубина ванны, включающая глубину жидкого металла (Н_м), толщину шлака (Н_ш), расстояние от зеркала шлака до уровня порога рабочего окна (Н_п) и от уровня порога до верхнего уровня откосов (Н_от).

Геометрический расчет печи начинается с определения диаметра ванны по зеркалу жидкого металла, для чего необходимо задаться формой ванны. Наиболее распространенным типом ванны трехфазной ДСП является сфероконическая ванна с углом между образующей и осью конуса, равным 45°.

Для такой ванны диаметр зеркала жидкого металла (D_м) мм определяется из соотношения

, (13.1.)

где V_м- объем жидкого металла, м³;

с - коэффициент, зависящий от отношения диаметра зеркала металла D_м к глубине ванны по металлу Н_м, то есть а = D_м / Н_м.

У большинства действующих дуговых печей значение D_м / Н_м:

а = 4,5...5,5, (13.2.)

причем нижний предел относится к печам меньшей вместимости, предназначенных для выплавки металла сравнительно простого сортамента, где не требуется проведения глубоких процессов рафинирования. Для печей средней и большой вместимости, где осуществляется сложная технология раскисления металла с применением диффузионных процессов на границе металл - шлак, следует придерживаться верхнего предела. В большегрузных печах, предназначенных в основном для выплавки рядовых углеродистых сталей с короткой рафинировкой, можно иметь отношение D_м/ Н_м, равное 5.

2. с кислой футеровкой

а = 3,5...4,5.(13.3)

Высота сферического сегмента Н_с обычно принимается равной 20% от общей глубины жидкого металла. Для этого случая коэффициент С определяется по формуле

С = 0,875 + 0,042 * а. (13.4)

Глубина ванны жидкого металла Н_м (мм)

Н_м = Dм / а, (13.5)

которая включает величины Н_с = 0,2 * Н_м (высота сферической части ванны) и Н_к = 0,8 * Н_м (высота конической части ванны жидкого металла).

При расчете объема ванны, занимаемого жидким металлом и шлаком принимают следующие значения плотности: для стали 7,0...7,2 т/м³ (обратная величина – удельный объем 0,139...0,143 м³/т),для основного шлака 3,0...3,2 т/м³(0,313...0,333 м³/т), для кислого шлака 2,9 т/м³ (0,345 м³/т).

1. по принятой массе шлака G_ш (т) по отношению к массе загружаемого в печь скрапа и удельного объема жидкого шлака n_ш (м³/т) или плотности r_ш (т/м³)

V_ш = n_ш * G_шили V_ш = G_ш / r_ш; (13.7)

2. по объему шлака V_ш (м³) по отношению к объему металла V_м (м³)

V_ш = (0,15 ... 0,20) * V_м, (13.8)

причем объем шлака составляет 20% объема металла в небольших печах и 15 ...17% - в крупных.

Высота слоя шлака Н_ш (мм) определяется из выражения

Н_ш = V_ш / (0,785 * D_м²). (13.9)

Диаметр зеркала шлака D_ш (мм)

D_ш = D_м + 2 * Н_ш . (13.10)

Уровень порога рабочего окна принимается на уровне зеркала шлака или несколько (на 20 ... 40 мм для печей всех емкостей) выше, тогда (мм)

D_п = D_ш + 2 * Н_п . (13.11)

Уровень откосов рекомендуется принимать для печей всех емкостей на 30 ... 70 мм выше уровня порога рабочего окна. Таким образом, диаметр ванны на уровне откосов D_от (мм), то есть диаметр плавильного пространства

D_от = D_п + 2 * Н = D_п..п. (13.12)

Полная глубина ванны Н_в (мм) включает следующие величины

Н_в = Н_м + Н_ш + Н_п + Н_от. (13.13)

Свободное пространство печи, включающее объем от поверхности ванны до внутренней поверхности свода. Оно характеризуется следующими размерами:

D_п..п - диаметр плавильного пространства на уровне откосов;

Н_п.п. – высота плавильного пространства (высота от уровня откосов до центра свода на внутренней его поверхности);

Н_ст. - высота стен от уровня откосов до пят свода.

Высоту плавильного пространства Н_п.п.. выбирают с учетом следующих соображений:

1. с увеличением Н_п.п возрастает внутренний объем печи, что позволяет загружать в печь большую массу металлического лома, улучшаются условия работы футеровки свода; наряду с этим увеличиваются: габаритные размеры, масса и стоимость печи, реактивное сопротивление электродов и опасность их поломки;

2. уменьшение Н_п.п приводит к соответствующему уменьшению внутреннего объема печи и некоторому ухудшению условий службы свода, но при этом снижается роль перечисленных выше недостатков.

Высота плавильного пространства Н_п.п составляет сумму двух величин:

1. расстояния от уровня откосов до пят свода (высота стен) Н_ст, которое для современных дуговых сталеплавильных печей принимается в следующих пределах:

2. для печей вместимостью 0,5...6т - (0,5...0,45) * D_п..п.,

H_стр. = (0,11 ... 0,15) * D_св(для основных огнеупоров). (13.16)

Для предварительных расчетов D_сврекомендуется принимать равным диаметру кожуха на уровне пола свода D_к.св..

Таким образом, полная высота плавильного пространства H_п.п.(мм)

H_п.п = H_ст+ H_стр. (13.17)

Исследованиями распределения мощности излучения электрических дуг различными методами установлены оптимальные пределы высоты свода H_п.п и высоты стенки H_ст. (по Никольскому):

H_п.п = (0,55...0,70) * D_п..п.,

H_ст = (0,40...0,55) * D_п..п. (для печей с основной футеровкой),

H_ст = (0,45...0,60) * D_п..п. (для печей с кислой футеровкой),

которые могут быть использованы как ориентировочные показатели для оценки полученных расчетным путем результатов.

На основании обобщения опыта эксплуатации печей на заводах качественной металлургии ближнего зарубежья и исходя из стандартных размеров длины огнеупорных кирпичей 300, 350, и 460 мм, принимаем следующие рекомендации (по Зейнурову) по толщине свода d_св (мм):

D_к.св. = D_от + 2 * [h₁ * tg a₁ + (h₂ - h₁) * tg a₂ + (h₃ - h₂) * tg a₃ + d“_ст] , (13.20)

где d`_ст и d“_ст - толщина боковой стенки соответственно на уровне откосов и пят свода.

Принимается кожух печи цилиндроконической формы и его размеры определяются после вычерчивания масштабного чертежа печи с учетом рекомендаций относительно угла вставки конической части кожуха a_к :

Коническая часть кожуха конструктивно должна начинаться от верхнего уровня откосов и составлять по высоте (мм):

h_к = (0,25...0,50) * Н_ст. (13.21)

Толщина стенки кожуха d_к дуговых сталеплавильных печей вместимостью от 6 до 200т и выше составляет около 1/200 диаметра кожуха на уровне откосов D_от. Для печей вместимостью 0,5...3т эта относительная толщина кожуха принимается равным 1/150...1/180.

Размер рабочего окна определяется размерами мульд загрузочной машины или других заправочных приспособлений, возможностью заправки через него подины и стен по всему периметру печи и наблюдения за их состоянием и состоянием свода.

Ширина рабочего окна М (мм) принимается равной

М = m * D_от, (13.22)

где m = 0,33 (для печей вместимостью до 10т), 0,3...0,26 (15...10т) и 0,25....0,22 (для крупных печей).

Высота рабочего окна Н (мм) = (0,65...0,7) * M. (13.23)

Стрела арки рабочего окна ΔН (мм)= (0,013...0,14) * М (13.24)

Весьма важным размером является диаметр распада электродов D_р.э.,величина которого определяется по следующей формуле, учитывающей размеры как диаметра электрода, так и диаметр плавильного пространства (мм):

D_р.э = n * D_от , (13.25)

где n - является функцией диаметра d_э:

Диаметр электродного отверстия на своде d_o (мм) должен быть больше диаметра электрода d_э во избежание заклинивания последнего, то есть

d_o = d_э + 2 * Δd. (13.26)

Зазор Δd = 0,01м при диаметре электрода 0,1...0,3м, 0,015м при d_э =0,3....0,5 и 0,03 при d_э > 0,5м. Эти цифры относятся к графитированным электродам, но для угольных они должны быть удвоены.

После выполнения расчетов этой части проекта, составляется чертеж общего вида печи. Его следует изобразить в масштабе с указанием всех расчетных размеров. При изображении разреза печи слои отдельных материалов следует выделять соответствующими условными обозначениями и указывать толщину слоев (см. рис. 13.4.).