§ 1. Устройство дуговых электропечей | Металлолом

Первая дуговая электропечь в России была установ­лена в 1910 г. на Обуховском заводе. За годы пятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость на­иболее крупной печи в СССР 200 т. Самые большие в мире электродуговые печи (400 т) работают в США.

На рис. 73 показана современная дуговая электро­печь вместимостью 200 т. Печь состоит из железного ко­жуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавиль­ное пространство печи закрывается съемным сводом. Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со слив­ным желобом. Питание печи осуществляется трехфаз­ным переменным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, го­рящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузкой печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем пор­тал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей.

Механическое оборудование дуговой печи

Кожух. Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из ли­стового железа толщиной 16—50 мм в зависимости от размеров печи. Форма кожуха определяет профиль ра­бочего пространства дуговой печи. Наиболее распростра­ненным в настоящее время является кожух цилиндро-

Рис. 73. Дуговая сталеплавильная 200-т печь:

/ — электрод; 2 — электрододержатель; 3 — свод; 4 — подвеска свода; 5 — сводовое кольцо; 6 — цилиндрический кожух; 7 — ра­бочая площадка; 8 — механизм наклона печи; 9— станина; 10— Люлька; 11 — сливной иосок; 12 — портал; 13 — гибкий токопро – вод; 14 — стойка электрододержателя; 15 — рукав электроцодер – жателя; 16 — трубошины токопровода

Конической формы (рис. 74). Нижняя часть кожуха име­ет форму цилиндра, верхняя часть — конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает за­правку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она дальше рас­положена от электрических дуг. Используют также ко­жухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми па­нелями. Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жестко­сти. Днище кожуха обычно выполняется сферическим,

Что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и мини­мальную массу кладки. Дни­ще выполняют из немагнит­ной стали для установки под печью электромагнитного пе­ремешивающего устройства.

Свод. Сверху печь закры­та сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлажда – емом сводовом кольце, ко­торое выдерживает распираю­щие усилия арочного сферического свода. В нижней ча­сти кольца имеется выступ — нож, который входит в пес­чаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют три отверстия для электродов. Диаметр от­верстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые раз­рушают электрод и выносят тепло из печи. Для предот­вращения этого на своде устанавливают холодильники или экономайзеры, служащие для уплотнения электрод­ных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газоди­намические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы.

Рабочее окно. Для загрузки шихты в печи небольшой емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные печи, скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой ра­мой. К раме крепятся направляющие, по которым сколь­зит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпи­чом. Для подъема заслонки используют пневматический, гидравлический или электромеханический привод.

Рис. 74. Цилиндро-конический кожух дуговой сталеплавильной печи

С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диа­метром 120—150 мм или квадратным 150X250 мм. Слив­ной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к горизонтали. Изнутри же­лоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составля­ет 1—2 м.

Электрододержатели служат для подвода тока к элек­тродам и для зажима электродов. Головки электрододер – жателей делают из бронзы или стали и охлаждают во­дой, так как они сильно нагреваются как теплом из пе­чи, так и контактными токами. Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-пневматический электрододержатель (рис. 75). Зажим электрода осуще­ствляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. От – жатие плиты от электрода и сжатие пружины происхо­дят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве — консоли, который скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну же­сткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую кон­струкцию, которая покоится на платформе опорной люль­ки печи. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противо­весов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств. Механизмы пере­мещения электродов должны обеспечить быстрый подъ­ем электродов в случае обвала шихты в процессе плав­ления, а также плавное опускание электродов во избе­жание их погружения в металл или ударов о нераспла – вившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0 м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин.

Механизм наклона печи должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° для выпуска стали и на угол 10—15° в сторону рабочего окна для спуска шлака. Схема механизма наклона пред­ставлена на рис. 76. Станина печи, или люлька, на кото­рой установлен корпус, опирается на два — четыре опор­ных сектора, которые перекатываются по горизонталь­ным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих — зубцы, при помощи которых предот­вращается проскальзывание секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубча­того механизма или гидравлическим приводом. Два ци­линдра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люль­ки печи.

Система загрузки печи бывает двух видов: через за­валочное окно мульдозавалочной машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах.

Рис. 75. Механизм перемещения электродов (а); пружин – но-пневматическнй электрододержатель (б):

/ — электрод; 2— хомут; 3—рукав электрододержателя; 4 — каретка; 5 — стойка; 6 — противовес; 7 — двигатель механизма перемещения электрода; 8 — пневмоцилиндр; 9 — трубошины; 10 — пружина; 11 — башмак электродо­держателя; 12 — тяга

При загрузке печи сверху в один-два приема в тече­ние мин меньше охлаждается футеровка, сокраща­ется время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки пе­чи свод приподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полно­

Стью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен к раме. Она соеди­нена с неподвижными стойками электрододержателей в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой со­средоточены все механизмы отворота свода. Башня вра­щается вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего простран­ства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольца тро­сом. Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимается краном и опус­кается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при

Подъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вывали­вается в печь в том порядке, в каком она была уложе­на в бадье. Схема бадьи приведена на рис. 77.

При использовании в качестве шихты металлизован – ных окатышей загрузка может производиться непрерыв­но по трубопроводу, который проходит в отверстие в сво­де печи.

Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий ме­талл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол в 80°. При этом элек­троды прорезают в шихте уже девять колодцев. Для по­ворота корпуса приподнимают свод, поднимают электро­ды выше уровня шихты и поворачивают корпус при по­мощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики.

Очистка отходящих газов

Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в атмосферу большое коли­чество запыленных газов. Применение кислорода и по­рошкообразных материалов еще более способствует это­му. Содержание пыли в газах электродуговых печей достигает 10 г/м3 и значительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газой из рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор, позволяющий накло­нять или вращать печь, подходит к стационарному тру­бопроводу. По пути газы разбавляются воздухом, необ­ходимым для дожигания СО. Затем газы охлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляют­ся в систему труб Вентури, в которых пыль задержива­ется в результате увлажнения. Применяют также тка­невые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры. Ис­пользуют системы газоочистки, включающие полностью весь электросталеплавильный цех, с установкой зонтов дымоотсоса под крышей цеха над электропечами.

Футеровка печей

Большинство дуговых печей имеет основную футеров­ку, состоящую из материалов на основе MgO. Футеров­ка печи создает ванну для металла и играет роль теп­лоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла. Oc – новные части футеровки — подина печи, стены, свод. Общий вид футеровки 100-т печи показан на рис. 78. Температура в зоне электрических дуг достигает несколь­ких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отде­лена от дуг, она все же должна выдерживать нагрев до температуры HOO0C. В связи с этим применяемые для

Ф7040

Рис. 78. Схема футеровки 100-т электропечи:

/ — металлический кожух; 2 — листовой асбест; 3 — слой шамотиого порошка; 4 — шамотный кирпич; 5 — магнезитовый кирпич; 6—магнезитовый порошок; 7 —кольцевой рельс; 8 — заслонка; 9 — рама рабочего окна; 10 — уплотняю­щее кольцо; U — песочный затвор; 12 — магнезитохромитовый кирпич; 13—Мо­лотый асбест

Футеровки материалы должны обладать высокой огне­упорностью, механической прочностью, термо – и химиче­ской устойчивостью. Подину сталеплавильной печи на­бирают в следующем порядке. На стальной кожух укла­дывают листовой асбест, на асбест — слой шамотного порошка, два слоя шамотного кирпича и основной слой из магнезитового кирпича. На магнезитовой кирпичной подине набивают рабочий слой из магнезитового порош­ка со смолой и пеком — продуктом нефтепереработки. Толщина набивного слоя составляет 200 мм. Общая толщина подины равна примерно глубине ванны и мо­жет достигать 1 м для крупных печей. Стены печи вы­кладывают после соответствующей прокладки асбеста и шамотного кирпича из крупноразмерного безобжигового магнезитохромитового кирпича длиной до 430 мм.

Кладка стен может выполняться из кирпичей в же­лезных кассетах, которые обеспечивают сваривание кир­пичей в один монолитный блок. Стойкость стен достига­ет 100—150 плавок. Стойкость подины составляет один – два года. В трудных условиях работает футеровка сво­да печи. Она выдерживает большие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла, отражаемого шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кир­пича. При наборе свода используют нормальный и фа­сонный кирпич. В поперечном сечении свод имеет форму арки, что обеспечивает плотное сцепление кирпичей ме­жду собой. Стойкость свода составляет 50—100 плавок. Она зависит от электрического режима плавки, от дли­тельности пребывания в печи жидкого металла, состава выплавляемых стали, шлака. В настоящее время широ­кое распространение получают водоохлаждаемые своды и стеновые панели. Эти элементы облегчают службу фу­теровки.

V

Электроды, электрическая дуга

Ток в плавильное пространство печи подается через электроды, собранные из секций, каждая из которых представляет собой круглую заготовку диаметром от 100 до 610 мм и длиной до 1500 мм. В малых электропе­чах используют угольные электроды, в крупных — графи – тированные. Графитированные электроды изготавливают из малозольных углеродистых материалов: нефтяного кокса, смолы, пека. Электродную массу смешивают и прессуют, после чего сырая заготовка обжигается в га­зовых печах при 1300 °С и подвергается дополнительно­му графитирующему обжигу при температуре 2600— 2800 0C в электрических печах сопротивления. В процес­се эксплуатации в результате окисления печными газами и распыления при горении дуги электроды сгорают. По мере укорачивания электрод опускают в печь. При этом электрододержатель приближается к своду. Наступает момент, когда электрод становится настолько коротким, что не может поддерживать дугу, и его необходимо на­ращивать. Для наращивания электродов в концах сек­ций сделаны отверстия с резьбой, куда ввинчивается переходник-ниппель, при помощи которого соединяются отдельные секции. Расход электродов составляет 5—9 кг на тонну выплавляемой стали.

Электрическая дуга — один из видов электрического разряда, при котором ток проходит через ионизирован­ные газы, пары металлов. При кратковременном сбли­жении электродов с шихтой или друг с другом возника­ет короткое замыкание. Идет ток большой силы. Концы электродов раскаляются добела. При раздвигании элек­тродов между ними возникает электрическая дуга. С рас­каленного катода происходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые, направляясь к аноду, сталкивают­ся с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. Отрицательные ионы направляются к аноду, положи­тельные к катоду. Пространство между анодом и като­дом становится ионизированным, токопроводящим. Бом­бардировка анода электронами и ионами вызывает сильный его разогрев. Температура анода может дости­гать 4000 °С. Дуга может гореть на постоянном и на пе­ременном токе. Электродуговые печи работают на пере­менном токе. В последнее время в ФРГ построена элек­тродуговая печь на постоянном токе.

В первую половину периода, когда катодом является электрод, дуга горит. При перемене полярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет, так как в начальный период плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга горит неспо­койно, прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака, дуга стабилизируется и горит более ровно.

Электрооборудование

Рабочее напряжение электродуговых печей составля­ет 100—800 В, а сила тока измеряется десятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может достигать 50—140 MB-А. К подстанции электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110 кВ. Высоким на­пряжением питаются первичные обмотки печных транс­форматоров. На рис. 79 показана упрощенная схема электрического питания печи. В электрическое оборудо­вание дуговой печи входят следующие приборы:

177

1. Воздушный разъединитель, предназначен для от­ключения всей электропечной установки от линии высо­кого напряжения во время производства ремонтных ра­бот на печи.

12—398

2. Главный автоматический выключатель, служит для отключения под нагрузкой электрической цепи, по кото­рой протекает ток высокого напряжения. При неплотной укладке шихты в печи в начале плавки, когда шихта еще холодная, дуги горят неустойчиво, происходят обва­лы шихты и возникают ко­роткие замыкания между электродами. При этом си­ла тока резко возрастает. Это приводит к большим перегрузкам трансформа­тора, который может выйти из строя. Когда сила тока превысит установленный предел, выключатель авто­матически отключает уста­новку, для чего имеется ре­ле максимальной силы то­ка.

3. Печной трансформа­тор необходим для преоб­разования высокого напря­жения в низкое (с 6—10 кВ до 100—800 В). Обмотки высокого и низкого напря­жения и магнитопроводы, на которых они помещены, располагаются в баке с

I^rgjlj

Рис. 79. Схема электропитания дуговой печи:

1 — высоковольтный кабель; 2 — разъ­единитель; 3 — главный выключатель; 4 — трансформатор тока; 5 — транс­форматор напряжения; 6 — защитные реле, измерительные приборы; 7—дрос­сель; 8 — шунтирующий выключатель; 9 — переключатель ступеней напряже­ния; 10 — печной трансформатор; U— регулятор; 12 — электроды; 13 — ме­талл

Маслом, служащим для охлаждения обмоток. Ох­лаждение создается принудительным перекачива­нием масла из трансформаторного кожуха в бак теплообменника, в котором масло охлаждается водой. Трансформатор устанавливают рядом с электропечью в специальном помещении. Он имеет устройство, позво­ляющее переключать обмотки по ступеням и таким об­разом ступенчато регулировать подаваемое в печь на­пряжение. Так, например, трансформатор для 200-т оте­чественной печи мощностью 65 MB-A имеет 23 ступени

Рис. 80. Схема короткой сети электродуговой печи:

1 — электроды; 2 — жесткие трубошииы; 3 — гибкие электро­подводы; 4 — фидер; 5 — печной трансформатор

. напряжения, которые переключаются под нагрузкой, без отключения печи. На рис. 80 представлена схема пода­чи электроэнергии к дуговой печи.

12*

179

Участок электрической сети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие из стены трансформаторной подстанции фидеры при помо­щи гибких, водоохлаждаемых кабелей подают напряже­ние на электрододержатель. Длина гибкого участка дол­жна позволять производить нужный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединя­ются с медными водоохлаждаемыми шинами, установ­ленными на рукавах электрододержателей. Трубошины непосредственно присоединены к головке электрододер – жателя, зажимающей электрод. Помимо указанных ос­новных узлов электрической сети в нее входит различ­ная измерительная аппаратура, подсоединяемая к ли­ниям тока через трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процес­са плавки.

Автоматическое регулирование

По ходу плавки в электродуговую печь требуется по­давать различное количество энергии. Менять подачу мощности можно изменением напряжения или силы то­ка дуги. Регулирование напряжения производится пере­ключением обмоток трансформатора. Регулирование силы тока осуществляется изменением расстояния меж­ду электродом и шихтой путем подъема или опускания электродов. При этом напряжение дуги не изменяется. Опускание или подъем электродов производятся автома­тически при помощи автоматических регуляторов, уста­новленных на каждой фазе печи. В современных печах заданная программа электрического режима может быть установлена на весь период плавки.

Устройство для электромагнитного перемешивания металла

Для перемешивания металла в крупных дуговых пе­чах, для ускорения и облегчения проведения технологи­ческих операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, кото­рая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низ­кой частоты, что создает бегущее магнитное поле, кото­рое захватывает ванну жидкого металла и вызывает дви­жение нижних слоев металла вдоль подины печи в на­правлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можно направить движение ли­бо в сторону рабочего окна, что будет облегчать выход шлака из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствовать равномерному распределению легирующих и раскислителей и усреднению состава ме­талла и его температуры. Этот метод в последнее время «имеет ограниченное применение, так как в сверхмощных печах металл активно перемешивается дугами.

¦§ 2. Плавка стали в основной дуговой электропечи

Сырые материалы

Основным материалом для электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильно окисленным, так как наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество водо­рода. В зависимости от химического состава лом необходимо рассор­тировать на соответствующие группы. Основное количество лома, предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компакт­ным и тяжеловесным. При малой насыпной массе лома вся порция для плавки не помещается в печь. Приходится прерывать процесс плавки и подгружать шихту. Это увеличивает продолжительность плавки, приводит к повышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей. В последнее время в электропечах используют металлизованные окатыши, полученные методом прямого восстановления. Достоинством этого вида сырья, содержащего 85— 93 % железа, является то, что оно не загрязнено медью н другими примесями. Окатыши целесообразно применять для выплавки высо­копрочных конструкционных легированных сталей, электротехниче­ских, шарикоподшипниковых сталей.

Легированные отходы образуются в электросталеплавильном це­хе в виде недолитых слитков, лнтннков; в обдирочном отделении в виде стружки, в прокатных цехах в виде обрези и брака и т. д.; кро­ме того много легированного лома поступает от машиностроитель­ных заводов. Использование легированных металлоотходов позволя­ет экономить ценные легирующие, повышает экономическую эффек­тивность электроплавок.

Мягкое железо специально выплавляют в мартеновских печах и конвертерах н применяют для регулирования содержания углерода в процессе электроплавки. В железе содержится 0,01—0,15 % С и

Scroll to Top