7. Выбор и определение основных параметров дсп тема № 5

Основной энергетической проблемой современных ДСП является выявление резервов для повышения их электрической мощности, т.к. тепловоспринимающая способность футеровки используется не полностью.

С точки зрения теплообменных процессов рациональные размеры рабочего пространства печи и рациональное размещение в нем источников нагрева должны обеспечивать:

1) наиболее благоприятное для проведения технологических процессов распределение мощности излучения дуг и тепловых потоков между футеровкой и поверхностью ванны при обеспечении максимальной передачи тепла металлу и исключении перегрева кладки;

2) наиболее благоприятные условия нагрева металла по всему объему ванны при минимальном перепаде температур по глубине;

3) максимально возможную равномерность интенсивности облучения стен как по высоте, так и по периметру печи;

4) наименьшую мощность тепловых потерь.

Для определения геометрических параметров ванны печи необходимо знать особенности тепловой работы печи. 90% всей излучаемой на ванну мощности дуги приходится на пятно дугиF_г на поверхности расплава под электродами: F_г=π(d_э+4ℓ_д)². На поверхности пятна температура шлака и металла намного выше средней температуры поверхности ванны и футеровки стен и свода, поэтому пятно переизлучает на кладку часть тепла, поступающего на него от дуг.

Ванна нагревается излучением по всей поверхности от кладки и от столбов дуг. Шлак, перегретый в горячих зонах под электродами, передает тепло к остальному шлаку теплопроводностью и конвекцией. Эти же виды теплообмена преобладают в передаче тепла от шлака к металлу. Причем этот процесс усиливается с увеличением перемешивания металла. Перемешивание металла усиливается:

- с увеличением электродинамического воздействия дуг на металл при увеличении силы тока I_д;

- в окислительный период при «кипении» ванны;

- при использовании электромагнитного перемешивания металла в конце периода расплавления.

В целом нагрев жидкого металла в ванне ДСП зависит от мощности дуг Р_д и их расположения относительно поверхности ванны, которые определяются длиной дуги ℓ_д ( напряжением U_д) и погружением дуги в расплав под воздействием электромагнитных сил, зависящих от тока дуги I_д.

Изучение распределения температур по объему и глубине жидкой ванны методом электротепловой аналогии показало, что глубину ванны следует выбирать при d_м/h_м=5,0…5,5 (d_м – диаметр ванны по поверхности металла, h_м – глубина металла в ванне). При таких соотношениях с теплотехнической точки зрения будет обеспечено и сравнительно равномерное облучение поверхности ванны (d_м) от дуг и кладки печи, и равномерный прогрев металла в объеме ванны (h_м).

Основные параметры рабочего пространства

Рис. 5: D_в= d_м – диаметр ванны по поверхности металла;

h_в= h_м – глубина металла в ванне

Форма и кладка рабочего пространства печи

Рис.6: 1 - асбест, 2 - порошок, 9 – шамот, 11 – огнеупорный кирпич, 12 – набивка.

При конструировании дуговых электрических печей чаще всего принимают во внимание требования технологии плавления, строительства и ремонта отдельных элементов печи и условий теплообмена в рабочем пространстве.

Объем ванны до откосов включает объемы металла V_м, шлака V_ш и дополнительный V_д, т.е. V₀=V_м+V_ш+V_д.

V_м=М/ρ_м (емкость печи на плотность жидкого металла).

Объем шлака составляет 20% объема металла в небольших печах и 15-17% в крупных, т.е. V_ш=(0,15…0,2)*V_м.

Дополнительный объем обычно принимают 10-15% от V_м.

Ванна круглой печи обычно представляет собой усеченный конус с шаровым сегментом (рис.6), с углом наклона образующей конуса β=45^о. Высота ванны h состоит из высоты конусной части h₁=0,8h и высоты сегмента h_c=0,2h.

Падающий тепловой поток от дуг на поверхность футеровки стен можно рассчитать как функцию распределения:

₃

q={Σ Р_iд* (1-К cosβ_i)/(1+К²-2Кcosβ_i+[ (Н-ℓ’_д)/x ]²)^3/2}/4πх²,

ⁱ⁼¹

где Р_iд – мощность соответствующей дуги, кВт;

Н – текущая высота стен печи, м;

ℓ’’_д – половина высоты дуги, м;

К=d_р/d_м – коэффициент, учитывающий размещение электродов;

d_р – диаметр распада электродов (окружность, на которой расположены оси электродов), м;

d_м – диаметр ванны на уровне поверхности металла, м;

cosβ_i – направляющий косинус для соответствующей дуги.

Установлено, что для 200-т ДСП в различные периоды плавки излучение от дуг составляет 65…128 кВт/м² и суммарное излучение кладки и поверхности ванны – 100…370 кВт/м².

Изменять распределение теплового потока от дуги между ванной и футеровкой и регулировать температуру кладки стен и свода можно подъемом или опусканием электродов.

Минимальную высоту сводового пространства печи h_св определяют, исходя из необходимости разместить в объеме ванны и этом пространстве всю твердую завалку в один прием. При плотности шихты 1,5-1,6 т/м³, объем завалки примерно в 5 раз превосходит объем жидкого металла, а при скрапе с объемной массой 1 т/м³ объем свободного пространства должен быть еще большим.

В отечественных ДСП: h_св/d₀=0,6…0,5 для малых печей;

h_св/d₀=0,45…0,38 для крупных.

(h_св/d₀ = высота свода/диаметр ванны на уровне откосов).

С учетом процессов теплообмена, рациональными были бы стены сводового пространства наклоненные внутрь печи. Однако в этом случае нельзя было бы вести загрузку шихты сверху и невозможно было бы заправлять разрушившиеся боковые стены. Поэтому стены наклоняют наружу на угол 25^о по отношению к вертикали. В этом случае увеличивается стойкость огнеупоров кладки, т.к. по высоте стен увеличивается расстояние от дуг и уменьшается плотность теплового потока на верхний пояс. Это позволяет также выполнять кладку верхней части стен тоньше.

Стрелу выпуклости свода Δh_с необходимо выбирать из условий получения достаточной строительной прочности свода в разогретом состоянии, т.к. он испытывает усилия от распора. Чем больше диаметр свода d_св, и чем меньше Δh_с, тем больше механические напряжения в своде. С учетом коэффициента теплового расширения огнеупорного материала сводового кирпича на практике принимают:

• Δh_с=(0,08…0,1) d_св для кислых огнеупоров;

• Δh_с=(0,11…0,12) d_св для магнезитохромитового свода.

Размер рабочего окна, расположенного на противоположной стороне печи по отношению к сливному желобу, определятся:

1) размерами мульд загрузочной машины и заправочных механизмов,

2) возможностями:

• ремонта подины и горячего пояса,

• удаления из печи обломков электродов,

• осмотра состояния огнеупоров кладки стен и свода печи.

Средние размеры рабочего окна составляют:

- ширина окна b=(0,22…0,33)d₀;

- высота окна h₀=(0,65…0,7)b при стреле арки Δh₀=(0,13…0,14)b.

Весьма важным размером в ДСП является диаметр распада электродов d_р. Этот диаметр определяется необходимостью обеспечить прочность центральной части свода и должен быть достаточным для размещения электродержателей без замыкания при перемещении электродов. С учетом опыта действующих печей рекомендуется отношение d_р/d_э=2,5…3,5.

Таким образом исследования и опыт эксплуатации ДСП показывают, что главным фактором увеличения теплопередачи от дуг жидкой ванне является экранирование дуг электродами, определяемое отношением d_э/U_д (диаметр электрода, м / падение напряжения в дуге, В)

Цель теплового расчета электрической печи обычно является определение потребной и установленной мощности и определение теплотехнических и экономических показателей ее работы. Эти показатели предопределяются емкостью ванны и мощностью трансформатора. Если последняя недостаточна для данной емкости,то:

• затягивается плавление,

• увеличивается газонасыщение металла,

• уменьшается производительность печи,

• повышается расход электроэнергии

• возрастает себестоимость стали

• возрастают удельные капитальные затраты.

При чрезмерной мощности трансформатора при данной емкости печи:

• увеличиваются расходы на оплату за установленную мощность cosφ,

• возрастают тепловые потери и удельные капитальные затраты на электрооборудование как печи, так и печного пролета цеха,

• ухудшаются условия службы кладки печи.

Максимальную мощность печного трансформатора S можно определить, используя формулу:

S=Р_э/(τ_рКcosφ),

где Р_э – расход энергии на плавку, кВт*ч;

τ_р - время плавления «под током», ч;

К – коэффициент использования мощности печного трансформатора в период расплавления, К=0,85…0,90;

cosφ =0,75…0,68.

Время расплавления определяют по формуле:

т_р= Р_э/(SКcosφ-Q_т.п)= p_тМ/ (SКcosφ-Q_т.п),

где p_т – теоретический удельный расход энергии на расплавление металла, кВт*ч/т (для стали равен 340 кВт*ч/т);

М – емкость печи, т.

Q_т.п – тепловые потери, МДж

Для определения удельного расхода электроэнергии (р, кВт*ч/т) на выплавку 1т стали используют формулу:

Р= Scosφp_т/(SКcosφ-Q_т.п)+q_прт_пр/Мη_э+(q_вτ_в+Q^’₂)/M,

где q_пр – потери тепла печью за время простоев, ч;

q_в - потери тепла печью за время рафинирования, ч;

т_пр и τ_в – продолжительности этих периодов, ч;

Q^’₂ – тепло, затрачиваемое на эндотермические реакции и подогрев металла в период восстановления, Дж.

8. Устройство дуговых печей переменного тока тема № 6

В настоящее время круглая трехфазная дуговая печь с непроводящей подиной является основным электрическим агрегатом для выплавки стали в черной металлургии.

Рис. 7

Дуговая сталеплавильная печь с поворотным сводом (рис. 7) заключена в кожух 5 и оборудована рабочим окном 6 и сводом 4, над которым установлен патрубок для отсоса газов 3. Электроды 2, уплотненные специальными кольцами – экономайзерами 16, перемещаются с помощью механизма 13, а электрическая энергия к электродам подается по токоподводам 17. Кислород в ванну вводится с помощью фурм 1. Механизмы подъема 12 и поворота 11 обеспечивают движение свода. Крупные ДСП оборудованы устройством 7 электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, порталом 14. Вся печь установлена на люльке 10 с возможностью поворота и наклона ее с помощью механизма 9.

В нашей стране дуговые печи переменного тока строятся в соответствии с установленным типовым рядом вместимостей: 0,5; 0,5; 3; 6; 12; 25; 50; 100; 150 и 200 т.

ДСП состоит из рабочего пространства с электродами, токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты.

Ванна печи круглая, занимает часть объема рабочего пространства, в котором находятся жидкие металл и шлак. Для обеспечения минимальных тепловых потерь, хороших условий для взаимодействия металла и шлака, а также удобства заправки пода – форму ванны выполняют сфероконическую с углом конической части к горизонту 45^о, равным углу естественного откоса заправочного сыпучего материала. Соотношение диаметра и глубины ванны целесообразно поддерживать в пределах 4-5.

Шихтовые материалы загружают на под печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляются за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Выпуск готовой стали и шлака осуществляют через сталевыпускное отверстие и желоб путем наклона печи с помощью механизма наклона. На крупных печах для ускорения плавления шихты используют механизм поворота корпуса на угол 40^о вокруг вертикальной оси.

Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов.

Шихту в современных печах загружают сверху в рабочее пространство с помощью корзины с открывающимся дном. Способ загрузки металлической шихты служит главным фактором, определяющим конструктивные особенности ДСП:

• Печи с поворотным сводом (наиболее распространены);

• Печи с выкатным корпусом;

• Печи с откатным порталом;

• Печи с наклоняющимся сводом.

Куполообразный свод набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токоподводящие электроды, которые могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным переменным током.

Ток в плавильное пространство ДСП поступает по электродам. Выдерживать высокие температуры и сохранять в то же время достаточную прочность и хорошую электропроводность могут только изделия из углерода. Применяются в электродуговом процессе графитированные электроды, изготовленные из малозольных углеродистых материалов: нефтяного или пекового кокса с добавкой связующего – каменноугольного пека. Электроды изготавливаются в виде цилиндрических секций диаметром от 100 до 610 мм и длиной 1500 мм.

В современных ДСП для равномерного нагрева и расплавления металлической шихты устанавливаются три электрода. Электроды располагаются в вершинах равностороннего треугольника. Отношение диаметра распада электродов к диаметру свода печи должно составлять 0,3-0,35. Для удержания электродов на заданном уровне и подвода к ним электрического тока служат электродержатели.

Для уплотнения зазоров между электродами и огнеупорной кладкой свода во избежание выхода горячих печных газов применяют специальные стальные водоохлаждаемые устройства, называемые экономайзерами.

Футеровка ДСП подвергается:

• воздействию теплового излучения электрических дуг,

• механическому воздействию, загружаемой шихты,

• разъедающему воздействию шлака и металла,

• воздействию термических напряжений, возникающих при резком колебании температур.

Футеровка свода испытывает дополнительные нагрузки, вызванные распорными усилиями арочного свода.

Поэтому применяемые огнеупоры должны обладать:

• высокой огнеупорностью,

• термостойкостью,

• прочностью,

• шлакоустойчивостью.

Наружное ограждение пода и стен изготавливают в виде сварного кожуха из листового металла толщиной ≤40 мм.

Между кожухом и огнеупорным слоем помещают слой теплоизоляции, состоящий:

• для пода - из листового асбеста (≤20мм) и шамотной кладки (130мм);

• для стен – порошкообразного асбеста толщиной не более 80мм.

Водоохлаждаемое сводовое кольцо изготавливают также сварным из листовой стали. Между боковым кожухом печи и сводовым кольцом помещают песочный затвор.

Огнеупорный слой подины основной печи состоит:

• из рабочего слоя, т.е. нескольких рядов магнезитового кирпича толщиной 280-575 мм,

• верхнего набивного слоя из магнезитового порошка толщиной 100-190 мм, который при первой же выплавке металла спекается в монолитную массу.

Благодаря этому стойкость пода составляет 1500-6000 плавок.

Футеровку стен выполняют из основных кирпичей (магнезитохромитового, хромомагнезитового, магнезитового) в один, или два ряда. Верхнюю часть стенок иногда делают меньшей толщины, т.к. здесь меньше тепловое излучение от электрических дуг. Толщина стенок в нижней части составляет 300-570 мм, возрастая с ростом вместимости печи. Стойкость стен составляет 150-350 плавок.

Свод выкладывают из магнезитохромитового кирпича, толщиной 230-460 мм. Стойкость свода составляет 50-225 плавок, она снижается с ростом вместимости печи.

В современных ДСП свод и стены делают водоохлаждаемыми.

8. Технология плавки тема № 7

Традиционная технология плавки (с окислительным и восстановительным периодами) применяется на печах вместимостью 30-80 т для выплавки высококачественных легированных сталей. Эту технологию называют двушлаковой, и процесс плавки также двушлаковый, т.к. по ходу плавки вначале в печи наводят окислительный шлак, а затем его сливают и в восстановительный период наводят новый шлак, не содержащий оксидов железа.

Особенностью технологии производства стали в дуговых электропечах с основной футеровкой является возможность проведения важнейших сталеплавильных процессов удаления до очень низкого содержания фосфора и серы, для дегазации металла и ввода в металл легирующих добавок без их значительного угара.

Плавка состоит из периодов: заправка печи, загрузка шихты, плавление, окислительный период, восстановительный период, выпуск стали.

Заправка печи. После выпуска предыдущей плавки осуществляют очистку пода и откосов от остатков шлака и металла. Затем делают заправку сухим магнезитовым порошком, что позволяет поддерживать постоянной толщину слоя набивки. Заправку ведут вручную. Продолжительность составляет 10-20 мин.

Загрузка шихты. По окончании заправки приступают к загрузке шихты для проведения следующей плавки. При выплавке стали в малых и средних печах шихта на 90% состоит из стального лома. Для повышения содержания углерода в шихту вводят чугун (до 10%), а также электродный бой или кокс (для получения требуемого содержания углерода). Общее их количество должно быть таким, чтобы содержание углерода в металле при расплавлении превышало нижний предел его концентрации в готовой стали на 0,3-0,5%.

Для более плотной загрузки в дуговые печи и рационального использования лома его сортируют по химическому составу и габаритным размерам, затем на стадии подготовки дробят, режут, прессуют, очищают от масел и т.д.

Металлическая часть шихты

Лом и отходы легированных сталей и сплавов поставляют по ГОСТ 2787-75. По содержанию углерода металлическую шихту разделяют на лом и отходы (до 2% С) и чугунный лом и отходы (более 2% С).

Лом отходы высоколегированных сталей и сплавов поставляют и хранят в копровых цехах и на шихтовых участках раздельно (по маркам).

По габаритам лом разделяют на мелкий, средний, крупный и стружку. Мелкий лом –обрезки, небольшие бракованные детали- 100 мм; средний лом – куски до 500 мм; крупный лом – бракованные слитки, изношенные детали – до 2000 мм. Среди вторичных металлоотходов значительная доля приходится на стружку. Углеродистая и легированная стружка должна быть обезжирена (иначе идет насыщение по С и Н) и сбрикетирована. В ломе не допускается наличие цветных металлов ( меди, бронзы, олова, свинца, латуни и др.), т.к. они ухудшают физико-механические свойства стали.