2.4.3 Влияние геометрии рабочего пространства на стойкость футеровки
Простои печей большой емкости (50–100) т на ремонтах футеровки стен и сменах сводов составляют на отечественных заводах (6–10) % календарного времени. Главной причиной разрушения футеровки является чрезмерный перегрев отдельных участков футеровки, в связи с чем наиболее быстро изнашивается нижний пояс боковой стенки, расположенный напротив дуг, и центральная часть свода. Особенно низка стойкость футеровки печей большой емкости при работе на высоком напряжении. Так, стойкость стен на электропечах емкостью 100 т, работающих при напряжении на дугах свыше 400 В, не превышает 200 плавок, в то время как стойкость стен печей емкостью 5–10 т, работающих при напряжении (110–140) В, достигает 1500 плавок и более. В повышении стойкости стен и сводов скрыт значительный резерв увеличения производительности агрегатов и повышения экономической эффективности электросталеплавильного производства.
Интенсивность облучения единицы поверхности футеровки пропорциональна мощности дуг, косинусу угла падения луча на облучаемую поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния от дуги до облучаемой поверхности.
В трехфазных печах с электродами, расположенными по вершинам равностороннего треугольника (рис.8), боковая поверхность стен облучается неодинаково: максимальное излучение приходится на участки футеровки, расположенные непосредственно против электродов (точки А1; А2; А3), минимальное – на участки, расположенные между электродами (точки В1; В2; В3).
Стойкость футеровки стен в целом определяется стойкостью наиболее горячих участков. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы нагрев футеровки был как можно более равномерным.
Рис. 8. Точки максимального (а) и минимального (в) облучения стен дугами и разгар футеровки стен на уровне дуг
Равномерность нагрева футеровки увеличивается с уменьшением диаметра распада электродов – диаметра окружности, проходящей через центры электродов.
Идеальная равномерность нагрева достигается при совмещении всех дуг с центром печи. Однако чрезмерное сближение электродов ослабляет механическую прочность свода, утяжеляет температурные условия его центральной части, затрудняет расплавление шихты у откосов. Учитывая это, рекомендуется обеспечивать отношение диаметра распада электродов к диаметру печи в пределах (0,25–0,35), более высокие значения относятся к крупным печам. Неравномерность нагрева футеровки в точках А и В при этом составляет (10–15) %.
При симметричном расположении электродов по вершинам равностороннего треугольника неравномерный нагрев наблюдается не только в точках А и В, но температура неодинакова и в точках А1; А2 и А3. Это связано с тем, что при близком параллельном расположении проводников трехфазной цепи наблюдается перенос мощности через электромагнитное поле с одной фазы на другую. По этой причине мощность, выделяющаяся в дуге первой фазы, меньше мощности дуги второй фазы, которая в свою очередь меньше мощности дуги третьей фазы. Исследование топографии разгара кладки стен подтверждает более быстрый износ футеровки против электрода третьей наиболее мощной («дикой») фазы.
Для выравнивания скорости износа футеровки необходимо уменьшить неравномерность выделения мощности в дугах разных фаз, что может быть достигнуто специальной конструкцией короткой сети и использованием дополнительных устройств. В некоторых случаях, целесообразно просто смещать центр распада электродов относительно центра печи так, чтобы, несмотря на неравномерность выделения мощности в дугах разных фаз, нагрев в точках А1; А2 и А3 был равномерным. При определенной мощности дуг, интенсивность облучения стен дугами можно снизить, уменьшая угол падения луча на поверхность стен: интенсивность облучения стен в горячей зоне тем меньше, чем сильнее они наклонены к вертикали.
Исходя из тепловой работы печи, стены целесообразно было бы выполнять с наклоном внутрь печи. Но такая конструкция стен мало подходит по условиям загрузки шихты и заправки, нижних наиболее сильно разрушающихся участков стен. Поэтому широкое распространение получили печи, у которых стены наклонены наружу. Наклон стен наружу увеличивает теплоотдающую поверхность и приводит к возрастанию тепловых потерь. В связи с необходимостью уменьшить тепловую нагрузку наиболее напряженных участков кладки стен, не увеличивая при этом теплоотдающую поверхность, наклон стен целесообразно выполнять по высоте неодинаковым: максимальный угол наклона должен соответствовать участкам с максимальной тепловой нагрузкой, и по мере уменьшения нагрузки угол может быть также уменьшен. Однако такой наклон стен трудно выполнять и поддерживать при работе печи.
Максимальный разогрев испытывает нижний пояс кладки стен шириной 300–400 мм от поверхности ванны. Угол наклона стен на этой высоте должен составлять (25–30) °С дальнейшим увеличением высоты кладки интенсивность облучения резко уменьшается, поэтому угол наклона также может быть уменьшен. В самой верхней части с целью некоторого уменьшения диаметра свода, что значительно влияет на его стойкость, наклон стен можно выполнить внутрь печи. Стойкость этих участков стен при этом снизится, но вследствие увеличения стойкости свода суммарные простои печи на ремонтах футеровки уменьшатся. Такая конфигурация рабочего пространства применена на некоторых мощных печах отечественных заводов.
Наклон верхней части футеровки стен внутрь печи позволяет получить положительный эффект на электропечах, где еще сохранилась загрузка шихты мульдами через завалочное окно. При загрузке шихты, сверху выступающие ряды кирпича верхней части стен повреждаются загрузочной бадьей, поэтому эффект, достигаемый на таких печах в результате увеличения стойкости свода, не компенсирует потери, связанные с более быстрым износом верхних рядов футеровки стен. В этом случае, целесообразно, внутреннюю поверхность кладки этого пояса выполнять цилиндрической, используя кирпич разной длины.