Футеровка дуговых сталеплавильных печей

Параметры, рекомендуемые для контроля правильности

рассчитываемых величин…………………………………………..26

6 Содержание домашнего задания……………………………………27

7 Варианты заданий……………………………………………………29

рекомендуемая Литература…………………………………29

 

Введение

 

Домашнее задание по дисциплине “Электрометаллургия стали и ферросплавов” посвящено определению основных геометрических размеров электродуговой печи заданной номинальной садки, а также расчету электрических параметров работы сталеплавильного агрегата. Данная работа позволяет студентам познакомиться с основами проектирования ДСП, выбора и изготовления футеровки печи, графического изображения ее основных конструктивных элементов, расчета параметров трансформатора и диаметра электродов обеспечивающих эффективную работу печи заданной емкости.

В ходе расчетов студенты должны ознакомиться:

- с особенностями выбора футеровки основных узлов ДСП;

- огнеупорами, применяемыми для футеровки печи;

- назначением, устройством и основными технологическими характеристиками трансформаторов, используемых на действующих печах, принципом выбора ступеней напряжения и их ролью в процессе выплавки стали в ДСП;

- с конструкцией, назначением и способами изготовления электродов, используемых как для электросталеплавильных, так и для ферросплавных печей;

- принципами выбора оптимального электрического режима работы печей и параметрами, оказывающими основное влияние на их величину.

В ходе расчетов необходимо тщательно контролировать каждый параметр, сравнивая его с параметрами действующих печей близкой номинальной садки и типа, значения которых можно найти в специальной литературе, или использовать опыт работы металлургических предприятий, имеющих в своем распоряжении аналогичные агрегаты. Особенное внимание необходимо уделить мощности трансформатора, диаметру электродов, плотности тока, толщине слоев футеровки различных элементов печи.

После выполнения расчетной части студенты должны на миллиметровой бумаге с соблюдением масштаба нарисовать эскиз ДСП с изображением послойного расположения футеровки состоящей из различных видов огнеупорных материалов.

 

ФУТЕРОВКА ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

 

Футеровка дуговых печей играет важную роль при выплавке стали. Она предназначена для сохранения высоких температур в плавильном пространстве и защиты корпуса печи от действия расплавленного металла и шлака.

Футеровка печи (рисунок 1) состоит из пода 1, откосов 2, стен 5 и свода 6, арки рабочего окна, сливного отверстия 3 и носка 4. Футеровка пода, откосов и стен может выполняться различными способами из магнезитохромитовых, магнезитовых, хромито-магнезитовых, иногда доломитовых материалов при работе печи основным процессом, и динасовых при работе печи кислым процессом. В качестве теплоизоляционных материалов используют шамотные изделия, асбест и т.д.

Кладку и набивку подины электропечей выполняют в ходе капитального ремонта, общая продолжительность которого зависит от вместимости печей, и составляет 5-10 суток. Стойкость подины колеблется от 1500 до 5000 плавок. Подину основных печей обычно изготавливают в следующей последовательности (рисунок 2). На металлическое днище укладывают слой молотого или листового асбеста 7 толщиной 10-25 мм, на который для выравнивания поверхности засыпают шамотный порошок 4 толщиной 30-40 мм. Первый слой кладки выполняют шамотным кирпичом 3 толщиной 65 мм, а затем несколько слоев – из магнезитового кирпича 1, уложенного на плашку или ребро. Толщина магнезитовой кладки зависит от размера печи и составляет 575 мм в печах вместимостью 100 т и 295–360 мм в печах вместимостью 10–20 т. Направление кладки каждого слоя изменяют на 45 или 90⁰ так, чтобы швы нижнего ряда перекрывались кирпичом следующего ряда. Швы каждого ряда засыпают мелким магнезитовым порошком 5.

 

 

 

Рисунок 1 - Футеровка дуговой печи

1 – под печи; 2 – откосы; 3 – стены; 4 – сливной носок; 5 – арка рабочего окна; 6 – свод

 

 

Верхний рабочий слой подины выполняют набивным из магнезитового порошка. Для набивки применяют магнезитовый порошок «экстра» (МПЭ), просеянный через сито. Крупность порошка должна быть 1–4 мм. После выполнения последнего кирпичного слоя кладку пода нагревают дровами до температуры 60–80⁰С, а затем промазывают горячей смолой и проводят

 

набивку подогретым до 100⁰С магнезитовым порошком, смешанным с каменноугольным пеком в соотношении: 88–90% магнезитового порошка и 12–10% каменноугольного пека. Массу распределяют равномерными слоями толщиной 30–40 мм и трамбуют пневматическими трамбовками. Трамбовку слоев ведут непрерывно.

 

Рисунок 2 – Футеровка подины и стен 100 т электропечи:

1 – кирпич магнезитовый; 2 – кирпич магнезитохромитовый; 3 – кирпич шамотный; 4 – порошок шамотный; 5 – порошок магнезитовый; 6 – асбест молотый; 7 – асбест листовой

Общая толщина набивного слоя подины зависит от вместимости печи. Например, на печах вместимостью 12 т она составляет 110–125 мм, на печах большой вместимости 250–300 мм. Продолжительность набивки составляет 8–10 ч. Качество трамбовки подины проверяют с помощью пневматического молотка. При ударе бойком средней силы он должен отскакивать от набойки, не оставляя следов, а звук должен быть однородным. Такой способ изготовления рабочего слоя подины является очень трудоемким. На многих заводах набивку подов дуговых печей осуществляют всухую из магнезитового порошка.

На рисунках 3 и 4 изображена конструкция рабочего пространства и характерное расположение основных слоев футеровки 100 тонных ЭДП металлургических предприятий Челябинска и Липецка.

Изготовление подин кислых печей отличается от изготовления подин основных печей тем, что для кладки применяют динасовый кирпич. Динасовый кирпич при нагревании расширяется (увеличивается его объем), поэтому между динасовыми кирпичами оставляют зазоры, в которые закладывают деревянные прокладки. Отсутствие зазоров между кирпичами приводит к выпучиванию и разрушению пода за счет чрезмерного расширения динаса в процессе службы. Швы между кирпичами смежных рядов кладки не должны совпадать.

 

Рисунок 3 - Футеровка печи ДСП-100 ЧМЗ

1 – листовой асбест; 2 – молотый асбест; 3 – шамотный кирпич; 4 - магнезитовый кирпич; 5 – хромомагнезитовый кирпич; 6 - магнезитохромитовый кирпич; 7 – магнезитовый порошок

 

 

 

 

Рисунок 4 - Футеровка печи ДСП-100 НЛМЗ

1 – асбестовый картон; 2 – шамотный порошок; 3 – шамотный кирпич; 4 – магнезитовый кирпич; 5 – легковесный шамотный кирпич; 6 – асбестовая засыпка; 7 – набивной слой

 

При изготовлении набивного рабочего слоя поверхностный ряд динасового кирпича слегка смачивают жидким стеклом, на него насыпают слой смеси, состоящий из кварцевого песка и молотой огнеупорной глины (в соотношении 10:1 – 15:1 мм), уплотняют пневматическими трамбовками, затем операцию повторяют несколько раз.

Футеровку стен дуговых сталеплавильных печей выполняют в трех принципиально различных вариантах: в виде кирпичной кладки, набивными и блочными. На основании опыта работы отечественных заводов стены основных электропечей выполняют преимущественно из магнезитового, а также из периклазошпинелевидного, магнезитохромитового и безобжигового кирпича в кассетах. Кирпичную кладку стен чаще выполняют на откосах, набитых смесью магнезитового порошка либо ведут ее прямо с кирпичной кладкой подины. Толщину стен обычно уменьшают от откосов до свода, что способствует повышению стойкости огнеупорной кладки стен.

Столбики и арки рабочего окна и выпускного отверстия испытывают частые тепловые и механические удары. Их выкладывают из термостойкого хромомагнезитового или магнезитового кирпича.

Свод электросталеплавильной печи является наиболее быстро изнашивающимся элементом. Кладка свода перегревается, причем весьма неравномерно, отраженной от стен и шлака лучистой энергией электрических дуг. Кладка разрушается также от сотрясения и переохлаждения при подъеме и повороте свода и химического взаимодействия с печной атмосферой. Главным материалом для изготовления сводов основных и кислых дуговых печей ранее применялся динасовый кирпич. В настоящее время своды основных печей изготавливают из магнезитохромитовых или высокоглиноземистых огнеупорных материалов. Это позволяет в 2-3 раза повысить стойкость сводов. Средняя стойкость хромомагнезитовых сводов составляет 100–200, а динасовых 40–70 плавок в зависимости от особенностей работы печи и ее вместимости.

Свод набирают на специальном металлическом шаблоне (рисунок 5), выпуклость которого соответствует стреле подъема свода. Для динасового свода отношение стрелы подъема к диаметру должно быть не менее 1:12, а для хромомагнезитового – не менее 1:10. На шаблоне имеются указатели для точного установления сводового кольца 1 и копиры отверстий для электродов 3, для патрубка – дымогазоотсоса 4 и кислородной фурмы. Кладку свода (рисунок 6) в зависимости от вместимости печи и условий ее работы ведут различными способами: арочным (рисунок 6, а), секторно-арочным (рисунок 6, б), секторным (рисунок 6, в), комбинированным (рисунок 6, г). Секторную кладку могут вести одновременно четыре каменщика, поэтому она получила широкое распространение, особенно на малых печах, благодаря простоте выполнения и симметричному расположению кирпичей.

 

Рисунок 5 - Шаблон для изготовления свода

1 – сводовое кольцо; 2 – опалубка; 3 – копиры электродных отверстий; 4 – копир отверстий для патрубка дымогазоотсосов

 

Рисунок 6 - Различные способы кладки сводов

а – арочная кладка в перевязку; б – секторно-арочная; в - секторная; г – комбинированная.

На крупных печах применяется главным образом секторно-арочная кладка свода. Для ее выполнения применяют кирпичи четырех фасонов. Иногда применяется также кладка с центральной аркой, не доведенной до сводового кольца. В этом случае центральная арка проходит между отверстием для электрода второй фазы и отверстиями для электродов первой и третьей фаз. Она опирается на поперечные сегменты кладки над рабочим окном и выпускным отверстием.

Комбинированная кладка свода сочетает кольцевую кладку по периферии с секторной в центре; такой способ кладки применяется значительно реже, чем другие.

Область электродных отверстий является слабым местом свода из-за наличия отверстий и чрезмерного нагревания в связи с электрическим замыканием электродов через огнеупорную кладку. На многих заводах участки электродных отверстий изготавливают из электроизоляционного бетона, состоящего из высокоглиноземистого цемента (25–20%) и высокоглиноземистого шамота (80%) или плавленого магнезита (85– 87%).

Кладку свода из динасового кирпича ведут так же, как из основных огнеупоров. Однако в связи с увеличением объема динаса при нагревании свод делают более выпуклым.

В последнее время опробованы и начинают внедряться водо-охлаждаемые своды. Стойкость таких сводов увеличивается до 4 тыс. и более плавок. Такие своды имеют плоскую форму (рисунок 7), что резко упрощает их изготовление и уменьшает площадь тепловоспринимающей поверхности.

Свод состоит из водоохлаждаемого сводового кольца 1, водоохлаждаемой периферийной части 2, водоохлаждаемой съемной центральной части 4, электроизоляционной прокладки 3, выполняемой из высокоглиноземистого кирпича толщиной не менее 115 мм. Центральная часть свода состоит из трех изолированных один от другого секторов. В одном из секторов выполняется отверстие диаметром 200 мм для ввода кислородной фурмы. Периферийную часть разделяют на три участка. В одном из них выполняют отверстие для отсоса дымовых газов. Электрическая изоляция между секторами центральной части свода обеспечивается воздушным зазором шириной 70 мм и между участками периферийной части 30 мм. Эти зазоры сверху перекрывают кладкой из высокоглиноземистого кирпича.

 

Рисунок 7 - Электропечь с водоохлаждаемыми сводами

1 – сводовое кольцо; 2 – водоохлаждаемый сектор периферийной части; 3 – электроизоляционная прокладка; 4 – водоохлаждаемый сектор центральной части

 

С внутренней стороны свод набивают огнеупорной массой толщиной 65 мм. Для удержания набивки поверхность свода армируют стальной полосой в виде ячеек. Масса металлоконструкций с теплоизоляцией водоохлаждаемого свода ДСП-100 составляет 34 т, что примерно в 1,7 раза легче свода, выполненного из кирпичной кладки.

 

 

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

РЕЖИМА РАБОТЫ ДУГОВОЙ ПЕЧИ

Производительность дуговой печи и расход электроэнергии на тонну стали в большой мере зависят от умения определить оптимальный электрический режим плавки. Мы видели, что печной трансформатор имеет несколько ступеней напряжения. Какая мощность, какой ток являются для каждой ступени оптимальными, т. е. обеспечивают наибольший электрический кпд установки и наилучший cosj, обеспечивающие максимальное выделение мощности в печи? На этот вопрос помогают ответить так называемые электрические характеристики дуговой печи, которые строят для каждой ступени напряжения трансформатора на основании полученных опытным путём показателей холостого хода и короткого замыкания трансформатора (рисунок 8). Кривые построены как функции силы тока.

Приняты следующие обозначения и связи между характеристиками:

- активная мощность, забираемая из сети:

кВт; (2.1)

- мощность электрических потерь:

кВт, (2.2)

где R – активные сопротивления фаз короткой сети;

- полезная мощность (мощность на дугах):

кВт; (2.3)

- электрический кпд – отношение полезной мощности к мощности, забираемой из сети:

. (2.4)

Кроме активной мощности , из сети забирается также реактивная мощность . Если геометрически сложить активную и реактивную мощности, то получим кажущуюся или установленную мощность, измеряемую в киловольт-амперах

; (2.5)

- коэффициент мощности установки

. (2.7)

 

 

 

Рисунок 8 - Характеристика электрического режима 100-т дуговой печи для ступени напряжения 417 В

1 – потребляемая активная мощность, Р_А;2 – полезная мощность дуг Р_ПОЛ ;мощность электрических потерь Р_Э.П.; 4 – электрический кпд ; коэффициент мощности ; 6 – напряжение дуги U_д

Чем больше реактивная мощность, тем ниже коэффициент мощности, тем хуже использование электрической энергии.

Из диаграммы, составленной для 100-т печи, видно, что полезная мощность максимальная (20 000 кВт) при силе тока 47 000 А, мощность из сети при этом 24 500 кВт, потери 4500 кВт. Кривая полезной мощности имеет точку перегиба. Это значит, что одно и то же значение мощности, выделяющейся внутри печи, может быть достигнуто при двух различных значениях силы тока. При силе тока 35 кА, соответствующей точке А, показатели более выгодные: = 0,84; = 0,86; потери 2800 кВт. Для силы тока 57 кА, соответствующей точке В, та же полезная мощность 18 00 кВт будет получена при = 0,60, =0,75 и мощности потерь 7000 кВт. Следовательно, работать нужно при режиме, определяемом левой ветвью кривой, так как он обеспечивает более высокие электрические показатели, или на максимуме этой характеристики. Однако для сверхмощных дуговых печей рекомендуется работать на правой ветви кривых, что определяется условиями службы футеровки печи.

При одной и той же силе тока более высокое напряжение низкой стороны трансформатора обеспечивает лучшие электрические показатели

Напряжение, В Электрический кпд, %

0,83

0,87

0,92

Включение дросселя снижает полезную мощность. Во время эксплуатационного короткого замыкания на электродах (обвал шихты) полезная мощность равна нулю, мощность потерь равна мощности, забираемой из сети. На диаграмме (рисунок 8) при силе тока короткого замыкания 73 кА кривая 1 () сходится с кривой 3 () в точке С.

Основной недостаток выбора режимов работы по электрическим харак-

теристикам заключается в том, что при этом не учитываются тепловые потери печи и особенности металлургических процессов, происходящих при плавке. По электрическим характеристикам нельзя судить о производительности печи, удельном расходе электроэнергии. В то время как электрические потери, учитываемые электрическими характеристиками, составляют в среднем 10 – 12% от общего расхода электроэнергии на плавку, тепловые потери дуговых печей (по А. Н. Соколову) достигают 25 – 35%, т. е. превышают электрические потери в 2,5 – 3 раза.

Для печи определённой ёмкости электрические потери приблизительно пропорциональны квадрату силы тока и продолжительности работы печи. Тепловые потери существенно изменяются с изменением мощности электрических дуг, которая в свою очередь является сложной функцией от силы тока.

Особенности металлургических процессов при плавке вынуждают отдельно рассматривать периоды плавления – окислительный и восстановительный, так как полностью каждый из них характеризуется своими значениями электрических параметров, мощности тепловых потерь печи и полезного расхода электроэнергии.

Ю. Е. Ефроймович оптимальный режим периода плавления выбирает на основе анализа зависимостей продолжительности плавления, удельного расхода электроэнергии, стоимости передела тонны стали и коэффициента мощности от силы тока печи для различных ступеней напряжения трансформатора с учетом технологических особенностей выплавки отдельных сталей и свойств, применяемых огнеупоров. Минимуму удельного расхода электроэнергии, минимуму стоимости передела стали и минимуму продолжительности плавления соответствуют различные значения силы тока.

Плавление на высшей ступени напряжения, работа при номинальной силе тока трансформатора, своевременное выключение дросселя, уменьшение реактивного сопротивления короткой сети и другие мероприятия должны быть осуществлены при установлении оптимального электрического режима плавки в период плавления. График электрической нагрузки определяет продолжительность работы на высшей ступени напряжения (по расходу установленного количества электроэнергии); предусмотрено переключение на вторую ступень, когда открытые дуги становятся опасными для футеровки; график должен обеспечить высокий нагрев металла к началу окислительного периода.

 

 

3 ЭЛЕКТРОДЫ ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ

Электроды служат для подвода тока в рабочее пространство печи и образования электрической дуги. Электроды могут быть угольные и графитированные. В Электросталеплавильном производстве применяют главным образом графитированные электроды. Угольные электроды обычно используют на малых печах.

Графитированные электроды изготавливают из малозольного нефтяного или пекового кокса с добавками смолопека. Спрессованные из них заготовки электродов обжигают сначала в газовых печах при температуре около 1300⁰С, а затем в печах сопротивления при температуре 2500⁰С. После обжига и графитизации электроды подвергают механической обработке. Их изготовляют секциями. В торцах секций выполняют гнезда с винтовой резьбой. Соединение отдельных секций осуществляют с помощью цилиндрических или конических ниппелей (рисунок 9), которые обычно изготовляют из заготовок с повышенной прочностью. Ниппели для электродов с диаметром меньше 200 мм имеют резьбу с шагом 8,47 мм, а ниппели большего диаметра – 12,7 мм.

При диаметре электродов более 400 мм сборку отдельных секций электродов осуществляют не всухую, а на пасте или пеке. Кроме того, для свинчи вания электродов обязательно применять специальные устройства, которые обеспечивают необходимое усилие при затяжке электродов. В противном случае от динамических усилий, возникающих при горении дуг, электроды развинчиваются, и ток в этих местах уже идет не по всему их сечению, а только по ниппелю, что приводит к их перегреву и обрыву. На дуговых печах малой вместимости применяют электроды диаметром 300 и 350 мм; средней 500 мм; большой 555 и 610 мм.

 

 

 

 

Рисунок 9 - Соединение электродов посредством цилиндрического (а) и конического (б) ниппелей

 

При нормальной работе электропечей расход графитированных электродов на 1 т жидкого металла составляет 4-6 кг при кислом и 6-9 кг при основном процессах выплавки стали. С целью уменьшения разъедания шлаком поверхности графитированных электродов их иногда пропитывают раствором борсодержащих соединений. При этом удельный расход электродов снижается на 25 %.

 

 

4 ПРИМЕР РАСЧЕТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ и ее основных электрических параметров

 

Определение размеров печи покажем на следующем примере.

Рассчитаем печь с номинальной емкостью 45 т, работающую с оптимальной садкой 45 1,4 = 63 т.

Объем ванны

1 т жидкой стали занимает объем 0,14 м³, 1 т шлака — 0,333 м³. Кратность шлака составит 0,07.