Производство стали в дуговых электрических печах

1.3. Характеристика технологии производства стали в круговых электрических печах.

      В настоящее время для выплавки стали применяют дуговые и  индукционные  электрические  печи,  которые  являются  наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами. Основные преимущества  способа  получения  стали  в электрических  печах  - возможность  создания  высокой температуры  в плавильном  пространстве  печи (более  2000 'С)  и выплавки стали и сплавов любого состава; использование   известкового   шлака (до  50...60 %  СаО),  способствующего хорошему  очищению  металла  от  вредных  примесей  - серы  и фосфора; возможность ведения плавки  при всех  режимах и  условиях производства. Создание восстановительной  среды  или  вакуума  в печи  способствует хорошему раскислению  и дегазации  металла. Мощные электропечи удачно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые нужно выводить в сталь для легирования и раскисления.  

      Устройство  дуговых электропечей.

        Первая дуговая электропечь в  России была установлена в 1910 г. на Обуховском заводе. За годы пятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость максимально крупной печи в СССР 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 оконце 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 основывается на 2 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, следом портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей.  

  Механическое  оборудование дуговой  печи. 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 электропечи. Наиболее распространенным в подлинное пора является кожух конической формы. Нижняя количество кожуха имеет форму цилиндра, верхняя доля — конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает заправку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она далее расположена от электрических дуг. Используют кроме того кожухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми панелями. Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жесткости. Днище кожуха типично выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и минимальную массу кладки. Днище выполняют из немагнитной стали для установки под печью электромагнитного перемешивающего девайсы. Сверху печь закрыта сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, которое выдерживает распирающие усилия арочного сферического свода В нижней части кольца имеется выступ – ножик, что входит в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют 3 отверстия для электродов. Диаметр отверстий больше диаметра электрода, потому во час плавки в зазор устремляются горячие газы, которые разрушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения данного на своде устанавливают холодильники либо экономайзеры, служащие для уплотнения электродных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газодинамические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы около электрода. В своде имеется ещё отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы. Для загрузки шихты в печи невеликий емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные, печи скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное оконный проем, обрамленное литой рамой. К раме крепятся направляющие, по которым скользит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпичом. Для подъема заслонки используют пневматический, гидравлический либо электромеханический привод. С противоположной стороны кожух имеет оконный проем для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диаметром 120—150 мм либо квадратным 150 на 250 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 электрододержателей делают из бронзы либо стали и охлаждают водой, так как они очень нагреваются как теплом из печи, так и контактными токами. Электрододержатель должен густо зажимать электрод и иметь в распоряжении маленькое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в подлинное период является пружинно-пневматический электрододержатель. Зажим электрода осуществляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Отжатие плиты от электрода и сжатие пружины происходят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве – консоли, тот скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну жесткую конструкцию. Стойка может передвигаться вверх либо 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 либо с помощью системы тросов и противовесов, приводимых в движение электродвигателями, либо с помощью гидравлических устройств. Механизмы перемещения электродов должны снабдить стремительный взлет электродов в случае обвала шихты в процессе плавления, а кроме того плавное опускание электродов во избежание их погружения в металл либо ударов о нерасплавившиеся части шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0 м/мин, прыть опускания 1,0— 2,0 м/мин. Механизм наклона печи должен мягко наклонять печь в сторону выпускного отверстия на уголок 40—45° для выпуска стали и на уголок 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, либо люлька, на которой установлен остов, основывается на 2 – 4 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 либо гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люльки печи. Система загрузки печи бывает двух видов: посредством завалочное оконный проем мульдозавалочной машиной и сквозь верх при помощи бадьи. Загрузку посредством оконный проем применяют только на небольших печах. При загрузке печи сверху в один-два приема в течение 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокращается час плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее употребляется объем печи. Для загрузки печи свод приподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону совместно с электродами, на все сто 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 кругом шарнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой железный цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего пространства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются сквозь 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. При использовании в качестве шихты металлизованных окатышей загрузка может производиться безостановочно по трубопроводу, что проходит в отверстие в своде печи. Во момент плавления электроды прорезают в шихте 3 колодца, на дне которых накапливается жидкий металл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным гаджетом, которое поворачивает остов в одну и иную сторону на уголок в 80°. При данном электроды прорезают в шихте уже 9 колодцев. Для поворота корпуса приподнимают свод, поднимают электроды выше уровня шихты и поворачивают остов при помощи зубчатого венца, прикрепленного к

  корпусу, и шестерен. Корпус печи основывается на ролики.  
 

Рисунок 1. Схема рабочего пространства дуговой электропечи:

  1 – куполообразный свод; 2 – стенки; 3 – желоб; 4 – сталевыпускное  отверстие; 
5 – электрическая дуга; 6 – сферический под; 7 – рабочее окно; 8 – заслонка; 9 – электроды 
 
 
 

      Очистка отходящих газов. Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во момент работы выделяют в атмосферу немаленькое численность запыленных газов. Применение кислорода и порошкообразных материалов ещё больше способствует данному. Содержание пыли в газах электродуговых печей достигает 10 г/м^3 и немаловажно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов из рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок сквозь зазор, позволяющий наклонять либо 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, внутри которых пыль задерживается в результате увлажнения. Применяют ещё тканевые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры. Используют системы газоочистки, включающие целиком 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 образ теплоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла. Основные части футеровки – подина печи, стены, свод. Температура в зоне электрических дуг достигает нескольких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отделена от дуг, она все же должна выдерживать нагрев до температуры 1700°С. В связи с данным применяемые для футеровки материалы должны иметь высокой огнеупорностью, механической прочностью, термо- и химической устойчивостью. Подину сталеплавильной печи набирают в следующем порядке. На железный кожух укладывают листовой асбест, на асбест—слой шамотного порошка, 2 слоя шамотного кирпича и ключевой 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 грубо глубине ванны и может добиваться 1 м для крупных печей. Стены печи выкладывают позже 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 единственный монолитный блок. Стойкость стен достигает 100—150 плавок. Стойкость подины составляет один-два года. В трудных условиях работает футеровка свода печи. Она выдерживает немаленькие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла, отражаемого шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кирпича. При наборе свода используют типичный и фасонный кирпичик. 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 подлинное пора широкое распространение получают водоохлаждаемые своды и стеновые панели. Эти элементы облегчают службу футеровки.

      Ток в плавильное пространство печи подается сквозь электроды, собранные из секций, любая 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 – графитированные. Графитированные электроды изготавливают из малозольных углеродистых материалов: нефтяного кокса, смолы, пека. Электродную массу смешивают и прессуют, следом чего сырая заготовка обжигается в газовых печах при 1300 градусах и подвергается дополнительному графитирующему обжигу при температуре 2600 – 2800 градусах 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 данном электрододержатель приближается к своду. Наступает миг, когда электрод становится до того коротким, что не может помогать дугу, и его нужно 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 посредством ионизированные газы, пары металлов. При кратковременном сближении электродов с шихтой либо дружбан с ином появляется короткое замыкание. Идет ток крупный силы. Концы электродов раскаляются добела. При раздвигании электродов между ними появляется 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 мощный его разогрев. Температура анода может добиваться 4000 градусов. Дуга может пылать на постоянном и на переменном токе. Электродуговые печи работают на переменном токе. В последнее час 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 отрезок времени плавки металл ещё не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. Поэтому в начальный отрезок времени плавки дуга горит неспокойно, прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака, дуга стабилизируется и горит больше гладко.  

      Электрооборудование. Рабочее натуга электродуговых печей составляет 100 – 800 В, а мощь тока измеряется десятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может добиваться 50 – 140 МВ*А. К подстанции электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110 кВ. Высоким напряжением питаются первичные обмотки печных трансформаторов. В электрическое оборудование дуговой печи входят следующие приборы: 1. Воздушный разъединитель, предназначен для отключения всей электропечной установки от линии высокого напряжения во пора 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 ещё холодная, дуги горят неустойчиво, происходят обва лы шихты и появляются короткие замыкания между электродами. При данном мощь тока грубо возрастает. Это приводит к немаленьким перегрузкам трансформатора, что может вылезти из строя. Когда мощь тока превысит установленный граница, выключатель авто матически отключает установку, для чего имеется реле максимальной силы тока. 3. Печной трансформатор нужен 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 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 усилие. Так, к примеру, трансформатор для 200-т отечественной печи мощностью 65 МВ*А имеет 23 ступени напряжения, которые переключаются под нагрузкой, без отключения печи. Участок электрической сети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие из стены трансформаторной подстанции фидеры при помощи гибких, водоохлаждаемых кабелей подают усилие на электрододержатель. Длина гибкого участка должна разрешать вырабатывать потребный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединяются с медными водоохлаждаемыми шинами, установленными на рукавах электрододержателей. Трубошины прямо присоединены к головке электрододержателя, зажимающей электрод. Помимо указанных основных узлов электрической сети в нее входит различная измерительная аппаратура, подсоединяемая к линиям тока посредством трансформаторы тока либо напряжения, а ещё приборы автоматического регулирования процесса плавки.  

      Автоматическое  регулирование. По ходу плавки в электродуговую печь требуется давать различное численность энергии. Менять подачу мощности позволительно изменением напряжения либо силы тока дуги. Регулирование напряжения производится переключением обмоток трансформатора. Регулирование силы тока осуществляется изменением расстояния между электродом и шихтой путем подъема либо опускания электродов. При данном натуга дуги не изменяется. Опускание либо взлет электродов производятся на автомате при помощи автоматических регуляторов, установленных на любой фазе печи. В современных печах заданная программа электрического режима может быть установлена на весь отрезок времени 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 либо 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 совместно с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом не возбраняется послать движение или в сторону рабочего окна, что будет облегчать выход шлака из печи, или в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствовать равномерному распределению легирующих и раскислителей и усреднению состава металла и его температуры. Этот способ в последнее миг имеет ограниченное употребление, так как в сверхмощных печах металл живо перемешивается дугами.  

      Плавка  стали в дуговой  электропечи. 

      Подготовка  материалов к плавке. Все присадки в дуговые печи нужно прокаливать для удаления следов масла и влаги. Это предотвращает насыщение стали водородом. Ферросплавы подогревают для ускорения их проплавления. Присадка легирующих, раскислителей и шлакообразующих в современной печи во многом механизирована. На бункерной эстакаде при помощи конвейеров происходит взвешивание и раздача материалов по мульдам, которые загружаются в печь мульдовыми машинами. Сыпучие для наводки шлака вводят в электропечи бросательными машинами.  

      Технология  плавки. Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки очень разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загрузке. Если подина печи во период не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть повреждена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонтик – заправку подины. Перед заправкой с поверхности подины удаляют остатки шлака и металла. На поврежденные места подины и откосов – места перехода подины в стены печи – забрасывают сухой магнезитовый препарат, а в случае немаленьких повреждений – препарат с добавкой пека либо смолы.

      Заправку  производят заправочной машиной, выбрасывающей сквозь. насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы, либо, разбрасывающей материалы по окружности с проворно вращающегося диска, что опускается в открытую печь сверху.  

      Загрузка  печи. Для максимально полного использования рабочего пространства печи в центральную ее количество ближе к электродам загружают крупные части (40 %) , ближе к откосам обычный лом (45%) , на подину и на верх загрузки небольшой лом (15%) . Мелкие части должны заполнять промежутки между крупными кусками.  

      Период плавления. Расплавление шихты в печи занимает основное миг плавки. В подлинное час многие операции легирования и раскисления металла переносят в ковш. Поэтому длительность расплавления шихты в основном определяет производительность печи. После окончания завалки опускают электроды и включают ток. Металл под электродами разогревается, плавится и стекает вниз, собираясь в центральной части подины. Электроды прорезают в шихте колодцы, в которых скрываются электрические дуги. Под электроды забрасывают известь для наведения шлака, тот закрывает обнаженный металл, предохраняя его от окисления. Постепенно озерко металла под электродами становится все больше. Оно подплавляет части шихты, которые падают в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Продолжительность периода расплавления металла равна 1—3 ч в зависимости от размера печи и мощности установленного трансформатора. В отрезок времени расплавлени” трансформатор работает с полной нагрузкой и более того с 15 % перегрузкой, допускаемой паспортом, на наиболее высокой ступени напряжения. В тот самый отрезок времени мощные дуги не опасны для футеровки свода и стен, так как они закрыты шихтой. Остывшая во миг загрузки футеровка может принять немаленькое число тепла без опасности ее перегрева. Для ускорения расплавления шихты используют различные методы. Наиболее эффективным является употребление мощных трансформаторов. Так, на печах вместимостью 100 т будут установлены трансформаторы мощностью 75,0 МВ-А, на 150-т печах трансформаторы 90—125 МВ*А и выше. Продолжительность плавления при использовании мощных трансформаторов уменьшается до 1–1,5 ч. Кроме того, для ускорения расплавления применяют топливные мазутные либо газовые горелки, которые вводят в печь или посредством рабочее оконный проем, или посредством специальное устройство в стенах. Применение горелок ускоряет нагрев и расплавление шихты, в особенности в холодных зонах печи. Продолжительность плавления сокращается на 15—20 мин. авления сокращается на 20—30 мин, а расход электроэнергии на 60—70 кВт-ч на 1 т стали. Традиционная методика электроплавки стали предусматривает работу по двум вариантам: 1) на свежей шихте, т.е. с окислением; 2) переплав отходов. При плавке по первому варианту шихта состоит из простых углеродистых отходов, малоуглеродистого лома, металлизованных окатышей с добавкой науглероживателя. Избыточное численность углерода окисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов для получения стали нужного состава. Во втором варианте состав стали без малого на все сто определяется составом отходов и легирующие добавляют только для некоторой корректировки состава. Окисления углерода не производят.