Скачать

Устройство дуговых электропечей

В электоропечи можно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов значительно меньше.

В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава.

Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные сплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих печах.

Мощные электропечи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые необходимо 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 наиболее 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 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 загрузклй 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.

Очистка отходящих газов.

Футеровка печей.

Большинство дуговых печей имеет основную футеров­ку, состоящую из материалов на основе MgO. Футеров­ка печи создает ванну для металла и играет роль теп-лоизолирующего 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 этим применяемые для 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.

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 – графитированные. 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 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 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 градусов. 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 МВ*А. К подстанции электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110 кВ. Высоким на­пряжением питаются первичные обмотки печных транс­форматоров. На показана упрощенная схема электрического питания печи. В электрическое оборудо­вание дуговой печи входят производства ремонтных ра­бот на печи. следующие приборы:

1. Воздушный разъединитель, предназначен для от­ключения всей электропечной установки от линии высо­кого напряжения во время

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 обва лы шихты и возникают короткие замыкания между электродами. При этом си ла тока резко возрастает. Это приводит к большим перегрузкам трансформатора, который может выйти из строя. Когда сила тока превысит установленный предел, выключатель авто матически 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 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 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 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.

Применение синтетического шлака.

Этот метод пре­дусматривает перенесение рафинирования металла из электропечи в разливочный ковш. Для рафинирования металла выплавляют синтетический шлак на основе из­вести (52–55%) и глинозема (40%) в специальной электродуговой печи с угольной футеровкой. Порцию, жидкого, горячего, активного шлака (4–5 % от массы стали, выплавленной в электропечи) наливают в основ­ной сталеразливочный ковш. Ковш подают к печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большой вы­соты, ударяется о поверхность жидкого шлака, разбива­ется на мелкие капли и вспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это способствует ак­тивному протеканию обменных процессов между метал­лом и синтетическим шлаком. В первую очередь проте­кают процессы удаления серы благодаря низкому содер­жанию FeO в шлаке и кислорода в металле; повышенной концентрации извести в шлаке, высокой температуре и перемешиванию стали со шлаком. Концентрация серы может быть снижена до 0,001 %. При этом происходит значительное удаление оксидных неметаллических вклю­чений из стали благодаря ассимиляции, поглощению этих включений синтетическим шлаком и перераспределению кислорода между металлом и шлаком.

Обработка металла аргоном.

После выпуска стали из печи через объем металла в ковше продувают аргон, который подают либо через пористые пробки, зафутеро-ванные в днище, либо через швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргоном позволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содер­жание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства стали.

Применение порошкообразных материалов.

Продув­ка стали в дуговой электропечи порошкообразными ма­териалами в токе газаносителя (аргона или кислорода) позволяет ускорить важнейшие процессы рафинирования стали: обезуглероживание, дефосфорацию, десульфурацию, раскисление металла.

В струе аргона или кислорода в ванну вдуваются по­рошки на основе извести, плавикового шпата. Для рас-кисления металла используют порошкообразный ферро­силиций. Для окисления ванны и для ускорения удаленияуглерода и фосфора добавляют оксиды железа. Мел-кораспыленные твердые материалы, попадая в ванну ме­талла, имеют большую поверхность контакта с метал­лом, во много раз превышающую площадь контакта ван­ны со шлаковым слоем. При этом происходитинтенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все это способствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразные флюсы могут ис­пользоваться для более быстрого наведения шлака.

Плавка в кислой электропечи.

Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на ос­нове кремнезема. Эти печи имеют более глубокие ванны и в связи с этим меньший диаметр кожуха, меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкость футеровки свода и стен кислой печи зна­чительно выше, чем у основной. Это объясняется малой продолжи­тельностью плавки. Печи с кислой футеровкой вместимостью 1—3 т применяются в литейных цехах для производства стального литья и отливок из ковкого чугуна. Они допускают периодичность в работе, т. е. работу с перерывами. Известно, что основная футеровка быстро изнашивается при частом охлаждении. Расход огнеупоров на 1 т стали в кислой печи ниже. Кислые огнеупоры дешевле, чем основ­ные. В кислых печах быстрее разогревают металл до высокой тем­пературы, что необходимо для литья. Недостатки кислых печей свя­заны прежде всего с характером шлака. В этих печах шлак кис­лый, состоящий в основном из кремнезема. Поэтому такой шлак не позволяет удалять из стали фосфор и серу. Для того чтобы иметь содержание этих примесей в допустимых пределах, необходимо под­бирать специальные шихтовые материалы, чистые по фосфору и по сере. Кроме того, кислая сталь обладает пониженными пластически­ми свойствами по сравнению с основной сталью вследствие присут­ствия в металле высококремнистых неметаллических включений.Технология плавки в кислой электропечи имеет следующие осо­бенности. Окислительный период плавки непродолжителен, кипение металла идет слабо, так как кремнезем связывает РеО в шлаке и тем самым скорость перехода кислорода в металл для окисления угле­рода снижается. Кислый шлак более вязкий, он затрудняет кипение. Шлак наводят присадками песка, использованной формовочной зем­ли. Известь присаживают до содержания в шлаке не более 6—8 % СаО. Раскисление кислой стали проводят, как правило, присадкой кускового ферросилиция. Частично сталь раскисляется кремнием, ко­торый восстанавливается из шлака или из футеровки по реакциям: (SiO2)+2Fe=2(FeO)+(Si); (SiO2)+2(C)=2CO+(Si). В отличие от основного процесса при кислом ферромарганец присаживают в конце плавки в раздробленном виде в ковш. При таком способе усваивает­ся до 90 % марганца. Конечное раскисление проводят алюминием.

Получение низкоуглеродистой коррозионностойкой стали (процессы AOD и VOD).

Широкое распространение получают методы производства низко­углеродистой коррозионностойкой стали вне электропечи.

Метод AOD. В электропечи выплавляют основу нержавеющей стали, содержащей заданное количество хрома и никеля, с использо­ванием недорогих, высокоуглеродистых ферросплавов. Затем сталь вместе с печным шлаком заливают в конвертер, профиль которого представлен на рис. 81. Футеровка конвертера изготовлена из магнезитохромитового кирпича. Стойкость футеровки до 200 плавок. В нижней зоне футеровки, в третьем ряду кирпичной кладки от днища конвертера. Фурмы представляют собой конструкцию из медной внут­ренней трубы и наружной тру­бы из нержавеющей стали, внутренний диаметр фурмы 12—15 мм. Начальное содер­жание углерода в стали может быть для ферритных хромистых сталей 2,0—2,5 %, а для аустенитных сталей 1,3—1,7 %. В первые 35 мин сталь проду­вают смесью кислорода и арго­на в соотношении 3 : 1. Во из­бежание перегрева металла в о, конвертер присаживают лом — данной марки стали, ферро­хром и т. п. Затем в течение 9 мин сталь продувают смесью кислорода и аргона в соотно­шении 1:1. В это время кон­центрация углерода снижается до 0,18%. В третьем периоде в продувочном газе еще более уменьшают отношение кисло­рода к аргону до 1:2, продувку продолжают еще 15 мин. За это время содержание углерода снижается до 0,035%. Температура по­вышается до 1720°С. В конце продувки присаживают известь и фер­росилиций для восстановления хрома из шлака. После восстановле­ния шлак, содержащий 1 % Cr2O3, скачивается и после наведения но­вого шлака проводят окончательную продувку аргоном. При этом в шлак переходит сера, ее содержание в металле снижается до 0,010 %.

В результате процесса AOD получают высококачественную не­ржавеющую сталь с низким содержанием углерода, серы, азота, кис­лорода, сульфидных и оксидных неметаллических включений, с вы­сокими механическими свойствами. Для повышения экономичности процесса аргон частично заменяют азотом. Средняя продолжитель­ность продувки составляет 60—120 мин, расход аргона составляет 10—23 м^3/т, кислорода 23 м^3/т. На рис. 82 представлено изменение температуры и состава металла. Степень извлечения хрома состав­ляет 98%.

Метод VOD. Этот метод вакуумно-кислородного обезуглерожи­вания с продувкой аргоном. В основе метода лежит осуществление реакции (C)+(O)=CO, равновесие которой в вакууме сдвигается в правую сторону. Чем ниже парциальное давление СО, тем ниже должна быть остаточная концентрация углерода в стали. При этом создаются благоприятные условия для восстановления оксида хрома углеродом, что позволяет проводить процесс обезуглероживания без заметных потерь хрома со шлаком. Коррозионностойкую сталь вы­плавляют в электропечи с достаточно высоким содержанием угле­рода (0,3—0,5 % ); сталь выпускают в специальный ковш с хромомагнезитовой футеровкой, имеющим в днище фурму для подачи аргона. Ковш устанавливают в вакуумную камеру, откачивают воздух и на­чинают продувку кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму, которую вводят в камеру через крышку. Одновременно производится продувка аргоном через дно ковша. После окончания продувки про­водят присадку раскислителей и легирующих для корректировки со­става. Расход аргона в этом способе значительно ниже чем в AOD (всего 0,2 м^3/т). Получаемая сталь содержит очень низкие концен­трации углерода (0,01 %) при низком содержании азота. Окисле­ние хрома незначительное. Для удаления серы в ковш загружают известь, что позволяет после раскисления и кратковременного пе­ремешивания аргоном снизить концентрацию серы в металле до не­обходимых пределов. По сравнению с процессом AOD этот метод более сложен и применяется для производства сталей ответственно­го назначения с низким содержанием углерода. К достоинствам того и другого процесса следует отнести экономию дорогого низкоуглеро­дистого феррохрома, обычно использовавшегося при получении не­ржавеющей стали в дуговых печах, а также достижение низких со­держаний углерода без значительных потерь хрома.

Индукционные печи и плавка в них.

В настоящее время индукционные печи находят ши­рокое применение в металлургии и машиностроении. В лабораториях используют высокочастотные печи ем­костью от нескольких грамм до 100 кг, в литейных цехах низко- и среднечастотные печи до 2—6 т; наиболее круп­ные печи имеют емкость до 60 т. По сравнению с дуго­выми электропечами в индукционных печах отсутствие электродов и электрических дуг дает возможность полу­чать стали и сплавы с низким содержанием углерода и газов. Плавка характеризуется небольшим угаром ле­гирующих элементов, высоким электрическим к. п. д„ точным регулированием температуры металла.

Недостатком печей является холодный, плохо пере­мешиваемый шлак, что не позволяет так же интенсивно, как в дуговых печах, проводить процессы рафинирования. Стойкость футеровки в печах невысокая.

Основной тип современных высокочастотных или ин­дукционных печей — это печи без сердечника. Такая печь состоит из индуктора-катушки, навитой из медной труб­ки с водяным охлаждением. Внутрь индуктора вставля­ется либо готовый огнеупорный тигель, либо тигель наби­вается порошкообразным огнеупорным материалом. При наложении на индуктор переменного электрического то­ка частотой от 50 до 400 кГц образуется переменное маг­нитное силовое поле, пронизывающее пространство вну­три индуктора. Это магнитное поле наводит в металличе­ской садке вихревые токи.

Устройство индукционных печей

В центре печи помещен индуктор. Он имеет вид соленоида и изготовлен из профилированной медной трубы. По трубе идет вода для ее охлаждения. Внутри индуктора набит огнеупорный тигель. Ток подается по гибким кабе­лям. Печь заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Поворот печи для слива ме­талла осуществляется вокруг оси, расположенной у слив­ного носка. Поворотные цапфы печи покоятся на опор­ных подшипниках станин. Наклон печи проводится при помощи реечного механизма через подвижные шарниры-цапфы или гидроприводом. Небольшие печи накло­няют при помощи тали.

Футеровка печей может быть кислой или основной, набивной или кирпичной. Для набивки используют ог­неупорные материалы различной крупности от долей миллиметра до 2—4 мм. Для основной футеровки применяют порошок магнезита с добавками хромомагнезита и борной кислоты для связки. Кислые смеси готовят на основе молотого кварцита. Набивку тигля ведут послой­но вокруг металлического шаблона, форма которого со­ответствует профилю тигля.

После окончания набивки футеровку спекают и об­жигают. В железный шаблон загружают чугун, вклю­чают ток, металл постепенно разогревается и нагревает футеровку. Затем металл доводят до плавления. В пер­вой плавке расплавляют мягкое железо, что позволяет достичь высокой температуры для обжига футеровки. Крупные печи футеруют фасонным огнеупорным кирпи­чом.

Электрическое оборудование

Индукционные печи питаются током высокой частоты от ламповых генераторов или током средней частоты (2500 Гц) от машинных преобразователей. Крупные пе­чи работают на токе промышленной низкой частоты (50Гц от сети). Эти печи часто служат в качестве миксеров жидкого металла в литейных цехах.

В схему входят машинный генератор, батарея конденсаторов и автоматический ре­гулятор, плавильный контур. Преобразовательный агре­гат состоит из асинхронного электродвигателя, вращаю­щего генератор и динамомашину, которая дает ток в обмотки возбуждения генератора.

Для компенсации реактивной мощности и создания электрического резонанса устанавливают батарею кон­денсаторов. Часть конденсаторов может быть отключе­на для изменения емкостной составляющей. Резонанс бывает при условии ωL=1/ωC (L–коэффициент само­индукции печи, C – емкость конденсатора, ω – угловая частота). Подбирая переменную емкость, можно рабо­тать в условиях, близких к резонансу, т.е. поддерживать cosφ близкий к единице. Автоматический регуля­тор электрического режима поддерживает оптимальную электрическую мощность взаимосвязанным регулированием cosφ, напряжения и силы тока.

Технология плавки ста­ли в индукционной пе­чи.

Плавку проводят на высококачественном ломе с пониженным содержа­нием фосфора и серы. Крупные и мелкие куски так укладывают в тигель или бадью, с помощью которой загружают крупные печи, чтобы они плот­но заполняли объем тигля. Тугоплавкие ферроспла­вы укладывают на дно тигля. После загрузки включают ток на полную мощность. По мере проплавления и осе­дания скрапа подгружают шихту, не вошедшую сразу в тигель. Когда последние куски шихты погрузятся в жид­кий металл, на поверхность металла забрасывают шлакообразующие материалы: известь, магнезитовый поро­шок, плавиковый шпат. Шлак защищает металл от кон­такта с атмосферой, предотвращает тепловые потери. По ходу плавки шлак раскисляют добавками порошка кок­са, молотого ферросилиция. Металл раскисляют куско­выми ферросплавами и в конце алюминием. По ходу плавки дают добавки легирующих. Поскольку угара ле­гирующих практически не происходит, то в индукцион­ных печах можно выплавлять сплавы сложного состава.

Список использованной литературы.

Металлургия черных металлов; Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А.Кальменев