Дуговая сталеплавильная печь

1.Общая  часть.

 

1.1.Приимущество электронагрева.

        Впервые электропечи, появившиеся в конце XIX века были несовершенными и маломощными. Большие трудности возникали при переплаве твердой шихты вследствие нестабильности горения электрической дуги. С совершенствованием техники трехфазного тока, дуговые электропечи получают дальнейшее развитие.

         Применение электрической энергии в качестве тепла имеет следующие преимущества перед использованием твердых жидких и газообразных видов топлива:

1. Выделение тепла в том месте, где это необходимо, без образования большого количества продуктов сгорания, что позволяет вести процессы при любой атмосфере (окислительной, нейтральной или восстановительной) и при любом давлении (в вакууме, при атмосферном или повышенном давлении)
2. Упрощения конструкций металлургических агрегатов и создание условий налаживания высокомеханизированных и автоматизированных процессов.
3. Наиболее рациональное использование энергетических ресурсов страны, поскольку для получения электричества можно использовать все виды энергии.   
4.      Возможность быстрого нагрева исходных материалов до любой температуры необходимой для проведения металлургических процессов при точном регулировании скорости их нагрева.

         Не менее важным достоинством электропечей является то, что  в них хорошо проводить легирование металла элементами которые имеют большое сродство к кислороду.

 

1.2.Классификация электрометаллургических  печей по признакам.

       По назначению рассматриваемые печи разделяют на:

• ферросплавные - предназначенные для выплавки ферросплавов;
• сталеплавильные – предназначенные для выплавки стали;
• шлакоплавильные – предназначенные для переплава шлака.

Электроплавильная печь является агрегатом, в котором тепло, полученное в результате превращения электрической энергии в тепловую, передается расплавляемому материалу. В связи с этим одним из основных признаков классификации электрометаллургических печей является способ преобразования электрической энергии в тепловую.

 По этому признаку электроплавильные печи делят на:

• дуговые;
• печи сопротивления;
• комбинированные печи;
• электронно-лучевые;
• индукционные.

 

 

        В зависимости от положения  дуги, дуговые электропечи бывают  с закрытой и открытой дугой,  а также прямого и косвенного  нагрева. В печах косвенного нагрева дуга горит между электродами от некоторого расстояния от расплавляемого материала. Большое теплоизлучение от открытой дуги и связанная с этим маленькая стойкость футеровки ограничивают мощность печей косвенного нагрева.

Такие печи иногда используют для плавки цветных металлов и чугуна в литейных цехах. Печи с закрытой дугой используют для рудотермических процессов (производство ферросплавов), где необходимы высокие для обеспечения восстановительных процессов. В дуговых печах прямого нагрева, которые больше всего применяются в сталеплавильном производстве, дуга горит между  вертикально расположенными электродами и нагреваемым материалом. В этих печах ток проходит через металл. В зависимости от направления движения тока печи прямого нагрева различают с проводящей и непроводящей подиной. В печах с непроводящей подиной ток проходит через металл в горизонтальном направлении, а в печах с проводящей подиной, как в горизонтальном, так и вертикальном направлении от верхних электродов к подовым.

      Печи сопротивления. 

Характеризуются выделением тепла в специальных нагревательных элементах или исходных материалах в результате прохождения через  ни электрического тока. В печах  сопротивления косвенного нагрева  нагревательные элементы выполняют  в виде угольных, графитовых электродов, в виде нагревательных трубок.

        Комбинированные печи.

Сочетают нагрев непосредственно  от дуги в результате прохождения  тока чрез нагреваемый материал. К  этому типу печей можно отнести  рудотермические печи с закрытой дугой. Доля тепла, выделяемая в дуге, зависит от характера процесса, значения напряжения, свойств шихтовых материалов и т.д.

        Электроннолучевые печи.

Характеризуются нагревом металла в результате бомбардировки  его электронами. При этом часть  своей энергии электроны передают нагреваемому материалу. Источником электронов служит катод, размещенный в специальной электронной пушке. Электроннолучевые печи используют для производства металлов высокой степени чистоты и  получения высококачественных отливок.

        Индукционные печи.

В этих печах  для качества металла используются токи создаваемые электромагнитной индукцией. По существу индукционные печи являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии  нагреваемому телу. В отличие от печей сопротивления в индукционных печах электрическая энергия превращается сначала в электромагнитную затем снова в электрическую и наконец в тепловую.

Дуговые печи.

Могут быть открытыми  и вакуумными. В вакуумных печах  из рабочего пространства откачивают воздух и газы, создавая этим вакуум. Плазменные печи могут работать как вакуумные, так и с использованием инертных газов.

     

Рисунок 1. Схема  дуговой печи.

1 – электроды; 2 – металл.

 Ферросплавные  печи.

-Рафинировочные  малой мощности до 10,5 МВа.             

-Рудовосстановительные  мощностью более 10,5 МВа. 

По форме  бывают круглые и прямоугольные, по типу открытые, закрытые, герметичные.

       Установки переплавов  бывают: ЭШП, ВДП, ПДП, ЭЛП.

      ЭШП (электрошлаковый переплав) характерной особенностью является отсутствие электрической дуги. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком, к которым подводится разность потенциалов, замыкается через слой шлака. Твёрдый шлак не проводит ток, а в жидком состоянии шлак становится электропроводным, но обладает высоким сопротивлением. На этом участке электрической цепи выделяется много тепла. Металл электрода в виде капель стекает в ванну кристаллизатор и спустя время кристаллизуется в условиях направленного сверху вниз теплоотвода. Электрошлаковый переплав чаще всего осуществляется на воздухе.

                                                      

 

 

  Рисунок 2. Схема ЭШП                                                     

1-расходуемый  электрод; 2-слой шлака; 3-кристализатор; 4-поддон; 5-слиток;    6-жидкий металл.                  

      ВДП (вакуумно-дуговые печи). Эти печи могут работать как с расходуемым, так и не расходуемым электродом.

        Не расходуемый электрод из  вольфрама, графита или карбидов  выполняют функции только проводника тока, проводящего его к зоне горения дуги.

        Вакуумные дуговые печи с расходуемым  электродом широко используют  для получения слитков из тугоплавких  и химически активных металлов, а так же стали и сплавов  на основе никеля.

Рисунок 3. Схема ВДП

1-механизм  подачи электрода; 2-подвод тока  к электроду; 

3-электрододержетель; 4-уплотнение; 5-вакуум – камера; 6- переплавляемый электрод; 7-подвод  тока; 8-кристаллизатор; 9-наплавляемый  слиток;              10-гляделка.

      ПДП (плазменно-дуговые печи) Эти печи оборудованы плазмотронами и делятся на печи с водоохлаждаемыми металлическими кристаллизаторами и с керамическим тиглем.

        ПДП с керамическим тиглем. По конструкции эти печи являются модификацией дуговых сталеплавильных, которые отличаются только тем, что вместо электродов установлены плазмотроны, а для подачи потенциала на нагреваемые металл в подину закладывают подовый электрод. Для уменьшения подсосов воздуха в пространстве печи кожух выполняют герметичным и уплотняют места соприкосновения.

Рисунок 4. Схема  ПДП с керамическим тиглем.

1-плазмотрон; 2-отсос газа; 3-затвор; 4-заслонка  рабочего окна; 5-гляделка;

6-подовый электрод; 7-выпускное отверстие.

        ПДП с водоохлаждаемым кристаллизатором. Эта установка позволяет наплавлять слитки сечением до 450 * 450мм или диаметром до 650мм, длина достигает 2300мм, масса до 5т.

       Плавильня камера установки представляет  собой вакуум плотный резервуар,  состоящий из двух усеченных  конусов соединенных болтами.  К верхнему конусу камеры через изоляционное кольцо крепится заготовка, затем по бокам патрубки для крепления плазмотронов. Плазмотроны располагаются радиально под углом к оси заготовки и кристаллизатору. На нижнем конусе крепится кристаллизатор и камера слитка с механизмом вытягивания и разгрузки слитков. Подъем и опускание камеры со слитком осуществляется с помощью четырех гидроцилиндров.

Рисунок 5. Схема ПДП с водоохлаждаемым кристаллизатором.

1-электрододержатель; 2-стальниковое уплотнение; 3-переплавляемый  расходуемый электрод; 4-плазмотроны; 5-источник тока; 6-механизм перемещения поддона; 7-наплавляемый слиток; 8-кристаллизатор.

  ЭЛП (электроннолучевые печи) Принцип работы установки ЭЛП состоит в том, что пучок электронов большой мощности бомбардирует исходную металлическую шихту. Металл расплавляется и заполняет медный водоохлаждаемый кристаллизатор. ЭЛП оборудована электронной пушкой, в которой массивный вольфрамовый катод, выполненный в виде диска, нагреваемого в результате бомбардировки электронами от вспомогательного катода, для чего между основным и вспомогательным катодами создается разность потенциалов то 3 до 5 кВт.

 

Рисунок 6. Схема ЭЛП

1-электроннолучевая  пушка; 2-электронный пучок; 3-переплавляемая  заготовка; 

4-механизм  подачи заготовки; 5-кристаллизатор; 6-наплавляемый слиток;

7-механизм  вытягивания слитка; 8-отсос газа; 9-гляделка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Специальная  часть

 

2.1.Выбор и обоснование типа  и конструкции электросталеплавильной  печи для производства нержавеющих  сплавов.

 

Опыт эксплуатации печей с выкатывающимся корпусом показал, что для таких печей требуется большая площадь для размещения опускающейся площадки и большое число механизмов и металлоконструкций, что увеличивает массу и стоимость установки, вызывает частые неполадки в работе механизмов для выкатывания корпуса и опускания площадки.

В последние  годы перешли к более широкому использованию печей в основном с отворачивающимся сводом. Главным преимуществом, которых является:

• экономия производственной площади;
• отсутствие тяжелого портала;
• отсутствие опускающихся площадок.

Современные ДСП имеют гидравлический привод всех основных механизмов. Печи оборудованы  мощными трансформаторами, что позволяет  осуществлять быстрое расплавление шихты.

 

2.2.Схемы и описания основных  механизмов и элементов печи.  

 

Печь оборудована следующими механизмами  и элементами:

• корпус;
• свод;
• опорную конструкцию;
• механизм наклона;
• электрододержатель;
• механизм передвижения электродов;
• вспомогательные механизмы и устройства;
• систему удаления и очистки газов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7. Дуговая сталеплавильная печь.

1 – электрододержатель; 2- электрод; 3 – газоотборный патрубок;

4 – кронштейн; 5 – содовое кольцо; 6 – корпус; 7 – опорная тумба; 8 – опорная конструкция; 9 – гидроцилиндр  механизма наклона; 10 – статор  электромагнитного перемещения; 11 - гидроцилиндр механизма подъема свода; 12 - гидроцилиндр механизма поворота свода; 13 - - гидроцилиндр механизма передвижения электродов; 14 – опорно-поворотный вал,

15 – Г-образная стойка; 16 – гибкие  кабели; 17 – трубошины; 18 – сливной желоб; 19 – фундаментная балка; 20 – опорный сегмент; 21 – рабочее окно; 22 – песчаный затвор; 23 – уплотнитель электродного отверстия в своде.

Корпус   

Корпус, футерованный изнутри, формирует рабочее пространство ДСП, На корпус действуют различные механические нагрузки:

статическая — от веса футеровки и металла, динамическая — при загрузке металлошихты через верх печи, термические напряжения вследствие неравномерного нагрева  корпуса до 375—475К, давление футеровки подины и стен вследствие ее теплового расширения во время плавки. Поэтому корпус ДСП должен быть достаточно жестким

и прочным.

Корпус ДСП  включает днище, кожух, песчаный затвор, рабочее окно, сливное окно (летка) и сливной желоб (носок).

 

Днище может быть сферическим или коническим. Сферическое днище придает корпусу наибольшую жесткость. Однако отношение стрелы выпуклости днища к его диаметру ограничено (не более 0,1):

чем больше кривизна, тем труднее изготовить сферическое  днище. Поэтому откосы ванны приходится располагать в цилиндрической обечайке верхней части составного днища, что увеличивает объем

футеровки.

 

Коническое днище и особенно днище с двойным конусом легче в изготовлении, чем сферическое, создает достаточную жесткость корпуса, требует наименьшего объема футеровки вокруг откосов ванны. Такая форма днища позволяет получить наибольшее подобие между профилем ванны металла и статора для электромагнитного перемешивания, полнее использовать магнитный поток последнего и правильно организовать движение жидкого металла.