Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Наиболее благоприятные условия  для нагрева металла существуют в течение первой части периода  плавления. При правильно выполненной  завалке дуги переменного тока очень  быстро прожигают под электродами  колодцы и погружаются ниже уровня не расплавившейся шихты. Температура  металла в это время ниже температуры  кладки стен и свода, поэтому часть  аккумулированного футеровкой тепла  расходуется на подогрев металла. Тепловые потоки в этот промежуток времени  направлены от дуги и от огнеупорной  футеровки к металлу. Хорошее  тепловосприятие холодной шихты  и экранирование огнеупорной  футеровки от излучения дуг не расплавившейся шихтой позволяют работать в этот период на максимальной мощности, обеспечиваемой электрооборудованием установки.

Рис.1 Теплообмен в дуговых электропечах при сильном (а) и слабом (б) экранировании  дуги

На современных мощных электропечах, работающих по прогрессивной  технологии с укороченным технологическим  периодом, установленное электрооборудование  обеспечивает мощность до 500— 1000 кВ-А/т, что позволяет расплавлять завалку за 1,0—1,5 ч. 
После расплавления основной части шихты излучение дуг воспринимается не только металлом, но и футеровкой. 

Параметры рабочего пространства дуговых печей

В идеальном случае геометрия рабочего пространства печи должна обеспечивать минимум тепловых потерь, равномерную  тепловую нагрузку всей поверхности  огнеупорной футеровки и высокую  стойкость футеровки, ее хорошие  условия для протекания процессов  между металлом и шлаком, позволять  осуществлять завалку всей шихты  в один прием при любой насыпной массе лома. Полное выполнение этих противоречивых требований одновременно невозможно. Поэтому форму и размеры  плавильного пространства выбирают такими, чтобы оптимально сочетались требования и технологии, и теплообмена.

Весь плавильный объем дуговой  электропечи делится на три составляющих: ванну, свободное и подсводовое пространство. 

Ванна представляет часть объема, в которой находятся расплавленные металл и шлак. Размеры ванны должны быть такими, чтобы в ней можно было вместить необходимое количество жидких металла и шлака и чтобы при этом оставался еще небольшой (10 — 15%) резерв объема, необходимый для кипения и перемешивания металла. Форма ванны должна обеспечивать минимум тепловых потерь, хорошие условия для протекания физико-химических процессов между металлом и шлаком и для заправки поврежденных участков футеровки печи.

Ванна теряет тепло в основном теплопроводностью  через футеровку. Тепловые потери при  прочих равных условиях пропорциональны  площади теплоотдающей поверхности, т. е. поверхности раздела металла  — футеровка и шлак — футеровка. Минимальную удельную поверхность имеет, как известно, шар, поэтому с точки зрения тепловой работы печи целесообразной формой ванны является сферическая. Однако поддерживать в процессе эксплуатации такую форму ванны трудно, так как магнезитовый порошок, которым после каждой плавки заправляют поврежденные места футеровки по шлаковому поясу, ссыпается под углом примерно 45° (угол естественного откоса магнезита). Поэтому оптимальной формой ванны является сфероконическая с уклоном конической части к горизонтали под углом 45°.

В геометрии ванны важное значение имеет соотношение между глубиной и диаметром «зеркала» металла. Чем меньше глубина и больше поверхность зеркала, тем больше удельная реакционная поверхность металл—шлак, тем быстрее происходит рафинирование металла шлаком. С этой точки зрения ванна должна быть мелкой. Но при одном и том же объеме с уменьшением глубины ванны увеличивается диаметр кожуха и теплоотдающая поверхность печи; соответственно увеличиваются тепловые потери и расход электроэнергии.

Еще сравнительно недавно считали, что высококачественную сталь можно  выплавлять в дуговых электропечах с глубиной ванны до 400— 500 мм. По этой причине рекомендовалось придерживаться отношения диаметра ванны к ее глубине, равного пяти-шести. Однако использование различных методов  интенсификации физико-химических процессов  в печи и внепечное рафинирование  металла синтетическим шлаком, продувкой  аргоном или обработка металла  на установках внепечного вакуумирования позволяют уже сейчас получать высококачественный металл и в крупных электропечах с относительно малой поверхностью раздела металл—шлак. По мере дальнейшего совершенствования процессов внепечного рафинирования и широкого применения методов интенсификации плавки в печи глубина ванны будет, по-видимому, увеличиваться, а отношение диаметра ванны к ее глубине — уменьшаться, приближаясь по величине к отношению, характерному для печей с кислой футеровкой. В кислых электропечах, где удельная поверхность раздела металл—шлак в силу особенностей процесса не имеет такого большого значения, как в основных, это отношение находится в пределах 3,5—4,0.

Диаметр зеркала ванны однозначно определяет и диаметр свободного пространства. Высоту свободного пространства (от зеркала ванны до пят свода) определяют, исходя из необходимости разместить в этом объеме (включая и объем ванны) всю твердую завалку и получить при этом минимум тепловых потерь через боковую поверхность. Высота свободного пространства в значительной мере определяет и интенсивность облучения свода дугами переменного тока, поэтому при определении высоты необходимо исключить опасность чрезмерного перегрева наиболее горячей центральной точки свода.

Удовлетворительное выполнение этих требований соблюдается при отношении HCJDB = 0,4 — 0,5, причем меньшие значения относятся к более крупным  печам. Такое соотношение обеспечивает возможность загрузки в один прием  лома с насыпной массой 1,6 т/м3. Использование  более легковесного лома в электропечах нецелесообразно, так как необходимый  для загрузки лома объем свободного пространства увеличивается в обратной пропорции насыпной массе и резко  возрастает при уменьшении последней  менее 1,6 т/м3.

Стрелу выпуклости свода выбирают из условий получения достаточной  строительной прочности свода в  разогретом состоянии, так как свод постоянно испытывает сжимающие  усилия от распора. Механические напряжения в своде возрастают с увеличением  диаметра свода и уменьшаются  с увеличением стрелы его выпуклости.

В соответствии с этим выпуклость свода в холодном состоянии определяется диаметром свода (диаметром кожуха печи) и коэффициентом теплового расширения огнеупорного материала: чем сильнее расширяется огнеупор при нагреве, тем меньше выпуклость свода в холодном состоянии. При нагревании сильнее расширяются кислые огнеупоры, поэтому для кислых печей принимают hCB = (1/12+ + 1/10), для магнезитохромитового свода hCB = (1/9+ 1/8) DCB. Практически на одном из отечественных заводов стрела выпуклости магнезитохромитового свода принята для печей емкостью 100, 40, 10 и 5 т соответственно 950, 600, 350 и 310 мм. 

Влияние рабочего пространства на стойкость футеровки  дуговых электропечей

Простои печей большой емкости (40—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 дуговых 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.

Рис.1 Точки минимального (а) и максимального 
облучения стен - Разгар дугами футеровки 
дуговой печи

Интенсивность облучения единицы  поверхности футеровки пропорциональна  мощности дуг, косинусу угла падения  луча на облучаемую поверхность и  обратно пропорциональна квадрату расстояния от дуги постоянного тока до облучаемой поверхности.

В трехфазных печах с электродами, расположенными по вершинам равностороннего  треугольника, боковая поверхность  стен облучается неодинаково: максимальное излучение приходится на участки  футеровки, расположенные непосредственно  против электродов, минимальное —  на участки, расположенные между  электродами.

Стойкость футеровки стен в целом  определяется стойкостью наиболее горячих  участков. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы нагрев футеровки был как можно более равномерным. Равномерность нагрева футеровки дуговых печей увеличивается с уменьшением диаметра распада электродов (ds)— 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 расплавленные 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 Л и В, но температура неодинакова и в точках Al А2 и Л3. 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 электрической дуги третьей фазы, которая в свою очередь меньше мощности дуги переменного тока второй 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, о чем подробнее будет изложено дальше. В некоторых случаях, по-видимому, целесообразно просто смещать центр распада электродов относительно центра печи так, чтобы, несмотря на неравномерность выделения мощности в дугах разных фаз, нагрев в точках Alt А2 и А3 был равномерным. Разработана также конструкция печи, у которой диаметр распада электродов изменяется по высоте рабочего пространства и имеет наименьшую величину на уровне порога рабочего окна.

При определенной мощности дуг и  заданном отношении интенсивность  облучения стен дугами можно уменьшить. 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 дуговой  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 в последнее время 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 значительно 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.

Наклон верхней части  футеровки стен внутрь дуговой 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, по-видимому, целесообразно при обратной конусности верхней части кожуха внутреннюю поверхность кладки этого пояса выполнять цилиндрической, используя кирпичи разной длины. 

Особенности службы футеровки дуговых печей

При выборе огнеупорных материалов для футеровки дуговых сталеплавильных  печей необходимо учитывать, что  отдельные участки футеровки  работают в разных условиях. В связи  с этим следует отдельно рассматривать  условия службы огнеупоров подины и  откосов, стен и свода.

Подина и откосы. В течение длительного времени огнеупорная футеровка подины непосредственно контактирует с расплавленными металлом и шлаком. После выпуска плавки и при загрузке холодной шихты происходит резкое охлаждение подины. При загрузке шихты корзиной подина в целом испытывает механический удар, а поверхностный слой подины повреждается врезающимися кусками скрапа.

В период плавления при неудачно составленной завалке, когда под  электродами оказывается легковесная  шихта, электроды могут опуститься до подины прежде, чем на ней образуется достаточный слой жидкого металла. Горящие при тонком слое металла  дуги перегревают и вымывают материал подины, образуя ямы.

Во время плавления и в  окислительный период футеровка  подины насыщается закисью железа. В восстановительный период окислы железа переходят в обратном направлении  — из футеровки подины и откосов  в металл и шлак. Восстановительная  среда после выпуска плавки снова  меняется и становится окислительной.

При сливе и после слива металла  футеровка подины непосредственно  контактирует со шлаком и насыщается им. В значительно большей степени, чем подина, воздействию шлаков при  высоких температурах подвержена футеровка  откосов, поэтому откосы являются наиболее слабым участком футеровки электропечей. Футеровка подины и откосов не только подвержена влиянию указанных  выше факторов, но и сама влияет на ход  процесса в сталеплавильной ванне. Попадающая в шлак окись магния снижает  жидко текучесть шлака, уменьшает его химическую активность. В связи с этим не только увеличивается расход огнеупорных материалов, но и требуется больше времени на рафинирование металла, повышается расход шлакообразующих на нейтрализацию вредного влияния MgO, увеличивается расход электроэнергии.