Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Для рабочего окна и сливного отверстия  в кожухе печи предусматривают два  выреза, которые для усиления кожуха обрамляют сварными или литыми рамами. Нижнюю часть рабочего окна выполняют  в виде литого или сварного металлического порога, который футеруют магнезитовым кирпичом и в процессе работы подваривают  заправочным магнезитовым порошком или дробленым обожженным доломитом.

Наиболее рациональной формой днища  является сферическая. Сферическое днище состоит из двух половин, соединенных между собой болтами. На электропечах, оборудованных механизмами электромагнитного перемешивания металла, днище изготавливают из немагнитной стали, так как обычная сталь, являясь магнитным экраном, значительно ослабляет магнитное сцепление между статором перемешивающего устройства и ванной. Коэффициенты теплового расширения немагнитной и обычной стали неодинаковы, поэтому сварка их недопустима. В этом случае днище крепится к кожуху болтами.

К нижней части кожуха приваривают  кольцевой опорный брус, которым  кожух опирается на четыре или  восемь тумб с опорными и упорными роликами. Тумбы устанавливают на раме двухсекторной люльки, опирающейся секторами на металлические фундаментные балки. Сдвиг люльки при наклоне печи предотвращается шипами, входящими при наклоне в отверстия фундаментных балок.

Сварное водоохлаждаемое сводовое кольцо имеет в поперечном сечении  форму прямоугольной трапеции. Такая  конструкция кольца позволяет выполнять  футеровку свода без специального пятового кирпича.

К нижней поверхности сводового  кольца приваривают кольцевой нож, входящий при опускании свода  в кольцеобразный желоб, приваренный  к верхней части кожуха и заполненный  магнезитовым порошком или мелким песком. Этим достигается герметичность  соединения свода с кожухом. В  своде печи имеются отверстия  для установки патрубка системы  газоотсоса и для ввода кислорода  через сводовую фурму.

Электрододержатели предназначены  для удержания электродов на заданной высоте и для подвода к ним  электрического тока. Конструкция электрододержателей должна удовлетворять ряду требований. Для уменьшения электрических потерь в контакте и предотвращения проскальзывания электродов конструкция электрододержателей должна обеспечивать плотный зажим электродов. Электрододержатели должны быть достаточно жесткими, чтобы не прогибаться под действием силы тяжести электродов и исключить возможность вибрации. При длине дуги в несколько сантиметров вибрация или перемещение электрода на несколько миллиметров существенно влияют на стабильность горения дуги.

Рис.1 Электрододержатель; 
1 - электрод, 2 - рукав, 3 - токопровод, 
4 - подвижная стойка, 5 - неподвижная стойка, 
6 – привод

Электрододержатель состоит из головки, зажимающего устройства, рукава, каретки или телескопической  стойки, жесткой части вторичного токоподвода и механизма перемещения  электрододержателя состоит из двух, выполняющих разные функции, частей: механически прочного держателя  и токоподводящего устройства с  возможно более малым электрическим  сопротивлением. На печах ДСП-100 подвод тока к поверхности электрода  осуществляется бронзовой водоохлаждаемой  щекой, к которой электрод прижимается  хомутом из немагнитной стали.

На печах средней  емкости электрод зажимается в неподвижном  хомуте перемещением токоведущей щеки. Токоведущие щеки изготовляют из красной меди, хромистой бронзы (1 % Сr) или латуни (80% Сu, 20% Zn). Поверхность контакта должна обеспечивать плотность переменного тока в контакте, не превышающую допустимых значений. В частности, для контакта медь — графит рекомендуется, чтобы плотность тока не превышала 2,6 А/см2. 

Системы опор печи на фундамент

Печи небольшой емкости с  загрузкой шихты мульдами устанавливают  на опорных секторах, которые крепят непосредственно к кожуху печи.

При загрузке сверху печь монтируют  на несущей люльке, которая опирается  на секторы. Портал может крепиться  на люльке вместе с печью или опираться  на отдельные секторы. В зависимости  от схемы опор на фундамент печи с загрузкой сверху подразделяют на четыре типа:

1. Печи с выкатным корпусом. В печах этого типа механизмами, укрепленными на портале, свод приподнимается, а корпус печи с помощью гидравлического или электромеханического привода, расположенного на фундаменте, выкатывается в сторону печного пролета под загрузку или для ремонта футеровки печи. Портал печей такого типа опирается на два отдельных сектора.

2. Печи с откатным порталом, который перемещается для загрузки или ремонтных целей либо в сторону печного, либо в сторону разливочного пролетов. Откат портала осуществляется с помощью электромеханического привода по специальным рельсам — направляющим. В печах такого типа портал опирается на общую люльку.

3. Печи с наклоняющимся сводом. Приподнятый свод наклоняется вместе с порталом в сторону разливочного пролета. Для этого портал должен опираться на один или два сектора, независимых от печи.

4. Печи с отворачивающимися сводами. Приподнятый свод вместе со стойками и полупорталом поворачивается в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси на 80—90°, открывая рабочее пространство. В этом случае полупортал монтируют на люльке вместе с печью или он опирается на отдельный сектор.

Рис.1 Системы опор дуговой печи на фундамент

В зарубежной практике последних лет  электросталеплавильные печи строят только с поворотным сводом. В СССР получили распространение в основном печи с выкатным корпусом (серия ДСВ) и с поворотным сводом (серия ДСП). В шестидесятых годах и у нас в стране взят курс на строительство дуговых печей преимущественно с поворотным сводом. Поэтому в дальнейшем при изложении материала основное внимание будет уделяться главным образом печам серии ДСП.

По емкости все электропечи  условно подразделяют на печи малой, средней, большой емкости. В серии  ДСП печи емкостью 12,25 и 50 т относят  к печам средней, а печи 100 и 200 т — к печам большой емкости.

Для удобства организации  работ в цехе дуговые электропечи  изготавливают в левом или  правом исполнении, что позволяет  группировать вспомогательное оборудование на две печи. Исполнение печи определяется расположением токоподвода от шин  трансформатора до электрододержателей, если смотреть на печь со стороны сливного желоба.

Экономайзеры  дуговых печей

Через зазоры между электродами  и огнеупорной кладкой свода  из дуговой печи печи выходят печные газы, нагретые до высокой температуры. Если не принимать специальных мер по уплотнению этих зазоров, то цех окажется загазованным и в то же время из печи с газами будет уноситься много тепла. Это увеличит расход электроэнергии, приведет к подсосу в печь холодного атмосферного воздуха через рабочее окно. В результате атмосфера в печи может стать окислительной, что затруднит проведение восстановительных процессов.

Особенно сильно газы, выбивающиеся через неплотности у электродов, влияют на расход электродов: за счет тепла газов и вследствие передачи тепла теплопроводностью от погруженной в печь части электрода его выступающая над сводом часть разогревается до температуры, превышающей 500° С, и интенсивно окисляется. При этом непосредственно у свода электрод быстро утоняется и в этом сечении возрастают плотность тока и потери на сопротивление, что вызывает прогрессирующий разогрев электрода и его окисление.

Для предотвращения интенсивного окисления электродов, понижения  температуры выступающей над  сводом части электродов, уменьшения количества проходящего через дуговую  печь воздуха и уменьшения тепловых потерь с газами электродные отверстия  уплотняют при помощи специальных  устройств — экономайзеров.

На заводах опробован ряд  конструкций уплотнителей, однако единой общепризнанной до сих пор нет. Одни экономайзеры не обеспечивают необходимую  герметичность уплотнения, другие не находят широкого применения вследствие сложности конструкции.

Наиболее простой конструкцией уплотнителя для электродных  отверстий на печах с большим  диаметром электрода (ДСП-100) является экономайзер Ново-Липецкого металлургического  завода, представляющий собой металлическую  коробку, в которую тангенциально  подается сжатый воздух. На других заводах  электродные отверстия печей  ДСП-100 герметизируют уплотнителями  из огнеупорного кирпича, заключенного в металлическую обойму. 
На печах средней и малой емкости применяют водоохлаждаемые экономайзеры в виде змеевика, кольца или цилиндра. Экономайзер конструкции Златоустовского металлургического завода состоит из водоохлаждаемого цилиндра, в верхней части которого имеются затягивающие секторы из жаропрочной стали, плотно прилегающие к электродам. Секторы установлены на асбесто-цементной изолирующей прокладке между фланцами. Для зажима секторов служат грузики. Нижний фланец изготовлен вместе с водоохлаждаемым цилиндром; верхний фланец крепится к нему болтами через изолирующие втулки. Уплотнения в собранном виде устанавливают на теплоизолирующее кольцо свода. Для разгрузки свода предусмотрен противовес, опора которого закреплена на листе между балками портала.

Внедрение экономайзеров этой конструкции  позволило уменьшить расход электродов на 30—35% и на 25% снизить угар легкоокисляющихся  легирующих элементов (алюминия, титана).

Однако экономайзер конструкции  Златоустовского завода сложен в  изготовлении. Применение экономайзеров  змеевикового типа приводит к большим  тепловым потерям, частым прогораниям и попаданию воды в рабочее пространство дуговой печи. Более просты и надежны в эксплуатации экономайзеры с уплотнением из шлаковой ваты и огнеупорной глины, но пользование ими из-за большой механической нагрузки на свод несколько снижает его стойкость.

Большое значение имеет способ установки  экономайзеров. Погруженные в зазоры между электродами и сводом холодильники охлаждают не только электрод, но и  свод, благодаря чему увеличивается  стойкость свода. Однако глубоко  погруженный экономайзер может  соприкасаться с сильно нагретым слоем свода, а при высоких  температурах хромомагнезитовые и  магнезитохромитовые огнеупоры  электродопроводны. Чтобы уменьшить  опасность прогорания холодильника, электродные отверстия выкладывают  высокоглиноземистым кирпичом, сохраняющим  большое электрическое сопротивление  и при высоких температурах; экономайзеры погружают в зазоры не на всю толщину  свода, а лишь на часть ее.

Масса экономайзера с водой  может достигать нескольких сотен  килограммов. Чтобы разгрузить свод, холодильники целесообразно подвешивать  к сводовому кольцу или к специальным  балкам. 

Выкат ванны ДСВ

Механизм выката ванны предназначен для выката ванны печей серии ДСВ в сторону печного пролета для загрузки шихты бадьей. Этот механизм представляет собой гидроцилиндр, жестко закрепленный на фундаменте печи между опорными секторами, шток которого шарнирно соединен с опорами секторов печи. Для защиты гидроцилиндра от брызг металла и шлака сверху его накрывают металлическим кожухом.

Выкат ванны осуществляется по рольгангу, на который устанавливают секторы  печи. Передняя часть рабочей площадки, мешающая выкату, опускается при помощи специального механизма и вместе с печью откатывается, заходя под  остающуюся часть рабочей площадки. Масса перемещаемых частей печи с  выкатным корпусом после загрузки шихты составляет сотни тонн, в связи с чем требуется применение мощной тележки, массивных и длинных фундаментов. Отодвигаемая часть рабочей площадки и фундаменты загромождают пространство под рабочей площадкой и затрудняют уборку шлака. Портал должен опираться на два индивидуальных сектора, а для наклона печи опорные секторы печи и портала должны жестко соединяться с помощью замковых устройств.

В последнее время предпочтение отдают более простым и более  удобным в эксплуатации печам  серии ДСП, у которых рабочее  пространство для загрузки шихты  сверху открывается, для чего поднимается  и отворачивается в сторону свод.

Механизм подъема свода дуговой  печи ДСП-100 состоит из двух электродвигателей, двух червячно-винтовых редукторов, промежуточного вала и двух систем соединения редукторов с цепями подъема свода. Свод на цепях  Галля подвешен в четырех точках к Г-образному полупорталу. Каждая из цепей перекинута через два блока с выступами для цепей. Средние части цепей, не перемещающиеся по блокам, заменены пластинчатыми тягами. Регулировка натяжения цепей и величина подъема свода над кожухом осуществляются с помощью стяжных гаек.

При включении контроллера  подъема свода одновременно приходят в движение оба двигателя. Двигатели  через зубчатые муфты передают вращение однозаходным червякам редукторов. Червяки  передают крутящий момент червячным  колесам, в ступицах которых закреплены бронзовые гайки. Вращаясь, гайки  опускают вниз винты, вращение которых  предотвращается шлицами, нарезанными  на верхней части винтов и входящими  в пазы шлицев на втулке верхнего стакана. При движении вниз винты редукторов увлекают за собой рычажно-цепную систему, перекинутую через блоки, к концам которой при помощи подвесок подвешен свод. Свод поднимается со скоростью 0,85 м/мин. Опускание свода происходит при включении двигателей в обратную сторону.

рис. 1 Механизм выката ванны; 
1 - балка, 2 - рама, 3 - гидроцилиндр, 4 - упор, 5 - ролик.

На печах серии ДСВ подъем свода осуществляется при помощи гидроцилиндра, расположенного вертикально  на боковой стороне портала.

На печах средней емкости  серии ДСП свод подвешен к несущей  траверсе, состоящей из полупортала  и шахты. Траверса цепей к сводовому  кольцу во время плавки четырьмя коническими  штырями сочленяется с двумя  опорными тумбами из листовой стали, установленными на люльке печи со стороны  трансформатора.

Траверса вместе со сводом поднимается  гидравлическим цилиндром одностороннего действия с помощью толкателя, перемещающегося  в текстолитовых подшипниках  корпуса, установленного на отдельной  фундаментной раме. Поднимаясь толкатель своей верхней конической частью и боковым упором входит в сочленение с коническим гнездом и наклонной опорной накладкой шахты и поднимает вверх траверсу.

Механизм поворота свода. Открывание рабочего пространства печей ДСП  для загрузки шихты осуществляют отворотом свода в сторону  разливочного пролета на угол 80—85°.

Полупортал дуговой печи ДСП-100 опирается на поворотную консольную площадку, которая в свою очередь  опирается на вертикальный вал диаметром 750 мм, вращающийся в двух радиальных роликовых подшипниках и опирающийся  на шариковый упорный подшипник. На валу закреплен стальной сектор с коническими зубьями, находящимися в зацеплении с зубьями шестерни, насаженной на выходной вал трехступенчатого редуктора. Поворот вала со скоростью 0,44 об/мин осуществляется электродвигателем. На отворот свода требуется 30 с. В положении, когда свод находится над ванной печи, поворотный вал фиксируется стопорным устройством.