Общие сведения о дуговых печах

Электросталеплавильный способ является основным в производстве качественных и высоколегированных чугунов и сталей. Он обеспечивает получение разнообразных по составу высококачественных чугунов и сталей с низким содержанием вредных примесей: фосфора, серы, растворенных газов.

Выделение тепла в электропечах происходит либо в самом нагреваемом металле, либо в непосредственной близости от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать большую мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких температур, в отдельных случаях вплоть до температуры кипения. Расход тепла и изменение температуры металла при электроплавке достаточно просто поддаются контролю и регулированию.

В отличие от мартеновского и конверторного процессов выделение тепла в электропечах не связано с потреблением окислителя. Поэтому электроплавка может быть осуществлена в любой атмосфере: окислительной, восстановительной или нейтральной, и в широком диапазоне давлений – в условиях вакуума, при атмосферном или избыточном давлении. Изменяя состав атмосферы и давление газовой фазы, можно менять в нужную сторону условия протекания окислительно-восстановительных процессов, производить по ходу плавки вакуумирование металла или насыщать его или иным элементом из газовой фазы.

Электропечь лучше других агрегатов приспособлена для переработки металлического лома. Вся шихта в электропечь может быть загружена в один или два приема, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не вызывает затруднений при ее расплавлении. Период плавления в электропечах значительно короче, чем в мартеновских печах, работающих скрап-процессом.

Недостатками электропечей по сравнению с кислородными конверторами являются меньшая производительность при одинаковой емкости и трудность передела больших количеств жидкого чугуна. Технические характеристики дуговых электропечей представлены в таблице 4.1.

Дуговые электропечи применяют для плавки чугуна и стали (рисунки 25, 26). Печь состоит из стального кожуха, механизма наклона, футеровки (под, стены и свод), электродов и механизма перемещения электродов. Слив металла осуществляется наклоном печи в сторону летки на 40 - 45°.

Футеровка печи состоит из нескольких слоев. Первый слой подины – соприкасающийся с жидким металлом и шлаком – набивкой из огнеупорного порошка. При кислом процессе используют набивку из магнезитового или хромоагнезитового порошка (рисунок 25).

Второй слой подины при кислом процессе выполняют из динаса, а при основном – из магнезита. Последующие слои – из шамота, диатомита и асбеста.

Стены печей выкладывают слоями: первый – из динасового или магнезитового кирпича, второй – из шамотного кирпича, третий – из диатомитового порошка, который, являясь теплоизоляцией, одновременно компенсирует расширение огнеупоров при нагреве и тем самым предохраняет ее кожух от деформации. Вместо огнеупорных кирпичей иногда применяют набивные блоки из кварцевого песка или магнезитового порошка.

При загрузке печей применяют специальные загрузочные корзины.

Таблица 4.1 – Технические характеристики дуговых электропечей

1 – охлаждаемая рама; 2 – доломитовые блоки; 3 – силикатный кирпич; 4 – доломитовый порошок; 5 – шамот; 6 – магнезит; 7 – магнезито-доломитовый порошок

Рисунок 25 – Футеровка 70-т электродуговой печи

1 – элекроды графитовые; 2 – направляющие колонны; 3 – проводники тока; 4 – каретки; 5 – электродержатели; 6 – электродные холодильники; 7 – тросы; 8 – механизм перемещения каретки; 9 – стальной кожух; 10 – набивной под; 11 – выпускное отверстие; 12 – опорные зубчатые рейки; 13 – зубчатые секторы;14 – шарнирная гайка; 15 – съемный свод; 16 – рабочая площадка; 17 – дверка рабочего окна; 18 – шпиндель; 19 – электродвигатель бокового механизма наклона

Рисунок 26 – Дуговая электропечь для плавки черных металлов

Схема электропитания дуговой электросталеплавильной печи представлена на рисунке 27. К цеховым понижающим подстанциям подводят электроэнергию высокого напряжения (35–110 кВ). Это напряжение от высоковольтного распределительного устройства по индивидуальной для каждой печи линии подается к печной подстанции, в которой размещается понижающий печной трансформатор и вспомогательное электрооборудование. Пониженный до 110 – 600В ток подается непосредственно к электрической цепи достигает десятков тысяч ампер, вследствие чего на участке от печного трансформатора до электродов имеют место значительные потери мощности. Для уменьшения этих потерь печную подстанцию максимально приближают к печи, а участок цепи от трансформатора до электродов делают, возможно, более коротким. Поэтому его часто называют короткой сетью печи.

1 – высоковольтное распределительное устройство; 2 – приборы защиты; 3 – высоковольтный кабель; 4 – печная подстанция; 5 – приборы учета и измерения; 6 – ванна печи; 7 – перемешивающий стартер; IP-3P – высоковольтные разъединители (безопасности); IВ – высоковольтный выключатель защиты печи; 2В – оперативный выключатель; IТТ-2ТТ-3ТТ – измерительные высоковольтные трансформаторы тока; IP3-3Р3 – заземляющие разъединители; ТН – трансформатор напряжения; ПТ – трансформатор печной; ПР – низковольтные предохранители

Рисунок 27– Схема электропитания дуговой электросталеплавильной печи

Электрическая схема дуговых электропечных установок включает следующее оборудование:

1- печь с электродами, механизмами и регуляторами мощности печи и ванной, в которой горят дуги и находятся расплавленный металл;

2 - понижающие трансформаторы со встроенными дросселями, служащими для увеличения индуктивного сопротивления сети и улучшения условий горения дуг;

3 - короткую сеть, соединяющую вторичные выводы трансформатора с электродами печи;

4 - коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру, провода высокого и низкого напряжения.

Печной понижающий трансформатор служит для преобразования электроэнергии высокого напряжения в энергию низкого напряжения. Трансформатор состоит из трех обмоток высокого напряжения, выполненных из медного провода относительного небольшого сечения, и трех обмоток низкого напряжения, выполненных из шин большого сечения. На первичной обмотке имеется ряд отпаек от разного числа витков, что позволяет изменять соотношения числа витков первичной и вторичной обмоток и величину вторичного напряжения, которое определяется по формуле:

U₂=U₁∙ ,

где U₂ и U₁ - соответственно, вторичное (выходное) и первичное (подводимое) напряжение;

n₁ и n₂ –число витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток.

Все шесть обмоток связывают между собой три сердечника (магнитопровода). Сердечник трансформатора с обмотками опускают в плотно закрываемый кожух, заполняемый трансформаторным маслом. Масло является хорошим электрическим изолятором и обладает большой теплопроводностью, что обеспечивает отвод от катушек и сердечника. Нагревается трансформатор за счет мощности на активное сопротивление медных обмоток и на перемагничивание сердечника.

В процессе плавки электроды сгорают со стороны дуги, поэтому их приходится периодически наращивать. На рисунке 28 показано соединение электродов при помощи цилиндрического и биконического ниппелей.

а) цилиндрический; б) биконический

Рисунок 28 – Соединение электродов ниппелем

Угольные электроды по сравнению с графитизированными имеют меньшую механическую прочность и более низкую электропроводность. Поэтому их применяют в печах малой емкости до 3 тонн.