Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
4.2 Расчет и проектирование дуговых печей 4.2.1 Футеровка печи Увеличение мощности печей приводит к значительному износу керамической футеровки, росту частоты и стоимости капитальных ремонтов, что снижает производительность печей и повышает себестоимость выплавленной стали. Эффективная реализация идеи сверхмощных печей возможна лишь при замене керамической футеровки водоохлаждаемыми панелями. При внедрении водоохлаждаемой футеровки возникает ряд проблем, главной из которых является обеспечение взрывобезопасности печей. Ее решение достигается отсутствием контакта водоохлаждаемых элементов с расплавленными металлом и шлаком при плавке и сливе и созданием эффективной системы охлаждения, способной снять значительные тепловые нагрузки. Поэтому футеровка стен выполняется комбинированной (рис. 4.7). Нижняя ее часть (откосы), объединенная с подиной, выполняется футерованной хромомагнезитовыми или периклазовыми кирпичами [5]. Ее высота на 380-600 мм превышает уровень шлака, а при приближении к рабочему окну и сливному носку - еще выше. Среднюю и верхнюю части стен покрывают панелями с водяным охлаждением. В результате водоохлаждаемыми панелями заменяют до 65-85% площади боковой поверхности стен печей. Применяемые панели можно разделить на два вида: кессонные и трубчатые. На поверхности панелей привариваются штыри или пластины (ребра), на которых удерживается гарнисаж, образуемый брызгами металла и шлака или создаваемый искусственно с помощью обмазки. Толщина гарнисажа составляет несколько миллиметров и имеет важное значение для снижения тепловых потерь. Ширину и высоту ребер выбирают примерно равными удвоенной равновесной толщине гарнисажной корочки и располагают их с шагом, равным удвоенной высоте. Рис. 4.7. Футеровка сверхмощной дуговой печи 315 Панели кессонного типа имеют сварную конструкцию из листовой стали толщиной 20- 25 мм с внутренними перегородками для направленной циркуляции воды. Трубчатые панели собираются из близко расположенных толстостенных труб, по которым проходит вода (рис. 4.8). Для изготовления трубчатых панелей используются стальные трубы диаметром 70-90, с толщиной стенки 14-16 мм. Обычно на стенах печи устанавливают 9-16 панелей. При этом объем рабочего пространства увеличивается на 10-30%. В последние годы для наиболее напряженных нижних участков стен - против дуг и ниже них (на высоте 350-500 мм), применяются медные панели. Поверхностная плотность тепловых потоков, падающих на панели, достигает 70-120 кВт/м2. Это предъявляет жесткие требования как к конструкции панелей, так и к эффективности системы водяного охлаждения. Последняя работает с расходами воды (6-11) м3/ч на 1 м2 площади стенового элемента при скорости ее истечения 2-6 м/с и рабочей температуре на выходе не более 65 оС. Давление воды в панели составляет 0,3-0,4 МПа, с потерей напора в системе охлаждения 0,1-0,15МПа. Применение водоохлаждаемых стен привело к необходимости изменения конструкции кожуха печи. В настоящее время чаще всего используется корпус каркасного типа. Верхнее кольцо жесткости одновременно играет роль водяного коллектора. Оно соединено с нижним кольцом жесткости трубами или коробчатой конструкцией. Возможны различные способы установки водоохлаждаемых панелей (рис. 4.9). Предпочтение отдается наружному расположению панелей, так как в случае утечки йоды появляется возможность ее отвода за пределы печи. Стойкость панелей кессонного или трубчатого исполнения составляет 1500-6000 плавок, а в отдельных случаях может быть доведена до 8000-9000. Применение трубчатых панелей предпочтительнее, так как в них легче организовать высокую скорость прохождения воды, и они более приспособлены для использования повышенных давлений в системе охлаждения. А это в свою очередь позволяет получить на выходе более высокую температуру воды (до 120 -240°С), что увеличивает возможность ее полезного использования в качестве вторичного энергоресурса. При этом, однако, необходимо производить химическую очистку воды. Рис. 4.8. Водоохлаждаемая стеновая трубчатая панель 316 Рис. 4.9. Способы установки водоохлаждаемых панелей стен: а - над футеровкой откосов; б, в - наружное расположение панелей На дуговых печах с водоохлаждаемыми стенами и сводом появляется возможность увеличения средней мощности и работы на более длинных дугах при пониженных значениях тока. При этом время плавки сокращается примерно на 10%, а следовательно, сокращаются и потери тепла. Кроме того, увеличивается электрический КПД э и снижаются электрические потери во вторичном токоподводе. Однако значительно (в несколько раз) возрастают потери тепла через стены печи особенно на печах малой емкости. В то же время средняя температура поверхности панелей существенно ниже температуры керамической футеровки. Это вызывает снижение температуры отходящих газов и потерь тепла с газами, что в значительной степени компенсирует увеличение тепловых потерь через водоохлаждаемую футеровку и снижает требования к системам газоотсоса и их стоимость. В связи с этим на крупных печах повышения удельного расхода электроэнергии не наблюдается. Высокая стойкость водоохлаждаемых стен дополнительно способствует повышению годовой производительности печей и снижает себестоимость полученной стали. Указанные факторы определяют высокую экономическую эффективность использования на высокомощных печах водоохлаждаемых стеновых панелей. На современных печах управление охлаждением панелей осуществляется микропроцессорными системами, являющимися частью АСУ ТП. Для получения необходимой информации каждая панель снабжена датчиком расхода и температуры воды на выходе. О температуре воды на входе в панель судят по температуре воды коллектора. 317 4.2.3 Водоохлаждаемый свод Внедрение сверхмощных печей поставило задачи повышения стойкости сводов. Эта проблема решается введением в конструкцию свода водоохлаждаемых элементов. На начальном этапе применялись полностью водоохлаждаемые металлические своды плоской конфигурации. Однако при эксплуатации печей выявились их серьезные недостатки. Дуговые разряды и наводки тока приводили к нарушению целостности свода и появлению течи воды , особенно в его центральной части. Современные сверхмощные печи работают с комбинированными куполообразными сводами разнообразных конструкций. Комбинированный свод (рис. 4.10) состоит из трех основных элементов: водоохлаждаемого каркаса, представляющего собой два концентрически расположенных кольца, соединенных радиальными пилонами; съемных водоохлаждаемых панелей с индивидуальной подачей воды, подвешенных к каркасу; центральной керамической части свода, набираемой в собственном опорном кольце. Число сводовых панелей колеблется от 9 до 16. Они могут быть как кессонными так и трубчатыми. Сверху на них кладутся съемные плиты, которые служат рабочей площадкой во время обслуживания свода. Нижняя часть панелей снабжается шипами для удержания огнеупорной набивки, которая в процессе эксплуатации печи обычно дополнительно покрывается шлаковым гарнисажем. На таких сводах площадь водоохлаждения составляет 75-80 %. Рис. 4.10. Комбинированный водоохлаждаемый свод 318 4.2.4 Схема впуска металла Первые сверхмощные электропечи с кирпичной футеровкой стен имели традиционную схему выпуска: через сливной носок при наклоне печи на 45 градусов (рис. 4.11, а), хотя изменившаяся в соответствии с концепцией сверхмощной печи технология плавки не требовала и не предусматривала обработки металла шлаком во время выпуска, а затем с развитием внепечной обработки стали потребовала обязательной отсечки шлака от металла. Традиционная схема выпуска ограничивает размер площади водяного охлаждения стен и требует большего расхода высококачественного огнеупорного кирпича, так как в целях безопасности над выпускным отверстием водоохлаждаемые панели приходится располагать значительно выше, чем в остальной части печи. Печи с так называемым сифонным выпуском (рис. 4.11, б) явились своего рода приложением классической схемы выпуска к сверхмощной печи и новой технологии плавки. Сифонный выпуск позволяет полностью решить проблему выпуска металла из печи без шлака, оставления шлака в печи и работы сверхмощной печи на "болоте", однако не дает существенного выигрыша в смысле упрощения конструкции печной установки и увеличения площади водоохлаждаемых панелей (такие печи установлены на ОЭМК и БМЗ). Для увеличения площади поверхности футеровки, занимаемой водоохлаждаемыми панелями, разработана конструкция дуговой сталеплавильной печи с донным выпуском металла (рис. 4.11, в). Такая конструкция позволяет увеличить площадь водяного охлаждения стен от 70 до 85%. Наклон печи с донным выпуском осуществляют лишь в случае необходимости скачивания шлака на угол до 12°. Это позволяет заметно упростить конструкцию механического оборудования печи, уменьшить длину короткой сети печи. Отверстие в днище печи оформлено при помощи магнезитовой трубы. После полного опорожнения печи перед загрузкой шихты выпускное отверстие закрывается запирающим пневматическим клапаном, расположенным под днищем печи, и заполняется специальным огнеупорным порошком. Перед выпуском плавки клапан открывается, и расплавленная сталь прорывается через спекшийся порошок в верхней части выпускного отверстия. Стойкость магнезитовой трубы примерно 100 плавок. Кроме снижения расхода стеновых огнеупоров, достоинствами такой печи являются быстрый выпуск плавки, уменьшение тепловых потерь печи в это время, уменьшение насыщения металла газами (азотом) во время выпуска, некоторое уменьшение электрических потерь в короткой сети, снижение износа футеровки разливочного ковша. Недостатками такой печи являются невозможность отсечки шлака и оставления его в печи, а также использования очень выгодного режима работы с оставлением части металла в печи на следующую плавку, сложность обслуживания выпускного отверстия печи. В связи с отмеченными недостатками печи с донным выпуском не получили большого распространения, хотя и применяются на зарубежных заводах. 319 С целью устранения отмеченных недостатков в дальнейшем выпускное отверстие постепенно было перенесено из центра подины в специальный выступ (эркер), расположенный в области заднего откоса печи. Уровень выпускного отверстия несколько выше уровня подины печи (см. рис. 4.11, г). Такую печь в зарубежной литературе называют печью с эксцентричным или эркерным выпуском. Как показала практика использования печей с эркерным выпуском, вынесение выпускного отверстия за кожух печи (в эркер) облегчает его обслуживание. Наклон печи при выпуске уменьшается до 10—12°, что позволяет снизить уровень водоохлаждаемых панелей по задней стенке от обычных 400—500 до 250—350 мм с увеличением площади этих панелей по задней стенке от 59 до 84 %, а в целом по печи до 84—89 %. Выпуск стали через донное отверстие в эркере и наличие отдельного шлаковыпускного отверстия позволяют выпускать сталь практически без шлака, а при необходимости оставлять часть металла в печи. Вследствие того, что при выпуске струя металла компактная (не расширяется) и короткая, понижение его температуры составляет лишь 20-35 оС, что приводит к экономии энергии 15-30 кВт·ч/т при ее расходе 510-530 кВт·ч/т. Рис. 4.11. Схема выпуска металла а - традиционная; б - сифонный выпуск; в - донный выпуск; г - эркерный Эркерный выпуск осуществляется следующим образом. Ковш с необходимыми присадками на дне помещают перед выпуском под печь. Затем открывают запорное устройство (рис. 4.12) и выпускают плавку. Во время выпуска (длительностью 2 мин для крупной печи) печь слегка наклоняют в сторону ковша, чтобы обеспечить постоянный уровень металла над выпускным отверстием. Наклон печи автоматически блокируется при достижении требуемого максимального угла наклона 10°. Когда в ковше оказывается необходимое количество металла, печь возвращается в исходное положение, выпускное отверстие при этом остается открытым. Сверху с рабочей площадки печи отверстие 320 промывают струей кислорода. Оставшийся в отверстии застывший металл удаляют снизу. Для этого под печью смонтирована убирающаяся рабочая площадка, позволяющая осматривать и обслуживать выпускное отверстие. Управление запирающим устройством осуществляется с пульта, расположенного внизу под печью. С этого же пульта управляют наклоном печи, присадкой добавок в ковш и движением сталевоза. После обслуживания отверстия затвор закрывают и сверху в. отверстие засыпают огнеупорную смесь. Операция обслуживания выпускного отверстия продолжается не более 3 мин. Срок службы внутренней кладки отверстия составляет 200 плавок. Срок службы графитовых колец, установленных непосредственно на выпуске в нижней части отверстия, 20-30 плавок. Срок службы колец увеличивается, если они изготовлены из смеси магнезита с графитом. Замена футеровки отверстия проводится в течение 2 ч, замена колец на выходе - в течение 20 - 30 мин. Полное опорожнение печи с эркерным выпуском для осмотра и заправки подины осуществляется один раз в неделю. Рис. 4.12 – Эркер дуговой печи: 1 - сводик эркера; 2 - стеновые панели; 3 - футеровка эркера; 4 - выпускное отверстие эркера; 5 - привод запорного устройства Учитывая, что в большинстве случаев печь с эркерным выпуском выгоднее других конструкций, такая печь перспективна для новых отечественных электросталеплавильных цехов. Перевод одной из двух печей БМЗ с сифонного на эркерный выпуск стали улучшил показатели работы. 321 4.2.5 Конструктивные решения элементов токоподвода 4.2.5.1 Кабельные гирлянды Вторичный токоподвод сверхмощной дуговой печи выполняется из обычного набора элементов - шины или трубошины, подсоединяемые к выводам низкого напряжения трансформатора, гибкие кабели и трубошины, располагаемые на рукаве электрододержателя. Наибольшая доля индуктивного сопротивления приходится на гибкие кабели. При токах, достигающих десятки килоампер, растет как сечение, так и число параллельно работающих кабелей. Выбор рационального сечения и количества кабелей в гирлянде определяется рядом обстоятельств. Уменьшение числа параллельных проводников в кабельной гирлянде одной фазы положительно влияет на распределение тока между ними. Поэтому на современных сверхмощных печах гирлянды обычно выполняются из небольшого количества массивных водоохлаждаемых кабелей (не более 4 штук на линейный ток печи) при соответствующем увеличении их сечения. Однако увеличение сечения кабеля связано с изменением его механических характеристик (масса, жесткость), что вызывает существенное усиление электромеханических колебании кабельных гирлянд под действием электродинамических сил . А это, в свою очередь, сказывается на вибрации рукавов электрододержателей и электродов, на флуктуации токов и в результате - на колебании напряжения в энергосистеме. Применяемые на печах малой и средней мощности для крепления кабелей в гирлянде фланцы позволяют добиться стабильности геометрии расположения кабелей в гирлянде одной фазы, но увеличение жесткости гирлянды приводит к увеличению интенсивности раскачивания гирлянд других фаз под действием электродинамических сил. Поэтому конструкция кабеля для сверхмощных печей претерпела изменения (рис. 4.12). Рис. 4.12 Кабель фирмы ERIGO 322 Уменьшения длины и индуктивного сопротивления кабельной гирлянды достигают сдвигом трансформатора в сторону сливного носка на 1-1,5 м. и, что особенно эффективно, применением донного выпуска металла. Для уменьшения жесткости кабеля центральную пружину из нержавеющей стали (в кабелях марки КВС) заменили гибким резиновым сердечником. Кроме того, зарубежными фирмами предлагаются различные варианты для повышения износостойкости рукавов. Фирма ERIGO (Франция) предлагает нанесение на рукава специального защитного покрытия. На печах фирмы DEMAG используются кабели с бамперами. Бамперы изготавливаются из резины и надеваются на кабель через одинаковые расстояния, не превышающие их ширину. 4.2.5.2 Электроды Современные дуговые сталеплавильные печи работают преимущественно на графитированных электродах, ежегодное мировое производство которых превышает 1 млн. т. Расход графита электрода в процессе электроплавки стали определяется качеством электрода и условиями работы дуговой печи. Снижению расхода электродов способствуют уменьшение пористости, повышение плотности, уменьшение содержания золы в электродной массе, снижение удельного электрического сопротивления и увеличение предела прочности электродов. Печи, снабженные трансформаторами обычной мощности, работают на сравнительно небольших токах, до 45 кА, что позволяет использовать сравнительно недорогие электроды обычного качества. Дуговые печи сверхвысокой мощности работают на очень больших токах, до 100 кА. Для таких печей используют специальные высококачественные графитированные электроды, обладающие низким электрическим сопротивлением, более плотные и прочные, способные выдерживать высокие токовые нагрузки и значительные механические усилия, возникающие при работе трансформатора сверхмощной печи, и менее подверженные поломкам. Специальные электроды должны обеспечить допустимую плотность тока 25 А/см2. Технология производства высококачественных электродов для сверхмощных дуговых печей достаточно сложна. Необходимые свойства электродов получают при использовании дорогих высококачественных малозольных шихтовых материалов (главным образом, игольчатого нефтяного кокса), мощного прессового оборудования, пропитки заготовок электродов пековыми связующими, специальной длительной и сложной высокотемпературной обработки (операции графитизации). Высокая стоимость шихтовых материалов и большой расход электроэнергии определяют очень высокую стоимость специальных графитированных электродов для сверхмощных печей (1500-2000 долл. США за 1 т).' 323 В связи с этим в настоящее время затраты на электроды при работе печей обычной мощности для выплавки углеродистых сталей составляют 8% себестоимости стали, при работе сверхмощных печей такие затраты могут превышать 15% себестоимости стали. Для улучшения технико-экономических показателей производства металла большое значение имеют мероприятия по снижению расхода электродов на плавку. Расход электродов зависит не только от их качества, но и от конструкции печи, технологических и режимных факторов плавки, температуры и характера атмосферы печи, качества применяемого лома, марки стали, применения топливно-кислородных горелок и т.д. Суммарный расход электродов на плавку в электросталеплавильном производстве обычно определяют по трем статьям: 1) расход рабочих концов электрода или эрозия торцов электродов (испарение графита в зоне горения дуги и растворение графита в шлаке); 2) расход боковой электродной поверхности (окисление графита с боковой поверхности электродов); 3) промежуточный расход электродов (потери в виде неиспользуемых огарков и вследствие поломок электродов). В хорошо работающей сверхмощной сталеплавильной печи общий расход электродов составил 1,9 кг/т стали [7], при этом расход рабочих концов составляет около 50 %, окисление с боковой поверхности 40% и промежуточный расход 10% общего расхода. При работе печей малой мощности статьи расхода электродов по значениям несколько различаются: расход рабочих концов 30%, окисление с боковой поверхности до 60 % общего расхода электродов. Расход электродов в результате окисления с поверхности зависит от общей площади их поверхности, подверженной воздействию печных газов, химического состава и скорости перемещения газов относительно электродов, температуры поверхности электродов, общей длительности плавки, степени герметизации печи. В общем случае расход электродов в результате окисления с поверхности может быть снижен при повышении качества электродов, рациональной организации и технологии плавки, уменьшении высоты печи и вследствие этого длины электродов, уменьшении по возможности диаметра электрода. В конструкции некоторых дуговых сталеплавильных печей предусмотрена возможность обдува боковой поверхности электрода потоком защитной среды. При этом практически по всей длине электродной свечи создается присоединенный газовый слой, препятствующий доступу кислорода печной атмосферы к поверхности электрода. Этот способ позволяет снизить общий расход электродов в среднем на 36% . |