Характеристика электродуговых печей

Алан-э-Дейл       01.05.2022 г.

Кислородные элементы

Печи переменного тока обычно имеют рисунок горячих и холодных пятен по периметру очага, расположенных между электродами. В современные устанавливают кислородно-топливные горелки в боковой стенке. Используют их для подачи химической энергии в минусовые зоны, что делает нагрев стали более равномерным. Дополнительная сила обеспечивается путем подачи кислорода и углерода в печь. Исторически это делалось при помощи копий (полых труб из мягкой стали) в дверце шлака, теперь это в основном делается при помощи настенных инжекционных блоков, которые объединяют кислородно-топливные горелки и системы подачи воздуха в один сосуд.

Современная сталелитейная печь среднего размера имеет трансформатор с номинальной мощностью около 60 000 000 вольт-ампер (60 МВА), со вторичным напряжением от 400 до 900 и током, превышающим 44 000. Ожидается, что в современном цехе такая печь произведет 80 метрических тонн жидкой стали примерно за 50 минут от загрузки холодного лома до выпуска.

Для сравнения, основные кислородные печи могут иметь мощность 150–300 тонн на партию или «нагревать» и выделять тепло в течение 30–40 минут. Существуют огромные различия в деталях конструкции печи и ее эксплуатации, в зависимости от конечного продукта и местных условий, а также от проводимых исследований для повышения эффективности установки.

Самая большая, предназначенная только для лома (с точки зрения массы ответвления и номинальной мощности трансформатора), представляет собой устройство постоянного тока, экспортированное из Японии, с массой отвода 420 метрических тонн и питаемое восемью трансформаторами 32 МВА для общей мощности 256 МВА.

Для производства тонны стали в электродуговой печи требуется приблизительно 400 киловатт-часов на короткую величину или около 440 кВт-ч на метрическую. Теоретическое минимальное количество энергии, необходимое для плавки стального лома, составляет 300 кВт-ч (температура плавления 1520 °C / 2768 °F). Поэтому для 300-тонного ЭДП мощностью 300 МВА потребуется около 132 МВтч энергии, а время включения составляет приблизительно 37 минут.

Производство стали с использованием электрической дуги экономически выгодно только при наличии достаточного количества электроэнергии с хорошо развитой сетью. Во многих местах мельницы работают в непиковые часы, когда коммунальные услуги имеют избыточную мощность производства, а цена на счетчик ниже.

Напряжение

После зарядки крыша откидывается над печью и начинается расплавление. Электроды опускаются на металлолом, возникает дуга, и затем они устанавливаются так, чтобы растекались в слое крошки в верхней части устройства. Низкие напряжения выбираются для этой операции, чтобы защитить крышу и стены от чрезмерного нагрева и повреждения от дуг.

Как только электроды достигли тяжелого расплава в основании печи и волны экранированы ломом, напряжение может быть увеличено, а электроды немного подняты, удлиняя и увеличивая мощность для расплава. Это позволяет более быстро образовывать расплавленную ванну, сокращая время отводов к выпуску.

Кислород выдувается в металлолом, сжигает или разрезает сталь, а дополнительное химическое тепло обеспечивается настенными горелками. Оба процесса ускоряют расплавление вещества. Сверхзвуковые форсунки позволяют кислородным струям проникать в пенящийся шлак и достигать жидкой ванны.

1.1 Конструкция ДСП

Дуговые сталеплавильные печи работают на трехфазном
токе частотой 50 Гц. Они имеют чашеобразную форму; стенки печи выполнены из
огнеупорного кирпича — магнезитового, если применяется основной шлак, и
динасового, если шлак кислый (некоторые печи для фасонного литья). Дно ванны печи
выполняют набивным из огнеупорного порошка, смешанного с каменноугольной смолой
или жидким стеклом, чтобы создать слой, не проницаемый для жидкого металла.
Сверху печь перекрывается сферическим огнеупорным сводом с тремя расположенными
по вершинам правильного треугольника, отверстиями, через которые в печь входят
три графитовых электрода. Электроды зажаты в бронзовых или стальных
электрододержателях, рукава которых закреплены на стойках, перемещающихся вверх
и вниз в направляющих при помощи электродвигателей или гидравлических
механизмов. Ток подводится к электрододержателям от специального трехфазного
понижающего трансформатора с помощью медных шин, трубошин и гибких кабелей.
Дуги горят между концами электродов и металлом шины, который электрически является
нулем трехфазной звезды нагрузки. Перемещением электродов вверх и вниз можно
регулировать длину дуги, а с ней ток и мощность каждой фазы печи, устраняя
колебания тока, короткие замыкания и обрывы дуги. Кроме того, для регулирования
режима печи применяют изменение
питающего печь напряжения, для чего обмотка электропечного трансформатора
снабжается большим числом отводов. Переключение с одной ступени напряжения на
другую на печах небольшой емкости производят при выключенном трансформаторе, а
на мощных печах — с помощью специального переключателя ступеней без отключения
печи от сети.

Футеровка печи находится в прочном стальном кожухе, в
котором прорезаны одно рабочее окно, прикрываемое подъемной дверцей, и
отверстие для летки со сливным носком, через которое производят по окончании
плавки слив металла в ковш. Рабочее окно служит для наблюдения за состоянием
ванны и футеровки, для заправки (исправления) подины и стен, для заброса в печь
образующих шлак материалов и легирующих добавок и взятия пробы металла. Кроме
того, через рабочее окно, находящееся против сливного носка, осуществляют
скачивание шлака в шлаковницу, при этом печь наклоняют в сторону окна.

К нижним конструкциям печи прикреплена шахта с
направляющими роликами, в которых перемещаются вертикально стойки печи, несущие
электрододержатели с зажатыми в них электродами. Внизу кожух печи покоится на
двух секторах, которыми он опирается на горизонтальные площадки или систему
роликов. Механизм наклона печи осуществляет качение секторов по площадкам или
роликам, тем самым, наклоняя всю
печь со стойками и электродами на 40-45° в сторону слива металла в ковш и на
15° в сторону рабочего окна (при скачивании шлака). Привод механизма наклона
печи может быть электромеханическим или гидравлическим.

Для загрузки печи свод ее приподнимают и отворачивают
вместе с электродами специальными механизмами в сторону, оставляя ванну печи
открытой. Шихту загружают в загрузочную бадью, они устанавливается креном над
печью, дно бадьи раскрывается, и шихта падает в печь.

Крупные ДСП снабжают устройствами для
электромагнитного перемешивания металла в ванне. Для этой цели под дном печи
(днище выполняется при этом из магнитной стали) устанавливают статор, создают
бегущее магнитное поле. Увлекаемый полем металл перемешивается, что обеспечивает
выравнивание состава и температуры ванны. Кроме того, вызванное устройством
движение верхнего слоя металла в сторону рабочего окна облегчает скачивание
шлака. Для увеличения глубины проникновения магнитного пола в металл и
увеличения эффективного движения последнего статор питают током пониженной
частоты (0,4-0,6 Гц) от специального электромашинного или полупроводникового
преобразователя. Таким образом, ДСП является большим и сложным плавильным
агрегатом, снабженным рядом механизмов и быстродействующей системой
автоматического регулирования электрического режима.

Общее описание дуговой электропечи

Раскалённые электроды

Загрузка материала в печь

В обозначении дуговой сталеплавильной печи, как правило, присутствует её ёмкость в тоннах (например, ДСП-12). Диапазон печей варьируется от 1 до 400 тонн. Температура в ДСП может достигать 1800 °C.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) состоит из плавильной ванны (рабочего пространства), регулятора мощности дуги и вспомогательных технологических механизмов, позволяющих открыть (закрыть) свод печи, собрать шлак и выпустить расплавленный металл.

Регулирование мощности электрической дуги производится программно-адаптивным регулятором, который с помощью привода перемещает электроды в вертикальной плоскости. Известны регуляторы электрической дуги с электромеханическим приводом, которые вследствие своей инерционности не получили большого распространения и сейчас практически полностью вытеснены регуляторами с электрогидравлическим приводом.

Как правило, ДСП имеет индивидуальное электроснабжение через так называемый «печной» трансформатор, подключённый к высоковольтной линии электропередач. Мощность трансформатора может достигать 300 МВА. Его вторичное напряжение находится в пределах от 50 до 300 В (в современных печах до 1200 В), а первичное от 6 до 35 кВ (для высокомощных печей до 110 кВ). Вторичное напряжение регулируется при помощи ступенчатого переключателя, который сохраняет свою работоспособность также и в режиме плавки.

Плавка стали производится в рабочем пространстве печи, которое ограничено сверху куполообразным сводом, снизу и с боков, соответственно, сферическим подом и стенками, кожух которых изнутри выложен огнеупорным материалом. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, или, как и стенки печи, может быть сделан из водоохлаждаемых панелей. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие графитовые электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным электрическим током, также существуют печи постоянного тока. Современная мощная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для плавки шихты и получения жидкого полупродукта, который дальнейшей обработкой доводят до требуемого химического состава.

Особенности применения индукционных печей

Индукционная печь — часть индукционной установки, включающая в себя индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и др.

Индукционная тигельная печь (индукционная печь без сердечника), представляет собой плавильный тигель цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока.

Футеровка индукционной плавильной печи должна обладать следующими свойствами:

  • высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью;
  • высокой термостойкостью;
  • высокой механической прочностью;
  • минимальной толщиной.

Конструктивная схема индукционных печей имеет свои особенности, которых нет в других конструкциях печей.

Передача электрической энергии к нагреваемому объекту происходит без контакта с электроустановкой.

Выделение тепла происходит непосредственно в месте нагрева, что позволяет максимально использовать энергию образующегося тепла.

Высокая скорость нагрева объекта, помещенного в индуктор.

Индукционные печи для плавки металлов значительно меньше потребляют электроэнергию.

Так как этот метод нагрева происходит непосредственно в среде металла, это позволяет получать их сплавы различных марок и свойств фактически не имеющих примесей и получать отливки равномерные по химическому составу.

В индукционных печах можно плавить различные типы металлов, это стали различных марок, высококачественный чугун, цветные металлы.

Особенность конструкции нагревателей, это малая масса футеровки индукционной печи по сравнению с массой металла, в связи, с чем снижается тепловая энергия печи, позволяет производить плавку периодически, что исключается в печах других конструкций.

К недостаткам индукционных печей можно отнести следующие факторы:

  • дорогое и сложное в изготовление электрическое оборудование;
  • наличие «холодных» шлаков, которые затрудняют процесс рафинации металла, этот метод термообработки используется при изготовлении высококачественных сталей;
  • от резкого перепада температур, низкая долговечность футеровки.

Применение индукционных нагревательных печей позволяет автоматизировать процессы плавки, получать высоко легирующие металлы, обеспечивать хорошие условия труда для обслуживающего персонала. К тому же максимально снижается загрязнение окружающей среды.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла (SiO2). Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.

В таких печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.

В печах можно получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды.

При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.

Принцип работы

Как функционирует индукционное оборудование:

  1. Принцип работы основан на действии трансформатора. Конструкция имеет специальный индуктор, который отвечает за первоначальную обмотку.
  2. При подаче напряжения индуктор охлаждается водой, чтобы оборудование могло работать длительное время без перерывов.
  3. В тигель загружается металл, который нужно расплавить. Расходный материал является нагрузкой и второй трансформаторной обмоткой.
  4. При работе индуктора создается электромагнитная зона. Металл начинает нагреваться под воздействием напряжения до максимальной температуры.

Принцип работы сталеплавильных электродуговых агрегатов

Основной функцией дуговых печей является выделение тепла дуге, за счет высокого скопления электроэнергии. Благодаря этому выполняется плавка металла со значительной скоростью нагрева.

Гореть дуга может как в парах перерабатываемого материала, так и в обычной атмосфере. Самыми востребованными в промышленной сфере являются электродуговые сталеплавильные печи. Для производства стали расходуется вторичное сырье – лом. Процесс его расплавки состоит из нескольких этапов:

  • подымается свод;
  • загружается в печь шихта с помощью специального крана;
  • свод закрепляется на место;
  • подается электрическое питание на электроды;
  • электропроводники касаются загруженного в агрегат лома;
  • образуется межфазное замыкание;
  • срабатывает автоматический подъем держателей с электродами;
  • происходит загорание электрической дуги.

Таким образом, начинается работа печи, которая происходит при высокой температуре мощности. Состоит она из таких основных стадий:

  1. Расплавление металлического лома. Накаленная шихта покрывается защитной пленкой, которая преграждает к материалу доступ вредных газов. При этом осуществляется впитывание различных плохо влияющих на качество металла веществ.
  2. Процесс окисления. Происходит корректировка вредных элементов. В это время повышается температура в агрегате. Ее значение становится на 120 градусов выше установленного для плавки металла предела. Фосфор и сера должны занимать в общем составе не более 0,15 процентов. Также осуществляется контроль уровня водорода и азота.
  3. Восстановление. С материала устраняются элементы серы, и состав металла доводится до нормативных показателей.

Процесс работы печного устройства во многом зависит от его конструктивных и функциональных особенностей.

Электродуговая печь

Схемы электрических плавильных печей сопротивления и индукционных.

Электродуговые печи по принципу передачи тепла подразделяются на печи косвенного и непосредственного нагрева.

Электродуговая печь состоит из подины, выложенной огнеупорным кирпичом 17 и футерованной внутри огнеупорной массой IS. В зоне горения дуги температура достигает 7000 С, что обеспечивает про-плавление шихты под электродами в виде колодцев, в которые скатываются остатки твердой шихты из удаленных от электродов зон. Для загрузки шихты удаляют свод или выкатывают подину. Необходимые по ходу плавки добавки вводят через окно 23, а готовую сталь сливают по футерованному желобу 19, для чего вся печь наклоняется в сторону металлической летки.

Схемы электрических плавильных печей сопротивления и индукционных.

Электродуговые печи по принципу передачи тепла подразделяются на печи косвенного и непосредственного нагрева.

Электродуговые печи в основном предназначены для изготовления легированных сталей, но дымосос должен обеспечивать производство и конструкционных сталей. Поэтому он должен быть рассчитан на достаточно широкий диапазон производительности, а система газоотводящий тракт — дымосос проверена на устойчивость.

Электродуговые печи применяют и для получения глиноземистого цемента в окислительных услбвиях. Температура обжига малокремнеземистой шихты составляет 1973 — 2073 К, вследствие чего несколько повышается срок службы футеровки и электродов и значительно уменьшается расход электроэнергии.

Электродуговая печь потребляет ток / 200 А от сети, имеющей напряжение U 220 В. Последовательно с печью включен ограничивающий резистор сопротивлением R 0 2 Ом.

Электроплавильные печи для плавки стали.

Электродуговые печи применяются как с основной, так и с кислой футеровкой. При плавке в электродуговых печах для окисления примесей применяют кислород, поэтому печи имеют устройства для подвода кислорода водоохлаждаемые фурмы.

Раздаточная электропечь сопротивлении.

Электродуговые печи применяют для плавки всех жаропрочных сплавов на основе железа, никеля, титана, хрома, а также легированных тугоплавкими металлами. Нагревание металлической шихты с помощью электрического тока позволяет легче осуществить быстрый подъем температуры в ванне, точнее регулировать скорость нагрева расплавленного металла, создать жидкоподвиж-ный шлак над зеркалом жидкого металла и самое главное позволяет вести металлургические процессы в различной атмосфере при любом давлении как в вакууме, так и при давлении выше атмосферного.

Электродуговые печи для плавки титановых сплавов подробно рассмотрены в гл.

Электродуговые печи применяются для плавки жаропрочных сплавов и отливки наиболее ответственных деталей, так как их поршневые и уплотнительные кольца из чугуна. При этом электроды не контактируют с жидким металлом, т.е. не происходит дополнительного науглероживания расплава и взаимодействия с высокотемпературными газами.

Электродуговая печь ( рис. VI-10) работает под атмосферным давлением и, следовательно, может быть использована для испарения цинка в производстве цинковых белил.

Печи ЭШП с источником питания постоянного тока

Наша компания производит печи ЭШП малой ёмкости (до 250 кг по расплаву). Питание печи осуществляется от блока трансформатор-выпрямитель мощностью 160 или 250 кВа. Печная установка подключается к 3-хфазной питающей сети напряжением 380В.

Наплавка металла производится в футерованный тигель (ванну) печи. Слив металла осуществляется путём наклона ванны (тигля).

Средняя скорость плавки в такой печи (при переплаве стальной колотой стружки) – 1 кг в минуту.

Электрошлаковые печи, использующие принцип переплава металла в водоохлаждаемых кристаллизаторах и в футерованных огнеупорами емкостях под слоем электропроводящего флюса (шлака) предназначены для производства слитков и фасонных отливок ответственного назначения.

Сущность электрошлакового переплава (ЭШП) заключается в переплаве литых, кованых или катаных расходуемых электродов под слоем расплавленного шлака, разогреваемого пропускаемым по нему током до температуры 1700-2000°С.

Благодаря направленной кристаллизации, обработке химически активным шлаком и затвердеванию в шлаковом гарниссаже, формируемый при ЭШП слиток характеризуется высокой однородностью структуры, высокой плотностью, низким содержанием неметаллических включений и вредных примесей и гладкой поверхностью, не требующей дополнительной механической обработки. Высокие служебные характеристики металла ЭШП, конкурирующего в литом виде с кованым металлом, обеспечивают значительное (до 2-3 раз) увеличение ресурса работы и надежности изделий ответственного назначения, начиная от миниатюрных приборных подшипников до многотонных роторов мощных генераторов, и обусловливают широкое применение его в различных отраслях промышленности.

Печи электрошлакового переплава

В отличие от оборудования предыдущего типа электрическое замыкание здесь происходит без образования дугового разряда, а непосредственно через шихту. Поскольку шлаки имеют повышенное электросопротивление, то они в процессе нагрева получают более высокую температуру (до 2100 0 С) чем металл. Он, проходя в капельной форме сквозь шлаки, далее застывает в специальной кристаллизационной ванне, имеющей необходимую форму.

Печь электрошлакового переплава

Типовая конструкция печи электрошлакового переплава включает в себя:

  1. Саму вагранку, где происходит расплавление сырья.
  2. Кристаллизатор со встроенным охладителем.
  3. Ковш, в котором осуществляется раскисление (в качестве раскислителя также используется алюминий).
  4. Загрузочные бункеры для лома, рафинирующих добавок и т.д.
  5. Теплообменники.
  6. Опорную раму.

Схема электрошлакового переплава

В таких печах металл получается более высокого качества, поскольку при прохождении сквозь шлаки производится очистка полуфабриката от вредных включений, в частности, серы. В отличие от дуговой печи, установки электрошлакового переплава могут работать в непрерывном режиме, а потому обеспечивать более высокую производительность процесса выплавки. Минимальный объём плавки для обеспечения рентабельности должен составлять от 2 тонн.

Виды плавильных печей

Плавильные печи – оборудование, разработанное для переплавки, закалки, отпуска и отжига металлических предметов. Такие устройства требуются предприятиям как крупного, так и мелкого размера, например литейным цехам для переработки цветных металлов. Тогда в цехах могут перерабатывать в сутки от нескольких тонн и до нескольких килограммов сырья (в зависимости от вида обрабатываемого металла).

Самыми популярными плавильными печами в современной промышленности являются:

  • Термические. Работают от теплоносителя – раскалённого воздуха или газа.
  • Потоковые. Функционируют, благодаря электронно-лучевому излучению или плазме.
  • Электрические. Вмещают в себя несколько разновидностей печей, работающих от электросети. Они бывают индукционными, муфельными, дуговыми и сопротивления.
  • Муфельные печи выполняют поставленную задачу, благодаря мощным ТЭНам, накаляющим содержимое до сверхъестественной температуры. Печи сопротивления характеризуются воздействием тока на обрабатываемые материалы. Индукционные расплавляют металлы, путём воздействия вихриевых токов на перерабатываемое сырьё, а дуговые используют для работы электрическую дугу, вырабатываемую самим устройством.

По сути, электрические печи работают от единого источника питания, но при этом по-разному воздействуют на помещённое внутрь сырьё. Каждый из этих видов печей имеет вакуумную систему, благодаря которой металлические конструкции расплавляются быстрей и качественней. Рассмотрим особенности вакуумных печей и индукционных устройств, которые рационально применять при небольших суточных плавильных работах.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.