«Электротермические процессы и установки» сост. Л.П. Горева, Р.А. Бикеев НГТУ 2014 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ Геометрические размеры рабочего пространства ДСП определяются с учетом требований технологии, объемного веса загружаемой шихты и теплообменных процессов. При установлении геометрии рабочего пространства ДСП выбирают форму и соотношение основных размеров ванны, высоту положения свода над жидким металлом, диаметр распада электродов, внутренний профиль кладки и конфигурацию кожуха. От соотношения между диаметром ванны и ее полной глубиной зависят габариты и масса печи, а также величина теплоотдающей поверхности и удельный расход электроэнергии. Для крупных отечественных печей обычной мощности отношение диаметра ванны Dв к ее глубине Нв приближалось к 5. Для действующих печей это отношение колеблется от 4,2 до 5, а глубина ванны составляет 1100-1200 мм. Для современных сверхмощных печей глубина ванны больше, а отношение Dв/Нв<4. Так глубина ванны ДСП-100БМЗ равна 1320 мм, а Dв/Нв=3,9[1]. Такое изменение размеров ванны приводит к резкому уменьшению ее удельной поверхности (печь ДСП-100И6 0,23 м2/т, ДСП-100БМЗ 0,2 м2/т) и поверхности контакта шлак-металл. Это уменьшение удельной поверхности ванны закономерно, так как процессы десульфурации и раскисления металла вынесены за пределы печи, а процесс дефосфорации металла облегчается благодаря значительному увеличению поверхности контакта металл-шлак при интенсивном кипении ванны вследствие окисления углерода. Выбор глубины ванны лимитируется лишь возможностью нагрева металла дугами. Если совмещать основной нагрев металла с процессом окисления углерода, как этого требует современная технология электроплавки, то равномерному нагреву ванны способствует хорошее перемешивание металла всплывающими пузырями оксида углерода СО. Исследования геометрических параметров плавильного пространства дуговых печей с использованием метода корреляционно-регрессионного анализа позволили получить следующие зависимости для диаметра и глубины ванны [2]: Dв = 1106 ⋅ G 0,338 H в = 165,8 ⋅ G 0,422 где G-масса плавки, т; для глубины и радиуса шарового сегмента (сферической части ванны) hсф = 40,457 ⋅ G 0,348 rсф = 468,81 ⋅ G 0,255 Диаметр плавильного пространства на уровне откосов D1 определяется как 1 «Электротермические процессы и установки» сост. Л.П. Горева, Р.А. Бикеев НГТУ 2014 D1 = Dв + 2 ⋅ ∆H где значение ∆H определяет разность по высоте уровня порога рабочего окна и уровня откосов. Во избежание усиленного размывания шлаком основания футеровки рекомендуется принимать ∆H=0,05... 0,1 м. От уровня откосов начинается собственно плавильное пространство печи, представляющее обычно сначала футерованный конус с небольшим углом конусности на высоту около 0,35 м, а затем до верхнего уровня плавильного пространства по внешнему диаметру футеровки устанавливают водоохладждаемые панели. Таким образом, расстояние от уровня расплава до нижнего уровня водоохлаждаемых панелей Hвп составляет 400 – 450 мм. Объем плавильного пространства намного превосходит объем ванны печи, что необходимо для обеспечения удовлетворительной работы свода, нужных размеров рабочего окна, уменьшения количества подвалок шихты при ее объемном весе 0,8 – 1,0 т/м3. а также обеспечения оптимальной величины наружной поверхности, позволяющей избежать чрезмерного увеличения длины хода электродов, утяжеления конструкции и, следовательно, тепловых потерь. Рекомендуется принимать высоту плавильного пространства K =(0, 5 ÷ 0,45)⋅D1 для печей емкостью 0.5... 6,0 т; К = (0,45 ÷ 0,4)⋅D1., печей емкостью 12-50 т; К = (0,38. ÷ 0,34)⋅D1 для печей емкостью 100 т и выше. В выборе высоты рабочего пространства наметилась тенденция к увеличению этого размера с целью обеспечения завалки в один прием. Так за последнее время на электропечах емкостью 100 – 130 т высота рабочего пространства увеличилась с 2100 до 3600 мм. Если задан конструктивный признак – печь с высоким корпусом, необходимо определить высоту плавильного пространства, обеспечивающую работу с одной подвалкой. При этом необходимо, исходя из насыпной плотности шихты, определить достаточный объем рабочего пространства. Этот объем включает в себя объем плавильного пространства и объем ванны: V1 = G ⋅ (1 + e) b ⋅ G + ρ жм ρ жш где ρжм =7,14 т/м3, ρжш = 2,8…3,2 т/м3 – плотности жидкого металла и жидкого шлака соответственно е =0,1…0,15– дополнительный объем ванны в долях объема жидкой стали; b = 0,05…0,1 – масса шлака в долях массы стали; Диаметр верхнего уровня футеровки D2 зависит от конусности стен и определяется выражением D2 = D1 + 2 ⋅ m ⋅ ( H вп − ∆H ) 2 «Электротермические процессы и установки» сост. Л.П. Горева, Р.А. Бикеев НГТУ 2014 где т = 0,07÷ 0,08 для печей емкостью менее 20 т и т = 0,06÷ 0,07 для печей емкостью более 20 т. Стрела свода ∆К обычно составляет ∆K = (0,1 ÷ 0,12) D2 Размер рабочего окна должен соответствовать размерам мульд загрузочной машины, обеспечивать возможность заправки через него подины и стен, а также наблюдения за состоянием подины, стен и свода. Ширина рабочего окна М=p⋅D1, где значение р составляет 0,33 для печей емкостью менее 10 т, 0,3 ÷0,26 для печей емкостью 15÷40 т и 0,25÷0,22 для печей емкостью более 40 т. Высота рабочего окна N = (0,65 ÷ 0,7) M . После расчета внутренних размеров печной камеры необходимо определить ее внешние размеры, для чего должны быть намечены конструктивные решения футеровки печи с выбором огнеупорных теплоизоляционных материалов для подины, стен и свода. Футеровка подины должна отвечать следующим требованиям: 1) огнеупорная часть футеровки должна обеспечивать надежную защиту от прорыва жидкого металла через подину; 2) футеровка подины должна иметь по возможности высокие теплоизоляционные свойства для уменьшения перепада температуры по глубине; ванны жидкого металла; 3) футеровка подины, в отличие от футеровки стен и свода, должна быть надежно защищена от теплового излучения электрических дуг слоем жидкого металла. Для ограничения тепловых потерь через подину и уменьшения температурного перепада по глубине ванны жидкого металла суммарную толщину футеровки подины принимают E = (0,7 ÷ 0,75) H в . Диаметр кожуха электропечи Dк = D1 + 2( So + S т ) . где So , Sт - толщины огнеупорного и теплоизоляционного слоев Для футеровки стен и подины отечественных ДСП применяют преимущественно магнезитохромитовые огнеупоры. Откосы укрепляются периклазоуглеродистыми огнеупорами, что существенно повышает стойкость футеровки. Центральная часть свода чаще выполняется наливной из высокоглиноземистого бетона. Практика показывает, что увеличение толщины футеровки стен и свода нерационально, так как при этом значительно увеличиваются скорость износа и удельный расход огнеупоров. Тепловая изоляция стен и сводов ДСП также не получила распространения. Обычно такая изоляция приводит к увеличению температур в рабочем слое футеровки и резкому падению ее стойкости, особенно на крупных ДСП. Потери из-за простоев ДСП на ремонт футеровки намного превышают экономию от снижения 3 «Электротермические процессы и установки» НГТУ 2014 сост. Л.П. Горева, Р.А. Бикеев расхода электроэнергии Wэ. Поэтому тепловая изоляция стен и сводов ДСП, как правило, является экономически невыгодной. Это положение не распространяется на конструкцию подины ДСП. Тепло, теряемое через подину, отнимается от нагретой и расплавленной шихты. Таким образом, теряется часть полезного тепла W, на восполнение которого приходится затрачивать значительно больше электроэнергии по сравнению с потерянным количеством тепловой энергии. Так, в период нагрева жидкой ванны на компенсацию тепловой энергии, потерянной через подину необходимо дополнительно израсходовать почти вдвое больше электрической энергии. Поэтому подину теплоизолируют от металлического днища слоями асбеста, шамотного порошка и шамотного кирпича, хотя это и приводит к некоторому снижению стойкости рабочего слоя футеровки и дополнительным затратам на его заправку и ремонты. Стены выполняются небольшой толщины (300...380 мм) при полном отсутствии теплоизоляционного слоя. Толщина панелей меньше толщины кирпичной кладки основания стен. Она определяется внешним размером труб водоохлаждения и составляет 0,07...0,09 м [3]. Поэтому объем рабочего пространства после установки панелей увеличивается. На внутренней поверхности панели имеются штыри, предназначенные для удержания заправочных материалов и гарнисажа. Необходимая толщина гарнисажа составляет 0,02...0,04 м. Первоначально он наносится торкретированием, а в дальнейшем обновляется за счет оседания плавильной пыли и налипающего шлака. Толщина футеровки свода L составляет 0,23 м для печей емкостью до 12 т; 0,3 м - для печей емкостью 25...50 тонн и 0,38...0,46 м -для печей емкостью 100 т и выше. Диаметр электрода должен обеспечивать канализацию тока в рабочем режиме. В таблице 1 приведен стандартный ряд диаметров электрода, соответствующие им площади сечений, плотность тока и ток электрода. Таблица 1. Пропускная способность по току графитированных электродов: dэл,=100÷500 мм марки ЭГО; dэл,=555÷610 мм марки ЭГСП. Диаметр 100 150 200 электрода, мм Площадь сечения 78 176 314 электрода, см2 допустимая плотность 32 26 23 тока электрода, А/ см2 Ток 2,5 4,6 7,2 электрода, кА 250 300 350 400 490 706 962 1256 1590 1963 2419 2922 21 19 18 16 16 15 25 25 20,1 25,4 29,5 60,5 73,0 10,3 13,4 17,3 450 500 555* 610* Диаметр электродного отверстия в своде do должен быть больше диаметра электрода dэл 4 «Электротермические процессы и установки» сост. Л.П. Горева, Р.А. Бикеев НГТУ 2014 d o = d эл + 2 ⋅ ∆d где величина зазора ∆d для графитированных электродов диаметром 0,1...0,3 м составляет 0,01 м; диаметром 0,3...0.5 м - 0,015 м; диаметром 0,5м и более - 0,02м. Диаметр распада электродов - диаметр окружности, на которой расположены их оси, должен быть достаточным для того, чтобы размешенные внутри него электрододержатели не соприкасались при движении. Кроме того, диаметр распада электродов должен обеспечить прочность центральной части свода. При этом расстояние между электродами не должно быть слишком большим, чтобы не увеличить размеры плавильного пространств и тем самым, избежать увеличения габаритов, массы печи и ее тепловых потерь. Поэтому диаметр распада электродов определяется как с учетом размеров диаметра электрода, так и диаметра плавильного пространства Диаметр распада электродов в современных печах значительно снижен. Уменьшение диаметра распада электрода приводит к уменьшению индуктивного сопротивления вторичного токоподвода и уменьшению тепловой нагрузки на стены и большей ее равномерности. Но нужно всегда помнить, что уменьшать до бесконечности нельзя. Ранее этот параметр для печи емкостью 100 тонн составлял в среднем 1800 мм, на современных печах аналогичной емкости он 1200-1400 мм. Диаметр распада электродов определяется по эмпирической формуле: Dрэ = hсф 0,156 Примерный эскиз рабочего пространства изображен на рис. 1. Рис. 1. Эскиз плавильного пространства ДСП 5 «Электротермические процессы и установки» сост. Л.П. Горева, Р.А. Бикеев НГТУ 2014 Контрольные вопросы. 1 Чем определяется объем плавильного пространства? 2 Почему в современных ДСП возможно уменьшение отношения диаметра ванны жидкого металла к ее глубине? 3 Какие факторы влияют на определение диаметра распада электродов? 4 Почему футеровка подины имеет существенно бόльшую толщину, чем футеровка стен? 5 Зачем нужны водоохлаждаемые панели стен и свода? 6 Как величина диаметра распада электродов влияет на тепловые потери? 7 Почему футеровка стен не имеет теплоизоляционного слоя? БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1 Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. М.: Металлургия, 1990.- 176 с. 2 Афанасьев В. В. Размеры и форма ванны круглой дуговой печи // Электрометаллургия, 2005.- №1.- С. 17-21. 3 Гудим Ю.А. Производство стали в дуговых печах. Конструкции, технология, материалы: монография / Ю.А. Гудим, И.Ю. Зинуров, А.Д. Киселев. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. -547 с. (Серия монографий "Современные электротехнологии". Т.9). 6