Основные элементы конструкции печи

 
СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ  
1.  ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 
1.1 Общие сведения 
1.2 Окислительный период плавки 
1.3 Восстановительный период плавки 
1.4 Порядок легирования 
1.5 Особенности плавки конструкционной стали 
1.6 Разливка стали 
2.  ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ 
2.1 Основные элементы конструкции печи 
2.2 Электрододержатели 
2.3 Механизм наклона печи 
2.4 Система загрузки печи 
2.5 Свод печи 
2.6 Газоотсос 
3.  РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ НА РАСПЛАВЛЕНИЕ 
4.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ  ПЛАВИЛЬНОГО              ПРОСТРАНСТВА  
5.  ВЫБОР ФУТЕРОВКИ ПЕЧИ 
5.1 Футеровка подины 
5.2 Футеровка стен 
5.3 Футеровка свода 
6.  ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ 
6.1 Тепловые потери через футеровку стенок печи 
6.2 Тепловые потери через футеровку свода печи 
6.3 Тепловые потери через футеровку подины 
6.4 Суммарные потери через футеровку печи 
6.5 Потери через рабочее окно 
6.6 Тепловые потери с газами 
6.7 Тепловые потери в период межплавочного простоя 
7. ВЫБОР МОЩНОСТИ ПЕЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1  
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Дуговые сталеплавильные печи, применяемые в промышленных установках с конца XIX века, в настоящее время получили широкое распространение во многих областях промышленности. Большая скорость нагрева является дополнительным преимуществом по сравнению с нагревом в печах сопротивления. 
       Основное назначение дуговой сталеплавильной печи (ДСП) прямого действия – выплавка стали из металлического лома (скарпа). Такой процесс весьма энергоемок; на 1 т выплавленной стали в зависимости от емкости печи и характера процесса расходуется от 500 до 1000 кВт×ч электроэнергии, поэтому при прочих равных условиях процесс дешевле проводить в мартеновской печи, где топливо сжигается непосредственно. В связи с этим лишь сравнительно небольшую часть всей получаемой из скрапа стали выплавляют в электрических печах. В них осуществляются лишь  те процессы, которые трудно проводить в мартеновской печи или конверторе. В первую очередь – это получение высоколегированных сортов стали, требующих тщательного очищения металла от вредных примесей (особенно серы) и неметаллических включений, и обезгаживания его. Для таких сортов стали стоимость передела гораздо меньше стоимости легирующих и самой стали и решающими факторами становятся качество металла и степень угара ценных добавок. Существенные преимущества (большие маневренность и скорость плавки, снижение капитальных затрат) имеет дуговая печь как агрегат для получения стального литья.

Следует отметить, что по мере удешевления электроэнергии, а  также благодаря увеличению емкости  дуговых агрегатов, вследствие чего уменьшается расход электроэнергии и материалов на выплавку 1 т стали, разница в стоимости передела металла в дуговой и мартеновской печах снижается. В последние  годы в мощных дуговых печах выплавляют не только высоколегированные стали. В  этом случае в пользу дуговых печей  говорят их большая приспособленность  к характеру скрапа и легкость плавки в них крупного скрапа. 
Выплавка легированных сталей включает следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление металла, введение в него нужных легирующих и выливание из в печи в ковш для разливки по изложницам или формам. Значение этих операций и требования которые они предъявляют к дуговой печи, могут быть весьма различными. 
В последние годы широкое развитие получили дуговые сталеплавильные печи, работающие на постоянном токе. По сравнению с печами переменного тока они имеют следующие преимущества: 
- расход электродов в 2...5 раз меньше в зависимости от подготовки шихты; 
- отсутствие толчков и помех в питающую энергосистему; 
- расход электроэнергии меньше на 10 ... 15 %; 
- расход огнеупорных материалов меньше на 20 ... 30 %; 
- расход исходного сырья уменьшается на 1,5...2 %; 
- расход дорогостоящих легирующих добавок меньше на 20…60%; 
- уровень шума уменьшается со 105 дБл до 85 дБл; 
- количество пыле-газовыбросов меньше в 8 .... 10 раз; 
- Низкая эрозия графитированных электродов позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода (уровень науглераживания не превышает 0,005 %); 
- Дуговые электропечи постоянного тока имеют наиболее высокий энергетический к.п.д., самый низкий процент угара металла, самую высокую стойкость футеровки, улучшенные условия труда и пониженное количество пыле-газовыбросов; 
- Дуговые электропечи постоянного тока могут работать с полным сливом металла, допускают его частичный слив, а также могут работать в качестве миксера; 
- За счёт возможности использования электрохимических реакций на постоянном токе для удаления вредных примесей, улучшения перемешивания металла и более высокой стабильности процесса улучшается качество выплавляемого металла. 
 
1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 
1.1 Общие сведения 
Существенным отличием получения стали в дуговых печах является возможность получения в плавильном пространстве восстановительной или нейтральной атмосферы и различного давления. 
Восстановительная атмосфера в электродуговых печах позволяет получить шлак, содержащий в конце плавки не более 1 %  FeO, что примерно в 10 раз меньше, чем в обычном шлаке мартеновской печи. 
Другим отличием является отсутствие в атмосфере печи кислорода. Поэтому ведение окислительных процессов возможно только за счет внешнего кислорода, источниками которого могут быть железная руда и газообразный кислород, вдуваемый в ванну. По этой же причине имеют место меньшие потери металла на угар. 
Возможность ведения плавки на шлаке с более высокой температурой плавления и перегрева в условиях основного процесса облегчает осуществление десульфурации. При основном процессе плавки обеспечиваются все условия, необходимые для получения стали с минимальным содержанием серы. В тоже время процесс дефосфорации в электродуговых печах хуже. 
В электродуговых печах имеются благоприятные условия для переплава высоколегированных отходов. Здесь потери дефицитных легирующих элементов минимальны. 
Особенностью выплавки стали в электродуговых печах является возможность работы с одним шлаком, без специального восстановительного периода. Это значительно сокращает продолжительность плавки, расход электроэнергии и улучшает все технико-экономические показатели процесса. 
В процессе электроплавки конечный результат предопределяется в основном взаимодействии двух фаз – металлической и шлаковой. В остальных процессах тремя металлической, газовой и шлаковой 
Поэтому с точки зрения возможности использования влияния физико-химических факторов на конечные результаты электроплавка является более совершенной. Практически значительное количество дефектов в отливках и слитках из легированных сталей получается из-за плохого качества металла или вызываются и усугубляются четырьмя вредными примесями: кислородом, серой, водородом и фосфором. Электроплавка является наиболее гибким процессом для борьбы с тремя примесями: кислородом, серой и водородом.  
Основное преимущество дуговой печи заключается в возможности раскисления и обессеривания металла и легкости его перегрева, поэтому в целях удешевления процесса иногда применяют так называемый «дуплекс-процесс», при котором расплавление скрапа и окисление ведут в более дешевом плавильном аппарате – мартеновской печи, а затем жидкий металл переливают в дуговую печь для рафинирования и доводки до нужного состава. Реже применяют дуплекс-процесс «конвертор-электропечь».  
При дуплекс-процессах мощность печи может быть меньше, чем при работе на твердой завалке, так как расплавление скрапа в этом случае отсутствует. Проводящиеся время от времени плавки на твердой завалке выполняют при уменьшенном весе шихты; они из-за меньшей мощности более длительны, но так как проводятся не часто (главным образом после ремонта футеровки), то их удлинение не является существенным. Электрический режим печей, работающих на жидкой завалке, также значительно спокойнее. При наличии жидкого металла, покрытого слоем шлака, дуга горит более стабильный и отсутствуют короткие замыкания из-за обвалов шихты. 
Электродуговая печь может быть остановлена или пущена в эксплуатацию в любое время, удобное для производства, и при любом режиме работы. 
Капитальные затраты на установку электродуговых печей в среднем на 40% меньше, чем на установку мартеновских печей аналогичной производительности. 

Плавка в дуговой  печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают  футеровку, которая может быть повреждена и при загрузке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем  жидкого металла и шлака, то она  может быть повреждена дугами. Поэтому  перед началом плавки производят ремонт – заправку подины. Перед  заправкой с поверхности подины удаляют остатки шлака и металла. На поврежденные места подины и откосов –места перехода подины в стены печи – забрасывают сухой магнезитовый порошок, а в случае больших повреждений – порошок с добавкой пека или смолы.

Заправку производят заправочной  машиной, выбрасывающей через насадку  при помощи сжатого воздуха заправочные  материалы, или, разбрасывающей материалы  по окружности с быстро вращающегося диска, который опускается в открытую печь сверху.

Для наиболее полного использования  рабочего пространства печи в центральную  ее часть ближе к электродам загружают  крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45 %), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15 %). Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками.

Рисунок 1.1 Этапы плавления  шихты 

Выплавка сталей включает следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных  примесей и газов, раскисление металла, и выливание его из печи в ковш для разливки в машине непрерывного литья заготовок. Значение этих операций и требования, которые они предъявляют  к дуговой печи, могут быть весьма различными. 
Расплавление скрапа необходимо вести по возможности скорее и с минимальным расходом энергии. Зачастую длительность его превосходит половину продолжительности всей плавки и при этом расходуется 60-80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи. Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, ее длина невелика и сравнительно небольшие изменения в положении электрода или металла (обвал, сдвиг подплавленного куска скрапа) вызывают либо обрыв дуги, либо, наоборот, короткое замыкание. Ход плавления шихты в дуговой печи иллюстрируется рис. 1.1. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты, причем для повышения ее устойчивости в первые минуты под электроды обычно подкладывают куски кокса или электродного боя. После сгорания последних начинает подплавляться металл и каплями стекать на подину. В шихте образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся электроды до тех пор, пока они не достигнут подины, на которой во избежание перегрева ее к этому моменту должна быть образована лужа расплавленного металла. Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты падают на электрод, закорачивая дугу при опускании куска шихты под торцом электрода может, наоборот, наступить обрыв тока. Горящая между электродом и расплавленным металлом дуга перегревает металл: начинается размыв и расплавление шихты, окружающей колодцы. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды – подниматься. В конце этого периода почти весь металл оказывается расплавленным; остаются лишь отдельные куски шихты на откосах  – "настыли", расплавляющиеся последними. Чтобы не затягивать период расплавления, обычно эти "настыли" сбрасывают ломом в глубь ванны. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние. К этому моменту режим горения дуги становится более спокойным, так как температура в печи выше, поверхность металла покрыта слоем шлака, образованным заброшенными в печь в период расплавления кусками извести и всплывающими окислами; длина дуги по сравнению с началом расплавления увеличивается в несколько раз дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается. 
1.2 Окислительный период плавки 
  После окончания периода расплавления начинается окислительный период, задачи которого заключаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; удаление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=[Fe] + [O]. Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, наклоняя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик, стоящий под рабочей площадкой цеха. За время окислительного периода окисляют     0,3—0,6  % углерода со средней скоростью 0,3—0,5 % в час. Для обновления состава шлака одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие количества плавикового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака. Непрерывное окисление ванны и скачивание окислительного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора. 
  Для протекания реакции окисления фосфора 2[P] + 5[O]=(P₂О₅); 
  (P₂О₅) + 4(СаО) = 4(СаО) × (P₂О₅) необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание окиси кальция в шлаке и пониженная температура. В электропечи первые два условия полностью выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный   4(СаО) × (P₂О₅) скачивается из печи. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали – удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл. Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает перемешивание металла, выравнивание температуры и состава. Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 часов. Для интенсификации окислительного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода металл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резко ускоряются, а температура металла повышается со скоростью примерно 8 – 10 °С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаждающие добавки в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значительных потерь ценного легирующего хрома при переплаве.

1.4 Порядок легирования 
При выплавке легированных сталей в электродуговых печах порядок легирования зависит от сродства легирующих элементов к кислороду. Элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду, чем железо (никель, молибден) во время плавки не окисляются и их вводят в начальные периоды плавки – никель в завалку, а молибден в конце плавления или в начале окислительного периода. 
Хром и марганец обладают большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому металл легируют хромом и марганцем после слива окислительного шлака в начале восстановительного периода. 
Вольфрам обладает большим сродством к кислороду, чем железо и его обычно вводят в начале восстановительного периода. Он очень тугоплавкий и поэтому ферровольфрам можно присаживать в ванну не позднее, чем за 30 мин. до выпуска. 
1.5 Особенности плавки конструкционной стали 
Проектируемая печь предназначена для выплавки конструкционной стали, которая применяется для изготовления различных деталей машин, механизмов и сооружений. К конструкционной стали предъявляются высокие требования прежде всего в отношении механических свойств; в ней должны отсутствовать пороки, могущие понизить прочность сооружения или детали машины. Механические свойства этой стали зависят главным образом от химического состава и условий ее термической обработки. В некоторых случаях обыкновенная углеродистая сталь удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкционной стали. В других случаях этим требованиям может удовлетворить только легированная сталь после соответствующей термической обработки. 
В состав нелегированной углеродистой стали входят следующие элементы: железо, углерод, кремний, марганец, фосфор и сера. Повышение содержания углерода увеличивает твердость стали и в соответствии с этим предел прочности. В закаленной стали влияние углерода значительно сильнее, чем в отожженной стали. В зависимости от требований, предъявляемых к твердости и прочности конструкционной стали, содержание углерода в ней может находиться в пределах 0,08 – 0,5 %. 
Кремний вводят в сталь для предотвращения образования в ней пузырей, Для этого необходим, чтобы сталь содержала не менее 0,17 % Si. При более низком его содержании в процессе кристаллизации стального слитка возможно взаимодействие углерода с кислородом в стали, что может привести к возникновению пузырей в слитке. 
Марганец также раскисляет сталь. Однако раскисление металла может быть осуществлено и без введения марганца. Между тем этот элемент входит в состав почти всех углеродистых и легированных сталей, Главное назначение марганца заключается в уменьшении вредного влияния серы. 
Фосфор и сера являются вредными примесями в стали. Фосфор понижает ударную вязкость, сера придает стали красноломкость. Поэтому содержание этих элементов в стали должно быть, возможно более низким. Учитывая технологические трудности, связанные с удаление фосфора и серы при плавке конструкционной стали, допускают содержание каждого из этих элементов до 0,025 – 0,04 %. 
Главным недостатком углеродистой стали является слабая ее прокаливаемость. В связи с этим высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в тонких изделиях. При закалке толстых изделий из углеродистой стали прокалится лишь небольшой слой, близко расположенный к поверхности, а внутренние слои детали не прокалятся. В соответствии с этим высокие механические свойства после термической обработки обыкновенной углеродистой стали будут достигнуты только для поверхностного слоя обрабатываемой детали. 
Существенным недостатком углеродистой стали является также низкая ударная вязкость. В особенности резко снижается ударная вязкость стали при пониженных температурах. 
Для устранения указанных недостатков в сталь вводят различные легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, ванадий, кремний и др.); эти элементы увеличивают прочность феррита. Однако наиболее важное влияние эти легирующие элементы оказывают на распад аустенита. 
Для уменьшения чувствительности стали к отпускной хрупкости в нее вводят молибден или вольфрам. Эти элементы не только понижают чувствительность стали к отпускной хрупкости, но и увеличивают прокаливаемость стали. 
1.6 Разливка стали 
Разливка осуществляется с помощью машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Конструкция машины – двухручьевая, вертикальная, подземного расположения, со сборными водоохлаждаемыми неподвижными кристаллизаторами (рис. 1.2). Основные механизмы установки расположены в подземном колодце глубиной 13 м и сечением 5´10 м. Разливочная площадка находится на высоте 3,8 м над уровнем пола цеха и вынесена в разливочный пролет, что позволяет нормально обслуживать установку существующими в цехе кранами. Под кристаллизаторами расположены системы вторичного охлаждения, водосброса и тянущих роликов, под ними тележки газорезок и пульты управления газорезками (на площадке – 7,5 м). Кантователи слитков расположены на площадке – 11,5 м. Наклонные конвейеры поднимают слитки с этой площадки на уровень пола цеха. Установка рассчитана на разливку стали из 50-т ковша для получения унифицированной заготовки 175´420 мм длиной 1920 мм, предназначенной для прокатки на листовом и крупносортном стане. Металл из 50-т стопорного ковша поступает в промежуточное разливочное устройство емкостью 3,5 т, их которого через два стопора одновременно разливается в два неподвижных кристаллизатора высотой 1500 мм . 
Промежуточное разливочное устройство имеет графито-шамотные стаканчики с электрообогревом и перегородки для предохранения от попадания шлака в кристаллизаторы, а также прибор радиоактивным излучением для контроля уровня металла. Каждая машины имеет независимые друг от друга механизмы вытягивания, автогенной резки, транспортные устройства для выдачи заготовок на склад. Достигнутая в настоящее время линейная скорость разливки составляет 0,9 м/мин, а производительность установки 
45 – 55 т/час.  
Схема технологического процесса производства стали с использованием МНЛЗ приведена в приложении П1. 
Рис. 1.2 Машина для непрерывной разливки 

2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ  РЕШЕНИЯ ПО КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ 
         2.1 Основные элементы конструкции печи 
 Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из листового железа толщиной 40 мм в соответствии с размерами печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой электропечи. В данной печи используется кожух цилиндрической формы. Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жесткости. Днище кожуха выполняется конусно-сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и минимальную массу кладки. Для размещения подовых электродов предусматривается два, диаметрально расположенных отверстия. Сверху печь закрыта сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, которое выдерживает распирающие усилия арочного сферического свода. В нижней части кольца имеется выступ - нож, который входит в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют отверстие для электрода. Диаметр отверстия больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые разрушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения этого на своде устанавливают холодильники или экономайзеры, служащие для уплотнения электродного отверстия и для охлаждения кладки свода. Газодинамические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы. Для подгрузки легирующих и флюсов в печь, скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой рамой. К раме крепятся направляющие, по которым скользит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпичом. Для подъема заслонки используют электромеханический привод. С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали  круглое диаметром 120 – 150 мм. Сливной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10 – 12° к горизонтали. Изнутри желоб футеруют шамотным кирпичом. 
2.2 Электрододержатель 
Электродержатель служит для подвода тока к электроду (катоду) и для зажима электродов. Головки электрододержателя делают из бронзы или стали и охлаждают водой, так как он сильно нагревается как теплом из печи, так и контактными токами.  Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. В данной печи применяется пружинно-пневматический электрододержатель. 
Зажим электрода осуществляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Отжатие плиты от электрода и сжатие пружины происходят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве-консоли, который скрепляется с Г - образной подвижной стойкой в одну жесткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Перемещение подвижной телескопической стойки происходит с помощью гидравлических устройств. Механизм перемещения электрода должен обеспечить быстрый подъем электрода в случае обвала шихты в процессе плавления, а также плавное опускание электрода во избежание его погружения в металл или ударов о не расплавившиеся куски шихты. Скорость подъема электрода составляет 6,0 м/мин, скорость опускания 2,0 м/мин.