Основные элементы конструкции печи

2.3 Механизм наклона печи 
Механизм наклона печи должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40 - 45° для выпуска стали и на угол 10 - 15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на которой установлен корпус, опирается на два опорных сектора, которые перекатываются по горизонтальным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих – зубцы, при помощи которых предотвращается проскальзывание секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люльки печи. 
2.4 Система загрузки печи 
Загрузка печи осуществляется через верх при помощи бадьи. При загрузке печи сверху в один – два приема в течение 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокращается время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки печи свод приподнимают на 150 - 200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полностью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой.  
2.5 Свод печи

Свод печи подвешен к раме. Она соединена с неподвижной  стойкой  электрододержателя в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой сосредоточены все механизмы отворота свода. Башня вращается вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего пространства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольца тросом. Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимается краном и опускается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при подъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вываливается в печь в том порядке, в каком она была уложена в бадье. Во время плавления электрод прорезает в шихте колодец, на дне которого накапливается жидкий металл. 

2.6 Газоотсос 
Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в атмосферу большое количество запыленных газов. Применение кислорода и порошкообразных материалов еще более способствует этому. Содержание пыли в газах электродуговых печей достигает 10 г/м³и значительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов из рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор, позволяющий наклонять или вращать печь, подходит к стационарному трубопроводу. По пути газы разбавляются воздухом, необходимым для дожигания СО. Затем газы охлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляются в систему труб Вентури, в которых пыль задерживается в результате увлажнения. Применяют также тканевые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры. 
 
3. РАСЧЕТ ЭНЕРГИИ НА РАСПЛАВЛЕНИЕ 
         Удельную (на 1 т жидкой стали) полезную энергию W_пол, кВт×ч/т расчитываем с учетом угара металла при расплавлении и перегрева металла и шлака выше температуры плавления стали [7].   
                                   (3.1) 
 где k_уг = 0,055 – коэффициент угара;                                                                                            t_пл            = 1510 ºC – температура плавления стали; 
       t_пер = 50 ºC – температура перегрева стали;

       t_о = 10 ºС – среднегодовая температура шихты; 
       q_ст = 79 кВт·ч/т – скрытая теплота плавления стали; 
       q_шл= 58 кВт·ч/т – скрытая теплота плавления шлака; 
       C₁ = 0,195 кВт·ч/т·К –удельная теплоемкость твердой стали; 
       C₂ = 0,232 кВт·ч/т·К –удельная теплоемкость жидкой стали; 
       C₃ = 0,340 кВт·ч/т·К –удельная теплоемкость шлака. 
       Вся полезная энергия на печь, МВт×ч: 
                                                                                   (3.2) 
где G = 50 т – номинальная емкость печи. 
 
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ  ПЛАВИЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА 
Ванна печи имеет сфероконическую форму. Объем конус, занятый жидким металлом, ограничивается уровнем C; выше него лежит уровень шлака, а еще выше – уровень порога рабочего окна B. Таким образом, между уровнями верхней поверхности шлака и порога рабочего окна (определяющего максимальную вместимость ванны) предусмотрен дополнительный объем на случай всплесков шлака, перегрузки печи, небольшого случайного ее наклона или перекоса. 
Основные размеры плавильного пространства печи определяем исходя из ее заданной номинальной емкости (массы жидкой стали) G, т. 
Объем стали в ванной равен 
                                                                               (4.1) 
где a = 0,14 м³/т – удельный объем жидкой стали. 
Полный объем ванны до порога рабочего окна: 
                                                                            (4.2)  где  b = 0,075 – масса шлака в долях массы стали; 
       с = 3,0 т/м³ – плотность жидкого шлака; 
       e = 0,125 – дополнительный объем ванны в долях объема жидкой стали. Полная высота ванны: 
                                                                         (4.3) 
где A = 0,34. 
Высота ванны складывается из высоты ее конусной H₁ = 0,8·H = 0,723 м и сферической H₂ = 0,2·H= 0,181 м частей. 
Диаметр ванны на уровне порога рабочего окна: 
                                                     (4.4) 
Диаметр плавильного пространства на уровне откосов равен 
                                                                       (4.5) 
где DH = 0,12 м. 
От уровня откосов начинается плавильное пространство печи. Объем плавильного пространства намного превосходит объем ванны печи и определяется следующими соображениями: 
1. Высота плавильного пространства то уровня металла до свода должна обеспечить удовлетворительную работу свода. Чем она больше, тем лучше экранирован свод от прямого излучения дуги, тем меньше температура свода, тем дольше он будет работать. 
2. Высота от уровня порога рабочего окна до свода должна обеспечить нужные размеры окна, возможность перекрытия окна аркой и размещения над ним кольца жесткости. 
3. Объем плавильного пространства должен позволять загружать всю шихту в один прием при объемной массе 1,5 – 1,6 т/м³, когда ее объем превосходит объем жидкого металла. 
4. Чем выше расположен свод, тем больше наружная поверхность печи и выше ее тепловые потери, тем больше длина и ход электрода, что увеличивает электрические потери в них и утяжеляет конструкцию печи. В виду этого при определении высоты плавильного пространства придерживаются средних значений, проверенных на работе действующих печей. 
Высота плавильного пространства: 
                                                                           (4.6) 
Стрела свода: 
                                                                                   (4.7) 
Размер рабочего окна определяется размерами мульд загрузочной машины или других заправочных приспособлений, возможностью заправки через него подины и стен по всему периметру печи и наблюдения за их состоянием и состоянием свода.                                                                                                       5. ВЫБОР ФУТЕРОВКИ ПЕЧИ 
  5.1 Футеровка подины 
 
 
Рисунок 5.1 Температурные швы в кладке свода печи. 
а) теплоизоляционный слой; б) огнеупорный слой. 
 
Подина играет существенную роль при плавке стали. Она работает в тяжелых тепловых и механических условиях. На раскаленную подину укладывается при загрузке холодная шихта; подина испытывает резкие температурные колебания, удары и давление, поэтому она должна иметь механическую прочность при температуре 800 –100 °С. При перемешивании жидкой ванны подина подвергается размывающему действию жидкой стали. Тепло в печи выделяется в дугах, у поверхности металла, и тепловой поток направлен от поверхности к подине. При установившемся тепловом режиме ванны значение этого теплового потока определяется тепловыми потерями через подину, которые обусловливают температурный перепад по высоте металла. В виду этого подину выполняем из трех слоев: внутреннего набивного, необходимого для того, чтобы образовать ванну со стенками, непроницаемыми для жидкого металла; среднего, состоящего из кирпичной огнеупорной кладки и воспринимающего механическую нагрузку от набивного слоя; наружного теплоизоляционного слоя, работающего в более легких тепловых условиях и обеспечивающего необходимое тепловое сопротивление подины. Внутренняя и средняя часть подины выполняются их магнезита. Наружная часть кладки (теплоизоляция) выполняется из шамотного порошка и асбеста .

5.2 Футеровка стен 
Стены выкладывают их магнезитохромитового кирпича всухую с пересыпкой швов магнезитовым порошком. Так как ванна печи имеет круглую форму, то, кроме нормальных кирпичей применяют фасонные. Они более стойки по сравнению с тесаными, поэтому теску кирпичей желательно свести к минимуму. Через каждые 1200 – 1500 мм в стенах оставляют вертикальные температурные швы шириной 10 – 15 мм радиального направления, заполненные толем. 
Рабочие окна печи обрамляют столбиками и перекрывают аркой из одного или двух рядов кирпича "в перевязку". Срок службы арок должен соответствовать сроку службы стен.  
5.3 Футеровка свода 
Свод печи выкладывается из хромомагнезита. Свод из такого кирпича служит в 1,5 –2 раза дольше динасовых. Недостатками хромомагнезита является его высокая теплопроводность и большая плотность по сравнению  с динасом, что приводит к утяжелению свода. 
 
6. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ 
6.1 Тепловые потери через футеровку стенок печи 
Стена имеет один слой огнеупорной кладки из магнезитохромита. Демпферный слой засыпки толщиной 40 мм в расчет можно не вводить, полагая что его тепловым сопротивлением можно пренебречь. 
Определим удельные тепловые потери для двух крайних случаев – при полной толщине новой огнеупорной кладки и при изношенной на 50 % огнеупорной кладке. 
По данным коэффициент теплопроводности магнезитохромитового кирпича  l=3,88 – 1,48×10^-3 t_ср. 
Температуру внешней поверхности стенки выбираем так, чтобы удельный тепловой поток через стены соответствовал удельной теплоотдаче с поверхности кожуха. Температуру внутренней поверхности огнеупорной кладки принимаем равной t₁ = 1600 °C. Температура внешней поверхности кладки  t₂ = 290 °C и для этих условий определяем коэффициент теплопроводности: 
     (6.1) 
Удельные тепловые потери через стенку новой кладки: 
                                 (6.2) 
где d = 0,45 – толщина стенки новой кладки, м.

Теплоизоляционная часть  футеровки подины выполняется из четырех слоев легковесного шамота типа ШЛБ – 1,3 "на плашку" суммарной  толщиной 195 мм, которые обеспечивают необходимое тепловое сопротивление. Коэффициент теплопроводности такого кирпича l₃ = 0,5 + 0,36 ×10 ^-3 t_ср. Шамотные кирпичи укладываются на слой асбеста толщиной 20 мм. Теплопроводность асбеста l₄ = 0,128 + 0,255×10 ^-3 t_ср.

 
 
Рисунок 6.1 Распределение  температур в сечении четырехслойной футеровки подины. 
 
7. ВЫБОР ПЕЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

    Суммарное количество электрической энергии, которую необходимо выделить в дуговой сталеплавильной печи в период расплавления, можно найти из выражения: 
                         (7.1) 
где    W_полезн = 21360 кВт×ч – энергия расплавления рассчитанная по (3.2); 
          t_р = 2 ч – длительность периода расплавления; 
          t_пр = 0,7 ч – длительность периода межплавочного простоя; 
         W_экз = 4272 кВт×ч – энергия экзотермических реакций в период расплавления (20 % отW_полезн согласно [7]); 
          h_эл = 0,9 электрический к.п.д. 
         Удельный расход электроэнергии на 1 т металла: 
                                                            (7.2) 
Средняя активная мощность выделяемая в период расплавления: 
                                                     (7.3) 
         Мощность печного трансформатора S_т должна обеспечить в период расплавления ввод в печь активной мощности P_р. 
                                                   (7.4) 
где    k_и = 0,92 – коэффициент использования

         cosφ = 0,707 – коэффициент мощности. 
         Выбираем трансформатор ЭТЦПК-32000/35-71У3: 
  наибольшая мощность трансформатора           20000 кВА; 
номинальное первичное напряжение                35000 В; 
предельные значения вторичных напряжений 407–144 В; 
номинальный вторичный ток                                     28 кА. 
Остальные параметры трансформатора приведены в таблице 7.1. 
Данный трансформатор имеет дополнительную специальную обмотку с током, пропорциональным току НН. Это связано с тем, что возросшие токи стороны НН не позволяют использовать серийно выпускаемые трансформаторы тока (ТТ) с установкой их на короткие сети . 
     Трансформатор допускает при любом положении указателя переключающего устройства периодическую перегрузку по току на 20 % длительностью 2 ч, чередующиеся с номинальным режимом длительностью 2,5 ч. 
Таблица 7.1

 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 
СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 
ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНЛЗ 
         Технологический процесс состоит из пяти основных этапов: 
I этап – плавка стали в дуговой сталеплавильной печи постоянного тока; 
II этап – разливка стали; 
III этап – нагрев стали; 
IV этап – зачистка стали; 
V этап – прокатка. 
 
  Рисунок П1.1 Схема техпроцесса электросталеплавильного 
и прокатного цехов с использованием МНЛЗ 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

РАСПОЛОЖЕНИЕ ДУГОВОЙ  ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ЦЕХЕ 
 
              
 
Рисунок П2.1 Схема расположения печи 
 
1 – стойка; 2 – шахта; 3 – трансформатор; 4 – выпрямитель; 5 – электрододержатель; 6 – графитированный электрод; 7 – механизм для подъема свода; 8 – портал; 9 – центральная часть свода; 10 – водоохлаждаемый свод; 11 – водоохлаждаемые стены; 12 подовые электроды; 13 – водоохлаждаемые кабеля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 
1. Электрооборудование и автоматика электротермических установок. Справочник. Под. Ред. Альтгаузена А. П., – М.: Энергия, 1978. – 304с., ил. 
2. Свенчанский А.Д., Смелянский М. Я. Ч. 2.  Дуговые печи.  Учебное пособие для  вузов, – М.: Энергия, 1970, – 264 с. 
3. Электротермические оборудование. Справочник. Изд .2-е перераб. и доп. /Под общей ред. А. П. Альтгаузена. – М.: Энергия, 1980. – 418 с., ил. 
4. Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева.Учебник для  вузов. Свенчанский А. Д., Жердов И. Т., Кручинин А. М. и др. Под ред. Свенчанского А. Д.. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Энергоиздат, 1981. – 296 с., ил. 
5. Кацевич Л. С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических печей. Учебник для техникумов. М.: Энергия, 1977. 
6. Крамаров А. Д. Производство стали в электропечах. Изд. 3-, испр. и дополн. – М.: Металлургия, 1969. – 348 с. 
7. Макаров В. С., Цишевский В. П. Проектирование дуговых сталеплавильных печей. Методические указания к курсовому проекту.  Под ред. Ткачева Л. Г. – Екатеринбург: МЭИ, 1988.