книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

между электродами через шихту. При этом мощность, выделяемая током в газовых полостях, является главной составляющей полез­ ной мощности печи. Разогрев шихты вне зоны реакции нерентабелен

ипоэтому всегда стремятся работать с холодным колошником, т. е. уменьшить до минимума выделение тепла на колошнике печи.

Впечах, работающих с проплавлением шихты на шлаковых про­ цессах, практически вся мощность выделяется в дугах и при про­ хождении тока через шлак и сплав. Теплота, выделяющаяся в шлаке

ив сплаве, полезна, так как для нормального протекания процесса требуется надлежащий прогрев как сплава, так и шлака. В отдель­ ных случаях при шлаковых процессах печи могут работать в бездуговом режиме и тогда вся мощность будет выделяться в расплаве.

Всвязи с различием тепловых условий, в которых находятся дуги, напряжение, требуемое для их образования, различно. За­ крытая дуга бесшлакового процесса требует для своего поддержа­ ния меньшего напряжения, чем дуга, горящая на поверхности шлака

иоткрытая со всех сторон.

Пониженное против оптимального напряжение приводит к по­ тере дугового режима и росту потерь мощности в электрической цепи (в трансформаторе, сети, электродах и контактах) пропорционально квадрату падения напряжения.

При чрезмерном повышении напряжения увеличивается длина дуг и растут потери тепла на колошнике и, кроме того, возрастает улет восстановленных элементов, особенно кремния, марганца, кальция. Температура на подине печи из-за высокой посадки элек­ тродов снижается, что затрудняет выпуск сплава и шлака и приводит к серьезным затруднениям в работе летки.

Общепринятой методики выбора электрических параметров ферро­ сплавной печи не разработано и их выбирают, исходя из принципа подобия параметрам, характерным для хорошо работающих печей. С точки зрения сходимости с практическими данными наиболее

С— коэффициент пропорциональности, определяемый из данных действующих печей и составляющий для ферро­ силиция 3, 4, для силикомарганца 6, для углеродистого

феррохрома 8, для углеродистого ферромарганца 5,5

идля силикокальция 6;

п— показатель, колеблющийся в пределах 0,25—0,33. Далее для расчета электрических параметров используют соотно­

шения:

61

Фактические электрические параметры отдельных ферросплав­ ных печей, по которым можно проверить правильность расчетов, приведены в табл. 3.

Коэффициент мощности cos ф печной установки, как было ска­ зано выше, представляет собой отношение активной мощности уста­ новки к полной: cos ф = Р акт/Рполн, откуда Ракт == Pnojm-cos ф. С повышением напряжения cos ср увеличивается, что объясняется ростом активного сопротивления за счет увеличения сопротивле­ ния дуг, представляющего собой омическую нагрузку. При росте напряжения растет полезная мощность установки, которая равна

как отношение полезной мощности печи к потребляемой активной мощности:

(V-5)

Полным или энергетическим коэффициентом полезного действия

Чем мощнее печь, тем выше будет цт, так как относительный вес тепловых потерь падает и тепло используется лучше.

Удельный расход электроэнергии на 1 т годного сплава является общим показателем, характеризующим как конструкцию печи, так и совершенство технологии и квалификацию обслуживающего персо­ нала:

В настоящее время для рудновосстановительных процессов про­ изводства ферросплавов используют печи, оборудованные трансфор­ маторами мощностью до 75 MBA. Для рафинировочных процессов обычно применяют печи мощностью 2500— 10 000 кВА.

62

Для определения требуемой мощности трансформатора печной установки пользуются формулой

W— удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т;

К— коэффициент использования мощности печи, учитываю­ щий степень загрузки трансформатора за время фактиче­

ской работы, технологические простои печи и условия, осложняющие работу печи.

Для мощных печей, работающих непрерывным процессом, К «=* 0,97 ч-0,98. Потеря 2—3% мощности происходит из-за колебаний напряжения питающей сети, недостаточной чувствительности авто­ матических регуляторов и т. п.

Для печей мощностью до 10 MBA, работающих периодическим процессом, К значительно меньше, так как в этом случае неизбежны снижение мощности и отключение печи при выпусках шлака и сплава, загрузке в печь новой порции шихты, перепускании элек­ тродов и т. п. Для этих процессов нужно также учитывать присущую им неустойчивую работу печи с открытыми электрическими дугами. Поэтому для таких печей К колеблется в пределах 0,75—0,90 в за­ висимости от конструкции печи и характера технологического про­ цесса (частоты выпусков сплава и шлака, марки сплава, необходи­ мости смены ванны и т. п.).

Трансформация тока осуществляется трехфазными трансформа­ торами или группами из трех однофазных-трансформаторов. Для мощных ферросплавных печей (свыше 10 000 кВА) лучше иметь группу из трех однофазных трансформаторов, что позволяет сокра­ тить размеры короткой сети, улучшить cos ср и электрический к. п. д. В этом случае достаточно иметь в резерве один однофазный трансфор­ матор на группу печей, что значительно дешевле и удобнее при замене или ремонте, чем в случае работы с трехфазными трансфор­ маторами.

Обмотки трехфазного трансформатора или однофазных трансфор­

обозначение Л ), и в зависимости от этого они будут находиться под различным напряжением и по ним будут протекать разные по ве­ личине токи.

Количество ступеней вторичного напряжения принимают раз­ личным в зависимости от назначения трансформатора и особенностей технологического процесса. Как правило, изменения вторичного напряжения добиваются за счет изменения числа витков первичной обмотки, находящихся в работе, где токи значительно меньше и, следовательно, легче условия работы переключающего устройства. Напряжение может регулироваться как при отключенной печи, так и под нагрузкой, в зависимости от конструкции переключателя.

63

Управление переключателем дистанционное, с пульта управления печью. Для охлаждения трансформатора применяют устройства искусственного охлаждения с принудительной циркуляцией масла через водоохлаждаемую колонку или змеевик. Относительно спо­ койный режим работы ферросплавных печей при большем значении силы тока не требует применения дросселя.

3. КОРОТКАЯ СЕТЬ

Токоподвод вторичного напряжения (короткая сеть) является очень важной частью конструкции мощной ферросплавной печи, он включает вторичную обмотку печного трансформатора, провод­ ники тока от обмотки к контактным щекам, щеки и электроды.

Электрический баланс мощной ферросплавной печи показывает, что потери в короткой сети составляют около 40% общих потерь или 7—25% подведенной мощности (в том числе 1—3 в трансформа­ торе, 3— 10 в шинах, трубах, щеках и 4— 12% в электродах).

По короткой сети мощных ферросплавных печей протекают токи силой в многие десятки тысяч ампер, что обусловливает появление вокруг проводников сильных магнитных полей. Поэтому многие явления, с которыми в обычных силовых сетях не считаются вслед­

и эффект близости, неравномерная нагрузка фаз по току и мощности, индукционный нагрев металлических конструкций токопроводов и печи. При большой силе тока высокое реактивное сопротивление короткой сети приводит к значительному падению напряжения между трансформатором и печью, а также к загрузке сети большой реактив­ ной мощностью. При конструировании короткой сети мощных пе­ чей важны следующие моменты: получение минимального индуктив­ ного сопротивления путем максимального сокращения длины сети; максимально близкое расположение проводников различных фаз и бифилярность сети; выбор наивыгоднейшей формы сечения про­ водника должен учитывать, что коэффициент самоиндукции тем меньше, чем больше отношение периметра к площади поперечного сечения; максимально возможное удаление проводников от массив­ ных стальных конструкций.

Серьезное внимание должно быть обращено и на уменьшение ак­ тивных потерь в токоподводе и, в частности, на хорошее охлажде­ ние его, так как с ростом температуры растет активное сопротивле­ ние проводника и, следовательно, потери электроэнергии в нем.

Экономичная плотность тока составляет 1,5—2,0 для медных и 0,8 А/мм2 для алюминиевых шин. Гибкие ленты или кабели токоподвода располагают по возможности в стороне от прямого воздей­ ствия тепла, выделяемого колошником. Желательно также защи­ щать их от воздействия лучистой теплоты асбестовыми щитами; еще лучше водоохлаждаемые токоподводы. Плотность тока в гибкой связи может достигать 1— 1,7 А/мм2.

Кабели или ленты с неподвижного конца закрепляют в неподвиж­ ных башмаках шинного пакета, по которому подается ток от транс-

64

форматора, а с подвижного конца — в подвижных башмаках, от ко­ торых идет токоподвод к щекам электрододержателя. Условия ра­ боты контактного башмака, расположенного над колошником или вблизи него, очень тяжелы. Водяное охлаждение здесь обязательно. Рекомендуемая плотность тока в контактах башмаков лежит в пре­ делах 0,1—0,2 А/мм2 поверхности контакта.

Токоподвод от подвижного башмака к щекам электрододержателя выполняют, как правило, в виде охлаждаемых водой труб размерами 50/30, 60/40 или 80/50 мм, т. е. с толщиной стенки 10— 15 мм. Плот­ ность тока в медных водоохлаждаемых трубах можно принимать равной 4—7 А/мм2.

Наиболее слабыми местами токоподвода, вызывающими большое количество простоев, являются контакты. Необходимо, где это только возможно, заменять контактные соединения сваркой.

В результате различного индуктивного сопротивления на от­ дельных несимметрично расположенных фазах может произойти перенос мощности с одной фазы на другую, появление дикой и мерт­ вой фазы. При этом электрод, соединенный с дикой фазой, работает излишне горячо, обслуживание его затрудняется и растут потери тепла, а под электродом, связанным с мертвой фазой, шихта про­ плавляется очень медленно.

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕЧИ

Величины активного и реактивного сопротивления короткой сети определяют электрические характеристики печи. На рис. 29, а и б изображены две такие характеристики, показывающие изменение активной мощности Ра и полезной мощности Рпол, напряжение на электродах Un, электрического к. п. д. г|эл, cos ср и потерь в корот­ кой сети Рпот в зависимости от силы тока печи I. Обе характе­ ристики построены для одинаковых ступеней напряжения трансфор­ маторов одинаковых номинальных мощностей. Различие электри­ ческих характеристик объясняется различием активного Р к. с и реактивного Хк. с сопротивлений короткой сети этих печей из-за различного конструктивного оформления.

Из рассмотрения графиков электрических характеристик видно, что при увеличении силы тока активная и полезная мощности печи возрастают до определенного предела, а затем понижаются вслед­ ствие ухудшения cos ф и увеличения электрических потерь. Макси­ мум активной мощности соответствует cos ф = 0,707 (при ф = 45°). Максимум же полезной мощности получается при более высоком cos ф, составляющем примерно 0,78. Поэтому печи не должны ра­ ботать при cos ф, меньшем чем 0,78. Следует отметить, что при по­ вышении реактивного сопротивления снижение мощности печи на­ ступает при меньших значениях тока.

Потери в токоподводящей сети, характеризуемые кривой Рпот, повышаются пропорционально квадрату тока печи. В верхней части кривой Р пот эти потери возрастают сильнее, чем полезная мощность печи. Поэтому работают обычно только на повышающейся ветви

кривой Япол при достаточно высоком cos ср. Это уменьшает активные и реактивные электрические потери.

Обеспечение удовлетворительных электрических характеристик cos ф и Рпол печной установки при заданном рабочем напряжении затрудняется по мере увеличения мощности печи ввиду роста ре­ активного сопротивления печного контура.

Сила т ока, к А

Рис. 29. Электрические характеристики печи с трансформаторами одинаковой мощности и различными короткими сетями

Уменьшение Х к, с может быть достигнуто применением тока по­ ниженной частоты (например, 25 Гц и ниже), однако обеспечение питания мощных печей такими источниками энергии встречает боль­ шие технические трудности и в настоящее время для печей большой мощности (30— 100 MBA) более целесообразно применять искусствен­ ную компенсацию реактивной мощности, например путем включе­ ния емкостного сопротивления конденсаторной батареи.

5.КОММУТАЦИОННАЯ И ЗАЩИТНАЯ АППАРАТУРА,

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И УПРАВЛЕНИЕ ПЕЧЬЮ

Коммутационная аппаратура состоит из приборов, предназначен­ ных для включения и отключения электропечи. Устанавливается она в сети первичного напряжения трансформатора, так как на вто­ ричной стороне его при величине токов в десятки тысяч ампер осу­ ществить эти операции затруднительно. Это высоковольтные разъеди­ нители и выключатели различных конструкций.

На ферросплавных печах объектом, подлежащим защите, яв­ ляется печной трансформатор. Обычно устанавливают газовую за­ щиту, указывающую на замыкание в трансформаторе, максималь­ ные защиты от перегрузки, защиты от коротких замыканий и др.

66

На печи устанавливают термопары для замера температуры по­ дины печи, а на закрытых печах также устанавливают термопары для замера температуры под сводом и в газоходе и термометры со­

меры для определения количества образующегося газа, а для опре­

Управление печью производится на основании показаний кон­ трольно-измерительных приборов с пульта управления печью при помощи автоматических устройств. Ручное управление сохраняется лишь как дублирующее, на случай неисправности автоматического управления. Кроме того, ручное управление требуется в ряде тех­ нологических процессах: набор нагрузки при выплавке низкоугле­ родистых сортов феррохрома, при обжиге электродов и т. д.

Г Л А В А VI

ФУТЕРОВКА ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ И ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧЕЙ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Огнеупорные материалы, применяемые для кладки электропе­ чей, должны обладать высокой огнеупорностью, шлакоустойчивостью и термостойкостью, иметь достаточную механическую проч­ ность, особенно при высоких температурах, минимальное значе­ ние пористости и изменения объема при периодических нагревах и охлаждении, малой электро- и теплопроводностью.

Огнеупорные материалы, применяемые в электрометаллургии, весьма разнообразны. Их можно классифицировать по нескольким признакам.

По химическому составу. В зависимости от содержания главного компонента огнеупоры делятся на кислые, содержащие преимуще­ ственно кремнезем (динас, кварциты и кварцевые пески); нейтраль­ ные, в которых преобладают амфотерные окислы глинозема и окислы хрома (шамотные, высокоглиноземистые, хромомагнезитовые) и, на­ конец, основные, характеризующиеся высоким содержанием окиси кальция или магния (магнезит, доломит).

По огнеупорности. Рассматриваемые материалы разделяются на огнеупоры средней огнеупорности (до 1770° С), высокоогнеупорные, огнеупорность которых находится в пределах 1770—2000° С, и на­ конец, материалы высшей огнеупорности с огнеупорностью выше

2000° С.

По способу изготовления. Изделия, выпиливаемые из естествен­ ных горных пород (трепел); изделия пластического формования, для которых характерна большая пластичность исходной массы в связи с содержанием до 20% воды; изделия полусухого прессования, от­ личающиеся малой влажностью исходной массы (не выше 5%) и высоким прессовым давлением при прессовании; изделия, трамбо­ ванные в виде блоков, и изделия литые, отливаемые по формам либо из жидкоподвижной массы с большим содержанием воды, либо из расплавленной массы.

По термической обработке. Изделия делятся на обжиговые, т. е. предварительно обожженные в пламенной печи при определенной тем­ пературе, и безобжиговые, подвергаемые обжигу в процессе службы.

По агрегатному состоянию. Выделяются штучные изделия, порошкообразные материалы (доломитовый, магнезитовый порошки и т. д.) и пластические массы (бетоны и т. д.).

сводовый кирпич, ковшовый припас и т. д.

По форме. Штучные изделия разделяются на нормальный кирпич в виде параллелепипеда или небольшого клина и на фасонный, имею­ щий самые разнообразные формы.

Поведение огнеупорных материалов в процессе службы в решаю­ щей степени определяется их химическим составом. Поэтому ниже приводится характеристика огнеупорных материалов в зависимости от их состава.

Магнезитовыми огнеупорами называются изделия, содержащие не менее 85% MgO, изготовленные из обожженного при 1600— 1700° С минерала магнезита, представляющего почти чистое соединение MgC03. В процессе обжига происходит разложение углекислого магния с выделением С 02 по схеме: MgC03 = MgO + С 02, укруп­ нение мелкодисперсной окиси магния в крупнокристаллическую форму, называемую периклазом.

Высокотемпературный обжиг магнезита также необходим для придания огнеупорным изделиям постоянства объема, водоустой­

Магнезитовый кирпич мало реагирует с известковистыми шла­ ками, характерными для основного электросталеплавильного про­ цесса, при производстве рафинированных ферромарганца и ферро­ хрома и в других процессах. Это свойство, а также высокая огне­ упорность (не ниже 2000° С) позволяют применять его для кладки подины и стен в основных электропечах. Недостатком магнезитовых изделий является относительно низкая температура начала дефор­ мации под нагрузкой, малая термостойкость (1—3 ^еплосмены), высокая теплопроводность.

Более высокой термостойкостью обладает магнезитовый кирпич на шпинельной связке, при изготовлении которого для образования

68

хромистых шпинелей (соединений MgO с Cr2Os) в шихту вводят хромистую руду.

Реже из-за их высокой стоимости для кладки стен применяются плавленые магнезитовые изделия, получаемые путем переплава магнезитового порошка в дуговых электропечах. Плавленый магне­ зит почти полностью состоит из крупных зерен периклаза, и поэтому он не меняет объем при нагреве. Используют его часто для изготов­ ления футеровки индукционных печей.

Для текущего ремонта подины и откосов электропечей после каж­ дой плавки используют магнезитовый порошок с содержанием MgO не менее 87%.

Магнезитохромитовые огнеупоры изготавливают из размолотого хромита и намертво обожженного магнезита. Во время обжига сырца этих изделий происходит образование хромистых шпинелей (MgOCr2Os) и других высокоогнеупорных соединений: силикатов

69

Периклазошпинелидные изделия аналогичны магнезитохромито­ вым, но характеризуются пониженной пористостью, что достигается соответствующим подбором размера зерен исходной шихты. Термо­ стойкость периклазошпинелидных изделий ниже, чем магнезито­ хромитовых.

Из магнезитовых и магнезитохромитовых изделий практически выкладывается вся футеровка рабочей поверхности основной печи: подина, стены и свод. Расход этих изделий в электросталеплавиль­ ных цехах отечественных заводов колеблется в пределах 8— 19 кг/т стали, из них расход огнеупоров на свод составляет 4—8,3 кг/т. При производстве малоуглеродистого феррохрома расход магнези­ тового кирпича составляет 15—20 кг/т сплава.

Хромомагнезитовые огнеупоры отличаются от магнезитохроми­ товых изделий несколько более высоким содержанием Сг20 3 (до 30%), и в связи с этим имеют высокую термостойкость, достигаю­ щую 40 и более водяных теплосмен. Однако температура начала де­ формации под нагрузкой хромомагнезитовых изделий ниже, чем магнезитохромитовых. По этой причине в последние годы хромо­ магнезитовые изделия применяют в редких случаях.

Доломит—минерал, отвечающий по составу двойной углекис­ лой соли MgC03-CaC0g. В нем содержится до 5% различных при­ месей: Fe2Os, А120 3, S i0 2 и т. д. Окись кальция в доломите в от­ личие от MgO не теряет своих гидротирующих свойств даже после обжига при высоких температурах. Поэтому при хранении доломи­ товых изделий будет происходить их набухание и разрушение. Устра­ нить это явление можно путем предварительного связывания в про­ цессе обжига СаО с кремнеземом, для чего в доломит добавляют квар­ цевый песок. Образующийся при этом силикат кальция не гидроскопичен. Такие стабилизированные доломитовые изделия применяют для кладки стен на ряде зарубежных заводов, где имеется дефицит магнезита. Стойкость доломитовых стен меньше, чем из магнези­ товых изделий.

Иногда при изготовлении доломитовых изделий для связки ис­ пользуют смолу или пек. Получаются смолодоломитовые изделия. При употреблении свежеизготовленных смолодоломитовых изделий они не успевают гидротироваться, кроме того, пленка смолы, обво­ лакивающая зерна, предохраняет от проникновения в них влаги. Такие изделия также иногда используют для кладки стен электро­ печей. Однако смолодоломиювый кирпич особенно хорошо зареко­ мендовал себя в кислородных конвертерах.

До начала 60-х годов для изготовления стен электропечей в оте­ чественной практике широко использовали смолодоломитовые и смоломагнезитовые блоки, чаще всего изготавливаемые в прессформах непосредственно в электросталеплавильных печах. Однако стойкость стен из блоков в 1,5—3 раза ниже, чем из штучных магне­ зитсодержащих изделий. Поэтому в настоящее время стены оте­ чественных печей выкладывают из штучных изделий. Блочные стены продолжают применять на некоторых металлургических зарубеж­ ных заводах.

70