Файл: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие..pdf

потерь, хорошие условия для протекания физико-химических про­ цессов между металлом и шлаком и для заправки поврежденных уча­ стков футеровки.

Ванна теряет тепло в основном теплопроводностью через футе­ ровку. Тепловые потери при прочих равных условиях пропорцио­ нальны площади теплоотдающей поверхности, т. е. поверхности раз­ дела металла — футеровка и шлак — футеровка. Минимальную удель­ ную поверхность имеет, как известно, шар, поэтому с точки зрения тепловой работы печи целесообразной формой ванны является сфе­ рическая. Однако поддерживать в процессе эксплуатации такую форму ванны трудно, так как магнезитовый порошок, которым после каждой плавки заправляют повре­ жденные места футеровки по шлако­ вому поясу, ссыпается под углом примерно 45° (угол естественного откоса магнезита). Поэтому опти­ мальной формой ванны является сферо-коническая с уклоном кониче­ ской части к горизонтали под углом

45° (рис. 20).

В геометрии ванны важное значе­ ние имеет соотношение между глуби­ ной (/гв) и диаметром «зеркала» ме­ талла (DB). Чем меньше глубина и больше поверхность зеркала, тем больше удельная реакционная по­ верхность металл—шлак, тем быстрее происходит рафинирование металла шлаком. С этой точки зрения ванна

должна быть мелкой. Но при одном и том же объеме с уменьшением глубины ванны увеличивается диаметр кожуха и теплоотдающая поверхность печи; соответственно увеличиваются тепловые потери и расход электроэнергии.

Еще сравнительно недавно считали, что высококачественную сталь можно выплавлять в электропечах с глубиной ванны до 400— 500 мм. По этой причине рекомендовалось придерживаться отношения диаметра ванны к ее глубине, равного пяти-шести. Однако исполь­ зование различных методов интенсификации физико-химических процессов в печи и внепечное рафинирование металла синтетическим шлаком, продувкой аргоном или обработка металла на установках внепечного вакуумирования позволяют уже сейчас получать высоко­ качественный металл и в крупных электропечах с относительно малой поверхностью раздела металл—шлак. По мере дальнейшего совершен­ ствования процессов внепечного рафинирования и широкого приме­ нения методов интенсификации плавки в печи глубина ванны будет, по-видимому, увеличиваться, а отношение диаметра ванны к ее глу­ бине — уменьшаться, приближаясь по величине к отношению, ха­ рактерному для печей с кислой футеровкой. В кислых электропечах, где удельная поверхность раздела металл—шлак в силу особенно­

стей процесса не имеет такого большого значения, как в основных, это отношение находится в пределах 3,5—4,0.

Диаметр зеркала ванны однозначно определяет и диаметр сво­ бодного пространства. Высоту свободного пространства (от зеркала ванны до пят свода) определяют, исходя из необходимости разместить в этом объеме (включая и объем ванны) всю твердую завалку и полу­ чить при этом минимум тепловых потерь через боковую поверхность. Высота свободного пространства в значительной мере определяет и интенсивность облучения свода дугами, поэтому при определении высоты необходимо исключить опасность чрезмерного перегрева наи­ более горячей центральной точки свода.

Удовлетворительное выполнение этих требований соблюдается при отношении HCJD B = 0,4 — 0,5, причем меньшие значения от­ носятся к более крупным печам. Такое соотношение обеспечивает возможность загрузки в один прием лома с насыпной массой 1,6 т/м3. Использование более легковесного лома в электропечах нецелесооб­ разно, так как необходимый для загрузки лома объем свободного пространства увеличивается в обратной пропорции насыпной массе и резко возрастает при уменьшении последней менее 1,6 т/м3.

Стрелу выпуклости свода (/iCB) выбирают из условий получения достаточной строительной прочности свода в разогретом состоянии, так как свод постоянно испытывает сжимающие усилия от распора. Механические напряжения в своде возрастают с увеличением диа­ метра свода (DCB) и уменьшаются с увеличением стрелы его выпук­ лости. При отношении hCBIDCB < 0 ,1 напряжения очень высоки и резко возрастают с дальнейшим уменьшением величины отношения, а при отношении более 0,1 изменяются незначительно, поэтому же­ лательно, чтобы в рабочем состоянии это отношение находилось в пре­ делах 0,10—0,12.

В соответствии с этим выпуклость свода в холодном состоянии определяется диаметром свода (диаметром кожуха печи) и коэффи­ циентом теплового расширения огнеупорного материала: чем сильнее расширяется огнеупор при нагреве, тем меньше выпуклость свода в холодном состоянии. При нагревании сильнее расширяются кислые

Практически на одном из отечественных заводов стрела выпуклости магнезитохромитового свода принята для печей емкостью 100, 40, 10 и 5 т соответственно 950, 600, 350 и 310 мм.

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА НА СТОЙКОСТЬ ФУТЕРОВКИ

Простои печей большой емкости (40—100 т) на ремонтах футеровки стен и сменах сводов составляют на отечественных заводах 6—10% календарного времени. Главной причиной разрушения футеровки является чрезмерный перегрев отдельных участков футеровки, в связи с чем наиболее быстро изнашивается нижний пояс боковой стенки, расположенный напротив дуг, и центральная часть свода. Особенно

52

низка стойкость футеровки печей большой емкости при работе на высоком напряжении. Так, стойкость стен на электропечах емкостью 100 т, работающих при напряжении на дугах свыше 400 В, не пре­ вышает 200 плавок, в то время как стойкость стен печей емкостью 5—10 т, работающих при напряжении ПО—140 В, достигает 1500 плавок и более. В повышении стойкости стен и сводов скрыт значи­ тельным резерв увеличения производительности агрегатов и повыше­

ния экономической эффективности электросталеплавильного произ­ водства.

Всоответствии с выражением (14) интенсивность облучения еди­ ницы поверхности футеровки пропорциональна мощности дуг, ко­ синусу угла падения луча на облучаемую поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния от дуги до облучаемой поверхности.

Втрехфазных печах с электродами,

ровки был как можно более равномер­ ным. Равномерность нагрева футеровки увеличивается с уменьше-

нием диаметра распада электродов (d3) — диаметра окружности, проходящей через центры электродов. Идеальная равномерность нагрева достигается при совмещении всех дуге центром печи. Однако чрезмер­ ное сближение электродов ослабляет механическую прочность свода, утяжеляет температурные условия его центральной части, затрудняет расплавленные шихты у откосов. Учитывая это, рекомендуется обес­ печивать отношение диаметра распада электродов к диаметру печи в пределах 0,25—0,35 (более высокие значения относятся к крупным печам). Неравномерность нагрева футеровки в точках А и В при этом составляет 10—15%.

При симметричном расположении электродов по вершинам равпостороннего треугольника неравномерный нагрев наблюдается не только в точках Л и В, но температура неодинакова и в точках Ал , А 2 и А 3. Это связано с тем, что при близком параллельном располо­ жении проводников трехфазной цепи наблюдается перенос мощности через электромагнитное поле с одной фазы на другую. По этой при­ чине мощность, выделяющаяся в дуге первой фазы, меньше мощности дуги третьей -фазы, которая в свою очередь меньше мощности дуги второй фазы. Исследование топографии разгара кладки стен под­

53

тверждает более быстрый износ футеровки против электрода третьей наиболее мощной («дикой») фазы.

Для выравнивания скорости износа футеровки необходимо умень­ шить неравномерность выделения мощности в дугах разных фаз, что может быть достигнуто специальной конструкцией короткой сети и использованием дополнительных устройств, о чем подробнее будет изложено ниже. В некоторых случаях, по-видимому, целесообразно просто смещать центр распада электродов относительно центра печи так, чтобы, несмотря на неравномерность выделения мощности в ду­ гах разных фаз, нагрев в точках А х, и А 3был равномерным. Раз­ работана также конструкция печи, у которой диаметр распада элек­ тродов изменяется по высоте рабочего пространства и имеет наимень­ шую величину на уровне порога рабочего окна.

' При определенной мощности дуг и заданном отношении интен­ сивность облучения стен дугами можно уменьшить, как это следует из выражения (14), уменьшая угол падения луча на поверхность стен: интенсивность облучения стен в горячей зоне тем меньше, чем сильнее они наклонены к вертикали.

Исходя из тепловой работы печи стены целесообразно было бы выполнять с наклоном внутрь печи. Но такая конструкция стен мало подходит по условиям загрузки шихты и заправки нижних наиболее сильно разрушающихся участков стен. Поэтому в последнее время широкое распространение получили печи, у которых стены наклонены наружу.

Наклон стен наружу увеличивает теплоотдающую поверхность и приводит к возрастанию тепловых потерь. В связи с необходимостью уменьшить тепловую нагрузку наиболее напряженных участков кладки стен, не увеличивая при этом значительно теплоотдающую поверхность, наклон стен целесообразно выполнять по высоте не­ одинаковым: максимальный угол наклона должен соответствовать участкам с максимальной тепловой нагрузкой, и по мере уменьше­ ния нагрузки угол может быть также уменьшен. Однако такой наклон стен трудно выполнять и поддерживать при работе печи.

Максимальный разогрев испытывает нижний пояс кладки стен шириной 300—400 мм от поверхности ванны. Угол наклона стен на этой высоте должен составлять 25—30°. С дальнейшим увеличе­ нием высоты кладки интенсивность облучения резко уменьшается, поэтому угол наклона также может быть уменьшен. В самой верхней части с целью некоторого уменьшения диаметра свода, что значи­ тельно влияет на его стойкость, наклон стен можно выполнить внутрь печи. Стойкость этих участков стен при этом снизится, но вследствие увеличения стойкости свода суммарные простои печи на ремонтах футеровки уменьшатся.

Такая конфигурация рабочего пространства применена на неко­ торых мощных печах отечественных заводов.

Наклон верхней части футеровки стен внутрь печи позволяет получить положительный эффект на электропечах, где еще сохрани­ лась загрузка шихты мульдами через завалочное окно. При загрузке шихты сверху выступающие ряды кирпича верхней части стен по­

54