Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 141

Еще одна печь «Сопаrс

» эксплуатируется компанией

«Ispat Industries» в Индии и применяет жидкий чугун из домен-

ной печи, DRI и скрап как сырьевые материалы.

«Arcon-процесс», разработанный компанией «Concast

Standard AG» также сочетает преимущества конвертерного и

электросталеплавильного производства. «Arcon» представляет

двухкорпусный агрегат, состоящий из конвертера с верхней ки-

слородной продувкой и одноэлектродной дуговой печи постоян-

ного тока.

В каждом из корпусов кислородная фурма может быть

заменена общим графитированным электродом и наоборот. Раз-

меры корпуса отвечают размерам типового конвертера. Днище

каждого корпуса выполнено из электропроводных периклазогра-

фитовых огнеупоров и имеет подовый пластинчатый медный

электрод. Выпускное отверстие расположено в периферийной

части токопроводящей подины. Чугун заливают через горловину

корпуса или с

помощью желоба через боковое окно. Общий для

обоих корпусов графитированный электрод крепится на электро-

додержателе, расположенном между корпусами со стороны вы-

пускного отверстия. Кислородные фурмы, отдельные для каждо-

го из корпусов, имеют дополнительные боковые сопла для дожи-

гания монооксида углерода технологических газов.

Агрегат «Arcon» имеет производительность 1,6 млн.т/год.

качестве металлошихты используют жидкий чугун (40%), гра-

нулированный чугун (5%) и HBI (55%). Масса выпускаемой

плавки - 170 т, продолжительность работы агрегата 7300 ч в год.

Цикл работы каждого корпуса агрегата составляет 92 мин. Плав-

ка проводится с «болотом» массой 50 т, то есть каждый корпус

имеет вместимость 220 т жидкой стали [136].

142 Металлургические мини-заводы

2.3. КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ

ДУГОВОЙ ПЕЧИ

К настоящему времени накопилось достаточное количест-

во научно-технической литературы, посвященной конструктив-

ному решению мощной дуговой сталеплавильной печи [121, 185 -

189]. Поэтому в настоящем разделе авторы считают необходи-

мым остановиться лишь на наиболее существенных отличитель-

ных особенностях современной ДСП, которые оказывают непо-

средственное влияние на технико-экономические

показатели

плавки и способствуют максимально эффективному совмещению

технологических процессов в рамках мини-завода.

Корпус печи. Форма и конструкция корпуса дуговой элек-

тропечи полностью определяется конфигурацией рабочего про-

странства, параметры которого обусловливают распределение те-

пловой энергии и определяют технологический потенциал печи.

Кроме того, конструкция корпуса современной электропе-

чи должна обеспечивать следующие условия технологии

производства стали на мини-заводе: выпуск плавки в ковш с

надежной отсечкой печного

шлака при остатке оптимального

количества жидкого металла в печи; широкое применение

водоохлаждаемых элементов; рациональное размещение

технологического оборудования; минимальную

продолжительность простоя печи при замене кожуха (обычно эта

операция занимает от четырех часов до суток); разделение

корпуса печи для уменьшения грузоподъемности мостового

крана; минимальный расход огнеупорных мат

ериалов и

качественный холодный ремонт футеровки.

Корпус дуговой сталеплавильной печи (рис. 2.3) оснащен

рабочим окном, для осмотра рабочего пространства печи, удале-

ния шлака и выполнения различных технологических операций

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 143

Рис. 2.3. Корпус дуговой электропечи

144 Металлургические мини-заводы

частями рабочего окна являются арка и заслонка с механизмом

подъема, которые представляют собой сварные трубчатые водо-

охлаждаемые конструкции. Под эркером печи закрепляется за-

твор (откидного или скользящего типа), который закрывает ста-

левыпускное отверстие. Затвор оснащен приводом, как правило,

гидравлическим.

Корпус, как правило, состоит из двух разъемных по грани-

це огнеупорной футеровки

и водоохлаждаемых панелей частей -

днища и кожуха печи. Днище кожуха печи повторяет конфигура-

цию ванны печи и изготовлено штамповкой из котельной листо-

вой стали.

По периметру кожуха выполняют несколько технологиче-

ских окон для установки стационарных стеновых топливо-

кислородных горелок, инжекторов для подачи порошкообразных

материалов, а также отверстие в крышке эркера -

для обслужива-

ния сталевыпускного отверстия. В подине имеются, обычно, три -

четыре отверстия с креплениями для размещения продувочных

пробок.

Огнеупорная футеровка ванны печи, состоящая из подины

и боковых стен работает в условиях резких колебаний темпера-

туры, больших тепловых нагрузок, механического и химического

воздействия шихтовых материалов. С помощью огнеупорных ма-

териалов формируют подину

, нижнюю часть стен печи и эркер.

Футеровку подины выполняют из магнезитовых огнеупорных ма-

териалов. Подина и вертикальные стены ванны, находящиеся под

уровнем расплавленного металла могут быть зафутерованы

обожженным магнезитовым кирпичом в комбинации с огнеупор-

ной массой. Откосы формируют с применением различных видов

набивной огнеупорной массы, в состав которой входит химиче-

ское связующее. Перед набивкой огнеупорную массу увлажняют

путем добавления 3-5% воды. Для повышения стойкости элемен-

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 145

тов огнеупорной части ванны печи в зоне шлакового пояса обыч-

но применяют магнезитовый кирпич на синтетической смоляной

связке.

Для термически нагруженной части огнеупорной футеров-

ки стен над шлаковым поясом (до водоохлаждаемых панелей)

обычно предусматривают применение высокоогнеупорного пе-

риклазоуглеродистого кирпича на синтетической смоляной связ-

ке с содержанием остаточного углерода не менее 7%. Простран

ство между кирпичными стенами и водоохлаждаемыми панелями

стен заполняют набивной массой.

Круглое выпускное отверстие размещается в эркерной час-

ти и сформировано из огнеупорных катушек внутренним диамет-

ром 100 - 180 мм в зависимости от массы плавки.

Продувочные пробки (как правило, пористые огнеупорные

изделия конической формы) в количестве 3 - 4 штук вмонтирова-

ны в подину по

окружности, которая концентрична окружности

распада электродов, но несколько превышает ее диаметр. Проду-

вочные пробки размещают вне зоны действия электрической дуги

[190, 191].

Кожух печи формирует свободное пространство и пред-

ставляет собой водоохлаждаемый трубчатый каркас-коллектор,

сваренный из двух или трех горизонтальных поясов и вертикаль-

ных стоек. С внутренней поверхности в окнах кожуха

размеща-

ются стеновые водоохлаждаемые панели. Обычно в количестве 8

- 14 штук. Простые по конструкции и легкоразъемные соедине-

ния обеспечивают при необходимости их быструю замену. Труб-

чатый каркас обеспечивает высокую жесткость конструкции, а

также служит коллектором охлаждающей воды в системе. Благо-

даря тому, что каркас печи охлаждается, уменьшаются размеры

его деталей и снижается

их масса. Более того, каркас обладает

146 Металлургические мини-заводы

повышенной стойкостью к тепловому воздействию, что сущест-

венно увеличивает срок его службы.

Водоохлаждаемые стеновые панели. В настоящее время в

практике электропечестроения нет альтернативы применению

гарнисажной футеровки стен и свода ДСП. При теплопроводно-

сти около 0,12 - 0,13 Вт/(м×К) слой гарнисажа представляет со-

бой достаточно надежную тепловую изоляцию рабочего про-

странства печи, а

также служит для механической и электриче-

ской защиты охлаждаемых панелей. Водоохлаждаемые панели

при работе печи конденсируют на своей поверхности жидкие

частицы плавильной пыли, шлака и покрываются слоем гарниса-

жа. Толщина слоя гарнисажа, находясь в состоянии термического

равновесия, изменяется в ходе плавки в зависимости от условий

теплообмена: уменьшается за счет оплавления

внешнего слоя в

случае повышения тепловой нагрузки стен или температуры ох-

лаждающей воды и нарастает до определенного предела в обрат-

ной ситуации. Благодаря тому, что величина температуры по-

верхности гарнисажа постоянна и соответствует температуре его

плавления, происходит саморегуляция толщины (теплового со-

противления) слоя.

Анализ данных о тепловых потерях с охлаждающей водой

показывает, что эта величина колеблется в довольно широких

пределах. Например, согласно энергетическому балансу [180],

около 16% подводимой энергии теряется с охлаждающей водой, с

другой стороны, согласно данным [186], расход электроэнергии

при применении водоохлаждаемых стеновых элементов увеличи-

вается в среднем на 3%, или на 15 кВт×ч/т. Существует мнение,

что применение стеновых водоохлаждаемых панелей почти

не

увеличивает расход электроэнергии, хотя в отдельных случаях

отмечается некоторое ее увеличение (до 10 кВт×ч/т, или на 2%)

[185].

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 147

Очевидно, что такое отличие в оценках потерь обусловле-

но особенностями технологии плавки, ее продолжительностью,

мощностью печного трансформатора, вместимостью печи и чис-

тотой эксперимента.

В связи с вышеизложенным можно отметить, что для со-

временных высокопроизводительных ДСП, работающих в соста-

ве мини-заводов, удельные потери с охлаждающей водой состав-

ляют от 70 до 80 кВт

×ч при общем расходе тепла 600-680 кВт×ч/

т выпущенной стали и удельной интенсивности подачи охлаж-

дающей воды около 8-10 м

/т×ч [192].

Естественно, что применение водоохлаждаемых конструк-

ций приводит к росту энергетических затрат, величина которых

зависит от вместимости печи, удельной мощности печного транс-

форматора, технологии и организации производства. Если учесть

достаточно высокую стойкость водоохлаждаемых панелей (около

10 тыс. часов), экономию огнеупоров (с 26 до 1,5 кг/т), а также

обеспечение высокой степени готовности

агрегата к работе,

экономическая эффективность эксплуатации водоохлаждаемых

элементов не вызывает сомнений.

Известно, что максимальную механическую нагрузку па-

нели испытывают в процессе завалки шихты. При малой толщине

стенки охлаждающих труб соударения с тяжелыми кусками лома

во время завалки могут привести к их деформации или даже раз-

рушению. Поэтому рекомендуемая толщина стенки

трубы обыч-

но находится в диапазоне 8-16 мм, что обеспечивает достаточную

стойкость к механическим нагрузкам и, с другой стороны, обес-

печивает достаточно низкое термическое сопротивление [193].

Установлено, что срок службы охлаждаемых панелей оп-

ределяется, в первую очередь, величиной термических напряже-

ний. Во-первых, охлаждающие трубы подвержены односторон-

нему воздействию высокой температуры с внутренней

стороны

148 Металлургические мини-заводы

печи, что приводит к их деформации, во-вторых - циклические

термические и механические напряжения в ходе плавки также

сказываются на их стойкости, особенно в районе сварных швов.

Имеется прямая связь между сроком службы охлаждающих труб

и теплопередачей: чем лучше перенос тепла к охлаждающей сре-

де, тем меньше тепловая нагрузка на трубчатую конструкцию

[194].

В настоящее время в основном уже решены вопросы обес-

печения стойкости и надежности водоохлаждаемых элементов,

что позволяет увеличить площадь охлаждаемой поверхности стен

до 80 - 95%, а свода – до 100% [195]. Однако в подходе к проек-

тированию и изготовлению охлаждаемых элементов имеются не-

которые различия.

При конструировании водоохлаждаемых панелей стремят-

ся к получению максимальной толщины

теплоизолирующей по-

верхности для уменьшения тепловой нагрузки трубы и обеспече-

нию наиболее благоприятных условий передачи тепла к охлаж-

дающей среде. Оптимальный материал для охлаждающих труб

выбирают с учетом экономических соображений. В большинстве

случаев это трубы из котельной стали (например, из стали 20к),

которые технологичны, имеют достаточно высокий коэффициент

теплопроводности - около 50

Вт/(м×К) и приемлемую цену. В

случае высокой величины плотности теплового потока (более

2000 кВт/м

) применяют медные трубы, коэффициент теплопро-

водности которых заметно выше и составляет 383 Вт/(м×К).

Медные водоохлаждаемые элементы позволяют допускать мак-

симальную плотность теплового потока до 5500 кВт/м

В зависимости от количества тепла, которое нужно уда-

лить с облучаемой поверхности, минимальный расход охлаж-

дающей воды определяется допустимым повышением ее темпе-

ратуры (при перепаде 20°С и расходе охлаждающей воды 1 м

/ч

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 149

удаляется около 83,6 МДж/ч). Обязательным условием для этого

является достаточная степень турбулентности потока внутри ох-

лаждающей трубы. Минимальная скорость потока воды должна

превышать 1,2 м/с и обычно составляет от 1,5 до 2,0 м/с при

внутреннем диаметре трубы от 60 до 80 мм, а ее температура на

выходе зависит от качества охлаждающей жидкости и обычно

не

превышает 40-60°С. В настоящее время большинство компаний

эксплуатируют водоохлаждаемые элементы, прототипом которых

являются панели TW-2000 (разработка «Mannesman Demag»).

Конструкция панелей основана на применении трубчатых эле-

ментов равной длины, которые прилегают друг к другу. Для

обеспечения поворота охлаждающей среды отрезки трубы после-

довательно соединены переходниками, которые приваривают с

внешней стороны панели (рис.2.4).

Рис.2.4. Водоохлаждаемый элемент типа TW-2000

150 Металлургические мини-заводы

Для удержания набивки и гарнисажа поверхность панели

может быть ошипована. Из элементов аналогичной конструкции

изготавливают водоохлаждаемые стены и свод. Тыльная часть

панели закреплена на стальном листе, фронтальная - представля-

ет собой сплошную водоохлаждаемую поверхность.

Принято считать, что слабое место такой конструкции –

наличие открытого сварного шва в области высокой термической

нагрузки.

Конструкция компании

«KSK» устраняет этот недостаток

и отличается способом крепления труб, который позволяет со-

кратить до минимума количество открытых сварных швов

(рис.2.5). Однако такое решение, очевидно, увеличивает гидрав-

лическое сопротивление панелей [193].

А-А

60°

Рис.2.5. Способ соединения труб водоохлаждаемой панели