4. Электродуговые печи

4.1. Свойства дугового разряда

В ряде электротермических процессов, идущих с поглощением большого количества электроэнергии, применяется электродуговой разряд или электрическая дуга, которая позволяет нагревать различные среды до высоких температур, недостижимых при сжигании топлива.

Электрическая дуга является одним из явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары или вакуум. В обычных ус­ловиях газы не проводят электрический ток. Проводимость возникает только тогда, когда в газовой или иной среде помимо молекул и атомов по­являются свободные заряженные частицы – электроны, положительные и отрицательные ионы и газ превращается в плазму. Плазмой принято называть вещество, находящееся в состоянии, когда в веществе кроме нейтральных молекул и атомов имеются заряженные час­тицы – электроны и ионы, проводящие электрический ток. Основные этапы перехода газа в плазму: диссоциация (образование атомов и ионизация, возникновение заряженных частиц). Заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии внешнего источника (самостоятельный разряд).

 Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 10² – 10⁶ Асм²), низким катодным падением напряжения (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном про­странстве (3-5) 10³ К и выше.

 

4.2. Общие сведения о дуговых электрических печах

Рекомендуемые материалы

Электрическая дуговая печь – печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и др. материалов. Первые про­мышленные дуговые печи построены в 1898-1901 П. Эру во Франции и Э. Стассано в Италии. В России первая дуговая печь была установлена в 1910 на Обу­ховском заводе в Петербурге.

В литейном производстве дуговые печи используют для выплавки стали и чугуна из металлического лома и для перегрева жидкого чугуна, получаемого в вагранках или других первичных плавильных печах, для выплавки ферросплавов и чугуна из руд, а также в химической промышленности – для производства карбида кальция, фосфора и др. продуктов. В дуговых печах можно получать высококачественный металл с низким содержанием фосфора, серы, кислорода и других вредных и нежелательных примесей, получать легированные стали с высоким содержанием легирующих добавок. Дуговые печи лучше других приспособлены для переработки металлического лома. Металлизированные окатыши, заменяющие лом, можно загружать в электропечь непрерывно при помощи автомати­ческих дозирующих устройств.

Классификация дуговых электрических печей.

По роду тока: печи, работающие на переменном токе;  печи, работающие на постоянном токе.

По способу нагрева:

- печи прямого действия, в которых электрическая дуга горит между концами электродов и расплавляемым материалом;

- печи косвенного действия, где электродуговой разряд горит между электродами, расположенными над нагреваемым материалом, и теплообмен между электрической дугой и материалом осуществляется в основном за счет излучения;

- печи с закрытой дугой, в которых дуги горят под слоем твёрдой шихты, окружающей электроды. Шихта нагревается теплом, выделяющемся в дуге, а также джоулевым теплом, образующимся при прохожде­нии тока через шихту.

Шихтовые материалы. Основной составляющей шихты является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; жела­тельно, чтобы содержание фосфора в ломе не превышало 0,05%, при бо­лее высоком содержании фосфора продолжительность плавки возрастает. Лом не должен быть сильно окисленным (ржавым), так как с ржавчиной (гидра­том окиси железа) вносится в металл много водорода. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (од­ной бадьей). При легковесном ломе после частичного расплавления пер­вой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки.

В последнее время расширяется применение металлизованных окатышей и губчатого железа – продуктов прямого восстановления обогащенных железных руд. Они содержат 85-93% Fe, основными примесями яв­ляются окислы железа, SiO₂ и Al₂O₃. Отличительная особенность этого сырья – наличие углерода от 0,2-0,5 до 2% и очень низкое содержание серы, фосфора, никеля, меди и других примесей. Это позволяет выплавлять сталь, отличающуюся повышенной чистотой от примесей.

Переплав отходов легированных сталей позволяет экономить дорогие ферросплавы. Эти отходы сортируют по химическому составу и используют при выплавке сталей, содержащих те же легирующие элементы, что и отходы.

Для повышения содержания углерода в шихте используют чугун, кокс и электродный бой. В качестве шлакообразующих в основных печах применяют известь, известняк, плавиковый шпат, боксит, шамотный бой; в кислых печах – кварцевый песок, шамотный бой, известь. В качестве окислителей используют железную руду, прокатную окалину, агломерат, железные окатыши, газообразный кислород. В элекросталеплавильном производстве для легирования и раскисления применяются практически все известные ферросплавы и легирующие.

4.3. Дуговые печи переменного тока

4.3.1. Конструкция дуговых сталеплавильных печей прямого действия

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) прямого действия предназначены для выплавки стали в слитки для последующего передела в прокатных цехах, а также для получения фасонного литья, металлургического сырья, химических продуктов. Промышленностью освоен выпуск дуговых печей вместимостью 0,5; 1,5; 3; 6; 12; 25; 50; 100 и 200 т.

Печи состоят из следующих основных частей:

- каркаса;

- механизма наклона;

- футеровки;

- свода, механизма перемещения свода;

- электродов;

- электрододержателей и механизма перемещения электрододержате­лей;

- установки электромагнитного перемешивания металла в ванне;

- системы водяного охлаждения, гидравлического привода механизмов, электрооборудования.

Каркас. Все нагрузки от футеровки и жидкого металла, а в некоторых конструкциях и от механизмов наклона печи и подъема свода восприни­маются каркасом печи. Каркас может быть цилиндрической или кониче­ской формы, слегка расширяющийся кверху. Каркас сваривают из листо­вой низкоуглеродистой стали и усиливают ребрами жесткости. Толщина стенки каркаса зависит от вместимости печи. Днище каркаса может быть плоским, коническим или сферическим. В каркасе вырезают отверстия для загрузочного окна и металлической летки. На больших печах боковые стены каркаса имеют водяное охлаждение. В ряде случаев каркас печи выше уровня жидкого металла представляет собой отдельные водоохлаж­даемые панели, соединенные между собой болтами.

На поверхности панели, обращенной в рабочее пространство печи, имеются ребра и иглы, на которые нанесен тонкий слой огнеупорной мас­ссы. В подобных печах потери энергии через стены выше, чем у пе­чей без охлаждения стен, но удельный расход энергии на тонну выплавлен­ного металла меньше, так как время плавки значительно сокращается. Кроме того, сокращаются простои печи, связанные с ремонтом футеровки стен.

Механизм наклона. Для слива металла печь наклоняют на  40 – 45° в сторону сливного носка, а для скачивания шлака на 10 – 15° в сторону рабочего окна. Печь наклоняют с определенной скоростью механизмом с электромеханическим или гидравлическим приводом, находящимся сбоку

от нее или под ней. Механизм наклона печи вместимостью 0,5; 1,5 и 3 т состоит из двух гидравлических цилиндров, размещенных под печью (рис. 4.1).

К каркасу печи на болтах присоединены два литых сегмента, установ­ленные на литые плиты. На плитах и сегментах выполнены зубцы, на­дежно фиксирующие печь в определенном положении. Печь наклоняют при перемещении штока цилиндров, которые шарнирно соединены с фундаментом и каркасом.

Футеровка. Подина состоит из нескольких слоев. Первый слой, соприкасающийся с жидким металлом и шлаком – набивной из огнеупорного порошка. При кислом процессе используют набивку из кварцевого песка, при основном - набивку из магнезитового порошка. Второй слой подины при кислом процессе выполняют из динаса, а при основном – из магне­зита. Последующие слои состоят из шамота, диатомита и асбеста.

Стены печей – многослойные. Первый слой в зависимости от процесса выкладывают из динасового или магнезитового кирпича, второй – из шамотного кирпича, третий – из диатомитового порошка, который, выполняя роль теплоизоляции, одновременно компенсирует расширение огнеупоров при их нагреве и тем самым предохраняет каркас от разрушения. Вместо огнеупорных кирпичей иногда применяют набивные блоки, изготовленные из кварцевого песка или магнезитового порошка. У сверхмощных сталеплавильных печей стены из огнеупоров заменяют во­доохлаждаемыми панелями.

Свод. Известны печи с водоохлаждаемым сводом, в котором футе­ровка отсутствует полностью или сохраняется только в центральной части свода, где расположены электроды. Своды изготовляют с помощью специального шаблона из высокоглиноземистого или электродинасового нормального и фасонного кирпича.

Механизм перемещения свода. При загрузке печей применяют специальные механизмы для подъема и поворота свода. Наиболее широко используют метод загрузки сверху. При загрузке шихты свод вместе с электродами поднимают и поворачивают на 80–100°. Открытую печь загружают с помощью специальных загрузочных корзин. По окончании за­грузки свод возвращают в исходное положение. После этого может быть начат рабочий цикл. У некоторых печей свод после подъема остается в приподнятом положении, а печь выкатывают из-под свода на позицию загрузки. По окончании загрузки печь устанавливают в первоначальное положение, а свод опускают. Механизированная загрузка шихты позволяет повысить производительность печи и сэкономить электроэнергию.

Электроды. Электроды в дуговых печах служат для ввода электро­энергии внутрь рабочего пространства печи, для расплавления шихты и получения необходимых материалов. Применяются угольные или графитированные электроды. Угольные электроды изготовляют из антрацита и кокса, а графитированные – из искусственного графита в специальных электрических печах. В современных печах в подавляющем большинстве применяются графитированные электроды. Иногда применяемые графитоугольные электроды диаметром 100–1200 мм изготовляют из антрацита, термоантрацита (прокаленного антрацита), нефтяного кокса, каменноугольного пека и смолы в специальных печах путем обжига заготовок без доступа кислорода при температуре до 1600 К. Угольные электроды по сравнению с графитированными имеют меньшую механическую прочность и большее удельное сопротивление. Поэтому угольные электроды обычно применяют лишь на малых печах вместимостью до 3 т.

Таблица 4.1

В дуговых печах применяются непрерывно наращиваемые электроды. Они имеют круглое сечение и обработанные торцы, в которых по оси имеются отверстия с резьбой. В отверстия ввинчены до половины своей длины ниппели, выполнен­ные из материала электрода. На выступающую из торца электрода половину ниппеля навинчен следующий электрод и т. д. Таким способом изготовляется электродная свеча, состоящая из нескольких электродов. Электроды имеют длину 1000 – 1800 мм. Управление перемещением электродов в процессе плавки производится в автоматическом режиме с помощью электрогидравлического регулятора.

Электродержатели (ЭД). Электроды крепятся в специальных ЭД, ко­торые предназначены для удержания электродов и подвода к ним тока. Каждый ЭД закреплен на стойке, которая может перемещаться в верти­кальном направлении. ЭД связаны с механизмом перемещения электродов. Ток подводится к ЭД с помощью пакета медных шин или водоохлаждаемых труб.

Установки электромагнитного перемешивания металла позволяют ускорить выведение вредных газов и компонентов из расплава, выровнить химический состав расплава. Жидкий металл в ванне приводится в движение с помощью электромагнитных устройств переменного тока с перемежающимся магнитным полем при частотах 0,4–1,0 Гц. Промыш­ленные установки электромагнитного перемешивания состоят из трех компонентов: индуктора, источника питания и системы охлаждения.

Индукторы электромагнитного перемешивания выполняют в виде цилиндрических или плоских конструкций. В первом случае индукторы располагаются на боковой поверхности корпуса, во втором – под донной поверхностью. Мощность индукторов  составляет 0,5-0,6 кВт, напряжение фазы 115-180 В, коэффициент мощности 0,5-0,6. В качестве источников питания индукторов используют электромагнитные преобразовательные агрегаты и тиристорные преобразователи частоты. Охлаждение статора производится водой, если он изготовлен из медной трубки, или воздухом, по специальным каналам внутри обмотки. Стоимость установки электромагнитного перемешивания металла со­ставляет 30–100% стоимости печи, а расход энергии в ней на 1 т вы­плавленной стали 3–5% от полного расхода энергии.

Электрооборудование состоит из печного трансформатора, дроссе­лей, коммутационно-защитной аппаратуры. На рис. 4.2 показана конструкция дуговых печей вместимостью 0,5; 1,5 и 3 т. 

 

4.3.2. Технологии плавки стали в ДСП

Технология плавки стали в ДСП зависит от используемых шихтовых материалов, емкости печи, необходимого качества стали. Ниже рассмотрены некоторые технологии.

1. Плавка в основной печи на углеродистой шихте. Данная технология применяется на печах малой и средней (£40 т) емкости при выплавке качественных легированных сталей. Плавка состоит из следующих периодов: заправка печи; загрузка шихты; плавление; окислительный период;  восстановительный период; выпуск стали.

Заправка печи. Заправка – это исправление изношенных и поврежденных участков футеровки пода. После выпуска очередной плавки с подины удаляют остатки металла и шлака. На поврежденные подины и откосы забрасывают магнезитовый порошок. Длительность заправки 10-15 мин.

Загрузка шихты.

При выплавке стали в печах малой и средней емкости шихта на 90-100% состоит из стального лома.  Для повышения содержания углерода в шихту вводят чугун (<10%), а также электродный бой или кокс. Чтобы совместить удаление части фосфора при плавлении шихты в завалку рекомендуется давать 2-3% извести. Загрузку ведут бадьями или корзинами. Необходима плотная укладка шихты, это улучшает ее проводимость, обеспечивает устойчивое горение дуги, ускоряет плавление. Для уменьшения угара кокс и электродный бой кладут под слой крупного лома.

Плавление. После окончания завалки электроды опускают почти до касания с шихтой и включают ток. Под действием высокой темпера­туры дуги шихта под электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной части подины. Электроды постепенно опускаются, проплавляя в шихте "колодцы" и достигая крайнего нижнего положения. По мере увеличения количества жидкого металла электроды поднимаются. Это достигается при помощи автоматических регуляторов для поддержания определенной длины дуги. Плавление ведут при максимальной мощности трансформатора.

Во время плавления происходит окисление составляющих шихты, формируется шлак, происходит частичное удаление в шлак фосфора и серы. Окисление примесей осуществляется за счет кислорода воздуха, окалины и ржавчины, внесенных металлической шихтой.

Для ускорения плавления иногда применяют газокислородные горелки, вводимые в рабочее пространство через под или стенки печи, позволяющие вводить в жидкий металл кислород. При расходе кисло­рода 4-6 м²/т длительность плавления сокращается на 10-20 мин.

Продолжительность периода плавки определяется мощностью транс­форматора и составляет от 1,1 до 3,0 ч. Расход электроэнергии за время плавления составляет 400-480 кВтч/т.

Окислительный период. Задачи окислительного периода: уменьшить содержание в металле фосфора до 0,01-0,015%; водорода и азота; нагреть металл до температуры близкой к температуре вы­пуска.

Кроме того, за время периода окисляют углерод до нижнего предела его содержания в выплавляемой стали. За счет кипения (выделения пу­зырьков СО при окислении углерода) происходит дегазация металла и его перемешивание, что ускоряет процессы дефосфорации и нагрева. Окисле­ние примесей ведут, используя либо железную руду (окалину, агломерат), либо газообразный кислород. За все время плавления и окислительного периода в шлак удаляется до 30-40% серы, содержащейся в шихте. При кипении вместе с пузырь ками СО из металла удаляются водород и азот. Этот процесс имеет большое значение для повышения качества стали, поскольку в электропечи в зоне электрических дуг идет интенсивное насыщение металла азотом и водородом. В связи с этим сталь обычно содержит азота больше, чем мартеновская и кислородно-конвертерная сталь.

Окислительный период заканчивается тогда, когда углерод окисля-ется до нижнего предела его содержания в выплавляемой марке стали, а содержание фосфора снижено до 0,01-0,015%. Период заканчивают сли-вом окислительного шлака. Полное скачивание окислительного шлака необходимо, чтобы содержащийся в нем фосфор не перешел обратно в металл во время восстановительного периода.

Восстановительный период. Задачи восстановительного периода: раскисление металла и удаление серы; доведение химического состава стали до заданного; корректировка температуры; введение в ме­талл нужных легирующих компонентов.

Раскисление металла проводится с целью получения необходимых свойств стали, уменьшения содержания окислов железа в шлаке, получе­ния стали с пониженным содержанием неметаллических включений. В восстановительный период в печь вводят в определенной последовательности ферромарганец, ферросилиций, известь, плавиковый шпат и шамотный бой и др.

Для улучшения перемешивания шлака и металла и интенсификации медленно идущих процессов перехода в шлак серы, кислорода и немета-ллических включений в восстановительный период рекомендуется применять электромагнитное перемешивание, особенно на большегрузных печах, где удельная поверхность контакта металл-шлак значительно меньше, чем в печах малой емкости.

Длительность восстановительного периода составляет 40-100 мин. За 10-20 мин. до выпуска проводят корректировку содержания кремния в металле, вводя в печь кусковой ферросилиций. Для конечного раскисления за 2-3 мин. до выпуска в металл присаживают 0,4-1,0 кг алюминия на 1 т стали. Выпуск стали из печи в ковш производят совместно со шлаком. Интенсивное перемешивание металла со шлаком в ковше обеспечивает дополнительное рафинирование – из металла в белый шлак переходит сера и неметаллические включения.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в конце периода расплавления в сталь вводят легирующие добавки. Хром и марганец вводят в металл после слива окислительного шлака в начале

восстановительного периода, никель в завалку, а молибден в конце плавления или в начале окислительного периода. Вольфрам обычного вводят в начале восстановительного периода, не позднее, чем за 30 минут до выпуска. Легирование стали феррованадием производят за 15-35 мин. до выпуска, ферросилицием – за 10-20 мин. до выпуска. Ферротитан вводят в печь за 5-15 мин. до выпуска, либо в ковш. Алюминий вводят за 2-3 мин. до вы­пуска в ковш. После легирования металл выливается в ковш  для разливки стали.

 Длительность плавки. Плавка в крупных печах длится 4–6 ч: из них 1,5–2,5 ч длится расплавление и 2–4 ч - окисление и рафинирование металла. Режимы работы печи и стадии технологического процесса могут быть различными в зависимости от вида скрапа, шихты, состава футеровки, применения легирующих компонентов.

2. Выплавка стали методом переплава. На металлургическом заводе отходы легированной стали разливаемой в изложницы, достигают 25-40%. По мере накопления отходов выплавляют сталь методом переплава. Плавку ведут без окисления или с непродолжительной продувкой кисло­родом, что позволяет сохранить значительную часть содержащихся в от­ходах ценных легирующих элементов.

При плавке без окисления углерод и фосфор не окисляются, поэтому содержание фосфора в шихте не должно быть выше его допустимых пре­делов в готовой стали, а содержание углерода на 0,05–0,1% ниже, чем в готовой стали. В шихту помимо легированных отходов вводят мягкое же­лезо – шихтовую заготовку с низким содержанием углерода и фосфора и, при необходимости, феррохром и ферровольфрам.

Загрузку и плавление шихты производят как при обычной плавке; в период плавления загружают 1-1,5% извести или известняка. После расплавления шлак, как правило, не скачивают, сразу приступая к проведению восстановительного периода. При этом раскисление, десульфурацию и легирование металла производят обычным способом. При диффу­зионном раскислении из шлака восстанавливается хром, вольфрам и ва­надий. Если после расплавления шлак получился густым из-за высокого содержания окиси магния, его скачивают и наводят новый.

При выплавке стали методом переплава сокращается расход феррос­плавов, на 10-30% возрастает производительность печи, на 10-20% со­кращается расход электроэнергии и электродов.

3. Выплавка высококачественных сталей по упрощенной техноло­гии с последующим внепечным рафинированием стали. Используются следующие технологии:

 - плавка с рафинированием металла в ковше печным шлаком;

- плавка с рафинированием в ковше синтетическим шлаком;

- технология с продувкой в ковше порошкообразными реагентами;

- плавка с рафинированием и доводкой металла вне печи.

Общим для всех разновидностей второго направления технологии яв­ляется стремление использовать крупные печи в основном для расплавле­ния шихты, нагрева металла и проведения окислительных процессов – дефосфорации и обезуглероживания; иногда в печи проводят также леги­рование и формирование требуемого перед выпуском состава шлака.

4. Плавка с использованием металлизованных окатышей. Основу окатышей (губки) составляет железо с содержанием углерода от 0,2–0,5 до 2%, они содержат также некоторое количество невосстановленных окислов железа и пустую породу (в основном SiO₂ и Al₂O₃), количество ко­то­рой должно быть не более 3–7% от массы окатышей. Отличительная осо­бенность этого сырья – малое содержание серы, фосфора, меди, никеля, хрома и других примесей, обычно содержащихся в стальном ломе. Это облегчает и упрощает процесс выплавки и получение стали высокого качества и степени чистоты (суммарное со­держа­ние примесей в стали получается в несколько раз меньше, чем при выплавке из стального лома).

Если содержание металлизованных окатышей в шихте не превышает 25–30% от её массы, то технология электроплавки существенно не отли-чается от обычной. Переработка шихты, основу которой составляют ме-таллизованные окатыши требует применения специфической технологии. Особенностями этой технологии являются:

- непрерывная загрузка окатышей со скоростью, пропорциональной подводимой в печь электрической мощности, причем загрузка должна на-чинаться после сформирования в печи ванны жидкого металла;

- совмещение периода плавления с окислительным (обезуглерожива­нием);

- упрощение технологии плавки в связи с малым содержанием в ших-те вредных примесей – серы и фосфора.

Степень металлизации окатышей должна находиться в определенных пределах, обеспечивающих кипение ванны в процессе их загрузки и плавления. Оптимальной содержание окатышей в шихте составляет 60–70% от её массы, при большем их содержании возрастает длительность расплав-ления и плавки в целом.

Плавку начинают с загрузки стального лома, который в количестве 30–40% от массы металлической шихты заваливают в печь одной порцией. Далее подают напряжение и после расплавления лома в сформировавшуюся жидкую ванну начинают непрерывную загрузку окатышей; обычно их загружают в зону электрических дуг с помощью автоматизи­рованной системы через отверстие в своде печи. Скорость подачи окатышей согласуют с подводимой в печь электрической мощностью так, чтобы температура ванны была на 30–40 °С выше температуры плавления металла.

Период загрузки и расплавления совмещают с окислительным, т.е. проводят его так, чтобы обеспечить непрерывное окисление углерода (кипение ванны). При этом благодаря перемешиванию ускоряется плавление окатышей, обеспечиваются дегазация ванны и получение в конце периоде заданного содержания углерод в металле.

По ходу плавления в печь загружают известь для ошлакования кислой пустой породы окатышей. Основность шлака в связи с низким содержанием в окатышах серы и фосфора может быть меньшей, чем при плавке на шихте из стального лома и составлять 1,5–2,0. В конце пе­риода плавления необходимо получить требуемое в выплавляемой стали содержание углерода; при недостатке углерода прибегают к вдуванию в ванну карбюризаторов, избыточный углерод окисляют путем кратковременной продувки кислородом.

После окончания плавления применяют различные варианты ведения заключительной части плавки. Один их них – нагрев металла до требуе­мой температуры и выпуск в ковш, где производят внепечную доводку стали и рафинирование; другой – проведение в печи кратковременной до­водки, в течение которой проводят нагрев, раскисление и легирование.

5. Выплавка стали в кислых дуговых печах. Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Преимуществом кислых печей по сравнению с основными является более высокая стойкость футеровки, наряду с этим стоимость кислых огнеупоров примерно в 2,5 раза ниже стоимости основных. При плавке стали для фасонного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки меньше, чем в основной той же емкости. По этой причине, а также в связи с меньшей теплопроводностью кислой футеровки, более низким является и расход электроэнергии. Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляется сера и фосфор.

Удаление газов. Во время плавки из электропечи выделяется боль-шое количество запыленных газов. Температура газов составляет 900–

1400 °С, содержание пыли в период продувки ванны кислородом доходит до 100 г/м³ газа. Количество газов, выделяющихся, например, из печи, емкостью 100 т в период продувки кислородом, достигает 9–10 тыс. м³/ч. Для создания нормальных условий работы в сталеплавильном цехе необходимы улавливание и очистка отходящих газов.

В старых цехах с печами малой емкости применяются отсасывающие зонты, установленные над сводом. Однако они громоздки, не обеспечивают полное сгорание газов. В настоящее время газы отводят через отверстие в своде с последующей очисткой от пыли. Наибольшее распространение получила мокрая газоочистка с использованием труб Вентури.

Технические характеристики ДСП переменного тока прямого действия приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

4.3.3. Дуговые печи косвенного действия

Дуговая печь косвенного действия предназначена для переплава цветных металлов и их сплавов, а также для выплавки некоторых сортов чугуна и никеля. Ее основное преимущество – небольшой угар металла, так как электродуговой разряд не соприкасается  непосредственно с переплавляемым  материалом. Однофазная дуговая печь косвенного действия (рис. 4.3) представляет собой горизонтально расположенную ванну, футерованную изнутри огнеупором. В противоположных боковых стенках установлены графитированные электроды, перемещаемые по мере обгорания механизмами подачи. Переплавляемый материал загружают на дно ванны через отверстие в боковой поверхности корпуса. На электроды подается напряжение, затем они сводятся до соприкосновения и возникновения тока в цепи и затем разводятся, что приводит к возникновению электрической дуги. Вследствие поглощения выделяемой дугой энергии происходит нагрев и расплавление металла. После расплавления металла печь наклоняется механизмом наклона и из нее сливается расплав. Регу­лирование мощности печи производится путем изменения тока и длины дуги.

К электрооборудованию дуговых печей относятся: печной трансформатор, регулировочный реактор и электропривод механизма подачи электродов. Ток к электродам подводится гибкими кабелями от печного трансформатора. Регулирование расстояния между электродами осуществляют с помощью электропривода, управляемого персоналом дистанционно, или автоматическим регулятором  режима. Дуговые печи косвенного действия производят емкостью 0,25 и 0,5 т. Они снабжены трансформаторами мощностью 175-250 и 250-400 кВ∙А.

Режим работы дуговой печи зависит от режима процесса плавки. При расплавлении металлического лома печь работает на максимальной мощности. При доводке жидкого металла до требуемого химического состава мощность печи сравнительно невелика.

 Режим печи регулируется либо изменением напряжения на электродах, либо изменением длины дуги, т. е. силу тока. Для изменения подводимого к печи напряжения трансформатор снабжается устройством регулирования напряжения, для чего на первичной обмотке предусматриваются одно основное и несколько дополнительных ответвлений (для малых печей предусматривают 2-4 ступени регулирования напряже­ния; для крупных печей – до 25 сту­пеней). Изменение длины дуги осуществляют опусканием или подни­манием электродов с помощью автоматической системы. Печь подключают к трехфазной сети промышленной частоты напряжением 6 – 35 кВ. С целью уменьшения потерь электроэнергии печные трансформаторы устанавливают на минимальном расстоянии от печи.

В цепь высокого напряжения включают реактор (дроссель), который ограничивает силу тока при коротком замыкании электродов на металл.

4.3.4. Электрооборудование ДСП

К основному электрооборудование ДСП относят:

- печь с электродами и ванной;

- понизительный трансформатор;

- дроссели;

- короткую сеть;

- коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру.

Принципиальная электрическая схема показана на рис. 4.4. Первичная цепь печи состоит из последовательно соединенных проводов и аппаратов высокого напряжения, дросселя и первичной обмотки трансформатора. Вторичная цепь состоит из последовательно со­единенных вторичной обмотки трансформатора, токопроводов короткой сети, соединяющих вторичные выводы трансформатора с электродами печи; электродов и электрических дуг.

Электроснабжение трансформаторов печной подстанции производится от сети 6(10)-35 кВ, а для мощных подстанций - 110 кВ. Цепи измере­ния и защиты подключены к трансформаторам тока и напряжения.

Для поддержания оптимального режима печи устанавливаются автоматические регуляторы мощности печи. Такие регуляторы воздействуют на механизм передвижения электродов, изменяют длину дуги и поддерживают заданное значение мощности дуговой печи. Для повышения точности регулирования созданы автоматизированные системы управления ДСП.

Печные трансформаторы для печей небольшой и средней мощности выполняют трехфазными. Для печей большой мощности применяются группы однофазных трансформаторов, которые позволяют получить по­вышенный коэффициент мощности за счет более рациональной конструкции короткой сети и независимого регулирования мощности и напряже­ния каждой фазы. Печные трансформаторы имеют следующие особенно­сти:

- высокое значение номинального тока на стороне низкого напряжения (до десятков и сотен килоампер);

- большой коэффициент трансформации;

-  число ступеней и диапазон регулирования напряжения гораздо больше, чем у силовых трансформаторов (напряжение регулируется примерно на 500%);

-   трансформаторы обладают высокой стойкостью против эксплуатационных  коротких  замыканий  с  кратностью  тока (2,5–3)I_Н, имеют высокую механическую прочность.

Мощные печные трансформаторы имеют принудительное охлаждение с искусственной циркуляцией масла через теплообменник, снабжены устройствами РПН, производящими до 160 переключений в сутки.

Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются по схеме «треугольник-треугольник» с возможностью переключения по схеме «треугольник – звезда», что позволяет переводить печь с линейного напряжения на фазное.

Регулирование напряжения на электродах печи и ее электрических характеристик осуществляется с помощью устройства ПБВ или РПН. Переключение без возбуждения применяется на печных трансформаторах малой и средней мощности. В трансформаторах большой мощности переключение осущест­вляется под нагрузкой, для чего трансформатор снабжается автоматическим регулятором напряжения.

Дроссель, или реактор служит для ограничения бросков тока при  эксплуатационных коротких замыканиях и стабилизации горения дуг за счет создания падающей характеристики цепи питания. У работающих непрерывно дуговых печей режим работы дросселя прерывистый, условия его работы тяжелые, поэтому он должен удовлетворять повышенным требованиям термической и механической прочности. Дроссель включается между сетью и линейными зажимами обмотки высокого напряжения трансформатора или в «фазу» – последовательно с данной обмоткой. Чаще всего дроссель располагают в общем кожухе с печным трансформа­тором.

Короткой сетью называют токопровод от выводов вторичной стороны трансформаторов до электродов дуговой печи. Короткая сеть состоит из участков жестко закрепленных шинопроводов и гибких проводов, соединяющих концы шинопроводов с электродами. Токопроводы короткой сети пропускают  очень большие токи (до 100 кА и выше), имеют большое сечение и выполнены в виде пакетов медных лент, мед­ных шин или водоохлаждаемых труб.

Несмотря на небольшую длину короткой сети, ее активное и особенно индуктивное сопротивление является определяющей составляющей общего сопротивления участков печной установки. Они оказывают существенное влияние на энергетические показатели работы печи: мощ­ность, коэффициент мощности,  КПД и т. д.

4.3.5.  Режимы работы дуговых сталеплавильных печей

ДСП относятся ко второй категории по надежности электро­снабже­ния. Печи условно разделяются на три группы:

- печи малой емкости (0,5–6т) с трансформаторами мощностью 1–3 , подключаемыми к шинам 6–10 кВ заводских подстанций;

- печи средней емкости (10–50 т) с трансформаторами мощностью 3–15  и напряжением первичной обмотки 6–10 кВ;

- печи большой емкости (80, 100 и 200 г) с трансформаторами мощно­стью 25—125  на напряжения 35, 110, 220 кВ.

В мировой прак­тике наблюдается тенденция увеличения емкости печей до 300–400 т с увеличе­нием мощности печных трансформаторов до 150 . Печи малой емкости применяются в основном в машиностроении, на­пример в литейных цехах, и служат для производства фасонного литья.

В ДСП металлургических заводов выплавляются стали широкого сор­тамента: от углеродистых до высоколегированных и специальных спла­вов. Углеродистые и низколегированные стали выплавляются, в основном, в печах большой емкости, высоколегированные стали – в печах средней и малой емкости.

Печи работают непрерывно. Длительные отключения печи происхо-дят только при ее ремонтах. Число же кратковременных отключений в процессе одной плавки достигает несколько десятков.

   Нагрузка ДСП непрерывно-циклическая. Цикличность работы характеризуется чередованием плавок с остановками печи для слива металла, заправки печи и завалки шихты. Для плавки стали характерны три последовательно проходящих периода: расплавление, окисление, восстановление (рафинирование). Наибольшую мощность ДСП потребляет в период плавления шихты, который по времени длится от 1/3 до 2/3 времени плавки.

На рис. 4.5 показан график изменения средней мощности ДСП-100 с трансформаторами мощностью 25  за один технологический цикл плавки про­должительностью 4,5 ч. На графике видно несколько отключений  агре­гата на 10-20 мин. и указаны причины отключений. Технологические от­ключения на время от 1 до 10 мин не показаны (их число значительно больше и они увеличивают переменный характер нагрузки. На графике показаны усредненные нагрузки. В действительности нагрузка имеет неустойчивый резкопеременный   характер, неравномерный по фа­зам.

ДСП являются причиной возникновения колебаний напряжения, несимметрии токов и напряжений и несинусоидальности напряжения.

Колебания напряжения вызываются колебаниями нагрузки, которые очень значительны, особенно в период расплавления шихты. На рис 4.6 представлены осциллограммы активной и реактивной мощности в фазах питающей сети при работе ДСП с трансформатором мощностью 63  в период расплавления. Как видно из осцил­лограмм, изменение нагрузки печи происходит с частотой 1–12 Гц и но­сит характер нерегулярных колебаний, связанных с неустойчивым горе­нием дуг. В соответствии с особенностями характеристик ДСП колебания реактивной мощности значительно превышают колебания активной мощности. Особенно значительны колебания нагрузки при эксплуатаци­онных КЗ, например, при погружении электродов в расплавленный ме­талл. Значения колебаний могут достигать (1,5 – 2)I_н – для печей боль­шой емкости и (2,5-3,5)I_н – для печей малой и средней емкости.

Колебания нагрузки ДСП, особенно колебания реактивной мощности, вызывают значительные колебания напряжения в питающей сети, которые тем больше, чем больше мощность печного трансформатора и меньше мощность короткого замыкания  в точке присоединения дуговой печи.

Несимметрия токов и напряжений. По осциллограммам видно, что нагрузка по фазам сети неравномерна. Максимальное различие по фазам А и С составляет: по активной мощности 9 МВт, по реактивной мощности - 8 Мвар (табл. 4.3).

Несинусоидальность токов и напряжений. Дуга и печной транс-форматор имеют нелинейные вольтамперные характеристики. По отношению к внешней сети ДСП является источником высших гармонических составляющих и генерирует в сеть 3, 5, 7, 11 и т.п.  гармоники.  На рис. 4.7 приведены кривые изменения токов гармоник для ДСП емкостью от 25 до 100т.

       Таблица 4.3

Автоматизация управления электрическим режимом ДСП. К основным задачам автоматизированного управления процессом плавки в ДСП можно отнести следующие:

- централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигнализацией и регистрацией отклонений от заданных параметров;

- контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей и непредвиденных остановок;

- управление металлургическим процессом;

- управление энергетическим режимом;

- сбор и обработка информации с выдачей необходимой документа­ции.

Задачи управления металлургическим процессом:

- расчет оптимального состава шихты;

- управление загрузкой печи; расчет кислорода, легирующих и шлакообразующих добавок;

- прогнозирование момента окончания технологических периодов.

Задачи управления энергетическим режимом:

- максимальное использование мощности печи;

- минимальные удельные расходы энергоносителей;

- нормальная эксплуатация электрического и другого печного оборудования.

В автоматическом режиме решаются задачи:

- поддержание мощности печи на уровне, определяемом программой;

- регулирование напряжения трансформатора;

- быстрое устранение всех отклонений от нормального режима.

Поставленные задачи решаются с помощью автоматических регуляторов мощности, автоматических регуляторов напряжения трансформато­ров.

Недостатки ДСП переменного тока:

1. Высокий угар металла, большой расход графитированных электродов (10-16 кг на 1 т жид­кой стали, сложность выплавки низкоуглеродистых сталей из-за науглепроживания  стали от электродов.

1. Уровень шума при расплавлении достигает 90 Дцб.

3. Обильное пылевыделение, требующее мощных вентиляционных ус­тановок и систем пылегазоочистки.

4. При поломках углеродов происходит быстрое науглевоживание ме­талла, что приводит к браку сталей по химическому составу.

5. Резкопеременный, несимметричный характер электрической нагрузки, что приводит к появлениям больших колебаний и несимметрии на­пряжения в электрической сети.

6. Печи являются источниками высших гармонических составляющих.

7. Высокий расход электроэнергии.

4.4. Дуговые печи постоянного тока (ДППТ)

Достоинства ДППТ по сравнению с печами переменного напряже­ния.

1. Возможность проведения всех без исключения металлургических процессов.

2. Резкое снижение угара металла.

3. Улучшение механических свойств стали.

4. Не требуются дополнительные устройства перемешивания металла.

5. Уменьшение расхода электроэнергии на 15-20 %.

6. Уменьшение расхода электродов в 2-5 раз.

7. Уменьшение выбросов пыли и газа в 8-10 раз.

8. Снижение на 20-30 %  расхода огнеупорных материалов.

9. Более равномерный график электрической нагрузки.

Конструкция. Дуговая печь постоянного тока имеет один графитированный электрод (катод), расположенный по центру свода, и один охлаждаемый металлический электрод (анод), устанавливаемый в подине печи. Верхняя часть этого электрода соприкасается с расплавленным ме­таллом, а к противоположной части присоединяется токоподвод (рис. 4.8).

Сводовый электрод 3 может вводиться в печь на водоохлаждае­мом держателе 4 через экономайзер 5, расположенный в центре свода. Подо­вый электрод 1 представляет собой систему металличе­ских стержней, расположенных в набивной магнезитовой подине. Верхним концом стержни контак­тируют с расплавленным металлом в печи, а проти­воположные концы стержней заделаны в общую охлаждаемую водой или воздухом плиту, к которой присое­динен токоподвод. Для нормальной эксплуатации элек­трода 1 в печи при выпуске оставляют немного жидкого металла, за­крывающего электрод при последующей загрузке шихты. Электри­ческая дуга 2 между электродом 3 и металлом в печи имеет форму спирали, радиус витков которой увеличива­ется по направле­нию от электрода 3 к расплавляемому металлу. Взаимодей­ствие тока дуги с собственным магнитным полем приводит к интен­сивному вращению столба дуги вокруг центральной оси спирали, так что дуга визуально воспринимается в виде усеченного конуса.

ДППТ работает практически бесшумно, и только в начале расплавления металла возникает шум, генерируемый электрической дугой в процессе ее возникновения и погасания (подобно разряду молнии при грозе). В печи переменного тока такой разряд происхо­дит дважды в течение каждого периода, когда напряжение перменного тока проходит через ноль, т. е. при частоте тока 50 Гц – 100 раз в секунду. В ДППТ электрическая дуга теоретически горит устойчиво. Дуга гаснет и снова зажигается лишь в моменты начала плавки и слива металла. Узел ввода электрода 3 и дверца рабочего окна хорошо уплотнены, что позволяет полностью ликвидировать подсос воздуха в рабочее пространство печи и неорганизованный выброс продуктов плавки в атмосферу цеха. Кон­струкция печи допускает работу с контролируемой нейтральной ат­мосферой. Дополнительные затраты на поддержание в печи ней­тральной атмосферы (аргона) целиком компенсируются за счет сни­жения расхода графитированных электродов, а снижение угара же­леза и легирующих элементов дает экономию, величина которой зависит от выплавляемых марок стали. Применение контролируе­мой атмосферы по­вышает выход годного металла на 3–4% и на 15–20% сокращает расход ферросплавов. Футеровка печи вместимостью 12 т – основ­ная, свод стены и по­дина выполнены из магнезитохромитового или магнезитового кирпича. Стойкость свода и верхней части стен 180 – 200 плавок, нижней части стен и подины печи вместе с подовым электродом около 2500 плавок, т. е. от одного капитального ремонта печи до другого. Печь имеет следующие эксплуатационные показатели: масса металлозавалки до 14,3 т; время расплавления 1,5 ч; удельный расход электроэнергии на расплавление 490 – 520 кВтч/т; удельный расход электродов – до 1,5 кг на 1 т жидкой стали при работе с обычной и до 0,35 кг при работе с защитной атмосферой. Питание печи осуществляется от тиристорного выпрямителя тока.

Основные элементы печи: каркас, механизм наклона печи, футе­ровка, механизмы загрузки шихты для печи постоянного тока практи­чески ана­логичны узлам печи переменного тока. Принципиальным отличием явля­ется электрическое оборудование, и в первую очередь – выпрямитель тока. Основные технические данные отечественных ду­говых печей посто­янного тока приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4 

Основные технические данные ДППТ

Примечание. Для всех печей: напряжение питающей сети 6/10 кВ, частота тока 50 Гц, атмосфера печи – аргон или воздух.

4.5. Вакуумные дуговые печи постоянного тока

Области применения и устройство вакуумных дуговых печей. Для повышения качества металла, полученного в других установках (например, в ДСП), его переплавляют при низком давлении в вакуум­ных дуговых печах (ВДП), в результате чего в металле уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов. ВДП применяют в основном для выплавки слитков высоко реакционных металлов (титана, ниобия, вольфрама, циркония, тантала, молибдена), а также для пере­плава специальных высококачественных сталей, в результате чего они не только очища­ются, но и приобретают более плотную структуру. Рабочее давление в камере печи может составлять 1,0–0,001 Па в зависимости от требова­ний к получаемому металлу. В современных ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до 50– 60 т.

В качестве материалов электродов в ВДП используются различные продукты металлургического передела. Так, при плавке титана круглые электроды изготовляют прессованием титановой губки. При переплавке вольфрама, молибдена и ниобия электроды изготовляют из штабиков пу­тем стыковой сварки и сборки электродов-пакетов. При переплавке сталей в качестве электродов применяют прокат или специальные штанги, полученные методом непрерывной разливки или ковки. В неко­торых установках применяют нерасходуемые электроды, а переплавляемый металл кусками подается в кристаллизатор. Каждый из этих способов, в свою очередь, может быть осуществлен по двум схемам: плавка в глухой кристаллизатор (рис. 4.9 а) и плавка с вытягиванием слитка (рис. 4.9 б).

Основной частью печи является рабочая камера, к которой присоединена вакуумная система. Электрод 1 подвешен к подвижному штоку,  проходящему через вакуумное уплотнение, расположенное в верх­ней части камеры. К нижней части рабочей камеры присоединяется во­доох-лаждаемый кристаллизатор 7 с рубашкой водяного охлаждения. К электроду подается отрицательный, а к кристаллизатору положитель­ный полюс источника питания. В печи, работающей по схеме с вытягиваемым слитком (рис. 4.9 б), имеется проходящий через вакуумное уплотнение 3 шток 4 для вытягивания слитка. Металл наплавляется на поддон 5 и по мере роста слитка 6 опускается вниз. Процесс плавки начина­ется с создания вакуума в камере печи и опуска­ния электрода до крайнего нижнего положения. После короткого замы­кания или пробоя межэлектродного промежутка возникает дуга. Под действием выделяющейся теплоты электрод расплавляется и металл небольшими каплями перетекает на слиток.

Объем кристаллизатора и размеры электрода согласованы. В конце плавки весь электрод переходит в расплав, а испаряющиеся примеси и газы откачиваются вакуумной системой. Такая печь назы­вается печью с расходуемым электродом, широко применяется в промышленности. В печах с  нерасходуемыми электродами есть опасность загрязнения переплавляемого металла материалом элек­трода.

Основные элементы печи: рабочая камера; шток-электродо­держа­тель; расходуемые электроды; кристаллизатор; поддон; соле­ноид.

Рабочая камера представляет собой водоохлаждаемую сварную конструкцию цилиндрической формы. В верхней части рабочей ка­меры установлены подсветы и смотровые окна, позволяющие наблю­дать за горением дуги и наплавлением слитка. Для дистанционного наблюдения за ходом процесса к гляделкам пристраиваются специ­альные перископы, проектирующие изображение рабочей зоны на эк­ран. К нижнему фланцу камеры прикреплен кристаллизатор.

Шток–электрододержатель служит для закрепления и пере­мещения расходуемого электрода и подвода к нему тока. Он состоит из нескольких коаксиально расположенных труб, наружная медная труба является токоведущей. Внутренние стальные трубы обеспечивают механическую прочность конструкции штока. Между трубами имеются полости для прохода охлаждающей воды. Перемещение штока и расходуемого электрода обеспечивается электрическим или гидравлическим приводом.

Кристаллизатор состоит из внутренней гильзы и наружного стального немагнитного кожуха. Между ними имеется полость для охлаждающей воды. Гильзу изготовляют из материала с хорошей теплопроводностью, не смачивающегося жидким металлом.

Поддон закрывает низ кристаллизатора, входит внутрь или примыкает к торцу его гильзы. Основа поддона – массивный медный диск, снабженный стальной рубашкой водяного охлаждения. Для предотвращения возможного прожога медного диска электрической дугой в начале плавки на него укладывают темплет из переплавляемого металла толщиной 50 мм.

Соленоид устанавливают на боковой поверхности кристаллизатора. Он создает аксиальное с ним магнитное поле. Взаимодействие поля соле­ноида с током дуги и током, растекающимся в ванне расплавленного ме­талла, приводит к повышению напряжения на дуге, предотвращает переброски дуги на стенку кристаллиза­тора, стабилизирует дугу. При этом возникает вращение жидкого металла в ванне, что улучшает структуру переплавляемого металла. Питание со­леноида производится от полупроводниковых выпрямителей, позволяю­щих при необходимости производить резкое увеличение и реверсирова­ние тока  намагничивания.

Для литья в вакууме существуют специальные ВДП, которые подраз­деляют на две группы: печи с разливкой при горящей дуге и печи с раз­ливкой после отключения дуги. Конструкция печи показана на рис. 4.10. Печь состоит из тигеля 1, электрода 2, камеры 3, формы 4 для слива расплавленного металла.

Таблица 4.5

Сравнительные характеристики вагранок, ДСП и индукционных

печей

4.6. Руднотермические печи

Руднотермические печи (РТП) применяются в металлургии черных металлов и других отраслях для получения ферросплавов – сплавов же­леза с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и др. РТП относятся к дуговым печам сопротивления, имеют высокую еди­ничную мощность и относятся ко второй категории по надежности элек­троснабжения. Нагрев перерабатываемых материалов производиться за счет теплоты, возникающей при протекании тока по электродам, шихте, элек­триче­ской дуге и расплаляемому материалу. Дуга горит под слоем элек­тро­проводной шихты, теплота выделяется в дуговом разряде и преимуще­ственно при прохождении тока через шихту в расплавленных материа­лах.

Номенклатура продуктов, получаемых в РТП, весьма широка: они мо­гут выпускаться из печи в виде пара, газа, жидкости-расплава или твер­дого тела, извлекаемого целым слитком. Сырьем для получения ферросплавов служат руды или концентраты. При производстве основных сплавов: ферросилиция, ферромарганца и феррохрома пользуются рудами с большим содержанием металла. Первоначально руду вследствие малого содержания в ней полезного компонента обогащают, получая концентрат с высоким содержанием ок­сидов основного элемента.

Ферросплавы получают восстановлением оксидов соответствующих металлов, используя восстановители: углерод, кремний и алюминий. Ре­акции восстановления углеродом требуют подвода большой теплоты.

Значительное место в сфере использования РТП занимает получение электроплавленых огнеупоров, идущих на футеровку. Сырьем здесь являются глинозем, цир­кон и кварцевый песок. Получаемые методом плавки открытой ду­гой ог­неупоры: корунд и бакор разных марок в печах ОКБ-2130, ДС-0,5 имеют высокую чистоту и плотность. Удельный расход электроэнергии при их получении находится в пределах 1800–2300  на тонну. Здесь перечислены только основные наиболее массовые и энергоемкие производства, тогда как перечень других процессов, осуществляемых в РТП, значительно шире и включает производ­ство графита, сероуглерода и многих других веществ. Общими при­зна­ками РТП являются:

- удельное электрическое сопротивление шихты сильно меняется при повышении температуры, в холодном состоянии шихта не электропро­водна;

- в расплавленном состоянии шихта представляет собой ионный раствор, проводи­мость которого также зависит от температуры и вещественного состава. Объем расплава и шихты, участвующих в  проведении тока,  меняется при изменении температуры. Это определяет возможность параллель­ного существования проводников разного рода – нелинейного активного сопротивления шихты и расплава и электрической дуги;

- температура преобразования шихты составляет 1200–2200 К, что определяет высокие удельные расходы электроэнергии на выпуск еди­ницы продукции и наличие мощного энергетического хозяйства;

- непрерывный режим работы в течение 1–2 лет;

- электрический режим работы относительно спокоен (в отличие от ДСП): толчки тока и эксплуатационные короткие замыкания отсутст­вуют.

Разнообразие конструкций РТП вызвано многообразием и сложно­стью химического состава перерабатываемого сырья, а также большим ассортиментом производимой продукции. Представляется целесообраз­ным выделить пять основных типов процессов и схем печей.

1. Бесшлаковые или малошлаковые (рис. 4.11) предназначены для получения ферро­сплавов, карбида кальция. В рабочем пространстве трехфазной непод­вижной печи находятся электроды 1, удерживаемые электрододержате­лями 2, погруженными в шихту 3. Дуги горят с торцов электродов на расплав в газовой полости 5, в так называемом «тигле». По мере оплавления стенок «тигля» увеличивается глубина ванны 6 и происходит оседание шихты. Загрузка шихты произ­водится вокруг электродов, где образуются конические уплотнения 10, предотвращающие прорыв газов. Стенки шахты печи 9 и ее подину 7 изготовляют из угольных блоков. Слив металла производят через летку 8, пробиваемую по мере накопления расплава.

2. Многошлаковые процессы  (рис. 4.12) используются для получения фосфора. РТП для этих процессов неподвижные с тремя или шестью электродами круглой или прямоугольной формы с выпуском через раздельные летки металла 6 и шлака 8. На поверхности расплава находится слой шлака. Ток проходит по электродам 1 через дуги 5, шлак 9 и расплав 7. Загрузку шихты 10 произво­дят через устройства 2 в своде 3, герметизирующем рабочее пространство. Образующиеся газы удаляются через вытяжку 4.

3.  Рафинировочные печи имеют подобную структуру рабочего про­странства  и отличаются  периодичностью  работы:  загрузка – слив при на­клоне печи.

 4. Блок-процессы – получение электрокорунда, ферровольфрама. Ввиду высокой температуры расплава вылить его из печи не представляется воз­можным, он застывает на небольшой глубине и по мере подсыпки шихты и ее расплавления дугой происходит наращивание слитка. После заполнения ванну откатывают, остужают и блок извлекают для последующей разделки, дробления, резки алмазными пилами.

5. Выплавка огнеупоров ведется открытой дугой с посте­пенной подсыпкой шихты. С целью уменьшения науглероживания расплава необходимо выдерживать определенную длину дуги, покрывать боковую поверхность электродов обмазками, предотвращающими их осыпание в расплав и обгорание. Слив расплава производится периодически по мере наполнения печи.

В РТП применяются электроды трех видов, угольные, диаметром до 1200–1400 мм, графитированные диаметром до 800 мм и самоспекающиеся диаметром до 2000 мм или прямоугольные размером 3200х850 мм. Само­спекающиеся электроды представляют собой круглый или прямоугольный кожух из стали толщиной 1,5–5 мм, заполняемый сверху пастообразной электродной массой. При входе в печь под действием тока и теплоты печи электродная масса спекается и допускает плотность тока до 7,6 А/см². По мере сгорания кожух электрода наращивается и запол­няется массой, что обеспечивает непрерывную работу печи.

 Сопротивление нагрузки руднотермических печей значительно ниже, чем у ДСП, поэтому вторичное напряжение печных трансформаторов ниже, а токи при тех же мощностях в 1,5–2 раза больше. Это приводит к тому, что корот­кая сеть руднотермических печей более мощная и сложная. В ней применяются меры по обеспечению симметричности загрузки фаз, снижению активного и индуктивного сопротивлений.

На рис. 4.14 показана короткая сеть РДП РКЗ-48Ф. Охлаждение трубчатого пакета шин производится водой, протекающей внутри токоведущих труб. Конфигурация короткой сети выполнена так, чтобы проводники с противоположным направлением тока были располо­жены как можно ближе друг к другу. Это снижает величины реактив­ных сопротивлений и падений напряжений в короткой сети.

Наиболее мощные РТП с прямоугольной ванной имеют шесть электродов, расположенных в линию, и питаются либо двумя трехфаз­ными, либо тремя однофазными трансформаторами. В этом случае каждый тран-сформатор питает два соседних электрода.

Первичное напряжение печных трансформаторов составляет 6, 10 или 35 кВ. Энергетические характеристики некоторых печей приведены в табл. 4.6.

Для повышения коэффициента мощности РТП снабжа­ются автоматически управляемыми компенсирующими устройст­вами. Мощные РТП отечественного производства оснащены установками продольно-емкостной компенсации реактивной мощности. Печи зару­беж­ного производства имеют установки поперечной компенсации реак­тивной мощности.

При выборе мощности компенсирующих устройств учитывают воз­можность использования РТП в качестве регуляторов нагрузки энерго­систем при одновременном снижении в час «пик» активной и реактив­ной мощности.

Таблица 4.6 

Характеристики руднотермических печей

Оконч. табл. 4.6

                            

Современная рудотермическая печь З-10М предназначена для выделения благородных металлов из бога­тых продуктов в виде компактного слитка методом бесколлекторной плавки. Рекомендуемая массовая доля благородных металлов в направ­ляемом на руднотермическую плавку продукте должна составлять более 15 % (плавка в накопительном режиме). Оптимальна массовая доля благород­ных металлов для ведения плавки без промежуточного слива шлака 30–50%. При суммарном содержании благородных метал­лов в сплаве менее 15 % требуется проведение специальных исследова­ний по подбору техно­логических и реагентных режимов плавки. Важным компонентом шихты является оборотный шлак, за­грузка которого на плавку производится по­сле расплавления пусковой шихты. Количество оборотного шлака может составлять до 50–90 % от общего количества шлака, в зависимости от массовой доли и химического состава неблагородной части проплавляемого золотосодержащего продукта. Чем более чистым от примесей является продукт, тем в большей степени шлаковая ванна может быть химически инертной средой, обеспечивающей ионную проводимость между погруженными рабочими электродами и создающей условия для нормального разделения фаз расплава с отстаиванием металла в донной части печи.

Издробленный шлак может быть использован при наборе ванны следующей плавки или перерабатывается на концентрационном столе типа СКО-0,5, СКО-2 и др.

Для осуществления питания печи необходим однофазный понижающий печной трансформатор, мощностью до 100  с входным напряжением 380 В, с возможностью получения на выходе плавно регулируемого напряжения от 10 до 100 В (РОТМ 100/0,5 УХЛ 4) или ступенчатого переключения напряжения от 10 до 100 В (трансформаторы типа РОТМ), или ступенчатого переключение напряжения (печные трансформаторы типа ТПО, ОСУ, ОСЗ, ТСЗИ).

Таблица 4.7

Основные технические характеристики рудотермической печи

З-10М  конструкции ОАО «Иргиредмет»

Линия трансформатор–печь должна выдерживать пиковый ток до 1000 А. На практике достаточно соединить клемму каждого электрододержателя с соответствующим выходом питающего трансформатора тремя жилами медного сварочного кабеля сечением 3х70 мм². Линия трансформатор–печь должна быть как можно короче во избежание непроизводительного перерасхода электроэнергии и перегрузки трансформатора.

Корпус печи должен быть подсоединен к общему контуру заземления (или зануления).

Помещение площадью 20–30 м² должно соответствовать требованиям, предъявляемым к помещениям для проведения плавки (стены и пол из негорючего материала, пол неэлектропроводный), и требованиям к сохранности металла. Помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, освещением, средствами пожаротушения (порошковый огнетушитель, асбестовое одеяло, песок).