Электропечи 1 Электронагрев широко применяется

Электропечи 1

• Электронагрев широко применяется в различных отраслях техники, особенно важен он в металлургии, где в ряде производств электропечи — основной тип оборудования. • Электропечами называются печи, в которых тепловая энергия, необходимая для их работы, получается за счет электроэнергии. • По способу преобразования электрической энергии в тепловую электропечи делят на четыре группы. 2

• Печи сопротивления, в которых электроэнергия преобразуется в тепло при прохождении через твердые или жидкие тела, включенные в электрическую цепь. • Дуговые электропечи, в которых электрическая энергия превращается в тепло при горении электрической дуги в газовой среде, • Индукционные печи, в которых электроэнергия превращается в тепло при прохождении через твердые и жидкие тела, находящиеся в быстропеременном магнитном или электрическом поле. • Печи смешанного действия, в которых преобразование электрической энергии в тепло происходит частично в газовой среде (через дугу), частично в твердой или жидкой (через сопротивление). 3

• Последний тип печей называется дуговыми печами сопротивления или руднотермическими электропечами. Именно к этой группе относятся и электропечи для плавки рудного сырья, содержащего цветные металлы. 4

Характеристика руднотермических электропечей • Современные мощные руднотермические электропечи имеют прямоугольную форму; электроды в них расположены вдоль длинной оси. • Эти печи закрытого типа с арочным сводом. В настоящее время эксплуатируются, в основном, трех и шестиэлектродные печи. • При работе на равной мощности, одинаковом рабочем напряжении и одинаковом составе шихты шестиэлектродные печи имеют более высокий электрический к. п. д. и лучшие технологические показатели, чем трехэлектродные. 5

6

7

Конструктивные элементы руднотермических электропечей • Основные элементы руднотермической электропечи: • фундамент, • каркас, • кожух печи, • подина, • стены, • свод, • приспособления для загрузки шихты, • устройства для выпуска продуктов плавки, • газоходная система, • устройство для подвода в печь электрического тока. 8

Фундамент печи • Электропечи для рудной плавки устанавливают либо на столбчатом, либо на ленточном железобетонном фундаменте. • Такая конструкция фундаментных опор способствует хорошему воздушному охлаждению подины печи и позволяет обслуживающему персоналу наблюдать за ее состоянием и температурой. 9

Каркас и кожух печи • Для придачи огнеупорной футеровке печи необходимой жесткости ее заключают в кожух из литых стальных плит, который крепится каркасом. • Каркас электропечей представляет собой систему вертикальных колонн — наличников, смонтированных из парных балок. Углы печи крепятся колоннами. 10

11

• Колонны установлены на опорном фундаменте вдоль стен печи на расстоянии 1, 5 — 2 м друг от друга и не имеют жесткой связи с опорами. • Нижние концы крепежных колонн противоположных продольных и торцовых стенок стянуты тягами, проходящими подиной печи. • Тяги изготовлены из круглых стальных стержней диаметром 60 мм. • На концах тяг установлены спиральные пружины, которые смягчают горизонтальный распор стен от теплового расширения кладки печи. 12

• На многих печах роль кожуха печи выполняют охлаждающие элементы. • Например, боковые и торцовые стены от подины до уровня зеркала ванны могут быть облицованы водоохлаждаемыми медными плитами кессонами. • Кессоны отливают из черновой меди. • Толщина кессона с залитыми в них змеевиками из стальных труб диаметром 32 мм составляет 110 мм. 13

Подина • Внутри каркаса печи на стальные плиты укладывают железобетонную подушку, поддерживающую огнеупорную кладку подины печи. • Футеровка подины руднотермической печи обычно состоит из трех рядов огнеупорных кирпичей. Нижний теплоизоляционный ряд выполнен из шамотного кирпича. • Два верхних ряда подины выложены из хромомагнезитового кирпича. • Между шамотной и хромомагнезитовой кладками имеется прослойка толщиной 50 мм из прессованной хромомагнезитовой крошки, позволяющая кладке свободно расширяться при разогреве печи. • Суммарная толщина подины по оси печи, включая бетонное основание, составляет 1300– 1500 мм. 14

• На некоторых заводах во избежание течи расплава через подину последнюю подвергают принудительному охлаждению путем обдува воздухом снаружи. • Однако наружный обдув подины является недостаточно эффективным охлаждением, поэтому в подины электропечей встраивают каналы воздушного охлаждения. 15

• Каналы расположены между бетонной подушкой подины и кирпичной футеровкой. • При этом поверх металлического укрытия каналов уложена набивка толщиной 35 мм. • Сечение канала составляет 65 x 300 мм 2. Расстояние между каналами 300 мм. • Расход воздуха на охлаждение подины электропечи мощностью 33 000 к. Вт составляет 60 000 м 3/ч. • Способ воздушного охлаждения подины позволил ликвидировать аварии из за течи штейна через подину и создал условия для работы печей на полной мощности трансформаторов. 16

Стены печи • Стены в области расплава выложены из магнезитового или хромомагнезитового кирпича. Кладка стен выше возможного уровня расплава выполнена из шамота. • Для увеличения кампании печей широко применяют принудительное охлаждение стен электропечи с помощью водоохлаждаемых медных кессонов, углубленных в кладку шлакового пояса на глубину 230— 460 мм. • Кессоны располагают по высоте кладки через один или два ряда кирпичей. 17

18

• Поскольку температура подсводового пространства руднотермических электропечей не превышает 400 — 600° С, для кладки свода применяют шамотный кирпич. • Арочный свод по длине печи делится на отдельные секции, размер секции 3— 6 м. При кладке свода между секциями оставляют температурные швы шириной 25— 30 мм. В своде располагают три или шесть отверстий для электродов. • Для подачи шихты в печь служат загрузочные воронки, вмонтированные в своде в отверстия диаметром 300— 600 мм. • Расположение загрузочных воронок обусловливается принятой системой загрузки и должно обеспечить равномерную загрузку шихты на всю поверхность ванны. 19

20

• Важнейший недостаток арочного свода из шамотного кирпича — малая механическая прочность из за большого количества в нем отверстий. • Даже при слабом «хлопке» — взрыве, возникающем в печи при плавке сырой шихты, свод часто обрушивается. • Прочность и герметичность свода можно повысить, если сделать его из огнеупорного железобетона. 21

Приспособления для загрузка шихты в электропечь • Шихта поступает в электропечь из бункеров, расположенных над печью со стороны шлакового торца. • Из бункеров шихту подают и дозируют тарельчатыми питателями. Загрузочные течки расположены в своде печи с таким расчетом, чтобы зеркало ванны было по возможности закрыто шихтой. 22

• Тарельчатый питатель состоит из закрепленной на валу горизонтальной тарелки. • Шихта поступает на тарелку через трубу, которая верхним концом прикреплена к разгрузочному отверстию бункера. • Нижний конец трубы не доходит до поверхности тарелки. • Над тарелкой установлен скребок, который при вращении задерживает материал и сбрасывает его в выходное отверстие над коробом скребкового транспортера. 23

24

• Скребковый транспортер представляет собой короб, в котором движется бесконечная цепь скребков. • В днище короба транспортера имеются отверстия, через которые шихта поступает в загрузочные течки. 25

• Загрузочные течки представляют собой металлические трубы диаметром 300— 600 мм. Концы загрузочных течек на 200— 500 мм опущены под свод печи. • Поскольку эти концы работают в условиях высокой температуры, то их изготовляют в виде отдельных съемных патрубков из жароупорного чугуна. • Крепятся патрубки к основной трубе с помощью болтового соединения. Для прекращения подачи шихты в печь трубы загрузочных течек имеют рычажные или пневматические затворы (шиберы). 26

• Транспортировка и распределение шихты по длине печи с помощью скребковых транспортеров сильно осложняет задачу полной автоматизации загрузки. • Поэтому загрузка шихты выполняется следующим образом: шихта из бункеров ленточными или вибрационными питателями подается на стационарный ленточный, а затем по течке — на реверсивные транспортеры, расположенные по обеим сторонам печи. • Реверсивные транспортеры подают шихту в промежуточные бункеры (расположенные по боковым сторонам печи). • Каждый бункер имеет по две течки (трубы диаметром 420— 600 мм), которые опущены под свод печи на 500— 700 мм. • При эксплуатации печи все промежуточные бункера заполняются шихтой, которая по течкам распределяется по ванне печи, образуя конусы (откосы). По мере плавления и оседания конуса шихта из бункера по течке загружается в 27 печь.

28

• Из электропечей с тремя электродами газы удаляются через два газохода эллиптической формы, расположенные по торцам печи. • Газы из шестиэлектродных печей удаляются через пять или шесть газоходов, два из которых расположены у торцовых стен, а остальные — у боковых стен посередине печи. 29

• Торцовые газоходы печей новой конструкции имеют диаметр 1200 мм, средние 800 мм. • Газоходы изготовляют из листовой стали толщиной 8 мм без огнеупорной футеровки вследствие невысокой температуры отходящих газов. • Отдельные печные газоходы подсоединены к общему газоходу коллектору диаметром до 4 м. Коллектор направляет печные газы в дымовую трубу, через которую они выбрасываются в атмосферу. • Необходимое разрежение в газоходной системе создается тягой в трубе. • В сборном газоходе коллекторе и затем в пылевой камере осаждаются грубые фракции пыли, выносимой из печи отходящими газами. • Для выпуска из коллектора пыли имеются специальные люки с затворами. • Для снижения потерь металлов с отходящими газами последние направляют в электрофильтры, где улавливаются тонкие фракции пыли 30

Система вентиляции • Для ликвидации загазованности на рабочих местах электропечи оборудуют местной вытяжной вентиляцией. • Сернистый газ отсасывается от штейнового и шлакового ковшей через поворотные зонты, соединенные с вентиляторами производительностью до 40 000 м 3/ч. 31

• Штейновые и шлаковые желоба в период выдачи продуктов плавки закрывают съемными коробами, из под которых одна часть газа отсасывается под зонт над ковшом, другая в короб над шпуровым отверстием. • Помимо Вытяжной вентиляций, электропечи оборудуются приточной вентиляцией, подающей свежий воздух на рабочие площадки печи. • Для организации естественной вентиляции в кровле цеха над электропечами имеется система вытяжных шахт. 32

• Важнейшей частью конструкции электропечи являются электроды. Электроды служат для подвода электрического тока в ванну печи. От физических и химических свойств материала, из которого изготовлен электрод, а также от качества его изготовления во многом зависит нормальная работа электропечи. Электроды должны обладать следующими основными свойствами: • высокой электропроводностью; • достаточной механической прочностью при высокой температуре; • высокой температурой начала окисления на воздухе; • высокой химической стойкостью по отношению к продуктам плавки. 33

• Этим требованиям отвечают электроды из углеродистых материалов. На электропечах обычно применяют непрерывные самоспекающиеся электроды, обладающие следующими свойствами • Удельное сопротивление, Ом мм 2/м 50— 70 • Допустимая плотность тока, А/см 2 5— 6 • Объемная масса, г/м 3 1, 4— 1, 6 • Пористость, % 20— 30 • Зольность, % до 10 34

• Непрерывный самоспекающийся электрод представляет собой цилиндрический металлический кожух с выступающими внутрь ребрами, заполненный электродной массой. • Электродную массу для заполнения кожухов самоспекающихся электродов изготовляют на электродных заводах из антрацита или термоантрацита, литейного кокса и связующих — каменноугольного пека со смолой. 35

• Брикеты электродной массы дробят до кусков крупностью — 50 мм и загружают в кожух электрода. • Тепло, отходящее от печи, нагревает электродную массу, она размягчается и плотно заполняет кожух. • В процессе работы необожженная верхняя часть электрода постепенно опускается и приближается к высокотемпературным зонам печи, подвергаясь медленному обжигу. 36

• Масса кожуха электрода вместе с заполняющей его электродной массой достигает 15 т, а длина 20 м, поэтому необходима надежная конструкция его крепления. • Для подвода электрического тока к электроду и его перемещения по вертикали каждый электрод оборудован электрододержателем подвесного типа. 37

• Расположение электропечей в плавильном цехе осуществляют так, чтобы их длинная ось была перпендикулярна длинной оси конвертерного пролета. • Такое расположение печей обусловлено некоторыми особенностями их конструкции: шпуровые отверстия для штейна и шлака располагаются в торцовых стенках печи, но в разных ее концах: одно — для выпуска штейна в ковши конвертерного пролета цеха (в район действия мостового крана), другое — для выпуска шлака — в шлаковозные чаши или на грануляцию. • Трансформаторы печи всегда располагают сбоку и возможно ближе к электрододержателям печи для сокращения длины шин на низкой стороне трансформаторов; • газоотводов приходится делать несколько и сводить их в общий коллектор и т. д. 38

39

40

41

• Длина печей обусловливается прежде всего числом электродов и расстоянием между их центрами, однако следует отметить тенденцию делать их возможно длиннее и шире. • Небольшие по размерам трехэлектродные печи имеют меньшую емкость ванны, чем шестиэлектродные, а следовательно, более чувствительны к изменениям в составе шихты и к заливке конвертерных шлаков. • Кроме того, при работе малых печей с повышенной удельной мощностью наблюдается сильный нагрев стенок, а, следовательно, и быстрый износ футеровки. 42

Технико-экономические показатели работы электропечей, перерабатывающих медно-никелевую шихту • • • Площадь пода, м 2 Число электродов, шт. Диаметр электродов, мм Расстояние между осями электродов, м Число трансформаторов Мощность трансформаторов, к. ВА Мощность на 1 м 2 пода, к. ВА Уровень ванны расплава, мм Расход электроэнергии, к. Вт час/тонну шихты Расход электродной массы, кг/т шихты Удельный проплав шихты, т/м 2·сут. 58 – 200; 3 или 6 1100 – 1200 3 – 3, 8 1– 3 6000 – 30000 98 – 520 1600 – 2600 400 – 750 1, 8 – 4, 2 4, 5 – 12 43

Индукционные печи • Подвод энергии к нагреваемому материалу в печах такого типа не требует контактных устройств, максимальный уровень температуры определяется только свойствами использованных огнеупоров. • Преобразование электрической энергии в тепло происходит в объеме нагреваемого материала, а значит, возрастает тепловой коэффициент полезного действия. • Возникающие электродинамические силы способствуют перемешиванию расплава в ванне печи, что ускоряет процесс и обеспечивает получение более однородно го металла. 44

• В канальных индукционных печах нагрев металла осуществляется в короткозамкнутом витке вторичной обмотки трансформатора — канале. • Первичная обмотка трансформатора выполнена в виде многовитковой катушки — индуктора, который размещен на стальном магнитопроводе 45

• Протекающий в индукторе ток порождает магнитный поток в магнитопроводе, под действием которого в канале индуктируется ЭДС. • Величина ЭДС пропорциональна индукции магнитного поля, сечению магнитопровода и частоте питающего тока. Индукция магнитного поля ограничена свойствами материала магнитопровода, который выполняют в виде пакета листов электротехнической стали. • При прочих равных условиях повышение частоты питающего тока способствует увеличению мощности печи, поэтому наряду с печами промышленной частоты используют печи повышенной (200— 400 Гц) и высокой частоты (до 100— 150 к. Гц). • Так как активное сопротивление канала невелико, ток в нем достигает значительной величины и выделяет количество тепла, достаточное для нагрева и плавления металла. 46

• Взаимодействие магнитных потоков питающего тока и тока в канале вызывает сжимающий, моторный и вихревой электродинамические эффекты. • Сжимающий эффект состоит в возникновении силы, стремящейся сократить поперечное сечение металла в канале, что в некоторых случаях может закончиться полным разрывом вторичной цепи. • Одновременно ограничивается плотность тока, а значит, и мощность печи. Силой, противодействующей сжимающему эффекту, является гидростатическое давление столба металла в канале, поэтому предпочтительно расположение канала в вертикальной плоскости. • В печах с вертикальным каналом сжимающий эффект проявляется меньше, чем в печах с горизонтальным каналом. 47

• Моторный эффект заключается в воздействии на металл в канале силы тяжести и горизонтальной силы отталкивания, вследствие чего металл вытесняется к наружной стенке канала. • Вихревой эффект наблюдается в местах изменения сечения канала, где изменяется плотность тока в канале. • Он улучшает перемешивание металла в канале и ванне печи и способствует выравниванию температуры. 48

• Гидростатическое давление металла в горизонтально расположенном канале печи меньше, что позволяет увеличить объем ванны. • При разрушении футеровки в печах с горизонтальными каналами меньше опасность повреждения индуктора прорвавшимся через стенки канала металлом, проще ремонт футеровки и лучше охлаждается вертикально расположенный индуктор. 49

• Индуктор индукционной единицы выполняется, как правило, из водоохлаждаемой медной трубки. Витки индуктора изолируют термостойкими изолирующими материалами. • Магнитопровод обычно стержневого типа, что позволяет быстро снять и надеть на него индуктор. • Магнитопровод набирается из пластин трансформаторной стали толщиной 0, 35— 0, 5 мм; пластины изолируют лаком или жидким стеклом. • Применяют принудительное воздушное охлаждение футеровки канала и водяное охлаждение индуктора и магнитопровода. 50

• Футеровка канальной части в зависимости от типа выплавляемых сплавов или металла имеет толщину от 65 до 120 мм и должна выдерживать термические удары, гидростатическое давление металла в канале, механические нагрузки, вибрацию, агрессивное воздействие жидких металла и шлака. • Выбор материала футеровки зависит от назначения печи. Для футеровки печи при плавке меди используют глиноземистую массу с содержанием до 75 % Аl 2 О 3. Стойкость такой футеровки достигает 12 мес. и более. • При плавке латуни используют сухую футеровочную массу на основе кварцита с содержанием до 98 % Si. O 2; срок службы футеровки от 6 до 12 мес. 51

52

Индукционные тигельные печи • Индукционные тигельные печи также используют принцип индукционного нагрева, но отличаются от канальных тем, что нагреваемый металл помещают в тигле внутрь индуктора в переменное магнитное поле. • Вихревые токи, индуктируемые этим полем, циркулируют в поверхностном слое нагреваемого металла, где выделяется около 90— 95 % тепла. Нагрев основного объема металла происходит за счет теплопроводности. 53

54

• Преимущества нагрева в тигельных индукционных электропечах следующие: • малая масса футеровки, • возможность периодической работы; • высокая химическая однородность расплавленного металла и равномерность температуры по объему ванны; • малый угар; • компактность и небольшие размеры печи. • Недостатком тигельных индукционных печей является значительный магнитный поток рассеяния, поэтому индуктивное сопротивление таких печей велико, а коэффициент мощности низок. 55

• Индукционная тигельная печь состоит из индуктора, выполненного в виде многовитковой водоохлаждаемой катушки, футеровки и каркаса. • Витки индуктора имеют овальное сечение и изолированы между собой стеклотканью с пропиткой кремнийорганическим лаком, либо керамической обмазкой. • Тигли выполняют набивкой огнеупорного материала по шаблону с последующей сушкой и обжигом непосредственно в печи. • Используются магнезиальная, кварцитовая или высокоглиноземистая футеровка на жидком стекле, сульфит целлюлозном щелоке, борной кислоте или глине в качестве связующих материалов. • Футеровка тигельных печей находится в тяжелых условиях, испытывая агрессивное воздействие расплава, высокие механические нагрузки, частые теплосмены. 56

• Каркас печи воспринимает все механические нагрузки и работает в сильном электромагнитном поле. Для его изготовления используют немагнитные стали, асбоцементные детали и крепежные элементы. • Наличие значительного электромагнитного поля требует применения ослабляющих экранов: ферромагнитных и электромагнитных. • Питание тигельных индукционных печей осуществляется переменным током не только промышленной частоты (50 Гц), но и повышенной частоты (500 Гц — 10 к. Гц). 57

58