Рабочее пространство высокомощных водоохлаждаемых печей

 

С целью увеличения срока службы футеровки и облегчения слива металла в ДСП сверхвысокой мощности была уменьшена глубина ванны и увеличен ее диаметр при одновременном укорочении вторичного токоподвода. Это положительно сказалось на сроке службы футеровки и снижении потерь мощности в токоподводе.

Однако проведенные мероприятия по увеличению стойкости футеровки были недостаточны, так как стойкость стен в ДСП сверхвысокой мощности составляла до 90-120 плавок. Для дальнейшего повышения срока службы футеровки в некоторых высокомощных печах стены стали выполняться водоохлаждаемыми, что позволило повысить их стойкость в 10-15 раз. С целью увеличения срока службы свода печи вместимостью 50т и более снабжаются водоохлаждаемьм сводом (рисунок 3.5). Внедрение водоохлаждаемых стен и сводов сокращает простои на ремонт, экономит огнеупоры и электроды при увеличении на 7-10% расхода электроэнергии. Однако в целом годовая производительность ДСП увеличивается до 10% и снижается себестоимость выплавляемой стали.

1 - водоохлаждаемая часть свода; 2- футерованная часть свода; З - водоохлаждаемые панели стен; 4 - футерованная часть стен; 5 - электродные отверстия

Рисунок 3.5 – ДСП с водоохлаждаемымп стенами и сводом

 

В последнее десятилетие возобладала новая концепция строительства и эксплуатации электродуговых печей. С целью сокращения расхода электроэнергии, длительности плавки и улучшения других технико-экономических показателей начали строить высокомощные печи, т.е. печи с удельной мощностью печного трансформатора 600-1000 кВА/т. Это вызвало необходимость существенного изменения конструкции рабочего пространства печи. Одним из важных определяющих факторов при этом явилось то, что сильное излучение высокомощных электрических дуг вызывало перегрев и резкое снижение стойкости футеровки, и поэтому высокомощные печи стали строить с водоохлаждаемыми сводами и стенами.

Другим важным фактором послужило то, что из-за увеличенных теплопотерь с охлаждающей водой работа по технологии с длительной выдержкой жидкого металла в печи оказалась неэкономичной и стали применять технологию, при которой в печи проводят расплавление шихты и краткий окислительный период, а далее металл выпускают в ковш для доведения до требуемых состава и свойств на установках внепечной обработки. Поскольку для эффективной внепечной обработки необходимо предотвратить попадание в ковш печного шлака (из него в металл могут переходить фосфор и кислород), высокомощные печи обычно оборудуют сифонным или эркерным выпуском металла, обеспечивающими слив стали без попадания печного шлака в ковш.

Еще одним определяющим фактором явилось то, что в связи с охлаждением водой отпала необходимость повышать стойкость стен печи путем выполнения их наклонными или цилиндроконическими, поэтому водоохлаждаемые печи обычно делают с цилиндрическими стенами.

Таким образом, вновь сооружаемые высокомощные дуговые сталеплавильные печи – это обычно печи с водоохлаждаемыми сводом и стенами, с эркерным или сифонным выпуском металла и с цилиндрическими стенами. Такие печи зачастую оборудуют стеновыми (т.е. вводимыми через стены печи) топливно-кислородными горелками, которые располагают в относительно холодных зонах между электродами и включают в период плавления, что позволяет сократить длительность периода и снизить расход электроэнергии.

У первой отечественной водоохлаждаемой печи, разработанной в начале 80-х годов (ДСП-100И6), размеры рабочего пространства такие же, как у обычных печей с огнеупорной футеровкой. Созданные позднее печи ДСП-100И7 и 100И8, а также печь БМЗ имеют ванну большей глубины при меньшем ее диаметре; величина отношения диаметра к высоте ванны D_в/Н_в также меньше (менее 4,0), чем у печей с огнеупорной футеровкой (4,5–5,5). Такое изменение размеров ванны явилось следствием вынесения операций по рафинированию и доводке стали из печи в ковш, поскольку при этом отпала необходимость иметь в печи большую поверхность контакта металл–шлак и малую глубину ванны, которые были обязательны для обеспечения полноты процессов рафинирования в случае их проведения в печи.

Уменьшение диаметра ванны и выполнение стен водоохлаждаемых печей цилиндрическими позволило уменьшить диаметр кожуха, особенно в его верхней части, и тем самым сократить площадь водоохлаждаемых поверхностей свода и стен и соответственно снизить теплопотери с охлаждающей водой. Уменьшилась также длина короткой сети и соответственно электрические потери. Диаметр рабочего пространства (D_pп) таких печей примерно равен: D_от + 2δ, где D_от – диаметр ванны на уровне откосов, а δ – толщина футеровки нижней части стен под панелями (для 100 т печей это ~ 500 мм).

Для новых водоохлаждаемых печей характерно также увеличение высоты рабочего пространства, и тем самым его объема с целью улучшения возможности загрузки печи в один прием (одной корзиной).

Сифонный и эркерный выпуск. Современная отечественная 100-т печь с сифонным выпуском (ДСП-100И7) представлена рисунке 3.6. Схема печи с эркерным выпуском - на рисунке 3.7.

Сифонный выпуск металла производят через образованное магнезитовыми трубками (блоками) 9 наклонное отверстие, располагаемое в кладке откоса с противоположной от рабочего окна стороны и так, что его начало заглублено в металл. В процессе плавки и при наклоне печи во время выпуска граница металл–шлак находится выше уровня отверстия и поэтому шлак в него не попадает, т.е. обеспечивается выпуск стали без шлака.

Печь с эркерным выпуском имеет с противоположной от рабочего окна стороны выступ (эркер) 6, в котором во время плавки находятся металл и шлак. В дне эркера размещено сталевыпускное отверстие 7; дно с отверстием расположено на такой высоте, что для слива металла достаточен наклон печи на 10-12°.

1 - нижняя часть кожуха; 2 - ребро жесткости; 3 - фланец; 4, 5, 6 – трубы; 7 – кладка низа стен; 8 – стеновая водоохлаждаемая панель; 9 – трубки из магнезита

Рисунок 3.6 – 100-т печь с сифонным выпуском металла

и водоохлаждаемыми стенами

 

1 – утолщенный набивной слой пода; 2 – заслонка; 3 – стеновая панель; 4 – трубчатый каркас стен; 5 – сводик эркера; 6 – эркер; 7 – сталевыпускное отверстие; 8 – запорная пластина; 9 – рабочее окно

Рисунок 3.7 – Печь с эркерным выпуском

Стены эркера выложены из магнезитового кирпича, дно выполнено так же, как и под печи; сверху эркер закрыт съёмным трубчатым водоохлаждаемым сводиком 5, при снятии которого обеспечивается доступ сверху к выпускному отверстию. Последнее выполнено из магнезитовых трубок; после выпуска очередной плавки его перекрывают снизу графитовой плитой, а сверху в него засыпают магнезитовый порошок. Прижатие графитовой плиты обеспечивают рычагом, который может быть отвернут от отверстия вбок или вниз. Для выпуска стали отводят рычаг с графитовой плитой, из отверстия высыпается магнезитовый порошок и сталь вытекает через отверстие без шлака.

Кожух водоохлаждаемых печей, как правило, цилиндрической формы со сферическим днищем; иногда низ кожуха выполняют сужающимся. Кожух состоит из двух частей. Нижнюю его часть, являющуюся опорой кладки пода, делают, как и на обычных печах, из стальных листов. Верхнюю часть (выше порога рабочего окна), являющуюся опорой стеновых водоохлаждаемых панелей, выполняют в виде решетчатого каркаса. На отечественных печах он сделан из стальных труб и включает две кольцевые трубы 5 и 6 и ряд вертикальных труб 4, опирающихся на кольцевой фланец 3, служащий для соединения с кольцевым фланцем нижней части кожуха (рисунок 3.6). Отказ от сплошного кожуха стенок вызван необходимостью обеспечить доступ снаружи к узлам крепления панелей и большому числу подводов и отводов воды к ним, а также обеспечить визуальный контроль панелей.

Футеровку пода (до верха откосов) часто выполняют так же, как на обычных печах (теплоизоляционный слой, кладка из магнезитового кирпича и набивной слой толщиной до 190 мм). На некоторых печах применяют набивной под с толщиной набивки до 500 мм. Низ стен над откосами делают из огнеупоров, чтобы исключить случайный контакт стеновых панелей с жидким металлом. Этот слой кладки имеет высоту 350-600 мм; в связи с близостью к высокомощным электрическим дугам его выполняют из высокостойких огнеупоров, например магнезитоуглеродистых.

Стеновые панели. Внутри решетчатого каркаса стен по всему его периметру закреплено от 8 до 16 водоохлаждаемых панелей,каждая из них имеет самостоятельные подвод и отвод воды. Во избежание случайного контакта с жидким металлом панели крепят так, чтобы расстояние от низа до уровня порога рабочего окна составляло 350-500 мм. Над сталевыпускным отверстием, в сторону которого наклоняют печь, панели располагают выше, чем в остальных участках стен. Панели занимают 65-80%площади стен печи; наибольшая площадь панелей у печей с эркерным выпуском, поскольку их можно располагать ближе к металлу, так как при выпуске печь наклоняют лишь на 10–12°, тогда как печи с сифонным выпуском или через желоб - до 45°.

Известны три типа водоохлаждаемых панелей: литые, коробчатые (кессонные) и трубчатые.

В Японии разработаны панели в виде плоского литого чугунного блока, внутри которого залита стальная трубка в виде змеевика для охлаждающей воды, а в поверхностный слой со стороны рабочего пространства вмонтированы огнеупорные кирпичи. В Германии используют коробчатые панели, представляющие собой сваренную из листов плоскую коробку с рядом перегородок внутри, заставляющих подаваемую воду циркулировать по траектории змеевика вдоль всей поверхности коробки так, чтобы не было застойных зон. Трубчатые панели отличаются надежностью, просты в изготовлении, позволяют работать при больших давлениях и скоростях движения воды, что предотвращает образование застойных зон.

Скорость движения воды должна быть более 2 м/с для того, чтобы не возникали застойные зоны, поскольку в них начинается кипение воды, при этом происходит осаждение солей, и образующийся слой накипи замедляет теплоотвод, в результате чего панель в этом месте прогорает. Для предотвращения выпадения солей жесткости необходимо применять химически очищенную воду.

Водоохлаждаемые своды применяют в основном на высокомощных электропечах, имеющих кроме того водоохлаждаемые стены. Иногда такие своды используют на маломощных печах, имеющих рабочее пространство из огнеупоров.

Большинство водоохлаждаемых сводов выполняют комбинированными, т.е. их периферийную часть делают водоохлаждаемой из металла, а центральную, через которую проходят электроды – из огнеупорного кирпича. Это позволяет предотвратить возможное короткое замыкание между электродами и водоохлаждаемой частью свода. Обычно периферийная охлаждаемая часть занимает около 80% поверхности свода, а центральная часть из огнеупоров – около 20%.

Разработан и находит применение ряд разновидностей водоохлаждаемых сводов.

Они различаются формой поперечного сечения (плоские, куполообразные, выпуклые в виде усеченной пирамиды), устройством основных водоохлаждаемых элементов, формой центральной огнеупорной части. Эта часть может иметь круглую или же дельтавидную форму с отверстиями для электродов, располагаемыми в углах этой огнеупорной части. При дельтавидной конфигурации огнеупорной части уменьшается ее площадь, т.е. возрастает площадь водоохлаждаемой части свода.

Две разновидности комбинированных водоохлаждаемых сводов показаны на рисунке 3.8. Плоский коробчатый свод имеет в качестве несущей основы водоохлаждаемое трубчатое сводовое кольцо 4. На него опирается периферийная кольцевая коробчатая часть 2, составленная из трех отдельных полых секторов – 2а, 2б и 2в; в полость каждого из них заложен трубчатый змеевик с двумя рядами отверстий для подвода охлаждающей воды. В одном из секторов выполнено отверстие 8 для отсоса печных газов; к нижней поверхности периферийной части приварены стальные полосы или штыри для удержания слоя теплоизолирующей огнеупорной массы 5 или гарнисажа.

Центральная часть 1 свода с тремя отверстиями 7 для электродов установлена на периферийной; она имеет форму купола и набрана из магнезитохромитовых кирпичей, опирающихся на неохлаждаемое стальное кольцо 6. К сводовому кольцу 4 приварен «нож» (кольцевая пластина) 3, входящий в песочный затвор при установке свода на печь.

Недостатками такой конструкции являются возникновение в больших по размерам секциях значительных термических напряжений, что может вызвать разрушение сварных швов, а также малая скорость воды, омывающей нижний лист коробчатых секций, что может вызвать кипение воды в отдельных участках с выпадением накипи и к прогару здесь свода.

Подобные своды применяют на печах с маломощными трансформаторами. Расход воды составляет ~ 2,5 м³/ч на 1м² поверхности, стойкость охлаждаемой части достигает 2000 плавок.

1 – центральная часть свода; 2 – периферийная кольцевая часть из коробчатых секторов 2а, 2б и 2в; 3 – «нож»; 4 – сводовое кольцо; 5 – гарниссаж; 6 – неохлаждаемое стальное кольцо; 7 – отверстия для электродов; 8 – отверстие для отвода печных газов; 9 – водоохлаждаемое опорное кольцо; 10, 12 – верхнее и нижнее трубчатые кольца соответственно; 11 – радиальные балки; 13 – водоохлаждаемые панели

Рисунок 3.8 – Водоохлаждаемые плоские коробчатые (а) и

трубчатые куполообразные (б)своды электропечей:

 

Трубчатый куполообразный свод имеет водоохлаждаемый несущий каркас из верхнего 10 и нижнего 12 трубчатых колец, соединенных изогнутыми трубами (радиальными балками) 11. Снизу к каркасу прикреплены трубчатые водоохлаждаемые панели 13, на которые нанесен слой теплоизоляции 5 из огнеупорной массы, удерживаемой приваренными к панелям шлакодержателями. Одна из панелей выполнена с отверстием 8 для отвода печных газов. Центральная куполообразная часть 1 свода является съемной, она выложена из магнезитохромитовых кирпичей, удерживаемых водоохлаждаемым трубчатым опорным кольцом 9.

Расход воды на подобных сводах составляет 6-9 м³/ч на 1м² поверхности. Для свода 100-т печи в целом он равен ~ 400 м³/ч. Стойкость водоохлаждаемой части свода на высокомощных печах достигает 2000-4000 плавок, стойкость центральной огнеупорной части около 200 плавок, после чего ее заменяют. Скорость движения воды во избежание выпадения накипи в трубах панелей должна быть более 2 м/с, с этой же целью необходимо применять химически очищенную воду.

Применение водоохлаждаемых сводов снизило расход сводовых огнеупоров с 3-8 до 0,5-0,8 кг/т стали.