ДУГОВАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА ФИРМЫ ABB ~ ДВА ГОДА ЭКСПЛУАТАЦИИ С ПРОВОДЯЩЕЙ ПОДИНОЙ

Мелкостержневой электрод

Указанных проблем можно избежать, если стальной стержень разделить на большое количество более мелких стержней (рис. 2). Это решение также было опробовано фирмой ASEA. Наружные концы стержней были зафиксированы на охлаждаемой воздухом стальной плите, которая соединена с водоохлаждаемыми трубами, ведущими к выпрямителю. Обычно пространство между стержнями и вокруг них заполняют магнезитовой набивкой. Был испытан также магнезитографитовый электропроводящий кирпич с целью повышения теплопроводности подины. Собранный из мелких стержней подовый электрод располагается в центре печи и должен так же, как и обычный стержневой электрод, заменяться после определенного числа плавок, так как ремонт его невозможен. Для сокращения времени замены подового электрода этого типа разработан ряд способов выполнения работ, в частности применяли заранее подготовленные электродные блоки. По последним сведениям на такую замену требуется 4 ч.

Пластинчатый электрод

В этом случае в качестве проводника прямого тока через подину используют тонкие металлические пластины (рис. 3), которые сварены в секции, расположенные по кругу внутри охл аждаемого воздухом днища печи и закреплены на нем болтами. Для формирования подины зазор между пластинами забивают огнеупорной массой, а верхние торцы пластин находятся в контакте с расплавленным металлом. Когда пластины и огнеупорная набивка вырабатываются до опасного уровня, пластины должны быть заменены, так как ремонт их невозможен.

Проводящие огнеупоры

Все описанные технические решения для получения проводящих подовых электродов предусматривают использование металлических элементов в качестве проводников прямого тока (крупных и мелких стержней, пластин), а для футеровки подины используют обычные электропечные нетокопроводящие огнеупоры.

Подовый электрод фирмы АВВ — единственный в своем роде, в котором электропроводный огнеупорный материал используется в качестве проводника прямого тока через подину. В этом случае выдвигаются следующие специфические требования: электрическое сопротивление подины должно быть настолько низким, насколько это возможно (<5*10“4 Ом/м); огнеупоры должны обладать высокой стойкостью (>1000 плавок).

Подобные требования ранее никогда не предъявлялись к поставщикам огнеупоров и поэтому ASEA вступила в дискуссию с рядом ведущих производителей огнеупоров. Эти дискуссии привели к неформальной кооперации с фирмой Radex в 1986 г., которая развернула интенсивные поисковые и исследовательские работы, направленные на создание материалов, подходящих для изготовления подовых электродов дуговых электропечей на прямом токе конструкции фирмы АВВ и удовлетворяющих указанным требованиям.

Очевидно, что поставленные цели могут быть достигнуты путем использования магне зитоуглеродистых материалов. Однако некоторые вопросы оставались нерешенными, в том числе — какой должна быть футеровка: кирпичной, монолитной или комбинированной, а также вопрос об уровне содержания углерода в огнеупоре.

Решение было принято в пользу комбинированной футеровки, состоящей из кладки магнезитоуглеродистым кирпичом в три слоя, и верхнего слоя из набивной магнезитоуглеродистой массы, который может быть обновлен при холодном или горячем ремонте. Использование кирпича обеспечивало преимущества высокой стойкости против износа и высокой электропроводности по всей массе подины. Аргументы в пользу монолитного слоя на горячей лицевой стороне подины заключались в службе его в качестве защиты кирпичной кладки и возможности проведения ремонта тех участков подины, где проявился преждевременный износ, что в результате дало экономию средств. Преимущества могут быть также получены за счет поддержания постоянного профиля подины, при возможности обновляя изношенный слой.

Подина электропечи прямого тока (рис. 4) соединена с положительным выводом выпрями теля. Это — электрически активная часть печи и поэтому она электрически изолирована от кожуха печи, который заземлен. Правильное функционирование и высокая стойкость подовой изоляции существенны для работы печи. Как показано на рис. 4, днище подины снабжено кольцевым вертикальным фланцем, находящимся также в кольцевом желобе, приваренном к кожуху печи. На равных расстояниях в желобе размешены кирпичи, на которые и опирается фланец. Все остальное пространство заполняется огнеупорной набивной массой. Периферийное расположение фланца и приподнятость его над нижней точкой футеровки подины предохраняют систему от короткого замыкания в случае проникновения через подину расплавленных металлов таких, как свинец.

Сферическое днище печи изготовлено из обычной жаростойкой стали. Внутренняя часть днища покрыта большой, выполненной из сегментов медной круглой пластиной, закрепленной на нем болтами. Четыре электрических медных вывода проходят вниз через отверстия в днище. Гибкие проводники связывают эти выводы с положительным полюсом трубчатого коллектора под печью. На медной пластине по обычной технологии выкладывают подину из электропроводного магнезитоуглеродистого огнеупорного кирпича (обычно три слоя). Неровности заглаживают с помощью графитовой пасты.

Общая толщина футеровки несколько большая, чем в обычной печи, вследствие большей теплопроводности графитсодержащих кирпичей. Избыточная теплота отводится от днища благодаря интенсивному воздушному охлаждению с помощью расположенного по оси печи вентилятора с мотором мощностью ~15 кВт, воздухопровода и распределительного кожуха, находящегося под днищем печи. Два нижних слоя кирпича, медная пластина и днище печи с фланцами находятся в непрерывной эксплуатации и обычно не заменяются, не требуется и их обслуживание. Верхний слой кирпича обслуживается так же, как и при обычной подине. Горячий ремонт между плавками, если это необходимо, и холодная подбивка во время остановки в конце недели— обычная процедура. В обоих случаях используют магнезитовые составляющие в смеси с углеродом для обеспечения необходимой электрической проводимости. После холодного или горячего ремонта печь может быть сразу же включена. Обычно предварительный разогрев не требуется. Подготовленный скрап такой, как сечка, загружают непосредственно на подину для получения широкой и надежной контактной поверхности, включают ток и осуществляют нормальное плавление. В случае имевшего место обширного холодного ремонта ток дуги уменьшают в течение первых 15 мин плавления.

Когда верхний кирпичный слой изношен до такой степени, что дальнейший ремонт или невозможен, или практически нецелесообразен, его необходимо заменить. Это потребует остановки печи на 1—2 смены.

Срок службы верхнего кирпичного слоя и количество необходимого для ремонта материала в большой степени зависят от условий работы печи. Факторы, способствующие увеличению срока службы футеровки и снижению расхода материалов для ремонта, следующие: работа без охлаждения печи, например, без остановок в конце недели; работа с оставлением части металла в печи, что способствует выравниванию температуры и получению хорошего электрического контакта; эксцентрический выпуск плавки, при котором благодаря малому углу наклона печи подина предохраняется от контакта со шлаком; низкая температура выпуска плавки.

Преимущества подины конструкции фирмы АВВ: большая площадь электрического контакта, так как вся футеровка подины — проводник для прямого тока, следствием чего является низкая удельная нагрузка по току («10 кА/м2); может быть использована обычная практика выкладки кирпичной подины и поддержания последней в рабочем состоянии; нет необходимости использовать специальные инструменты и оборудование; стабильное качество, так как используется стандартный кирпич; высокий уровень безопасности — в течение 7 лет промышленного эксперимента с этим типом подины не зарегистрировано ни одного неожиданного аварийного случая.

2. Свойства проводящих огнеупоров

Механизм износа магнезитоуелеродисгых изделий

Главными факторами, обусловливающими износ MgO—Сизделий в печах прямого тока, являются следующие: механические (ударное воздействие скрапа); термомеханические (горячая эрозия); термические (температура выпуска 1700 °С, возможны локальные перегревы); термохимические (воздействие шлака, окисление).

Высокая стойкость MgO—Сизделий является результатом совместного защитного действия углерода и оксида магния. Матрица из углеродистой связки очень стабильна вплоть до высоких температур. Углерод препятствует инфильтрации шлаковой фазы в кирпич, поскольку он не смачивается оксидами металлов и восстанавливает некоторые из них. Добавки графита закрепляют эти свойства, повышают сопротивляемость термическому удару, ударную вязкость и сопротивляемость окислению. С другой стороны, частички магнезита быстро образуют тонкий плотный керамически связанный слой на горячей лицевой поверхности подины. Электрохимические реакции, а именно окислительные процессы на анодной подине в поле прямого тока, поддерживают образование этого полупроводникового слоя. Толщина этого слоя составляет всего несколько миллиметров, но он очень эффективно предохраняет углерод от окисления или растворения в металлической ванне. Износ развивается или в результате циклического отслоения и нового образования оксидного слоя, или непрерывно в результате термомеханических или термохимических процессов. В дуговых печах прямого тока следует ожидать также локальных повреждений оксидного слоя от ударов скрапа, но превалирующий механизм износа заключается в горячей эрозии, обусловленной движением расплавленного металла, поддерживаемой присутствием шлаковой фазы, воздействие которой снижает огнеупорность оксидного слоя.

Окисление углерода за счет MgO и образование паров Mg имеет место только при высоком уровне содержания углерода и при температуре >1700 °С. Во всех случаях за исключением локального перегрева, этот процесс можно не учитывать в числе главных факторов, обусловливающих износ подины в электропечах прямого тока.

Для того чтобы повысить сопротивляемость износу, производители магнезитоуглеродистых изделий добиваются их минимальной пористости, отбирают для использования высокочистые углеродистые и магнезиальные материалы и стремятся к уменьшению числа фазовых границ внутри зерен магнезита.

Содержание углерода и электрическое сопротивление магнезитоуглеродистого кирпича

Опыт использования MgO—Скирпича в электропечах переменного тока и кислородных конвертерах показал, что оптимальное содержание углерода (остаточное содержание углерода после коксования) колеблется в пределах 10—15%. Для изготовления подин электропечей прямого тока предпочтителен нижний уровень содержания углерода, благодаря чему обеспечивается более низкая теплопроводность кирпича и более стабильное образование оксидного слоя.

Обычно электрическое сопротивление MgO—Скирпича зависит от температуры обжига. Для того чтобы устранить эту температурную зависимость и уменьшить электрическое сопротивление до требуемого уровня, кирпич, используемый для изготовления подин электропечей прямого тока, подвергают специальной предварительной термической обработке. В процессе пиролиза угольной смоляной связки графитовые пластинки перемежаются со сфероидальными и соединяющимися выделениями полукокса в мезофазной матрице (рис. 5). Этот процесс начинается при температуре ~300 °С, при >600 °С полукокс образует сплошную анизотропную фазу, содержащую очень мелкие графитовые пластинки, которые растут от ~1 пм при 600 °С до 5 пм при 1000 °С. В конечном итоге трехмерная решетка графита в полукоксе образует токопроводящую матрицу кирпича.

На рис. 6 показано изменение электрического сопротивления обычного MgO—Скирпича в процессе первого нагрева и при нагреве после предварительной термической обработки.

Добавка графита в магнезитовый кирпич на углеродистой связке уменьшает электрическое сопротивление на несколько порядков. Ток протекает не только через фазу полукокса, но и по прекрасно проводящим его графитовым пластинкам. Таким образом, сопротивление в 262 кирпиче уменьшается до того уровня, который обусловлен наличием тонких мостиков полукокса между графитовыми пластинками. При содержании остаточного углерода >10 % добавки графита значительно менее эффективны и улучшают проводимость только в пропорции к объему фракции графита в кирпиче. Хотя пиролиз имел бы место и в обычном магнезитоуглеродистом кирпиче в течение первых нескольких плавок, предварительная термическая обработка предоставляет важные преимущества в части безопасного использования кирпича в подине дуговых печей прямого тока. Вопервых, печь может быть включена холодной без предварительного разогрева, так как электрическое сопротивление подины низко уже при первом включении. Вовторых низкое сопротивление гарантировано во всем объеме подины, т.е. не только в ее горячем рабочем слое, но и в холодном защитном слое, где температура недостаточно высока для полного протекания пиролиза. Третье преимущество заключается в равномерности и однородности проводимости.

Термопары, размещенные в подине на заводе SSB, не показывают образования горячих пятен. Это действительно подтверждает высокую равномерность распределения тока в проводящих огнеупорах.

Содержание углерода и электрическое сопротивление в магнезитоуглеродистых монолитах

Первоначально содержание углерода в набивной массе было установлено из расчета получения удельного сопротивления после коксования <5 • 10“4 Ом/с. По сравнению с гидравлически прессованным кирпичом общая плотность набивной массы ниже, и контакт между связующим углеродом и графитом хуже. Поэтому в набивной массе необходимо иметь после коксования ~14 % остаточного графита.?

Несмотря на удовлетворительные электрические свойства такой массы (PERmasit229), скорость износа не была достаточно удовлетворительной, повидимому, вследствие слишком большого расстояния между зернами магнезита, что помешало образованию стабильного оксидного слоя на горячей лицевой стороне подины. В дальнейшем испытания со значительно меньшим содержанием углерода показали лучшие результаты по расходу массы. Конечно, при этом электрическое сопротивление массы было более высоким, но это не проявилось при текущей эксплуатации печи. Критическая точка— включение холодной печи.

При очень низком содержании углерода электрическое сопротивление набивного слоя будет гораздо выше после холодного ремонта. Поэтому падение напряжения в подине будет слишком большим, и холодное включение печи без ее разогрева будет невозможным. При содержании углерода >4% падение напряжения в холодной подине может быть удержано в пределах 20% от общего напряжения и в течение 20 мин оно уменьшается до обычного низкого уровня. На рис. 7 показано электрическое сопротивление смесей с различным содержанием углерода в интервале температур от температуры окружающей среды до 1000 °С. Влияние содержания углерода на электросопротивление значительно больше при холодном состоянии подины, чем после ее коксования. На SSB масса с 5% остаточного углерода и 8 % общего содержания углерода оказалась наилучшей. Эта масса (PERmasit—ДСЗ) в настоящее время применяется для ремонта при каждой четвертой остановке печи в конце недели. Другой способ поддержания подины в рабочем состоянии— горячий ремонт заливкой разогретой магнезитоуглеродистой массой. После первоначальных испытаний массы, содержавшей 14 % углерода (PERmasit—V254), содержание углерода было уменьшено. Это улучшило как ее жидкоподвижность в горячем состоянии, так и сопротивление износу.

Затраты времени на изготовление и поддержание в рабочем состоянии проводящей подины

Холодную набивку проводят только в течение каждой четвертой остановки в конце недели. Ремонт может быть начат после охлаждения печи в течение как минимум 8 ч. Масса доставляется в больших мешках вместимостью до 1,5 т и выгружается на очищенную подину с помощью крана. Набивка подины продолжается от 2 до 4 ч. После этого, если необходимо, откосы подбивают магнезитовой массой на углеродистой связке PERmasit—ТМ102.

Для горячего ремонта из печи сливают остатки металла и мешки вместимостью по 0,5 т с массой PERmasit—V254 или впоследствии с масой PERmasit—ДС—R подвешивают над горячей печью с помощью крана. Благодаря воздействию радиационной теплоты мешки вскрываются, масса падает вниз, расплавляется в течение нескольких минут и может быть распределена по подине путем качания печи. После этого требуется 20 мин для отжига массы. Всего на горячий ремонт расходуется 40 мин. Следующая плавка должна проводиться* немедленно для избежания окисления массы.

Включая время, необходимое на выполнение новой кирпичной кладки после 1500—2000 плавок, требуются следующие затраты времени на изготовление и поддержание в рабочем состоянии проводящей подины на SSB, мин на 1 плавку: кирпичная кладка 0,48; холодный ремонт набивки 0,67; подварка подины 0,81; итого 1,96.

Время охлаждения печи перед холодным ремонтом набивки, составляющее 1,5 мин на 1 плавку, не учитывается, так как оно является частью регулярной остановки в конце недели.

3. Эксплуатационные показатели

Стойкость подины на SSB

К настоящему времени завершены три кампании службы , подин, четвертая продолжается. Причины для замены кирпичной кладки подины различны и были обусловлены в первых двух кампаниях скорее условиями эксплуатации, нежели износом.

Исходя из остаточной толщины верхней части кирпичной кладки к моменту ее замены, экстраполированная стойкость третьего слоя в первой кампании должна была составлять 2000, во второй 2500, и в третьей ~4000 плавок. В текущей четвертой кампании уже достигнута стойкость более 1000 плавок. Стабильность остаточной кирпичной кладки второго и третьего слоев почти неограничена. Исследования образцов кирпича, отобранных после 3134 плавок, не показали ни гидратации вследствие утечек воды, ни какихлибо других изменений свойств, за исключением очень слабой инфильтрации свинца на холодной стороне (см. таблицу).

Удельный расход подовых масс и кирпичей на ремонт подины, включая желоб для эркерного выпуска, следующий, кг/т:

Уменьшение расхода проводящих подовых масс (рис. 8) является результатом усовершенствования технологии плавки, улучшения качества огнеупоров и ухода за подиной. Более высокий расход массы на ремонт откосов отражает переход от использования высококачественных магнезиальных смесей на углеродистой связке для ремонта этого участка к дешевым набивным материалам.

Стойкость стен печи составляла ~1200 плавок на кампанию, однако уже был достигнут и максимальный уровень в 1500 плавок. Удельный расход кирпича был ~0,4 кг/т стали(с расходом массы на торкретирование ~3,0 кг/т) в течение кампании 1 и 2 и в настоящее время составляет 0,37 кг/т (с расходом массы на торкретирование только 1,1 кг/т).

Стойкость подины на заводе фирмы Charter Steel (США)

Подобные результаты были получены на другой печи прямого тока конструкции фирмы АВВ, установленной на заводе фирмы Charter Steel в США. Первая подина была обновлена в первый раз в июне 1993 г. после 3000 плавок, что является мировым рекордом на тот период времени, который был превышен на заводе фирмы 5SB. Основываясь на имеющемся опыте, можно полагать, что общая стойкость подины может быть повышена и до 4000—5000 плавок.

Подина печей прямого тока фирмы АВВ, выполненная из магнезитографитовых материалов, единственная конструкция для печей этого типа, работоспособность которой не зависит от наличия металлических проводников между металлом и внешним контуром низка печи. Накопленный опыт наглядно демонстрирует максимальную надежность и безопасность этой альтернативной конструкции.

К тому же подину можно обслуживать по обычной, принятой в сталеплавильных цехах технологии проведения холодных и горячих ремонтов с большой гибкостью. Можно проводить только горячий или только холодный ремонт, или комбинированный ремонт в соответствии с графиком работы каждого конкретного цеха. Подина печи конструкции фирмы АВВ — фактически единственная подина прямоточных печей, обеспечивающая возможность обслуживания ее в оптимальных условиях. Стойкость подины достигает 4000 плавок и более, что значительно выше, чем достигнуто на подинах любой конструкции с металлическими проводниками. Не последнюю важность имеет и то обстоятельство, что поставщики огнеупоров непрерывно ведут исследовательские работы, направленные на создание еще более стойких и дешевых материалов. Все предприятия, использующие подины конструкции фирмы АВВ, естественно будут от этого в выигрыше.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994