СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПЕЧИ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА И ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НИХ

Для снижения расхода электроэнергии на 1т продукции и для повышения производительности были разработаны шахтные печи. Во многих случаях считают, что для ускорения плавления и для других преимуществ весьма эффективно применять перемешивание ванны инертными газами. Требование дальнейшего снижения расхода электроэнергии удовлетворяется при вдувании кислорода и природного газа через подину. Но когда рассматриваются вопросы модернизации печей или замены старых печей на новые, то чаще всего используют печи на постоянном токе как дающим возможность снизить расход электродов, стабилизировать дугу, снизить уровень шума и т.п. Необходимость повышать экономичность и надежность работы электропечей заставила огнеупорную промышленность разрабатывать улучшенные огнеупоры.

Так как параметры, характеризующие стойкость обычных и шахтных электропечей практически одинаковы, они будут рассмотрены вместе.

Для боковых стен обычно используют магнезитовый кирпич на углеродной связке, изготовленный из высокостойкого с низким содержанием железа обожженного магнезита, крупнокристаллического обожженного магнезита или электроплавленного магнезита (с долей магнезии 30—70%) с остаточным содержанием углерода 5—14%. Этим материалом выкладывают стены ниже водоохлаждаемых панелей. Предпочтение все больше отдается пековой связке (вместо смоляной) как имеющей лучшее отношение стоимости к стойкости.

С точки зрения продления срока службы печи, участки, подверженные наибольшему износу, как горячие пятна под электродами и шлаковая зона, должны ремонтироваться нанесением соответствующей магнезитовой массы с помощью пушки или центрифуги. При этом должны выполняться два условия: высокая степень адгезии с горячей стенкой (небольшие потери связующих свойств); высокая сопротивляемость термохимическому и термомеханическому воздействию в процессе работы.

Помимо водоохлаждаемых панелей в кладке свода используются кирпичи не из основного материала. Только в редких специальных случаях оправдывает себя применение хромомагнезитовых кирпичей.

Для донного выпуска обычно используют две различные конструкции (рис. 1): стандартную конструкцию с цилиндрическим каналом, шпунтом и шпоночной канавкой (рис. 1, а); новую конструкцию Вейтшер (Veitscher), напоминающую летку доменных печей с коническим каналом и плотной посадкой втулок (рис. 1, б). Эта конструкция имеет следующие преимущества: более быстрый выход струи, возможность оптимизации времени выпуска, меньший расход огнеупоров, самоцентрирование втулок, отсутствие затекания металла между втулками и более длительное сохранение плотности соединения втулок.

Наилучшим материалом для использования в подинах печей является сухая утрамбованная смесь ANKERHARTH, основанная на высокоплотном с уникальными химическими свойствами Австрийском обожженном магнезите.

Вдувание инертного газа обеспечивает необходимое движение ванны и гомогенизацию расплава. В настоящее время существуют две группы перемешивающих систем: прямое перемешивание, при котором инертный газ вдувается непосредственно в расплав через длинные перемешивающие элементы, доходящие до поверхности огнеупорной кладки подины; закрытая или непрямая система, при которой перемешивающие элементы закрыты газопроницаемым слоем огнеупора подины.

В начале 80х г. донная продувка системы RADEX была признана как многообещающее и эффективное звено в цепи современного электросталеплавильного процесса. Более 90 электропечей во всем мире используют технологию с прямым перемешиванием. Преимущества, результаты и конструкция системы RADEX были описаны в нескольких публикациях (рис.

В качестве материала для продувочной пробки использовали смесь из графита, плавленого магнезита и металлического порошка (антиокислитель) на смоляной связке. Стойкость пробки достигала 300 плавок и более. Для блоков колодца оптимальные результаты показал углеродномагнезитовый материал на пековой связке. Блоки колодца служили всю кампанию работы пода, и только иногда верхний блок заменялся вместе с продувочной пробкой.

Преимущества системы следующие: высокая эффективность; более низкий расход газа (2—5м/ч на каждый элемент); возможность направленного движения ванны (скачивание шлака или бесшлаковый выпуск).

Дальнейшие усовершенствования привели к сотрудничеству между фирмами Тиссен и Вейт шер, результатом которого стали новые разработки. TLSперемешивающий элемент состоит из огнеупорной фурмы, содержащей единственную стальную трубку и плитурассеиватель, установленную на фурму. Рассеивающая плита (рис. 3) изменяет направление газовой струи и создает условия, когда газ проникает через газопроницаемый слой пода, состоящий из прессованной смеси ANKERHARTH—TLS2.

Вариант закрытого перемешивающего устройства был усовершенствован фирмой Вейтшер (рис. 4). Газ в системе VVS распределяется с помощью трубок из нержавеющей стали диаметром 1 дюйм, установленных по кругу на стальной трубе, в которой просверлены небольшие отверстия, обеспечивающие требуемый расход газа. Специальные направлящие лотки направляют газ вверх. Лотки изготовлены из листовой нержавеющей стали иди, что более предпочтительно, из обожженного магнезита, как и подина, из прессованной смеси ANKERHARTH с добавкой безводной органической связки.

Как TLS, так и VVS системы требуют, чтобы подина была изготовлена из прессованного газопроницаемого материала. Кроме этого, для успешной работы подины смесь должна отвечать следующим требованиям: газопроницаемость должна гарантированно существовать в течение длительного времени. Это значит, что толщина спеченного слоя должна быть небольшой, чтобы обеспечить достаточную пористость даже при высоких температурах (микропористость должна обеспечиваться небольшим количеством зерен с низкой температурой плавления); высокая стабильность объема материала подины в зоне установки продувочных устройств, так как огнеупорный материал испытывает очень большие температурные перепады: ANKERHARTH—TLS2 отвечает всем этим требованиям и исключительно эта смесь используется для изготовления и ремонта подин. Эти две системы также нашли широкое применение. Около 60 металлургических заводов эксплуатируют их.

Преимущества систем TLS и VVS следующие: практически неограниченная стойкость перемешивающих элементов; подача газа в процессе работы печи может быть прекращена без какихлибо осложнений; при продувке происходит охлаждение подины, что приводит к сокращению расхода огнеупоров.

Первые опыты по вдуванию кислорода через под электропечи проводились путем установки трубчатой коаксиальной фурмы в боковую стенку ниже уровня порога печи. Было достигнуто снижение расхода энергии, но очень сильный износ фурмы и стенки вокруг нее привели к прекращению дальнейших опытов. Было сделано заключение, что только вертикальное расположение кислородной фурмы может привести к оптимальным результатам (рис. 5). Необходимость длительной работы печи допускает установку только заменяемых систем.

Конструкция кислородной фурмы должна обеспечить безопасность ее работы. Основываясь на экспериментах с вдуванием инертного газа через подину, при вдувании кислорода наиболее подходящим также оказался углеродномагнезитовый материал, имеющий высокую износостойкость.

До настоящего времени кислородные фурмы установлены на трех электропечах: Ferriere Nord, Италия (90 т); UES Brymbo, Великобритания (75 т); UES Aldwarke, Великобритания (180 т).

Фирмой VEITSCHER совместно с фирмой Klocner Stahl Technic (К—ESпроцесс) и фирмой Korf—Lurgi (EOF—KORFпроцесс) были проведены работы по применению погружной фурмы для вдувания кислорода.

Три шахтные печи были построены и работают до настоящего времени на заводах DDS Frederiksvaerk (110 т), Sheerness Steel, Великобритания (100 т) и SAM Montereau, Франция (90 т). Еще несколько шахтных печей находятся в стадии сооружения.

На рис. 6 приведена конструкция двушахтной печи, работающей на заводе SAM Montereau, которая позволила сократить вспомогательное время с 13 (одношахтная печь) до 5мин (2мин— измерение температуры и отбор пробы, 2 мин для наращивания электродов и 2мин— простой).

Типичная электропечь постоянного тока характеризуется более простым, единственным, центрально расположенным графитовым электродом, который является катодом. Анод соединен с контактом, расположенным в подине печи.

Так как ток дуги (независимо от системы электропечи) проходит через расплав к подовому электроду, то наличие электропроводящего пода — главная позиция электропечи постоянного тока.

Электрическая проводимость пода может быть достигнута применением электропроводящих огнеупоров или металлическими элементами (рис. 7).

На заводе Nucor Hickman, где эта система использовалась, срок службы подового анода обычно превышал 1200 плавок.

Употребление обычных огнеупорных материалов для ремонта подины печи, оборудованной подовыми электродами типа ребер или прутков, невозможно, так как электрическое сопротивление материалов очень велико, и даже в горячем состоянии подины ток будет недостаточен.

Чтобы преодолеть эту трудность, был разработан безуглеродистый электропроводящий ремонтный материал, состоящий из ~70 % (по массе) магнезита со специальным распределением размеров зерен и 30% (по массе) железного порошка. Лабораторные испытания при использовании этого материала показали, рто объемная структура материала , состоит из спеченного магнезита с непрерывной металлической сеткой в порах. Частицы железа соединяются между собой при температуре ~800 °С, и смесь приобретает достаточнук электропроводность (рис. 12).

Железомагнезитовая смесь требует нейтральной или восстановительной атмосферы с целью предотвращения окисления железа (в последнем случае разрушается металлическая сетка). Так как электропечи постоянного тока обычно работают с оставлениемна подине жидкой лужи, то проблем с окислением не возникает. Эта смесь (ANKERFRIT—DC21) при испытании показала хорошие результаты.

Описаны различные решения, касающиеся огнеупорной кладки для новых процессов и конструкций электропечей на переменном и постоянном токе, обеспечивающей высокую стойкость. Тесное сотрудничество между конструкторскими компаниями, производителями стали и поставщиками огнеупорных материалов привело к успешной работе электропечей. Не последнее значение имеет дальнейшее и постоянное участие поставщикбв огнеупоров в улучшении технических и экономических показателей, в решении совместных проблем.

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