§ 3. Механическое оборудование
Механическое оборудование печи ЭШП (см. рис. 62, б) включает кристаллизатор с кареткой, поддон, устанавливаемый обычно на тележке, несущую конструкцию для электрододержателя с расходуемым электродом, стойку и необходимые механизмы для передвижения расходуемого электрода, кристаллизатора и тележки поддона. Кроме этого, в комплект печи ЭШП могут входить различные вспомогательные технологические устройства (для заливки и удаления шлака, продувки газами или газопорошковыми смесями, создания инертной или контролируемой атмосферы, присадки легирующих материалов и раскислителей и т.д.).
Кристаллизатор
Кристаллизатор в соответствии с назначением является основным и наиболее ответственным рабочим элементом печи ЭШП, конструкция которого в значительной мере определяет устойчивость процесса формирования слитка, его качество, технико-экономические показатели, надежность и взрывобезопасность работы печи ЭШП.
Кристаллизатор имеет внутреннюю рабочую стенку, формирующую слиток и называемую кокилем, и необходимую систему охлаждения с подводящим (напорным) и отводящим (сливным) коллекторами и патрубками.
По принципу формирования слитка различают следующие кристаллизаторы: кристаллизаторы-изложницы, короткие подвижные и комбинированные (для фасонных отливок).
Первый тип упрощает конструкцию печи ЭШП, поскольку слиток длиной lcл наплавляют в неподвижном кристаллизаторе. Для этого длина кокиля
(134)
где Δl – конструктивный размер для размещения системы охлаждения.
Кристаллизаторы-изложницы применяют для производства слитков и отливок массой 10...20 т, хотя имеет место и производство «кузнечных» слитков массой до 200 т методом ЭШО.
Подвижные кристаллизаторы несколько усложняют конструкцию и эксплуатацию печей ЭШП, поскольку необходим специальный механизм передвижения и возникают технологические трудности обеспечения взаимного «скольжения» поверхностей кокиля и слитка, но имеют меньшую материалоемкость, особенно при производстве крупных (более 20 т) и особокрупных (до 200 т) слитков. Такой кристаллизатор (рис. 71) имеет шлаковую надставку для шлаковой ванны, собственно кристаллизатор и переходный фланец, определивший термин «Т-образный» кристаллизатор. Длина кокиля кристаллизатора составляет от 0,3 до 0,7 поперечного размера слитка. Большее поперечное сечение шлаковой надставки позволяет при данном значении коэффициента заполнения кристаллизатора kз.к иметь коэффициент заполнения слитка kз.сл равным 1,0...1,1 и работать без механизма передвижения расходуемых электродов.
Рис. 71. Схема Т-образного кристаллизатора: а – заливка шлака в начале плавки; б – слив шлака в конце плавки; 1 – шлаковая надставка; 2 – переходный фланец; 3 – кристаллизатор; 4 – поддон; 5 – воронка; 6 – подвижная плита; 7 – привод; 8 – сливная труба; 9 – слиток
Материал рабочей стенки кристаллизатора должен обладать хорошей электро- и теплопроводностью, достаточной прочностью и твердостью, антифрикционными свойствами (особенно для подвижных кристаллизаторов), не смачиваться жидкими металлом и шлаком. Обычно применяют красную медь марки Ml...МЗ (ГОСТ 859–2001), хромистую бронзу марки БрХ0,8 (ГОСТ 493–79), реже сталь. Кокили круглого сечения диаметром до 450...500 мм изготовляют из цельнотянутых медных труб с толщиной стенки 10...25 мм. Внутреннюю поверхность кокиля кристаллизаторов-изложниц обрабатывают на конус, уширяя книзу (конусность 1...2 %), что необходимо для извлечения наплавленного слитка при подъеме кристаллизатора. Кокили диаметром более 500 мм и прямоугольного сечения сваривают из медных или бронзовых листов толщиной до 40 мм. Для крупных цилиндрических слитков и слитков-слябов кристаллизаторы собирают из отдельных водоохлаждаемых панелей (панельные кристаллизаторы) (рис. 72). Панель представляет собой медную или бронзовую плиту толщиной до 100 мм, усиленную снаружи стальным корпусом с ребрами жесткости. Во избежание нагрева корпуса (из-за перемагничивания в магнитном поле печи ЭШП) его изготовляют из немагнитной стали. Одним из достоинств панельных кристаллизаторов является возможность достаточно простого изменения формы поперечного сечения выплавляемых слитков. Например, перемещением даже одной узкой панели четырехпанельного кристаллизатора можно получить слитки прямоугольного сечения с различным размером широкой стороны (см. рис.72, а). Панели переставляют вручную или специальным механизмом, смонтированном на корпусе кристаллизатора.
Рис. 72. Панельные кристаллизаторы для листовых (а) и кузнечных (б) слитков и варианты охлаждения панелей (в – д): 1 – корпус; 2 – панель; 3 – каналы для охлаждающей воды; 4 и 5 – отвод и подвод воды; 6 – уплотнение
Рабочая стенка кристаллизатора испытывает интенсивные тепловые нагрузки, особенно в зоне контакта с жидким шлаком вблизи зеркала шлаковой ванны (до 1...1,5 МВт/м2).
В кристаллизаторах-изложницах зона максимальных тепловых нагрузок перемещается по стенке кокиля снизу вверх, по мере наплавления слитка. Поэтому систему охлаждения рассчитывают на воздействие максимально возможных тепловых нагрузок по всей поверхности кокиля. Подвижные кристаллизаторы работают в условиях четкого распределения тепловых нагрузок по высоте кристаллизатора. При этом максимальные тепловые нагрузки можно снизить за счет огнеупорной футеровки внутренней поверхности шлаковой надставки.
По конструкции системы охлаждения различают кристаллизаторы открытого, полуоткрытого и закрытого типа (рис. 73).
Рис. 73. Системы охлаждения кристаллизаторов печей ЭШП: а – открытая (испарительная), б – полузакрытая, в – закрытая; 1 – кокиль, 2 – коллектор подвода воды, 3 – коллектор отвода воды, 4 – сетка, 5 – кожух (водяная рубашка)
Кристаллизатор открытого типа (рис. 73, а) имеет одностенную конструкцию. Медный или чаще стальной кокиль с толщиной стенки 8...10 мм обтянут металлической панцирной сеткой. В ряде конструкций наружная поверхность кокиля имеет нарезку, поперечные рифления или продольные пазы. Это необходимо для обеспечения равномерного свободного стекания воды, подаваемой из верхнего подводящего коллектора с отверстиями диаметром 2...3 мм («брызгала»), в водосборник. Достоинством такой «оросительной» системы охлаждения является резкое снижение объемного расхода воды (порядка 5...6 м3/ч) и уменьшение взрывоопасности. Однако при неплотном прилегании сетки и неравномерном охлаждении возможно коробление, особенно стального кокиля квадратного или прямоугольного сечения, в связи с чем кристаллизаторы такого типа применяются лишь в мелкосерийном производстве слитков и фасонных отливок.
Кристаллизатор полузакрытого типа (рис. 73, б) – двухстенный с открытой полостью шириной 60...100 мм между кокилем и стальным немагнитным корпусом. Вода поступает в полость снизу по подводящему коллектору и свободно стекает вверх по отводящему коллектору. Такая система охлаждения обеспечивает теплоотвод от кокиля в результате конвективной теплоотдачи и при локальном пузырьковом кипении недогретой, т.е. имеющей температуру ниже Ткип, воды. Поскольку из-за большой тепловой нагрузки температура теплоотдающей поверхности кокиля в зоне шлаковой ванны может превышать 373 К, на поверхности образуются паровые пузырьки, разрушающие ламинарный пограничный слой воды с высоким тепловым сопротивлением и тем самым существенно усиливающие конвективную теплоотдачу αвд. Кроме этого, при локальном кипении усиливается теплоотвод при поглощении теплоты фазового перехода первого рода (испарительное охлаждение). При движении воды вверх пузырьки пара смываются с поверхности кокиля, частично конденсируясь в основном потоке воды, частично всплывая на открытую поверхность воды в полости между кожухом и кокилем (что послужило поводом назвать такие кристаллизаторы «самоварами»). Слабыми сторонами такой конструкции являются недостаточная жесткость верхнего фланца кокиля и выделение водяного пара в атмосферу цеха. Кристаллизаторы полузакрытого типа применяют на малых печах ЭШП.
Кристаллизатор закрытого типа (рис. 73, в) имеет герметичную узкую полость шириной 15...25 мм (водяную рубашку), где снизу вверх протекает под давлением (напором) 0,4...0,5 МПа и с определенной скоростью v теплоноситель (вода или жидкие легкоплавкие металлы).
Поскольку форма кокиля кристаллизатора (кроме панельного) однозначно определяет сечение наплавленного слитка, печи ЭШП комплектуют набором сменных кристаллизаторов на весь возможный сортамент слитков.
Поддон является основанием, на котором начинается процесс ЭШП (наведение шлаковой ванны, наплавление слитка), днищем для кристаллизаторов-изложниц и токоведущим элементом для однофазных печей ЭШП (см. рис. 62, а). Поддон находится под силовым воздействием массы наплавляемого слитка и кристаллизатора-изложницы сверху и внутреннего давления охлаждающего теплоносителя (для воды 0,4...0,5 МПа) снизу в условиях достаточно интенсивных тепловых нагрузок, особенно в начале плавки (0,5...1 МВт/м2).
Поддон состоит из медной или бронзовой (для крупных печей ЭШП) плиты толщиной до 150 мм и системы охлаждения. Плита имеет узел для подсоединения вторичного токопровода.
По конструкции системы охлаждения различают поддоны тарельчатого и щелевого типа.
Для заливки жидкого шлака в кристаллизатор через сифон плита поддона должна иметь специальный паз-канал.
Для защиты плиты поддона от чрезмерных тепловых нагрузок при заливке жидкого шлака и в начальный период плавки и для создания надежного электрического контакта с наплавляемым слитком (в однофазных печах ЭШП) на поддон укладывают массивные, специально проточенные шайбы толщиной 20...100 мм из стали той же марки («затравки»). При «жидком старте» печи ЭШП для предотвращения затекания шлака между затравкой и плитой поддон может иметь различные устройства и механизмы для ее крепления. На печах ЭШП с Т-образным подвижным кристаллизатором для закрепления слитка к поддону применяют специальные затравки-захваты или водоохлаждаемые захваты, шарнирно закрепляемые на корпусе поддона и освобождающие слиток с помощью соответствующего привода.
Щелевые поддоны с прямоточным охлаждением работают с высоким объемным расходом охлаждающей воды QV. Поэтому по окончании начального периода плавки, когда снижается интенсивность тепловой нагрузки поддона, целесообразно уменьшить QV и даже отключить систему охлаждения.
Кристаллизатор с поддоном устанавливают на самоходной тележке для выкатывания наплавленного слитка от печи ЭШП в пролет цеха. Обычно тележка имеет электромеханический привод; скорость передвижения составляет 1...3 м/мин. Для корректировки положения кристаллизатора относительно электродов тележка поддона имеет двухкоординатный суппорт.