2.4.2 Основные размеры рабочего пространства
В идеальном случае геометрия рабочего пространства должна обеспечивать минимум тепловых потерь, равномерную тепловую нагрузку всей поверхности огнеупорной футеровки и высокую стойкость футеровки, хорошие условия для протекания процессов между металлом и шлаком, позволять осуществлять завалку всей шихты в один прием при любой насыпной массе лома. Полное выполнение этих противоречивых требований одновременно невозможно. Поэтому форму и размеры плавильного пространства выбирают такими, чтобы оптимально сочетались требования и технологии, и теплообмена.
На (рис. 7) показан профиль рабочего пространства печи. Весь плавильный объем дуговой электропечи делится на три составляющих: ванну, свободное пространство и подсводовое пространство. Ванна представляет часть объема, в которой находятся расплавленный металл и шлак. Размеры ванны должны быть такими, чтобы в ней можно было вместить необходимое количество жидкого металла и шлака, и чтобы при этом оставался еще небольшой (10–15) % резерв объема, необходимый для кипения и перемешивания металла. Форма ванны должна обеспечивать минимум тепловых потерь, хорошие условия для протекания физико-химических процессов между металлом и шлаком, и для заправки поврежденных участков футеровки. Ванна теряет тепло в основном теплопроводностью через футеровку. Тепловые потери при прочих равных условиях пропорциональны площади теплоотдающей поверхности, т. е. поверхности раздела металла – футеровка и шлак – футеровка. Минимальную удельную поверхность имеет шар, поэтому с точки зрения тепловой работы печи целесообразной формой ванны является сфера. Однако поддерживать в процессе эксплуатации такую форму ванны трудно, так как магнезитовый порошок, которым после каждой плавки заправляют поврежденные места футеровки по шлаковому поясу, ссыпается под углом примерно 45° (угол естественного откоса магнезита). Поэтому оптимальной формой ванны является сфероконическая с уклоном конической части к горизонтали под углом 45°.
Рис. 7. Профиль рабочего пространства электропечи емкостью 100 т
В геометрии ванны имеет значение соотношение между глубиной (hв) и диаметром «зеркала» металла (Dв). Чем меньше глубина и больше поверхность зеркала, тем больше удельная реакционная поверхность металл – шлак, тем быстрее происходит рафинирование металла шлаком. С этой точки зрения ванна должна быть мелкой. Но при одном и том же объеме с уменьшением глубины ванны увеличивается диаметр кожуха и теплоотдающая поверхность печи; соответственно увеличиваются тепловые потери и расход электроэнергии.
Еще сравнительно недавно считали, что высококачественную сталь можно выплавлять в электропечах с глубиной ванны до (400–500) мм. По этой причине рекомендовалось придерживаться отношения диаметра ванны к ее глубине, равного пяти-шести. Однако использование различных методов интенсификации физико-химических процессов в печи и внепечное рафинирование металла синтетическим шлаком, продувкой аргоном или обработка металла на установках внепечного вакуумирования позволяют уже сейчас получать высококачественный металл и в крупных электропечах с относительно малой поверхностью раздела металл – шлак.
По мере совершенствования процессов внепечного рафинирования и широкого применения методов интенсификации плавки в печи – глубина ванны увеличиваться, а отношение диаметра ванны к ее глубине – уменьшаться, приближаясь по величине к отношению, характерному для печей с кислой футеровкой. В кислых электропечах, где удельная поверхность раздела металл – шлак не имеет такого большого значения в силу особенностей процесса, как в основных, это отношение находится в пределах (3,5–4,0).
Диаметр зеркала ванны однозначно определяет и диаметр свободного пространства. Высоту свободного пространства (от зеркала ванны до пят свода) определяют, исходя из необходимости разместить в этом объеме (включая и объем ванны) всю твердую завалку, и получить при этом минимум тепловых потерь через боковую поверхность. Высота свободного пространства в значительной мере определяет и интенсивность облучения свода дугами, поэтому при определении высоты необходимо исключить опасность чрезмерного перегрева наиболее горячей центральной точки свода.
Удовлетворительное выполнение этих требований соблюдается при отношении Hсв/Dв = (0,4–0,5), причем меньшие значения относятся к более крупным печам. Такое соотношение обеспечивает возможность загрузки в один прием лома с насыпной массой 1,6 т/м3. Использование более легковесного лома в электропечах нецелесообразно, так как необходимый для загрузки лома объем свободного пространства увеличивается в обратной пропорции насыпной массе и резко возрастает при уменьшении последней менее 1,6 т/м3.
Стрелу выпуклости свода (hсв) выбирают из условий получения достаточной строительной прочности свода в разогретом состоянии, так как свод постоянно испытывает сжимающие усилия от распора.
Механические напряжения в своде возрастают с увеличением диаметра свода (Dсв) и уменьшаются с увеличением стрелы его выпуклости. При отношении (hсв/Dсв)<0,1 напряжения очень высоки и резко возрастают с дальнейшим уменьшением величины отношения, а при отношении более 0,1 изменяются незначительно, поэтому желательно, чтобы в рабочем состоянии это отношение находилось в пределах (0,10–0,12).
В соответствии с этим выпуклость свода в холодном состоянии определяется диаметром свода (диаметром кожуха печи) и коэффициентом теплового расширения огнеупорного материала: чем сильнее расширяется огнеупор при нагреве, тем меньше выпуклость свода в холодном состоянии. При нагревании сильнее расширяются кислые огнеупоры, поэтому для кислых печей принимают hсв = (l/12 – 1/10) Dсв, для периклазохромитового свода hсв = (l/9 – 1/8) Dсв. Практически стрела выпуклости периклазохромитового свода принята для печей емкостью 100, 50, 12 и 6 т соответственно 950, 600, 350 и 310 мм.