Введение

В общей структуре потребления марганца более 90% его используется в черной металлургии при выплавке стали в виде различных марганцевых ферросплавов. Разнообразие марок сталей и сплавов обуславливает необходимость получения марганца и марганцевых ферросплавов широкого сортамента. Одним из наиболее распространенных марганцевых ферросплавов является ферросиликомарганец МнС17.

Широкое применение ферросиликомарганца МнС17 обусловлено следующими его свойствами: хорошая раскислительная и десульфурирующая способность. Кроме того, он может использоваться как легирующая добавка при выплавке различных сталей. Однако, ферросиликомарганец МнС17 должен отвечать всем требованиям ГОСТа к химическому составу. В связи с ухудшением качества поставляемых ферросплавным заводам марганцевых концентратов, содержание фосфора в ферросиликомарганце повысилось до 0,6%.

Для выплавки сплава с содержанием фосфора до 0,1% в шихту необходимо вводить низкофосфористый шлак, что повышает себестоимость сплава. Поэтому для повышения эффективности производства ферросиликомарганца марки МнС17Р10, обеспечения прибыльной работы предприятия, всемерной экономии сырья, топлива, энергии, снижения материалоемкости необходимо совершенствовать технологический процесс, используя последние теоретические и практические исследования в области электроферросплавных процессов.

1 Общая часть

1.1. Обоснование необходимости проектирования ферросплавного цеха

Ужесточающиеся требования к качеству стали, и рост объема производства электростали вызывают необходимость использовать высококачественные марганцевые сплавы при общем увеличении доли низкофосфористого силикомарганца. В странах с развитым конвертерным производством стали наблюдается значительное возрастание доли расхода ферромарганца.

Электротермическое производство марганцевых сплавов относится к одному из самых энергоемких технологических процессов металлургического производства. С увеличением мощности электропечей уменьшаются капитальные затраты на единицу мощности, растет производительность труда основных рабочих, снижаются удельные расходы электроэнергии и, следовательно, увеличивается производительность печи на единицу ее электрической мощности. С увеличением мощности завода уменьшаются капитальные затраты на подсобные и вспомогательные сооружения, отнесенные к единице мощности завода, а также уменьшаются постоянные расходы на единицу продукции, связанные с содержанием управленческого аппарата и подсобных и вспомогательных сооружений. Поэтому надо стремиться к увеличению мощности устанавливаемых электропечей и строительству крупных ферросплавных цехов и заводов.

1.2 Сортамент силикомарганца

Ферросиликомарганец представляет собой комплексный раскислитель, широко используемый при выплавке стали в кислородных конвертерах, электрических и мартеновских печах. Повышение качества стали, достигаемое при использовании силикомарганца взамен ферросилиция и ферромарганца, обусловливает и высокие темпы наращивания объема производства силикомарганца. По химическому составу ферросиликомарганец МнС-17 должен удовлетворять требованиям ГОСТ 4756—77 (табл. 1.1)

Таблица 1.1 - Требования к химическому составу силикомарганца по ГОСТ 4756-77 (с изменением № 3 от 25.11.1988 г.)

Мaccoвoe содержание, %
Марка	Si	Мп (не менее)	С	Р классов		s
				А	Б
				не более
МнС17	15,0—20,0	65	2,5	0,10	0,60	0,03

Поскольку применяемые марганцевые оксидные концентраты I и II сортов имеют высокое удельное содержание фосфора, для получения силикомарганца МнС17А необходимо производить металлургическую дефосфорацию сырья, с получением попутно высокоуглеродистого ферромарганца.

Таблица 1.2 - Баланс марганца между продуктами плавки, %, с учетом выплавки ферромарганца и силикомарганца с содержанием фосфора 0,1 % при использовании ШМП

Наименование показателей	Ферромарганец	Ферросиликомарганец
		0,6 %Р	0,5 %Р	0,35 %Р	0,2 %Р
Сквозное использование марганца, всего	96	3,3	4,3	81,1	80,5
В том числе: переход в годный металл	50,13	83,3	84,3	81,1	80,5
переход в передельный шлак	45,87	—	—	—	—
потери с отвальным шлаком	-	12,7	10,1	12,6	12,7
прочие потери	4	4	5,6	6,3	6,8

На 1 тонну ферромарганца приходится 1,5 тонны передельного марганцевого шлака. Извлечение марганца из ШМП составляет 84,3 %.

1.3. Выбор типа печей

Объем производства ферросплавов находится в прямой зависимости от мощности электропечей. В настоящее время важнейшим направлением технического прогресса в производстве ферросплавов является увеличение единичных мощностей плавильных агрегатов. Увеличение мощностей плавильных агрегатов значительно повышает производительность труда, снижает удельный расход электроэнергии, капитальные и эксплуатационные расходы. Вместе с тем работа мощных электропечных агрегатов неразрывно связана с выделением большого количества колошникового газа, тяжелыми температурными условиями работы деталей и узлов печей и металлоконструкций цехов, загрязнением окружающей среды. В этой связи первоочередными задачами являются утилизация физического и химического тепла колошниковых газов, охрана окружающей среды, улучшение санитарно-гигиенических условий труда и эксплуатации оборудования. Эти задачи можно решить, установив в проектируемом цеху печи закрытого типа. [2]

Кроме того, закрытые ферросплавные печи устраняют следующие недостатки открытых печей.

а) При реакциях восстановления окислов руды углеродом образуется газ, богатый окисью углерода. На поверхности колошника окись углерода сгорает в СO₂ , таким образом, большое количество тепла, выделяющегося на колошнике, вызывает нагрев оборудования и затрудняет работу персонала.

б) Угар 10 % восстановителя на колошнике за счет кислорода воздуха.

По форме ванны печи широкое распространение в ферросплавной промышленности получили круглые трехфазные печи. Такие печи имеют минимальную теплоотдающую поверхность и обеспечивают лучшее использование тепла.[3]

С учетом всех выше изложенных фактов будет целесообразно в проектируемом цехе установить круглые закрытые печи типа РКЗ-21 с трансформаторами мощностью 21000 КВ-А. [4]

1.4 Расчет основных параметров рудовосстановительной печи мощностью 21000 ква

1.4.1 расчет диаметра электродов и их распада

Расчет линейного напряжения производится с использованием формулы:

Uл = В (1)

где: К =8,4-6; Р - номинальная мощность трансформаторов, высокая ступень напряжения:

Uл.в. = 8,4 = 232 В; низшая ступень напряжения:

Uл.н. = 6,0 = 166 В; рабочая ступень напряжения:

Uл.р. = 7,2 = 199В. Расчет линейной силы тока:

А; (2)

Iл.р.= 60926 А

Для расчета диаметра электродов воспользуемся формулой:

dэл = мм (3)

Для мощных рудовосстановительных печей значение плотности тока  не должно превышать 4,0-5,5 А/см².Принимаем для расчета плотность тока  = 5,5А/см².

dэл.=см.

Принимаем диаметр электродов 1200 мм.

Отношение диаметра распада электрода к диаметру электрода колеблется в пределах 2-3. Для расчета принимаем среднею величину 2,5, найдем:

dр = 2,5  dэл; (4)

dp = 2,5  1200 = 3000мм

1.4.2 Расчет основных электрических параметров печи

Активная мощность печи:

P_a=P * cos кВт; (5)

для рудовосстановительных печей cos  = 0,75,

Ра = 21000  0,75 = 15750 кВт. Полезная мощность печи:

Рпол. = Ра - Рпот = Ра - 3I²Rкc. (6)

Для современных печей R_KC равно 1,5  10 ^-4 – 1,8  10 ^-4 Ом. Принимаем для расчета R кс = 1,6  10 ^-4 Ом, тогда

Рпол. = 15750 – 3  60926²  1,6  10 ^-4 = 13968 кВт.

Электрический к. п.д.:

 = ; (7)

 =

Полезное фазное напряжение:

Uп.ф. = ;В (8)

Uп.ф. = В

1.4.3 Расчет основных параметров ванны печи

Расстояние от электродов до стенки печи:

а = (0,95 - 1,2)  dэл., принимаем а = 1,1 dэл ; (9)

а = 1,1 3000 = 3300 мм.

Диаметр ванны печи:

d_B = dp +3,08  dэл; (10)

d_B= 3000 + 3,08  1200 = 6696 мм.

Стены рудовосстановительной печи футеруются:

-угольными блоками 550 мм;

-шамотным кирпичом 250 мм;

-шамотной крупкой 80 мм;

-асбестом листовым 10 мм.

всего: 890 мм.

Внутренний диаметр кожуха печи:

Dк = d_в + 2  Lф; (11)

Dк = 6696 + 2  890 = 8476 мм.

Толщина кожуха печи:

(12)

Принимаем толщину кожуха печи 30мм.

Глубина ванны печи:

h_B= (2,5 – 2,7)  dэл;мм (13)

h_B = 2,5  1200 = 3000 мм.

Подину печи футеруют:

-асбестом листовым = 10мм;

-шамотной крупкой = 100мм;

-шамотным кирпичом = 845мм;

-угольными блоками = 1100мм.

Всего: 2055мм.

Высота кожуха ванны печи:

Нк = hв + п;мм (14)

Нк = 3000 + 2055= 5055 мм.

1.5 Основное оборудование и элементы конструкции рудновосстановительной печи типа ркз-21

Основные элементы конструкции ферросплавной печи: трансформаторы, короткая сеть, кожух и свод печи, электрододержатели, несущий цилиндр, механизм перемещения электродов, механизм перепуска электродов, водоохлаждение печи, газоочистка и футеровка печи.[7]

Печи РКЗ-21 оборудуются тремя трансформаторами типа ЭОЦН-8200/10. Переключение ступеней напряжения производится под нагрузкой при токе не выше номинального. Каждой ступени трансформатора соответствует определенная величина напряжения на стороне низкого напряжения, а также сила тока и мощность.

Трансформатор снабжается:

-расширителем для масла с маслоуказателем;

-выхлопной трубой с мембраной, действующей при повышении давления свыше 0,5 атмосфер;

-термометрическим газоанализатором;

-газовым реле;

-маслоохладителем;

-насосом с электродвигателем;

-электрическим контактным манометром и фильтром сетчатым; адсорбером;

-катками ребордами для передвижения по колее 1524 мм.

Короткая сеть – участок электрической печи от печного трансформатора до электродов и является токопроводом вторичного напряжения. Короткая сеть обычно состоит из трех участков.

Первый участок – пакеты плоских медных шин размером 450х12 мм.

Второй участок – гибкие ленты толщиной 1,0-1,2 мм. Неподвижный конец ленты закреплен в неподвижных башмаках шинного пакета, а подвижный – в подвижных башмаках, от которых ток поступает к контактным щекам.

Третий участок – токопровод от подвижного башмака к щекам электрододержателя, выполняемый из водоохлаждаемых труб диаметром 50х30 мм.

Короткая сеть выполняется в виде шихтованных пакетов, т.е. прямые и обратные шины в пакете каждой фазы чередуются. При этом возникающие магнитные поля взаимно компенсируются и уменьшается реактивное сопротивление. При подходе к печи пакеты расшихтовываются: прямые шины пакета через гибкие ленты соединяются с токопроводом одного электродержателя, а обратные шины этого пакета – с токопроводом другого электрододержателя. [8]

Кожух печи должен быть прочным, чтобы выдержать массу футеровки, шихтовых материалов, жидкого сплава, а также давление футеровки, обусловленное ее тепловым расширением при разогреве печи и постепенным «ростом» ее в процессе эксплуатации.

Кожух печи имеет цилиндрическую форму и выполнен из листовой стали толщиной 30 мм полностью сварной конструкции. Для увеличения сопротивления усилиям, возникающим в результате теплового расширения футеровки, к кожуху снаружи приваривают ребра и пояса жесткости. Кожух печи устанавливается на параллельные двутавровые балки, что способствует охлаждению пода.

Свод закрытой печи должен сохранять прочность при высоких температурах, обеспечивать герметизацию подсводового пространства.

Печь РКЗ-21 укрывается водоохлаждаемым металлическим сводом с огнеупорным покрытием. Свод разъемный, с девятью подвесными водоохлаждаемыми сварными плитами и центральной медной плитой (крестовиной), состоящей из трех секций. Плиты подвешены на девяти консолях, а центральная плита опирается на торцы плит. Плиты изолированы друг от друга, крестовины и кожуха печи. Секции представляют собой полые плоские плиты из листовой стали толщиной 10 мм. Снизу плиты футерованы огнеупорным бетоном, нанесенным на приваренную к секции металлическую арматуру. Сверху свод покрыт слоем цемента толщиной 30-50 мм.

В своде имеются три отверстия, в которых установлены металлические воронки и обечайки для электродов и подачи шихты. Кроме того, в своде имеются два отверстия для отвода газов в установку газоочистки и девять отверстий для взрывных клапанов.[8]

Электроды. Выплавка ферросиликомарганца ведется на набивных самоспекающихся электродах диаметром 1200 мм.

Самоспекающийся электрод представляет собой заполненный электродной массой металлический кожух с внутренними ребрами, выполненный из листовой стали толщиной 3 мм.

Кожух, изготавливаемый из отдельных секций, служит формой для электродной массы, предохраняет электрод от окисления воздухом, обеспечивает прохождение электрического тока от электродержателя к скоксованой части электрода, а также усиливает передачу тепла к верхней (нескоксованной) части электрода.

Внутренние ребра кожуха предназначены для увеличения поверхности соприкосновения с электродной массой, для лучшего удержания ее, улучшения электропроводности и механической прочности электрода. Для улучшения сцепления с массой, ребра надрезаются в виде «язычков», отгибаемых поочередно в разные стороны.[6]

Электрододержатель состоит из водоохлаждаемого кольца, токоведущих контактных щек и нажимных устройств контактных щек.

Кольцо состоит из двух полуколец, соединенных стальными шарнирными болтами через бронзовые втулки (для разрыва магнитного контура, образуемого проходящим по электроду током). Полукольца представляют собой массивные полые водоохлаждаемые отливки, в полости которых размещаются пружинные зажимающие устройства. Число зажимающих устройств соответствует числу контактных щек.

Кольцо с помощью четырех подвесок крепится к специальному литому стальному кольцу, связанному с несущим цилиндром.

Контактные щеки изготавливают из меди и имеют внутри змеевик для охлаждения. Для каждой контактной щеки в кольце вмонтировано саморегулирующее нажимное устройство, которое состоит из стального стакана, изготовленного вместе с кольцом. Внутри стакана помещается нажимной щиток, пружины, гайка и резьбовая втулка. Регулирование нажимного усилия пружины осуществляется вращением резьбовой втулки.[9]

Несущий цилиндр служит для подвешивания электрода и электрододержателя через подвесное устройство и для перемещения электрода в процессе работы. Цилиндр изготавливают из листового железа толщиной 10-16 мм. Длина его определяется расстоянием от колошниковой площадки до площадки наращивания электродов.

Внутренний диаметр цилиндра на 100-200 мм больше диаметра электрода. Для подвески щек и кольца к цилиндру прикреплено кольцо. Водяное и воздушное охлаждение электрода предотвращают перегрев и возгорание электродной массы выше уровня щек. Благодаря потоку воздуха, направленному сверху вниз, газы из печи не проникают на электродную площадку

Зазор между цилиндром и верхним концом цилиндра уплотнен, обеспечивает центровку электрода и изолирует электрод от несущего цилиндра. Зазор в месте прохода цилиндра через междуэтажное перекрытие также имеет уплотняющий асбестовый сальник.

К несущему цилиндру крепится траверса, к которой подвешен подвижный контактный башмак.

Механизм перемещения электродов служит для перемещения электродов по вертикали. Основные узлы гидроподъемника: три плунжера, траверса и уплотнение.

Уплотнение выполняет двойную роль: уплотняет кольцевое пространство между перекрытием цеха и мантелем и служит опорой (несущей конструкцией) для трех плунжеров.

Для устранения перекосов электродов в верхней части уплотнения закреплены направляющие ролики. Для этой же цели под зонтом печи на специальных кронштейнах установлен другой комплект направляющих роликов. Основным конструкционным элементом гидравлического подъемника являются плунжеры, которые осуществляют перемещение электродов. Плунжеры свободно опираются на специальные стаканы, закрепленные в раме уплотнителя. Три плунжера связаны между собой специальной траверсой, которая служит также для крепления подвесного кожуха и устройства для перепуска электродов. [6]

Характеристика гидроподъемника

-максимальная грузоподъемность 45-50 т;

-максимальный ход 1500 мм;

-рабочее давление 65-70 кг/см²;

-максимальное давление 100 кг/см²;

-скорость подъема 800-1200 мм.

Перемещение осуществляется путем подачи масла в плунжеры гидроподъемника, которые запитаны от трех маслонапорных установок, работающих параллельно. Для ограничения хода электродов вверх и вниз установлены конечные выключатели, которые выключают двигатель маслонапорной установки при достижении электродом конечных положений.

По мере сгорания электрода возникает необходимость его перепуска. Механизм перепуска электродов состоит из 6-9 неподвижных колец и опорного кольца, жестко соединенных между собой шпильками, опорное кольцо с электроизолированными болтами крепится к траверсе мантеля, внутри неподвижных колец расположены нажимные кольца, состоящие из трех секций, соединенных между собой пружинными устройствами, усилие прижатия нажимных колец к кожуху электрода регулируется степенью затяжки пружин между неподвижными кольцами и подвижными нажимными.

Перепуск электродов происходит без отключения печи с помощью пружинно-гидравлического устройства. Крепят его на раме верхнего конца несущего цилиндра. Цилиндр имеет верхнее и нижнее кольца одинаковой конструкции. Зажатие электрода в кольце осуществляется пружинами, отжатие кольца – гидравлическим цилиндром. В нормальном положении, т.е. когда электрод не перепускается, он зажат одновременно верхним и нижним кольцами. Для прямого перепуска разжимается нижнее кольцо и электрод вместе с верхним кольцом опускается вниз. После этого электрод вновь зажимается нижним кольцом; верхнее кольцо разжимается. Далее, освобожденное верхнее кольцо возвращается в исходное положение. Главное преимущество такого перепуска заключается в возможности дистанционного управления перепуска электродов. [6]

Открытие летки производится с помощью прожига электрической дугой, подвод тока к механизму прожига летки осуществляется от шин короткой сети третьей фазы. Съем тока производится с графитового электрода диаметром 150 мм, расположенного на уровне летки. Графитовый электрод прикрепляется хомутами к контактной пластине, ток к которой подводится с помощью медной шины.

Прожиг летки относится к аппаратам бирочной системы, поэтому включение прожига летки производится только по команде старшего плавильщика. Для включения и отключения прожига установлен разъединитель, управляемый с помощью электропривода с пульта управления, расположенного на горновой площадке. [8]

Водоохлаждение печи. Температура в зоне электрододержателя ферросплавной печи составляет 400-600°С, а в отдельных случаях (например, при возникновении «свищей») достигает 1000°С и более. Поэтому детали, расположенные над колошником, охлаждают водой.

Система водоохлаждения печи состоит из следующих цепей:

-токопроводящие трубы, контактные щеки, подвижные и неподвижные башмаки;

-кольца электрододержателя;

-кольцо мантеля с траверсой;

-сводовые плиты (отдельно сами плиты, контуры плит и крестовина);

-стаканы газоходов;

-центральные труботечки;

-кожух ванны печи.

Вода, поступающая в цепи охлаждения из распределительной колонки под давлением 3 атм, затем возвращается в водосборник; подача воды регулируется вентилями. Температура отходящей воды не должна превышать 50°С.

Общий расход воды составляет 5-8 м³/ч на 1 МВА установленной мощности трансформатора. [6]

Газоочистка закрытой ферросплавной печи предназначена для улавливания и очистки колошникового газа. Колошниковый газ образуется в результате реакций, протекающих в зоне работы электрической дуги в ванне печи. Газоочистка состоит из следующих элементов: газозаборного стакана, наклонного газохода, газового ящика, трубы Вентури, каплеуловителя, газопроводов всасывающего тракта, вакуумных насосов, газопроводов напорного тракта, свечи для сжигания чистого газа.

Газ поступает в газозаборный стакан при температуре 720-750°С и запыленностью 35-50 г/нм³.

По мере прохождения газа через элементы газоочистки и соприкосновения с распыляемой форсунками водой он охлаждается до 60-70°С и очищается до 20-40 мг/нм³. Степень очистки газа зависит от количества подаваемой воды на аппараты газоочистки и величины перепада разрежения на трубе Вентури. Перепад разрежения регулируется с помощью конусов, которые увеличивают или уменьшают сечение горловины трубы Вентури. Роль аппарата тонкой очистки газа труба Вентури выполняет при перепадах разрежения не менее 2000 мм в.ст.

Вакуумный насос не только создает необходимое разрежение по тракту, но и способствует очистке газа за счет жидкостных поршней, образуемых водой и лопатками ротора. Вакуумный насос подает газ по напорному коллектору на свечу сжигания газа или в общий коллектор для использования в горелках. [10]

1.6 Расчет производственных мощностей и количества печей

Расчет проектных мощностей является важнейшей частью технико-экономического обоснования прогноза производства. Проектные мощности рассчитываются на непрерывный режим работы.