2. Рабочее пространство печи

Печь с рабочим пространством из огнеупоров

Форма рабочего пространства. В поперечном сечении дуговая печь круглая. В продольном сечении (рис. 118) профиль рабочего пространства (внутренние очертания по футеровке) образован сфероконической ванной, стенками над ней и верхней, ограниченной сводом, сферической частью. При этом форма ванны и верхней сферической части у всех печей одинаковы, а стенки, форма которых тесно связана с конфигурацией кожуха, могут быть цилиндрическими (а), наклонными (б) и цилиндро-коническими (в). При выборе формы стенок учитывают, что печи с цилиндрическими стенками имеют ряд преимуществ: меньшие габариты, масса и наружная теплоотдающая поверхность печи и меньшая длина короткой сети. Основное преимущество печей с цилиндро-коническими и наклонными стенками – повышение стойкости футеровки стенок вследствие их отдаления от высокотемпературных электрических дуг. При этом цилиндро-конические стенки более предпочтительны, так как у печей с наклонными стенками чрезмерно возрастает диаметр свода. По этой причине большая часть сооружавшихся в последние годы на отечественных заводах электропечей имеют рабочее пространство с цилиндро-коническими стенками.

Ванна образована (рис. 118) нижней сферической частью и откосами 2, которые наклонены под углом 45° к горизонтали. Такой наклон необходим, чтобы магнезитовый порошок при заправке не ссыпался с откосов вниз (угол естествен-

408

Рис. 118. Форма кожуха и рабочего пространства электропечей: а – кожух с цилиндрическими стенками; б – с наклонными; в – с адишидро-коническими; 1 – кожух; 2 – откосы; 3 – разъем кожуха; 4 – футеровка; 5 – кольцевой желоб; 6 – сводовое кольцо; 7 – отверстие для электрода; 8 – рабочее окно

ного откоса магнезита близок к 40°). Сферическая форма днища кожуха обеспечивает минимальные теплопотери и расход огнеупоров на кладку пода.

Рабочее окно всегда располагают на такой высоте, чтобы его порог находился на 70–150 мм ниже уровня верха откосов, т.е. ниже уровня, от которого начинаются стенки печи. Это необходимо, чтобы шлак не мог достичь стенок и не растворял бы футеровку стенок, поскольку ее, в отличие от футеровки откосов, невозможно восстановить путем заправки– магнезитовый порошок будет ссыпаться вниз с почти вертикальной стенки.

Основные размеры, определяющие габариты рабочего пространства, – это глубина и диаметр ванны на уровне порога рабочего окна (Н_в и D_B) и высота рабочего пространства от уровня порога до верха стенок – Я_р (рис. 118). Размеры сфероконической ванны определяют расчетом, задаваясь величиной отношения D_B/H_B, и приняв Я_сф = 0,2Я_в, исходя из того, что она должна вмещать металл и шлак (~ 15 % от объема металла). Причем порог рабочего окна должен быть на 20–40 мм выше уровня шлака, чтобы последний не вытекал через окно при вспенивании; кроме того, как уже отмечалось, верх откосов должен быть на 70–150 мм выше уровня порога.

Величину отношения DjH_B выбирают с учетом следующих соображений. Увеличение DjH_B ведет к росту поверхности контакта металл–шлак и уменьшению глубины ванны, что по-

409

вышает полноту процессов рафинирования металла и облегчает прогрев ванны по высоте. Однако при этом возрастают диаметр кожуха и увеличиваются габариты всех конструкций печи и ее масса; возрастает наружная теплоотдающая поверхность кожуха и, следовательно, теплопотери; увеличивается расход огнеупоров на кладку стен и свода; ухудшается прогрев ванны у откосов, особенно в зонах между электродами; возрастает длина короткой сети, что ведет к росту электрических потерь. Учитывая изложенное, величину D_B/H_B для новых печей принимают в пределах 4,5–5,5, причем нижний предел рекомендуется для печей, выплавляющих стали рядового назначения. Для печей с кислой футеровкой, кото-' рые обычно работают по упрощенной технологии без восстановительного периода, величина D_B/H_B рекомендуется в пределах 3,5–4,5.

Высоту рабочего пространства (расстояние от уровня порога рабочего окна до верха стен, Я_р) выбирают с учетом следующего. Увеличение Я_р способствует повышению стойкости свода вследствие его отдаления от высокотемпературных электрических дуг и улучшает возможности загрузки шихты одной порцией. Вместе с тем, при этом возрастает теплоотдающая поверхность стенок и, следовательно, расход электроэнергии, а также длина рабочей части электродов, что увеличивает реактивное сопротивление цепи. Обычно величина Я_р изменяется в пределах 0,4–0,55£>_в, возрастая в этих пределах при снижении емкости печи.

У печей с наклонными стенками угол их наклона к вертикали составляет 10–20°. У печей с цилиндро-коническими стенками высота наклонной части стен Я_н составляет 0,25–0,40Я_р, угол наклона стенок кожуха в этой части 10–25°, а угол наклона футеровки 15–30°.

Диаметр свода D_CB (см. рис. 118) делают больше диаметра рабочего пространства D_Pn, чтобы сводовое кольцо находилось над песочным затвором, расположенным с наружной стороны кожуха печи. Величина D_CB изменяется в пределах от l,3D_pn на малых печах до 1,1£>_рп на большегрузных. Стрелу выпуклости свода Я_св выбирают такой, чтобы обеспечивалась достаточная строительная прочность свода в нагретом состоянии. Величина Я_св не должна быть менее l/l0D_CB, так как при меньшем ее значении сильно возрастают распорные усилия, т.е. усилия, сжимающие кирпичи сво-

410

да. Для хромомагнезитового свода величину Я_св в холодном состоянии принимают в пределах (l/7-l/8)£>_CB, а для дина-сового свода- меньшей: от 1/9 до l/lOD_CB, поскольку динас расширяется при нагреве сильнее, чем хромомагнезит.

Диаметр распада электродов (диаметр окружности, проходящей через оси электродов) выбирают, учитывая, что при его увеличении усиливается износ футеровки стенок вблизи электродов, ухудшается прогрев металла у подины печи и усиливается неравномерность прогрева ванны по периферии. В связи с этим желательно, чтобы диаметр распада не превышал 0,3D_B. У существующих печей этот диаметр изменяется от (0,3-s-0,25)D_B на большегрузных до (0,45*0,5)£>_в на малых печах, где сблизить электроды до требуемой величины не позволяют габариты электрододержателей.

В табл.10 приведены основные размеры сооружавшихся в последние годы серийных печей с цилиндро-коническими

стенками.

Кожух рабочего пространства выполняют сварным из стального листа толщиной 10-40 мм. На больших печах его усиливают наружными вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости. Примерно на уровне порога рабочего окна кожух часто имеет горизонтальный разъем (см. рис. 118), что позволяет снимать верхнюю часть кожуха во время ремонта футеровки стен и ускорять ремонт. Днище кожуха сферическое, а на малых печах его иногда делают в виде усе-

Т а б л к ц а 10. Основные размеры серийных печей с цнлкндроконжческямн стенами

			Вместимость печи,		т
Параметр
	6	12	25	50	100	200
Диаметр ванны на	2,1	2,4	3,42	4,18	5,3	6,85
уровне порога DB, м
Глубина ванны Нв, мм	400	555	775	890	1100	1480
Высота от порога до	1,13	1,36	1,56	1,95	2,07	3,22
верха стен Нр, м
Диаметр распада элект-	1,0	1Д	1,25	1,5	1,75	2,2
родов, м
Диаметр электродов, мм	300	350	400	500	555	610
Внутренний диаметр ко-	3,52	4,26	4,95	6,05	7,2	9,2
жуха вверху, м

411

ченного конуса. Форма стен кожуха представлена на рис. 118; наиболее часто, как отмечалось выше, в последние годы строили печи с цилиндро-коническими стенками. К верхней части кожуха приварен кольцевой желоб (5, см. рис. 118), заполняемый .песком для создания герметичного соединения со сводом (песочный затвор). На печах с электромагнитным перемешиванием металла центральная часть днища кожуха выполнена из немагнитной стали.

Рабочее окно выполнено в виде выреза в кожухе печи, в котором крепится П-образная водоохлаждаемая металлическая рама. Рама служит опорой для кирпичной кладки, обеспечивая постоянство контура оконного проема. Окно закрывается футерованной заслонкой, которая перемещается вверх и вниз.

Футеровка дуговой печи подвергается воздействию теплового излучения электрических дуг, ударам кусков шихты при загрузке, разъедающему воздействию шлака и металла и термических напряжений, возникающих при резких колебаниях температур – охлаждении во время завалки холодной шихты. Футеровка свода испытывает дополнительные нагрузки, вызываемые распорными усилиями арочного свода.

Поэтому применяемые огнеупоры должны обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, прочностью и шлакоустой-чивостью.

Подина основной печи (рис. 119) состоит из изоляционного и рабочего слоев. Изоляционный слой включает укладываемый на металлическое днище кожуха слой листового асбеста, выравнивающий слой шамотного порошка и слой кладки из шамотного кирпича. Толщина изоляционного слоя 70–180 мм. Рабочий слой включает кладку из нескольких рядов магнезитового кирпича толщиной от 280 мм на малых печах до 575 мм на больших и верхний набивной слой из магнезитового порошка толщиной 100–190 мм, который на первых после выкладки пода плавках спекается в монолитную массу.

Спекшийся слой набивки играет большую роль: во-первых он предотвращает возможный уход жидкого металла через швы между кирпичами кладки пода и, во-вторых, его толщину поддерживают постоянной путем "заправки" – забрасывая после каждой плавки на изношенные участки магнезитовый порошок; благодаря этому стойкость пода составляет 1500– 6000 плавок и она не лимитирует работу печи.

412

Рис. 119. Разрез рабочего пространства 100-т дуговой печи:

2 – кожух; 2 – листовой асбест; 3 – слой шамотного порошка; 4 – шамотный кирпич; 5 – магнезитовый кирпич; 6 – магнезитовый порошок; 7 – кольцевой рельс; 8 – заслонка; 9 – рама рабочего окна; 10 – уплотняющее кольцо; 11 – кольцевой желоб; 12 – магнезитохромитовый кирпич; 13 – молотый асбест

В последнее время набивной слой иногда делают толщиной 400–500 мм за счет уменьшения толщины кладки из магнезитового кирпича и изоляционного слоя; при этом достигнуто повышение срока службы пода, уменьшение расхода магнезитовых огнеупоров и простоев печи на ремонтах пода. Общая толщина пода на печах малой и средней емкости примерно равна глубине ванны Я_в, а на большегрузных снижается до 0,7#_в; на печах с электромагнитным перемешиванием толщина пода не должна превышать 900 мм.

Футеровку стен на отечественных заводах выполняют без слоя теплоизоляционной кладки целиком из основных кирпичей (магнезитохромитового, хромомагнезитового, магнезитового), которые укладывают на футеровку откосов. Кирпичи в стенке кладут в один ряд либо в два (примыкающий к кожуху арматурный слой и внутренний рабочий, как на рис. 119). Верхнюю часть стенок иногда делают меньшей толщины (рис. 118, а), так как здесь меньше тепловое излучение от электрических дуг. Толщина стенок в нижней части составляет 300-570 мм, возрастая с ростом вместимости печи.

413

Стойкость стен 100-т печей составляет 150–200 плавок, на малых печах она достигает 350 плавок.

Местами наибольшего износа стен являются "горячие пятна" – участки, приближенные к электродам (электрическим дугам). Иногда эти участки выполняют из огнеупоров повышенной стойкости, например из магнезитоуглеродистого кирпича; их ремонтируют путем торкретирования; размещают здесь водоохлаждаемые панели.

Свод печи имеет форму купола (в поперечном разрезе – форму арки, рис. 119). Такую форму получают за счет использования при выкладке свода клиновых и прямых кирпичей. Опорой крайних кирпичей свода и, таким образом, всей его кладки служит стальное сводовое кольцо (рис. 120), охватывающее свод до периферии; на средних и крупных печах сводовое кольцо делают водоохлаждаемым. Свод основных печей выкладывают из магнезитохромитового кирпича, в кладке, оставляют три отверстия для пропускания электродов и отверстие для отвода печных газов. Толщина сводов составляет 230–460 мм, возрастая с ростом вместимости печи.

В процессе службы внутренняя нагретая поверхность свода постепенно разрушается путем оплавления, а также скалывания тонких слоев под воздействием распорных усилий, возникающих в арочной конструкции. Когда толщина свода уменьшится настолько, что возможно его обрушение, свод заменяют. Мостовым краном его захватывают за сводовое кольцо и снимают, ставя на его место другой, заранее набранный свод; замена длится 20–40 мин. Набирают свод на выпуклом шаблоне в стороне от печи. Стойкость свода малых печей (5–12-т) составляет 125–225 плавок, она снижается с ростом вместимости печи, составляя 50–85 плавок на 60-200-т печах.

При заменах свода герметичность его соединения с рабочим пространством обеспечивается песочным затвором. Приваренный к низу сводового кольца "нож" (рис. 120, 7) в момент опускания свода на печь входит в песок, которым заполнен кольцевой желоб (рис. 119, 11 или же рис. 118, 5).

Футеровку кислых печей (свод, стенки, кладка рабочего слоя пода) делают из динасового кирпича. Набивной слой пода изготовляют из кварцевого песка и огнеупорной глины, взятых в соотношении 9:1. Стойкость футеровки кислых

414

рис. 120. Поперечное сечение сводовых колец:

а – неохлаждаемое кольцо; б – водоохлаждаемое; 1 – кольцевой нож; 2 – сводовое кольцо; 3 – вода; 4 – сводовый кирпич; 5 – пятовый кирпич

печей выше, чем основных. Это объясняется тем, что длительность плавки в кислой печи меньше, чем в основной; кроме того, емкость кислых печей невелика (3–10 т).

Стале выпускное отверстие расположено против рабочего окна выше уровня металла и шлака; его нижняя кромка находится на уровне порога рабочего окна. Отверстие может быть круглым диаметром 120–150 мм или квадратного сечения со стороной 150–250 мм. Примыкающий к отверстию желоб футеруют шамотным кирпичом.

Уплотнители электродных отверстий. Отверстия в своде для электродов делают в диаметре на 30–50 мм больше диаметра электрода. Зазор между ними необходим для предотвращения поломок электродов при деформации свода в процессе его разогрева при эксплуатации.

Зазоры вокруг электродов уплотняют, чтобы избежать выбивания горячих газов, поскольку это ведет к увеличению теплопотерь и, следовательно, расхода электроэнергии; вызывает перегрев электрододержателей и, особенно, электро-

Рис. 121. Газодинамическое уплотняющее кольцо (а) и экономайзер (б):

1 – свод; 2 – огнеупорный бетон; 3 – электрод; 4 – металлическое кольцо; 5 – шлаковая вата; 6 – воротник, 7 – эконог тайзер

415

дов, которые вследствие этого усиленно окисляются. Применяют много различных конструкций уплотнителей.

На больших печах хорошо показали себя газодинамические уплотняющие кольца. Одна из конструкций такого уплотнителя показана на рис. 121, а. На кольцо из огнеупорного бетона опирается полое металлическое кольцо, в которое тангенциально подводят сжатый воздух. Воздушный поток вокруг электрода препятствует выбиванию газов из печи. На малых и средних печах широко применяют экономайзеры – полые водоохлаждаемые кольца, располагаемые вокруг электрода на своде или заглубленные в свод. На рис. 121, б показана одна из конструкций заглубленного в свод экономайзера*, который для улучшения уплотнения снабжен сверху воротником (воронкой), заполняемым шлаковой ватой.