§5. Электродуговые печи постоянного тока

Промышленное внедрение дуговых сталеплавильных печей постоянного тока началось в 1981-1985 гг., после того как были созданы мощные, недорогие и простые в эксплуатации выпрямители (преобразователи переменного тока в постоянный). В качестве последних в основном используют тири-сторные выпрямители (преобразователи).

474

В печах постоянного тока электрическая дуга горит между вводимым в рабочее пространство сверху графитированным электродом (одним, иногда тремя) и жидким металлом или твердой шихтой, к которым напряжение подводят с помощью располагаемых в подине специальных токопроводящих устройств (подовых электродов). К верхнему графитирован-ному электроду от источника питания подводят отрицательный, а к металлической ванне – положительный электрический потенциал, т.е. графитированный электрод постоянно является катодом, а металлическая ванна – анодом электрической цепи. Благодаря этому электрическая дуга постоянного тока горит более стабильно, так как нет ее затухания и зажигания, происходящих 50 раз в секунду в случае питания печи переменным током частотой 50 Гц.

К 1993 г. в мире эксплуатировалось около 80 печей постоянного тока вместимостью до 100–150 т и мощностью до 80–100 MB • А. Внедрение печей постоянного тока связано с тем, что они обладают рядом достоинств в сравнении с печами переменного тока; к числу этих достоинств, наряду с более устойчивым горением дуги, относятся:

уменьшение удельного расхода электродов на 50–60 % (на большинстве зарубежных печей он составляет 1,1–1,3 кг/т);

небольшое увеличение производительности печи (~ на 5 %) и снижение расхода электроэнергии (на 5 %) и угара металла при плавлении;

облегчение ведения плавки в связи с тем, что протекание тока по объему ванны вызывает электромагнитное перемешивание металла;

снижение уровня создаваемого дугами шума (на 10–15 дБ) благодаря отсутствию перерывов в горении дуги;

при наличии одного верхнего электрода, располагаемого по оси печи, обеспечивается равномерный износ футеровки стенки по ее периметру и снижение расхода огнеупоров (~на 10%);

почти нет вибрации электродов, вызываемой перерывами горения дуг на печах, питаемых переменным током; такая вибрация передается механическому оборудованию и вызывает поломки электродов;

уменьшение примерно вдвое обратного отрицательного воздействия печи на питающую сеть (работа мощных печей переменного тока вызывает мерцание тока и напряжения в

475

питающих печь электросетях, что ведет к нарушению нормальной работы других потребителей энергии);

некоторое упрощение конструкции печи в связи с наличием одного электрода.

Вместе с тем, усложняется конструкция и эксплуатация пода печи в связи с наличием подовых электродов и необходимостью их замены; более сложным и дорогостоящим является также источник электрического питания печи.

Устройство печи. По устройству рабочего пространства и основных механизмов (отворота свода, наклона печи, зажима и перемещения электродов и др.) печи постоянного тока аналогичны печам, питаемым переменным током. Отдельные печи постоянного тока имеют рабочее пространство из огнеупоров, а большинство – водоохлаждаемые своды и стены и эркерное устройство для выпуска металла; эти печи обычно оборудованы топливокислородными горелками и устройствами для вдувания кислорода трубками в ванну через рабочее окно, а также вдувания угольной пыли с целью вспенивания шлака. Большая часть печей постоянного тока – это вновь сооружаемые печи, но в ряде случаев это реконструированные печи, ранее работавшие на переменном токе.

Источник питания печи постоянного тока включает силовой понижающий трансформатор и за ним ряд параллельно включенных тиристорных преобразователей (выпрямителей), за каждым из которых установлен реактор постоянного тока; далее имеется вторичный токоподвод к графитовому и подовому электродам. Реактор, обладая высокой индуктивностью, предназначен для защиты тиристоров от толчков тока, могущих возникнуть при коротком замыкании в цепи (контакте верхнего электрода с плавящимся ломом и др.).

Большинство печей имеет один вводимый через свод гра-фитированный электрод, отдельные печи оборудованы тремя такими электродами.

Возможность работы с одним электродом объясняется тем, что благодаря отсутствию характерного для переменного тока поверхностного эффекта допускается заметно большая плотность проходящего через электрод тока. Диаметр электрода на 100–130-т печах достигает 710 мм, сила тока 80– 100 кА. Применение трех электродов, питаемых от индивидуальных (независимых) источников питания, позволяет существенно повысить мощность печи.

476

Основное конструктивное отличие печей постоянного тока – наличие в футеровке пода токоподводящих устройств (подовых электродов). Применяют электроды типа токопрово-дяшая подина, стержневого, многоштыревого и многопластинчатого типа. Электрод стержневого типа представляет собой (рис. 138, а) проходящий через всю толщу футеровки пода стальной стержень 1 цилиндроконической формы. Стержень крепят к кожуху днища печи через электрическую изоляцию 2. Нижнюю, выступающую из пода часть стержня, охлаждают водой (к ней подсоединен токоподвод 3). Ниа стержня может быть выполнен из меди с каналами 4 для охлаждающей воды. Благодаря сужению кверху электрод можно извлекать со стороны кожуха пода без разрушения футеровки.

В подине устанавливают от одного до трех электродов. Подовый электрод располагают не под верхним электродом, а на расстоянии 500-600,мм от оси печи, с тем, чтобы удлинить путь тока в ванне и усилить тем самым электромагнитное перемешивание металла. Стойкость стержневых подовых электродов составляет 1300–1500 плавок.

Подовый электрод многоштыревого типа состоит (рмс. 138, б) из группы контактных стержней-штырей 5 из стали, замурованных в огнеупорную набивку б, выполняемую на всю толщину пода. Число штырей в электроде может быть от 30 до 200. Нижние, выступающие из набивки, концы штырей охлаждают воздухом, подаваемым вентилятором в коробку 7. Стойкость такого электрода составляет 600–1000 плавок. После износа заменяют набивную часть пода вместе со штырями.

Подовый электрод пластинчатого типа (токопроводящая подина) выполнен следующим образом (рис. 138, в). На дни-

Рис. 138. Токопроводящая подина с подовыми электродами стержневого (а), многоштыревого (б) и пластинчатого (в) типов

477

ще печи уложена медная пластина 10 толщиной 15-20 мм, диаметр которой равен ~ 80 % диаметра кожуха печи. Пластина изолирована от кожуха, и в зазор между ними подается охлаждающий воздух. Выше пластины расположен слой 9 электропроводных магнезитоуглеродистых кирпичей. Над ними имеется кладка 5 из магнезитовых кирпичей, между которыми размещены стальные пластины L-образной формы. Кирпичи кладут так, что пластины соседних рядов контактируют между собой, обеспечивая электрическую проводимость между верхним и нижним рядами кирпичей. Таким образом, токопроводящей является вся подина.

В другой разновидности токопроводящей подины на медной плите делают кладку из термообработанных магнезитоуглеродистых кирпичей и сверху набивку из магнезитоуглеродистой массы. Предварительная термообработка заключается в нагреве до 1000 °С в нейтральной атмосфере кирпичей, содержащих 10-12 % С, что повышает их электропроводность. Набивной слой обжигают в печи. Стойкость электропроводных подин составляет 1500-2000 плавок. Подовый электрод многопластинчатого типа состоит из вмонтированных в футеровку вертикальных стальных пластин, нижнюю часть которых охлаждают воздухом. Располагают пластины по разному, например, в виде концентрично размещенных колец.

Технология плавки не имеет существенных отличий от технологии, применяемой на электропечах, питаемых переменным током.

Большая часть печей постоянного тока работает на зарубежных заводах. Они представляют собой высокомощные водо-охлаждаемые печи с эркерным выпускным устройством и, соответственно, работают по технологии, предусматривающей загрузку шихты, расплавление и короткий окислительный период с последующим рафинированием, раскислением и доведением состава металла до заданного на установках типа "печь-ковш".

Плавка в печи предусматривает работу с пенистыми шлаками, применение в начале плавления топливокислородных горелок, вдувание в ванну кислорода и, зачастую, загрузку шихты на оставляемые в печи при выпуске предыдущей плавки металл и шлак (подробнее см. п. 5 § 3). Удельный расход электроэнергии при такой технологии на большинстве печей составляет 380-440 кВт • ч/т.

478

На одном из отечественных заводов 12-т печь постоянного тока с рабочим пространством из огнеупоров с 1981 г. используется для выплавки высококачественных легированных сталей в среде аргона.