Сталеплавильных печей

 

Основной частью каркаса дуго­вой сталеплавильной печи является ее кожух. Он может иметь цилин­дрическую форму или слегка кони­ческую, расширяющуюся кверху, или ступенчатую, верхняя половина которой имеет больший диаметр; при этом футеровка может быть выполнена также конической, что увеличивает ее стойкость. У круп­ных печей кожух делается разъем­ным на болтах по горизонтали, при­мерно на уровне порога рабочего окна; у самых крупных он выполня­ется по условиям транспортировки из двух частей, с разъемом по вер­тикали; обе эти части соединяются; на месте при монтаже. Кожух сваривают из котельной стали толщи­ной 10—40 мм. В среднем можно принимать толщину кожуха равной 1/200 его диаметра. В обечайке кожуха вырезают отверстия для рабочих окон и летки. По окружности кожуха высверливают отверстия диаметром 20—30 мм для выхода паров воды при сушке футеровки.

К кожуху снизу приваривают сферическое, плоское или коничес­кое со срезанной верхушкой днище.Днища обычно выполняются из того же материала, что и обечайка. Сферическая форма днища наи­более рациональна, так как при достаточной жесткости она лучше всего подходит к форме ванны пе­чи и требует наименьшей затраты огнеупоров при выкладке подины; однако его изготовление требует мощного пресса. При плоском днище увеличивается масса подины за счет «мертвых» углов, а для предуп­реждения его прогибания приходится усиливать его добавочными кон­струкционными элементами. Днище в форме усеченного конуса является промежуточным. Первые серии оте­чественных печей и некоторые вы­пускаемые ныне имеют днище в ви­де усеченного конуса; новые типы печей снабжают сферическими днищами.

У печей емкостью 25 т и выше центральную часть днища выполняют из немагнитной стали для установки под ней статора электро­магнитного перемешивателя метал­ла жидкой ванны. Кожух печи несет на себе всю тяжесть футеровки и металла и испы­тывает термические напряжения вследствие неравномерного нагрева, а также давление расширяющейся при нагреве кладки, поэтому он должен быть достаточно жестким. Нижней части кожуха жесткость придается днищем; в верхней части приходится усиливать кожух кольцом жесткости, привариваемым к кожуху над вырезами окон печи. Кольцо жесткости может быть выполнено из швеллеров или в виде сварной рамы (рис. 1.8). Швеллер лучше приваривать к кожуху пол­ками или замыкать его пластиной (рис. 1.8, б и в) для увеличения мо­мента сопротивления сечения про­филя кольца при изгибе, а также чтобы образовать замкнутую по­лость, которая может быть исполь­зована для водяного охлаждения верхней части кладки. Сварные кольца жесткости (рис. 1.8, г и д)выполняют для крупных печей, где жесткость швеллера оказывается недостаточной.

0

Рис. 1.8. Конструкции кольца жесткости:   а, б, в — из швеллеров; г, д — сварные; е — уси­ленная конструкция кожуха с вертикальными ребрами и горизонтальными поясами; 1 — разъем кожуха; 2 — песочный затвор

В крупных печах по­вышение жесткости кожуха осуще­ствляют также приваркой к кожуху вертикальных ребер и горизонталь­ных поясов (рис. 1.8, г).

Свод печи, как уже было сказа­но, выкладывают в сводовом кольце из швеллера или сварного корыто­образного профиля. Кольцо делают цельным или состоящим из двух – трех частей, стягиваемых болтами.

Во втором случае можно, подтяги­вая или ослабляя болты, компенси­ровать расширение свода; при це­лом кольце эту функцию выполняют закладываемые между кирпичами свода сминаемые прокладки.

К ниж­нему краю сводового кольца при­крепляют кольцевой нож, входящий в песчаный затвор — кольцеобраз­ный желоб, приваренный или при­крепленный болтами к верхней части кожуха (поз. 2 на рис. 1.8) и запол­ненный песком. Затвор и нож при­дают герметичность соединению сво­да с кожухом.

Обычно печь комплектуют дву­мя сводовыми кольцами, из которых одно устанавливают на печи, а вто­рое — на шаблоне для выкладки очередного свода. Каждая печь имеет одно или два рабочих и сливное отверстия.

	В не­больших печах рабочее отверстие имеет дверку, а сливное в течение плавки обычно открыто или забито магнезитовым порошком. В крупных печах все отверстия закрывают­ся подъемными дверками. Если ра­бочих отверстий два, то они обычно расположены под углом 90°, причем одно из них — напротив летки. В отечественных печах для загрузки материалов и заправки подины при­меняют одно окно, расположенное против летки. Отверстие рабочего окна обрамляют литой рамой в виде полой коробки, охлаждаемой водой, и прикрепленной болтами к кожу­ху печи (рис. 1.9, а). Иногда раму выполняют с внутренней арочкой, входящей в кладку печи (рис. 1.9, б). В направляющих этой рамы, имеющих небольшой наклон к вертикали, движется литая или свар­ная дверка, футерованная с внутрен­ней стороны огнеупором и тепло­изоляцией. Дверка с помощью цепи или серег подвешена к подъемному механизму. В малых печах дверку обычно перемещают вручную с по­мощью рычага с противовесом. Про­тивовес, уравновешивающий массу дверцы, снижает усилие для ее подъема и позволяет устанавливать ее в любом промежуточном поло­жении. В средних и крупных печах, дверцы перемещают механизмами с гидравлическим или электромеха­ническим приводом.
Рис. 1.9. Конструкции рам рабочего окна:   а — обычная; б — с внутренней аркой;   1 — водоохлаждаемая коробка рамы; 2 — дверка; 3 — водооохлаждаемая часть арки, входящая внутрь кладки

 

Рама рабочего окна под дверкой имеет столик, футерованный огне­упором и служащий порогом ванны, через который сливают и скачивают шлак при наклоне печи в шлаковницу. По бокам порога обычно укреп­ляют поворотные кронштейны с гре­бенками, в гнездах которых кладут ролик или лом в качестве опоры для лопаты или ложки для отбора проб металла. Иногда порог выполняют из куска электрода.

Если летка имеет дверку, то она также обрамляется охлаждаемой ра­мой. Летка без дверки представляет собой отверстие в футеровке и ко­жухе, под которым болтами при­креплен литой или сварной сливной носок длиной 0,5—1,5 м (в зависи­мости от размеров печи и местных условий). Сливной носок футеруют огнеупорными кирпичами или специ­альной массой.

Назначение механизма наклонапечи заключается в обеспечении слива из печи по окончании плавки всего ее содержимого и обеспечении наклона печи при скачивании шла­ка. Первое требует наклона печи в сторону сливного носка на угол 40—45°, второе — наклона в сторону рабочего окна на 15—20°. Скорость наклона печи составляет до 1,5 град/с у малых и до 0,4—0,8 град/с у крупных печей.

При наклонах в обе стороны на нужный угол печь должна сохранять устойчивость. Наклоны дол­жны осуществляться с определен­ной скоростью; желательно, чтобы при этом конец носка летки имел возможно меньшее горизонтальное перемещение. При сливе металла ковш висит на крюке крана непос­редственно под носком летки для того, чтобы струя металла была по возможности короче, а следователь­но, его окисление и разбрызгива­ние — меньше. Поэтому при переме­щении носка печи ковш должен сле­довать за ним. Это легко осуще­ствить, если передвигать ковш толь­ко по вертикали или только по го­ризонтали, так как от крановщика требуются очень большое внимание и навык, чтобы осуществлять оба эти движения одновременно.

Механизм наклона может быть боковым и нижним. При боковом механизме наклона (рис. 1.10) ко­жух печи опирается с помощью прикрепленных к нему двух литых сегментов 1 на литые чугунные пос­тели 5, закрепленные на фундамен­те печи.

При качении сегментов по постелям печь перемещается вперед или назад и наклоняется; ее носок описывает при этом циклоиду. Что­бы устранить взаимное скольжение сегментов и постелей, их снабжают зубцами. Наклон печи осуществляет­ся с помощью винта 6,который ввинчивается в шарнирно-закрепленную на одном из сегментов гайку 3и тянет печь на себя или, наобо­рот, толкает ее в сторону загрузоч­ного окна. Винт можно вращать вручную (у малых печей) или с по­мощью электродвигателя.

Одно из преимуществ бокового механизма наклона заключается в том, что он благодаря своему рас­положению защищен от порчи при прорыве подины. Кроме того, при качении печи носок ее перемещается вперед, что удобнее, чем если бы он перемещался назад.

 

Рис. 1.10. Боковой механизм наклона дуговой печи:   1 — опорный сегмент; 2 и 4 — крепления гайки 3; 5 — литая постель; 6 — винт; 7 — шарнирное крепление вала винта; 8 — ручной привод; 9 — редуктор; 10 — электродвигатель

Недостатко­м такого расположения механизма наклона являются чувствительность к перекосам, что требует весьма тщательного монтажа, и тя­желые условия работы каркаса пе­чи, так как наличие боковых опор вызывает большие напряжения на изгиб в кольце жесткости. Кроме то­го, одностороннее расположение привода, а значит, и приложенное к одной стороне печи усилие винта создают момент, стремящийся по­вернуть печь вокруг вертикальной оси. Так как эти недостатки боково­го механизма наклона проявляются все резче по мере увеличения раз­меров печи, то его применяют глав­ным образом на малых (емкостью до 5 т) печах, где он безусловно является самым простым, удобным и компактным.

Из большого количества конст­рукций нижних механизмов наклона в настоящее время распространены два типа — роликовый механизм (см. рис. 1.17) и механизм, осущест­вляющий качение печи по плоской или выпуклой поверхности (рис. 1.18). Первый механизм может применяться с реечно-зубчатой пе­редачей, при которой на днище печи закрепляется дугообразная зубча­тая рейка, сцепленная с выходной шестерней электромеханического привода. При вращении шестерни рейка перемещается и вызывает пе­рекатывание печи по роликам; но­сок печи описывает при этом окружность, отклоняясь вниз и назад, что создает неудобства при разлив­ке металла. Кроме того, такой привод дорог и сложен в монтаже. Поэ­тому при наклоне печи по роликам чаще применяют передачу с толка­ющей рейкой или винтом. Примене­ние винта к тому же обеспечивает самоторможение механизма.

Наибольшее распространение получил механизм наклона с каче­нием опорных сегментов печи по плоской или выпуклой постели. Здесь носок печи, описывая цик­лоиду или эпициклоиду, при сливе металла движется вперед и вниз. Эти механизмы хорошо зарекомен­довали себя для самых крупных печей, причем при выпуклой посте­ли горизонтальное перемещение носка получается меньшим. Во из­бежание сдвига сегментов относи­тельно постелей в постелях насвер­лены отверстия, в которые при ка­чении входят конусные штыри, закрепленные на сегментах. Привод таких механизмов может быть элек­тромеханическим (с толкающими рейками) или гидравлическим (с толкающими плунжерами). В обоих случаях механизм выполняют двой­ным (двухсторонним), чтобы между ними могла пройти шлаковница, и рассчитывают их так, чтобы при вы­ходе из строя одного из приводов можно было наклонить печь с по­мощью второго. Новая серия оте­чественных печей целиком оборудо­вана гидравлическими приводами механизмов наклона.

В последнее время в связи с применением разливочных машин с крупными печами получил примене­ние слив жидкого металла в сталевозы; в этом случае недостатки ро­ликовых механизмов отпадают. Вместе с тем на первый план выс­тупает их преимущество — меньшее перемещение подвижных башмаков гибких кабелей токоподводов, что позволяет несколько сократить их длину и индуктивность контура. Это особенно важно для крупных печей сверхвысокой мощности.

Загрузка всех современных ду­говых печей механизирована. Когда печи строились емкостью до 10 т, их загрузка велась вручную. При хо­рошей подготовке шихты и правиль­ной расстановке рабочих ручная загрузка печи емкостью 3 т может занять 0,5 ч; для загрузки печи ем­костью 10 т требуется уже около 1 ч. Практически время загрузки, как правило, было больше, иногда пре­вышая вдвое указанные цифры. Загружать же более крупные печи вручную вообще невозможно.

Хотя ручная загрузка имеет то существенное преимущество, что она позволяет уложить в ванну печи шихту в наиболее целесообразном порядке, она требует большой зат­раты сил и времени. Поэтому уже в 20-х годах начались работы по механизации загрузки дуговых пе­чей. Вначале для этого применили метод, используемый на мартеновских печах, — загрузку с помощью загрузочной или шарнир-машины.

В настоящее время этот метод и другие, которые пытались приме­нять, вытеснены значительно более совершенным способом загрузки сверху.При загрузке сверху свод убирают и в печь опускают корзину с предварительно уложенной ших­той. Корзина в печи раскрывается, и шихта с небольшой высоты пада­ет на подину. Ясно, что открытая печь, да и нижняя раскаленная по­верхность отодвинутого свода излу­чают в процессе загрузки много тепла, поэтому такой способ может быть экономичным лишь в том слу­чае, если длительность операции составляет несколько (практически 3—5) минут. Это тем более важно, что при часто применяемой легко­весной шихте приходится делать дополнительно одну, а иногда и две подвалки, так как все нужное коли­чество шихты в один прием не вхо­дит в печь. Поэтому все механизмы печи, обеспечивающие ее открытие, загрузку и закрытие, должны рабо­тать четко и слаженно, а управление ими должно быть удобно и сосредоточено в одном месте.

Схема открытия и закрытия пе­чи может иметь следующие вариан­ты:

 

1. Над печью установлен мост на колесах, к которому прикрепле­ны стойки с электродами и подвешен на цепях свод печи. На время загрузки свод и электроды припод­нимают и откатывают с мостом в сторону слива (разливочного пролета) или в сторону рабочей площад­ки. Открытую печь загружают сверху с помощью висящего на кране загрузочного устройства.

2. Мост с электродными стойками и подвешенным на цепях сводом установлен неподвижно на опорной конструкции печи. Перед загрузкой свод и электроды приподнимают, ванну печи выкатывают по рельсам из-под моста в сторону рабочего окна и загружают сверху (рис. 1.17).

3. Стойки с электродами и свод закреплены на мощном поворотном кронштейне. Перед загрузкой свод приподнимают, кронштейн повора­чивают на угол 70—100° в сторону слива и отводят тем самым свод от ванны.

Третий вариант (с поворотным сводом) можно считать оптималь­ным, хотя при этом приходится не­сколько удлинять гибкие кабели и сливной носок. В целом конструкция намного компактнее и примерно на 20 % легче, а значит, и дешевле конструкций, имеющих мосты. По­воротный кронштейн либо вращает­ся в цапфе, либо имеет вертикаль­ную трубу, нижний фланец которой снабжен катками, перекатывающи­мися по круговому рельсу. Свод, висящий на кронштейне на цепях, поднимают либо с помощью отдель­ного механизма, также установлен­ного на кронштейне, либо вместе с кронштейном. В последнем слу­чае иногда механизмы подъема и поворота свода совмещают в один поднимающий, а затем поворачива­ющий кронштейн.

В настоящее время вся серия отечественных печей, кроме одного типа, а также большинство зару­бежных печей выполняются с верх­ней загрузкой и с поворотным сво­дом.

Механизмы подъема и отворота свода, отката моста, ванны печи и платформы могут иметь и электро­механический, и гидравлический привод. Скорость отката корпуса печи или моста составляет около 10 м/мин, скорость подъема и опус­кания свода — около 1—2 м/мин, так как свод поднимается всего на 150—250 мм, с тем чтобы нож сво­дового кольца вышел из песочного затвора и его нижний край оказал­ся над наиболее высокой точкой кожуха.

Загрузка материалов сверху дол­жна обеспечить компактную уклад­ку шихты в определенном порядке, иначе ее расплавление затруднит­ся и удлинится. В этом отношении одним из лучших способов является загрузка шихты в проволочную сет­ку. Ее укладывают в специальный поддон, имеющий очертания ванны печи, загружают шихтой и перено­сят краном с помощью специально­го приспособления в печь. Приспо­собление освобождается от сетки и удаляется краном, а сетка с шихтой остается в печи и расплавляется с ней, причем шихта остается в печи в таком виде, в каком она была уложена. Однако такой метод за­грузки требует большого количест­ва сеток, поэтому он получил огра­ниченное распространение на заво­дах, где можно изготавливать сетки из отходов собственного проволоч­ного производства.

 

Хорошие результаты можно по­лучить, используя бадьи с секторным или створчатым грейферным дном. Они состоят из обечайки, к нижнему краю которой подвешены жесткие или гибкие (типа цепи Галля) секторы, концы которых связа­ны канатом или заперты специаль­ным замком (см. рис. 1.16). При опускании бадьи в печь канат перегорает или с помощью троса откры­вается замок; секторы раскрыва­ются и при подъеме обечайки выхо­дят вместе с нею из печи, оставляя шихту на подине также почти в первоначальном порядке. Аналогич­но работают бадьи с грейферным расходящимся днищем. При опус­кании бадьи в печь створки днища расходятся и шихта опускается с небольшой высоты на подину (см. рис. 1.16).

При надлежащей организации работ, когда загрузка сверху дей­ствительно выполняется за 3—5 мин, она дает уменьшение энергии на расплавление до 5 %, уменьшение расхода электродов до 20 % и повы­шение производительности на 15—25 % по сравнению с ручной загруз­кой, не говоря уже об освобождении персонала от тяжелого труда.

В конце периода расплавления твердая шихта остается лишь на от­косах ванны между электродами, в местах, где удельная мощность из­лучения наименьшая. Дорасплавление этих «настылей» занимает мно­го времени, затягивая период расп­лавления, поэтому их стараются сбросить с откосов в жидкую ван­ну, где они плавятся гораздо быст­рее. В крупных печах осуществить эту операцию вручную тяжело, по­этому на печах устанавливают ме­ханизм вращения ванны. После то­го как первые колодцы образованы и электроды достигли дна, их под­нимают и поворачивают ванну печи на 30—40° вокруг вертикаль­ной оси, после чего электроды вновь опускают, зажигают дуги и проплавляют следующие три колодца. Затем вновь поднимают электроды, поворачивают печь на 60—80° в противоположную сторону и про­плавляют в шихте еще три колод­ца. При этом на откосах исчезают «мертвые» (с точки зрения облуче­ния дугами) углы и «настыли», и период расплавления сокращается на время, затраченное на подъем электродов и повороты ванны.

Однако основное преимущество такого использования поворотов ванны в период расплавления иное. После расплавления колодцев дуги продолжают гореть в нижней их части на образовавшуюся на поди­не лужицу расплавленного метал­ла, и так как она невелика, то ме­талл в ней сильно перегревается, что может вызвать повреждение и даже «срыв» подины. При девяти колодцах этого не может произойти, так как после проплавления первых колодцев электроды поднимают и после поворота ванны вновь начи­нают плавить шихту сверху. Когда же проплавлены все девять колод­цев, большая часть металла уже расплавлена, и его опасный пере­грев исключен.

Для того чтобы осуществить по­ворот ванны печи, ее устанавливают на специальную платформу, на ко­торой размещены четыре опорные тумбы с роликами. Корпус печи опирается на эти ролики приваренным к его днищу круговым рельсом и приводится во вращение от приво­да с помощью шестерен или звездо­чек, связанных с зубчатой круговой рейкой (или кольцом с цапфами), прикрепленной к нижней части корпуса печи (рис. 1.11).

В современных сверхмощных пе­чах расплавление шихты идет столь интенсивно, что «настыли» почти не образуются. Поэтому в таких печах надобность в механизме вращения ванны отпадает. Механизм перемещения электро­дов должен обеспечивать самосто­ятельное движение каждого элект­рода вверх и вниз при включении и отключении печи и в период ее ра­боты. Движение электродов вверх и вниз должно быть медленным, по­степенным (проплавление колодцев в шихте) и в то же время весьма быстрым в случае необходимости — например, при ликвидации коротко­го замыкания или обрыва дуги. В последних случаях необходимы не только высокая скорость подъема или опускания электрода, которая в современных печах может достигать 3—6 м/мин, но и минимальные инерция системы, свободные ходы и упругие звенья, чтобы предотвра­тить перерегулирование и качание.

Рис 1.11. Схема механизма вращения ван­ны печи:   1 — электродвигатель; 2, 3, 4 — редуктор; 5 — 6 — рейка, укрепленная на корпусе печи; 7 — ролики, препятствующие смещению печи; 8 — ролики, на которые опирается нижний рельс корпуса печи

Электроды перемещаются вдоль стоек, которые представляют собой пустотелые колонны прямоугольно­го или круглого сечения, закреплен­ные у одной из боковых сторон пе­чи. У самых малых печей стойки крепят на корпусе печи; для прида­ния им большей жесткости в на­правлении наклона печи, в котором они испытывают наибольшие изги­бающие моменты, все три стойки вверху соединяют, образуя рамную конструкцию. По стойкам печи мо­гут перемещаться вверх и вниз на роликах каретки — сварные конструкции из уголков или труб, несу­щие на себе электрододержатели с зажатыми в них электродами, шин­ные или трубчатые токоподводы и трубы для воды, охлаждающей элек­трододержатели (рис. 1.13, 1.14).

В крупных печах (в нашей стране во всех печах емкостью от 5 т) приме­няют Г-образные, так называемые телескопические стойки, перемеща­ющиеся по роликам в вертикальной шахте, закрепленной на корпусе пе­чи. Такие подвижные стойки тяже­лее кареток, а значит, имеют боль­ший момент инерции, но конструк­ция их значительно более жесткая, а база их (расстояние по вертикали между опорными роликами) суще­ственно больше, чем у кареток.

Вследствие деформации стоек и шахт, вызванной тяжелыми темпе­ратурными условиями их работы, крепление к ним горизонтальных рукавов, а также электрододержателей выполняется таким образом, чтобы их положение относительно стоек можно было изменять в не­больших пределах. Для этого ис­пользуют зажимы для рукавов и хвостовиков электрододержателей, позволяющие поворачивать послед­ние, и сменные прокладки и оваль­ные отверстия для болтов, позволя­ющие осуществлять небольшие по­ступательные движения. Такая ре­гулировка положения электродо­держателей производится при мон­таже печи, а также во время экс­плуатации печи.

Перемещение кареток по стой­кам или стоек внутри шахт осуще­ствляется с помощью механизмов с электромеханическим или гидравли­ческим приводом. Гидравлический привод в механизмах перемещения электродов получил в последние го­ды большое распространение. Он состоит из силового цилиндра одно­стороннего действия (спуск за счет силы веса стойки и электрода) с плунжером, шарнирно-соединенным с подвижной стойкой или кареткой, маслонапорной станции и системы управления — ручной и автомати­ческой. Рабочей жидкостью служит масло или водомасляная эмульсия; рабочее давление в системе доходит до 6 МПа. Обязательным условием быстродействия системы является жесткость всех маслопроводов — от системы управления до силового цилиндра. Поэтому гибкие шланги, подающие масло к цилиндрам, за­ключают в металлические рукава с тем, чтобы предупредить их разду­вание при гидравлических ударах. При выполнении этого условия и ка­чественном исполнении гидравличе­ский привод позволяет получить весь­ма быстродействующую, малоинер­ционную систему автоматического регулирования режима дуговой пе­чи. Электромеханические механизмы перемещения электродов состоят из электродвигателя постоянного тока, самотормозящегося редуктора и пе­редачи, преобразующей вращение выходного вала редуктора в воз­вратно-поступательное движение стоек или кареток. В прежних кон­струкциях эта передача осуществля­ется с помощью троса, охватываю­щего выходной барабан редуктора. Один конец троса закреплялся при этом на каретке, а другой после об­хода ряда роликов и барабана — на противовесе, который рассчитывался таким образом, чтобы он уравнове­шивал массу подвижной части без электрода. Обычно противовес в ви­де чугунных чушек помещают внут­ри пустотелых стоек или между стойками.

В настоящее время тросовая пе­редача почти не применяется, не­смотря на ее надежность. При воз­росших скоростях перемещения электродов любые люфты и упругие звенья приводят к качанию систе­мы, а тросовая передача как раз обладает этими недостатками из-за проскальзывания троса по поверх­ности приводного барабана и растя­гивания его при натяжении. Поэто­му осуществить достаточно быстро­действующее и чувствительное ре­гулирование режима дуговой печи при тросовой передаче не удается, и во всех новых печах применяется жесткая реечная передача, которая при качественном исполнении обес­печивает почти такое же быстро­действие системы, как и гидропри­вод.

Перемещение электрододержателей от крайнего верхнего до крайнего нижнего положения составляет 1530—1800 мм у печей емкостью до 5 т и доходит до 4600—5000 у печей емкостью 100—200 т. Предельный ход электродов на подъем и спуск ограничивают обычно конечными выключателями.

Электрододержатели представ­ляют собой зажимы, служащие для закрепления электродов и подвода к ним тока. На крупных печах мас­са электрода может достигать 2—3 т, поэтому электрододержатель должен быть достаточно прочным, жестким и способным сжимать электрод с необходимой силой для того, чтобы он надежно удерживал­ся в нем силой трения. А так как коэффициент трения графита по ме­таллу мал (около 0,15), то сжимаю­щее усилие должно в 7,5—7,0 раз превосходить массу электрода.

С другой стороны, контактное сопротивление электрододержа­тель — электрод должно быть мало, так как через контакт проходят большие токи. Малое контактное со­противление в электрододержателе желательно не только для снижения потерь энергии в нем, но и для уменьшения его нагрева. Электро­додержатель находится в тяжелых температурных условиях, так как он омывается горячими газами, вы­рывающимися из электродных от­верстий в своде; кроме того, он на­гревается потоком тепла, идущим из печи вверх по электроду. Поэто­му если выделяющееся в его кон­такте тепло будет велико, то он ско­ро выйдет из строя.

Величина контактного сопротив­ления в электрододержателе зави­сит от контактного давления, ма­териала и состояния контактирую­щих поверхностей. Контактное со­противление уменьшается при уве­личении усилия зажима электрода, поэтому это усилие стремятся под­держивать достаточно большим — не менее 10—15 кН. Для малых пе­чей такого усилия достаточно для предотвращения проскальзывания электродов, но для средних и круп­ных печей его уже недостаточно. Поэтому для таких печей это уси­лие выбирают, исходя из массы электрода.

При графитированных электро­дах контактное сопротивление в не­сколько раз меньше, чем при уголь­ных; сопротивления бронза — графит и бронза — уголь также значительно меньше сопротивлений
сталь — графит и сталь — уголь. С этой точки зрения бронза (и медь)
как материал для щек электрододержателей имеет известные преи­мущества перед сталью. Очень суще­ственной, однако, является степень окисления контактной поверхности электрододержателя. Пленка окислов на поверхности щеки увеличивает контактное сопротивление между ней и электродом, что ведет к еще большему нагреву щеки и дальнейшему увеличению контактного сопротивления. В конце концов это приводит к нагреву электрододер­жателя до красного каления и вы­ходу его из строя. Особенно сильно увеличивается контактное сопротивление при окислении бронзовых, латунных и медных щек; у стальных оно оказывается намного меньше. Поэтому электрододержатели из цветных металлов работают дли­тельно и надежно лишь при нали­чии водяного охлаждения, стальные же электрододержатели могут ра­ботать на графитированных элек­тродах и без охлаждения. Срок службы не охлаждаемых водой
электрододержателей (на неболь­ших печах) составляет от 6 месяцев до
1 года; водоохлаждаемые электрододержатели могут работать несколько лет.

В настоящее время на всех оте­чественных печах установлены электрододержатели с водяным ох­лаждением.

В бронзовых электрододержателях водяное охлаждение обычно осу­ществляется с помощью стальных змеевиков, залитых в тело щек; в стальных электрододержателях уст­раивают специальные полости при их отливке. В крупных печах, в которых ток по электроду достигает десятков тысяч ампер, магнитные потоки в электрододержателях вызывают значительный их дополнительный нагрев. В этом случае приходится корпуса электрододержателей отли­вать из немагнитной стали, причем для снижения контактного сопро­тивления между электрододержателем и электродом на внутренние его поверхности наваривают слой брон­зы или меди. Контактное сопротив­ление между медью и сталью прак­тически равно нулю.

У малых печей старых конст­рукций электрододержатели пред­ставляют собой клещевидные зажи­мы с двумя или тремя щеками, од­ним или двумя шарнирами и стяж­ным болтом с правой и левой резь­бой, при повороте которого щеки сходятся, зажимая электрод, или расходятся, освобождая его (рис. 1.12).

 

Рис. 1.12. Клещевидный одношарнирный бронзовый электрододержатель с двумя щеками и с водяным охлаждением:   1 — токоподвод (пакет медных лент); 2 — щеки; 3 — стяжной болт, ввинчивающийся в гайки 4; 5 — шарнир; 6 — водоохлаждение

Применялся и клиновой за­жим — стальное или бронзовое ох­лаждаемое водой кольцо, в которое свободно проходит электрод. За­крепление электрода в кольце осу­ществлялось с помощью клина, по­мещаемого между электродом и кольцом. Своей тяжестью электрод затягивал клин в зазор между ним и кольцом электрододержателя, обеспечивая нужное давление. Для освобождения электрода надо было выбить клин, подвесив предвари­тельно электрод на крюке крана.

Обслуживание обеих конструк­ций требует тяжелого физического труда по затяжке и особенно ослаб­лению стяжного болта, который в результате нагрева «прикипает» к гайке, а также по выбиванию клина. Эти ручные операции проводились на находящейся над сводом печи площадке, подогреваемой снизу го­рячим сводом, и рядом с раскален­ными электродами, т. е. в сложных температурных условиях. Поэтому все новые печи, даже самые малые, снабжают пружинно-пневматичес­ким зажимом.

В пружинно-пневматическом за­жиме (рис. 1.12) электрод зажима­ется между щеками корпуса электрододержателя 2 и зажимной ко­лодкой 3.

Рис. 1.13. Электрододержатель с пружинно-пневматическим зажимом:   1 — корпус электрододержателя; 2 — щека; 3 — зажимная колодка; 4 — токоподвод; 5 — рукав; 6 — шток; 7 — зажимная пружина; 8 — пневмоцилиндр; 9 — рычаги; 10 — площадка крепления рукава на стойке

 

Колодка зажимает элект­род с усилием, достаточным для предупреждения от его проскальзы­вания, с помощью штока 6 и мощ­ных пружин 7, расположенных внут­ри рукава стойки 5. Освобождение электрода производится дистанци­онно с помощью пневмоцилиндра 8, сжимающего пружины. Таким об­разом, в случае исчезновения сжа­того воздуха электроды не падают вниз, а остаются зажатыми.

Для крупных печей в последнее время применяется иная конст­рукция пружинно-пневматического электрододержателя, при которой электрод прижимается пружиной с помощью хомута к головке электро­додержателя (рис. 1.14). Эта конст­рукция несколько более компактна. Кроме того, в крупных печах для уменьшения размеров отжимающего цилиндра пневматический привод, работающий при давлении 0,3–0,4 МПа, заменяют гидравлическим с давлением до 2–4 МПа.

Рис. 1.14. Пружинно-пневматический электрододержатель для крупных ДСП:   1 — электрод; 2 — электрододержатель с зажимающим хомутом; 3 — рычаг; 4 — шток; 5 — блок пружин; 6 — пневмоцилиндр; 7 — трубы токоподвода и водоподвода; 8 — гибкий токоподвод; 9 — стойка печи; 10 — рукав

 

Ток подводится к электрододержателю с помощью медных водо-охлаждаемых труб, проходящих на изоляторах вдоль рукавов стоек или кареток. В таких трубчатых ши­нах можно допускать плотность то­ка до 6–8 А/мм², т. е. в 4–5 раз большую по сравнению с плоскими неохлаждаемыми шинами.

Идущая по трубчатым шинам вода исполь­зуется и для охлаждения корпуса электрододержателя. Трубчатые ши­ны соединяются одним концом с электрододержателями, а другим через медные башмаки с гибкими кабелями, соединяющими их в свою очередь через неподвижные башма­ки с шинами печного трансформа­тора.

Электрододержатель во время включенного состояния печи нахо­дится под напряжением и поэтому должен быть электрически хорошо изолирован от заземленных кареток и стоек, а также от штока 6(см. рис. 3.13) с помощью миканитовых, асбестовых или асбоцементных про­кладок втулок и шайб. Асбест и асбоцемент имеют тот недостаток, что они гигроскопичны и при про­стое печи впитывают влагу, вследст­вие чего их изоляционные свойства ухудшаются.

Медные гибкие кабели, соеди­няющие трубошины на печи с ши­нами, идущими из трансформатор­ного помещения, образуют свобод­ную петлю, необходимую ввиду то­го, что точки их закрепления на подвижных башмаках на стойках перемещаются в пространстве при движении последних вверх и вниз, а также при наклоне печи. Кабели выполняются из большого числа медных жил с общим сечением 500 и 1000 мм². Так как допустимая плотность тока в шинах и кабелях составляет 1–1,5 А/мм², даже на средних печах пришлось бы уста­навливать десятки кабелей на фа­зу. Поэтому применяют водяное ох­лаждение кабелей, помещая их в обтекаемые водой резиновые шланги. Плотность тока в таких кабелях можно доводить до 6–8 А/мм², что резко снижает их количество на фазу. При этом, однако, увеличиваются электрические потери, поэтому обычно допускают несколько меньшую плотность тока в них. Для самых крупных печей разработаны гибкие водоохлаждаемые кабели сечением по 2000 мм² на рабочий ток до 15000 А, что позволит ограничить число кабелей на фазу четырьмя для 100-тонной печи и шестью для 200-тонной печи. За рубежом выпускаются гибкие водоохлаждаемые кабели на токи до 30 000 А. Обычно гибкие кабели устанавливают компактно в два или даже в три ряда, так как если их расположить в одну линию, то вследствие эффекта близости ток будет вытес­няться от внутренних кабелей к на­ружным, наружные будут перегру­жены, а внутренние — недогружены, что приведет к перегреву крайних кабелей и повышению потерь в токопроводе. Уже при восьми кабелях на фазу, расположенных в линию, средние кабели несут в 2,0–2,5 ра­за меньший ток по сравнению с крайними. При применении голых гибких кабелей на малых печах их необ­ходимо изолировать асбестовым шнуром как из условий безопаснос­ти персонала, так и потому, что при эксплуатационных коротких замы­каниях в печи кабели начинают раскачиваться, и фазы могут замк­нуться. Для уменьшения раскачки кабели каждой фазы скрепляются в нескольких местах деревянными клицами. Применение водоохлаждаемых кабелей с резиновыми шлангами одновременно решает и вопрос изоляции.

Сводовые отверстия для элект­родов имеют диаметр на 20–40 мм больший, чем диаметр электрода во избежание заклинивания последне­го, особенно при некотором пере­косе. Через получающиеся зазоры из печи выходит поток горячих га­зов, утяжеляющих условия работы омываемых ими электрододержателей. Уплотнение этих отверстий не менее важно и с точки зрения стой­кости самого свода (унос известко­вой пыли газами, вырывающимися через сводовые отверстия, и отло­жение ее на кирпичах свода, кото­рые она разъедает), и с точки зре­ния расхода электродов. Стоимость электродов составляет весьма су­щественную часть стоимости вы­плавки стали в дуговой печи, а ве­личина расхода электродов может изменяться весьма значительно в зависимости от качества уплотняю­щих устройств на своде. Такие уплотнения называются сводовыми уплотняющими кольца­ми; иногда их называют холодиль­никами или экономайзерами. В простейшем виде такое устройство представляет собой литое чугунное или сварное стальное пустотелое кольцо, охлаждаемое водой и рас­полагаемое на своде над отверсти­ем для электрода (рис. 1.15, а).Благодаря тому, что кольцо не за­креплено на своде жестко, диаметр отверстия в нем может быть сделан более близким к диаметру электрода, зазор может быть сведен к 5—10 мм; эти величины определяются в основном допусками на размеры самих электродов.

а б в

г

Рис. 1.15. Сводовые уплотняющие кольца:   а — охлаждающее; б — с уплотняющим устрой­ством; в— с уплотняющими секторами Беляева; г— со змеевиком в бетонном блоке с футерованным уплотняющим кольцом

 

Чтобы избежать замкнутого магнитного контура вокруг элект­рода, кольцо имеет радиальный раз­рез шириной 10—20 мм. Вода по­дается к кольцу по одну сторону щели и отводится от него по дру­гую сторону с помощью металли­ческих трубок, ввинчиваемых или ввариваемых в его стенку. К труб­кам вода подводится около края свода резиновыми шлангами, кото­рые изолируют находящиеся под напряжением кольца от металло­конструкций и друг от друга. Такие сводовые кольца одновременно ох­лаждают и центральную часть сво­да, и прорывающиеся через сводо­вые отверстия газы, что существенно снижает расход электродов. Од­нако полное уплотнение сводовых отверстий такими кольцами не до­стигается, так как между ними и электродами остается зазор. Поэто­му на сводовое кольцо обычно уста­навливают еще уплотняющее уст­ройство той или иной конструкции. Верхняя поверхность кольца вы­полняется конической, и в нее за­кладывается набивка из шлаковой ваты или асбеста с глиной, прижи­маемая кольцеобразным грузом (рис. 1.15, б). Такое устройство соз­дает хорошее уплотнение и работа­ет удовлетворительно как на графитированных, так и на угольных электродах, но требует подбивки уплотнения вручную каждые 2–3 ч.

На рис. 1.15, в показана конст­рукция охлаждающего кольца с уп­лотняющими секторами, ранее ши­роко применявшаяся. На верхней, наклоненной к центру поверхности охлаждающего кольца, расположе­ны шесть секторов с небольшими зазорами между ними. Магнитное поле электрода стремится их сбли­зить, чтобы образовать замкнутый магнитный контур вокруг электро­да, и прижимает их к последнему, образуя хорошее уплотнение. Тако­го рода устройства более сложны, имеют большую массу и могут ра­ботать удовлетворительно лишь на графитовых электродах, так как угольные электроды в ниппеле образуют утон­чение (шейку).

В последние годы с успехом при­меняют частично утопленные в свод охладители. Такая конструкция создает дополнительное охлаждение свода и существенное увеличение срока его службы, но в то же вре­мя приводит к увеличению потерь тепла с охлаждающей водой. По­этому кольца обычно заглублены в свод лишь на часть его высоты. Од­на из таких конструкций представ­ляет собой блок из глиноземистого жароупорного бетона, в котором установлены охлаждаемые водой змеевики (рис. 1.15., г).На блок надевается уплотняющая коробка в виде футерованного кольца, об­разующего небольшой зазор вокруг электрода.

Для обслуживания электрододержателей и электродов над сво­дом печи обычно устраивают лег­кий мостик с перилами, опирающий­ся на каркас печи или на портал. Как указывалось, на многих за­водах в дуговые сталеплавильные печи подают кислород. Его можно подавать в печь в конце периода расплавления для ускорения рас­плавления «настылей», а также в период окисления. В обоих случаях кислород подают в жидкую ванну. Проще всего это сделать с помощью железной трубки, вдвигаемой в печь через рабочее окно. Однако трудоемкость этой операции, тяже­лые условия труда, большой рас­ход трубок и трудоемкость ее меха­низации и автоматизации привели к. разработке специальных фурм, состоящих из трех концентрических стальных труб. Через среднюю тру­бу подается кислород, а остальные служат для подвода и отвода ох­лаждающей воды. Фурму вводят в печь вертикально через свод, в ко­тором для этого устраивается до­полнительное отверстие, обычно на окружности распада электродов, на одинаковых расстояниях между по­следними. Отверстие для фурмы снабжают холодильником и закры­вают пробкой, когда кислород не вводят в печь. Головку фурмы, снабженную соплом Лаваля или пятью–шестью отверстиями, дающи­ми несколько струй, устанавливают на высоте 300–500 мм над поверх­ностью шлака (иногда ее погружа­ют в шлак до уровня металла). Так как кислород подают в фурму под давлением 0,5–0,7 МПа, он образует сильную струю, раздувающую шлак и погружающуюся на значительную глубину в металл, обеспечивая интенсивное окисление ванны. Стойкость фурм составляет в среднем 100—200 плавок. При выплавке стали в дуговой печи образуется большое количество горячих газов, сильно запылен­ных, вырывающихся из отверстий и неплотностей печи, загрязняющих цех и ухудшающих условия труда персонала. Наиболее простой спо­соб отвода печных газов — уст­ройство над печью вытяжного кол­пака, соединенного через дымосос с дымовой трубой. В этом случае, помимо печных газов, засасывается воздух из цеха, что приводит к ох­лаждению газа. Однако таким пу­тем удаляется лишь 25–30 % вы­деляющихся из печи газов, осталь­ные попадают в цех; кроме того, горячие газы омывают электроды, электрододержатели и арматуру окон печи. Поэтому чаще всего при­меняют местный отбор газа прямо из печи. Его либо производят че­рез свод, в котором выполняется дополнительное отверстие с футе­рованным или охлаждаемым водой патрубком, либо отбор газа осу­ществляется через арку рабочего окна. Между заборными патрубка­ми и газоходами устраивается за­зор порядка 80 мм, позволяющий организовать засос холодного воз­духа из цеха в целях охлаждения и разбавления печных газов. Кро­ме того, этот зазор позволяет про­изводить наклон и вращение печи. В целях защиты окружающей среды от засорения пылью газы пе­ред выпуском в дымовую трубу пропускают через систему газоочистки. Большее распространение получила мокрая очистка, при которой газы пропускают через скрубберы и тру­бы Вентури, где они увлажняются и очищаются от пыли. Могут при­меняться слоевые и матерчатые, а также электростатические фильтры.

На рис. 1.16 показана печь емкостью 1,5 т. Такие малые печи предназначены для литья и часто работают одну или две сме­ны, поэтому они выполняются не только с механизированной загрузкой, как это по­казано на рис. 3.16, но и с ручной. Корпус печи цилиндрический, цельный, со сфериче­ским днищем. Механизм наклона печи бо­ковой, с электромеханическим приводом.

Рис. 1.16. Общий вид дуговой сталеплавильной печи емкостью 1,5 т

 

Сводовое кольцо со сводом подвешено к поворотной площадке, на которой закрепле­ны также три неподвижные стойки коробчатого сечения. По стойкам перемещаются каретки с трубчатыми рукавами, несущие электрододержатели. Механизм перемеще­ния электродов тросовый с электромехани­ческим приводом. Механизм зажима элект­родов пружинно-пневматический. Загрузка печи верхняя с помощью бадьи с секторным дном. При загрузке поворотную площадку, несущуюсвод и стойки, приподнимают и поворачивают на угол 85° с помощью ме­ханизма подъема и поворота свода с дву­мя электродвигателями переменного тока. Дверца рабочего отверстия имеет ручной механизм, подъема с противовесом. Ток под­водится к электрододержателю двумя мед­ными водоохлаждаемыми трубами, закреп­ленными на рукаве и каретке; гибкий токоподвод состоит из четырех кабелей сече­нием 500 мм² каждый.

На рис. 1.17 показана конструкция пе­чи емкостью 6 т.

Печь также предназначена для литья и получила широкое распрост­ранение на автомобильных и тракторных заводах. Загрузка печи верхняя, бадьей с секторным дном; корпус печи покоится на тележке, на установленных на поворотной люльке рельсах; свод висит на цепях на закрепленном на наклоняющейся поворот­ной люльке портале (мосте). При загрузке свод приподнимается, и ванна выкатывает­ся из-под портала в сторону загрузочного окна. Механизм наклона печи — роликовый, механизм перемещения электродов — рееч­ный. Все приводы механизмов печи электро­механические. Телескопические стойки печи перемещаются в вертикальных шахтах; ру­кава стоек трубчатые. Механизм зажатия электродов пружинно-пневматический. Ток подводится к корпусу электрододержателя двумя медными водоохлаждаемыми труба­ми и шестью гибкими кабелями на фазу.

Современные печи средней и большой емкости, предназначенные на выплавку стальных слитков, оснащены в основном механизмами с гидроприводом. Все они обо­рудованы верхней загрузкой с помощью бадьи с секторным дном. Поворотный полу­портал несет на себе свод печи, с помощью механизма подъема и поворота он отвора­чивается на 70–75°; у печи емкостью 100 т применены раздельные механизмы подъема и поворота свода. Печи емкостью свыше 25 т снабжены механизмом поворота ван­ны и устройством электромагнитного пере­мешивания металла.

В качестве примера на рис. 1.18 пока­зана конструкция 100-тонной дуговой сталепла­вильной печи.

В табл. 1.1 и 1.2 даны технические ха­рактеристики отечественных дуговых сталеплавильных печей.

 

 

 

Рис. 1.17. Общий вид дуговой сталеплавильной печи емкостью 6 т

 

 

 

Рис. 1.18. Общий вид дуговой сталеплавильной печи емкостью 100 т

 

Таблица 1.1

 

Технические данные отечественных дуговых электропечей

для слитковой стали

 

Данные печи	Тип печи
дсп-12	дсп-25	дсп-50	ДСП-100НЗА	ДСП-200И2*
Номинальная емкость, т
Диаметр кожуха, мм
Номинальная мощность трансформатора, кВ-А		15 000	25 000	50 000	125 000
Первичное напряжение, кВ	6 или 10	6 или 10		38,5
Пределы вторичного напряжения, В	318–115	390–130	417–131	573–200	950–300
Максимальный ток печи, кА	16,35	23,55	34,6	63,6	87,0
Диаметр графитированного электрода, мм
Диаметр распада электродов, мм					1600 +100
Ход электрода, мм
Максимальная скорость перемещения электрода, м/мин		3,5	3,5	4,5	5,0
Диаметр ванны на уровне откосов, мм
Глубина ванны от порога, мм
Высота от порога до пят свода, мм
Масса металлоконструкций, т
Удельный расчетный расход электроэнергии на расплавление твердой закалки, кВт-ч/т

 

* Расчетные данные

Таблица 1.2

 

Технические данные отечественных дуговых электропечей

для фасонного литья

 

Данные печи	Тип печи
ДСП-0.5	ДСП-1,5	ДСП-3,0	ДСП-6	ДЧМ-10*
Номинальная емкость, т	0,5	1,5	3,0	6,0	10,0
Диаметр кожуха, мм
Мощность трансформатора, кВ-А
Вторичные напряжения, В	216–106	225–110	24–124	2–130	125–105
Максимальный' ток, А				8220 + 20 %
Диаметр графитированного электрода, мм
Диаметр распада электродов, мм
Диаметр ванны на уровне откосов, мм
Глубина ванны от порога, мм
Масса металлоконструкций, т	5,2	11,3	28,8	45,0	23,6
Удельный расчетный расход электроэнергии на расплавление, кВт-ч/т

 

* Предназначена для подогрева жидкого чугуна перед разливкой