Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Электроды для дуговых сталеплавильных печей




 

 

Электроды предназначены для подвода электричества в рабочее пространство печи. От физических свойств и качества изготовления электродов в значительной степе­ни зависят процессы теплообмена в печи, производитель­ность электропечной установки, себестоимость и качество металла.

К электродам предъявляют следующие требования:

1. Возможно низкое удельное электросопротивление и минимальные в них потери электроэнергии.

2. Достаточно высокая механическая прочность на сжатие, изгиб и растяжение, исключающая поломки электродов, вызывающие простои и нарушающие нор­мальный технологический цикл.

3. Высокая термостойкость, исключающая растрески­вание и скалывание электродов под влиянием резких колебаний температуры, что особенно характерно для печей с открытой дугой.

4. Удовлетворительная обрабатываемость на станках.

5. Возможно более высокая температура начала ин­тенсивного окисления на воздухе.

6. Возможно более низкая стоимость, так как стои­мость электродов зачастую выше платы за израсходо­ванную электроэнергию в себестоимости стали.

7. Минимальное содержание золы и серы.

 

В дуговых сталеплавильных печах применяют угольные или чаще графитированные электроды, имеется опыт использования трубчатых электродов.

Можно считать точно установленным, что выдувание дуги из-под трубчатого электрода меньше (а экраниро­вание электродом больше), чем из-под сплошного, так как дуга горит по краю осевого канала.

По зарубежным данным, при применении трубчатых электродов наблюдается увеличение использования мощ­ности в период расплавления с 0,84–0,85 до 0,93–0,94, дуга горит устойчивей, несколько выше, но расход трубчатых электродов на 2–10 % больше по сравнению с расходом обычных сплошных электродов.

Ток внутрь рабочего пространст­ва дуговых печей проходит по угольным или графитированным электродам. Вначале электродами являлись квадратные или круглые угольные бруски; по мере сгорания их заменяли новыми, а оставшиеся огарки выбрасывали или размалы­вали. Позже перешли на наращи­ваемые электроды (рис. 2.1), кото­рые можно использовать целиком.

 

Современные непрерывно нара­щиваемые электроды имеют круглое сечение и обработанные на станках торцы, в которых по оси электрода сделаны отверстия с резьбой. В от­верстия на половину длины ввин­чивают ниппеля, обычно изготов­ленные из того же материала, что и электроды. Ниппеля и отверстия для них могут быть как цилиндри­ческими (рис. 2.1, а), так и биконическими (рис. 2.1, б) с треуголь­ной или трапецеидальной резьбой. На выступающую из торца электро­да половину ниппеля навинчивают следующий, так что оба они состав­ляют одно целое — свинченный электрод или «электродную свечу».  
а б в Рис. 2.1. Секции непрерывно наращивае­мых электродов с цилиндрическими (а), биконическими (б) и коническими (в) ниппе­лями

Преимуществом конических ниппе­лей является удобство их свинчива­ния — для этого достаточно двух оборотов, в то время как при ци­линдрических ниппелях требуется при свинчивании сделать 10–12 оборотов.

Для удобства транспортировки и эксплуатации электроды изготав­ливают длиной 1000–2400 мм; на печи требуется большая длина «свечи», поэтому работающий элект­род состоит из двух или трех сек­ций, соединенных ниппелями. По мере обгорания нижней части элект­рода электрододержатель опуска­ется все ниже, и когда он оказыва­ется вблизи своего нижнего поло­жения у свода, производят наращи­вание его и перепуск. На небольших печах эта операция может осущест­вляться на самой печи. В верхний торец установленной в электрододержателе электродной свечи, пред­варительно сняв с него защитный колпачок, предохраняющий от пыли, ввинчивают ниппель, а в очередную секцию электрода с верхнего кон­ца — металлический ниппель с коль­цом. За это кольцо секцию подхва­тывают крюком крана цеха и под­нимают над печью, устанавливая над наращиваемой «свечой». Ме­таллический ниппель скреплен с кольцом шарнирно, так что он мо­жет поворачиваться вокруг своей оси. Висящую секцию электрода, осторожно опуская и поворачивая, навинчивают на ниппель в верхнем торце «свечи». После этого начина­ют перепуск «свечи», для чего ос­лабляют зажим электрододержателя, и «свеча» повисает на крюке крана. Каретку (или стойку) печи поднимают в крайнее верхнее положение, электрододержатель вновь зажимают, и он принимает на себя массу электрода. Чтобы не увели­чивать простоев печи, наращивание и перепуск электродов стараются осуществлять между плавками.

 

Недостатком метода наращива­ния электродов на печи являются тяжелые условия работы и легкость поломки ниппеля. Поэтому на крупных печах наращивание и перепуск электрода ведут иначе. В пролете, кран которого проходит над печью, обычно в одном из его концов, уста­навливают специальную стойку (этажерку), в которой стоят зара­нее наращенные «свечи». При сме­не отработанной электродной «све­чи» ее подхватывают крюком за кольцо ввинченного в верхний то­рец металлического ниппеля, элект­рододержатель ослабляют, «свечу» извлекают из печи и устанавлива­ют в одно из свободных гнезд. Го­товая электродная «свеча» подни­мается, подносится к печи и закреп­ляется в нужном положении в электрододержателе. Электродные «свечи» наращивают на стойке пос­ле их остывания в нормальных ус­ловиях и поэтому гораздо тщатель­нее. Недостатками этого метода яв­ляются несколько большее окисле­ние электродов в период их осты­вания в стойке благодаря свободно­му доступу к ним воздуха и необ­ходимость в большей высоте подъе­ма крюка крана. В настоящее время для наращивания электродов больших диаметров разработана механизированная стойка, в которой зажатие, перемещение и навинчивание электродов осуществляются с помощью гидравлического и электромеханического приводов.

Угольные электроды изготавливают диаметром 100—1200 мм; электроды диаметром выше 400 мм имеют конический ниппель, нарезанный прямо на одном из концов электрода, а на другом его конце делают соответствующее коническое углуб­ление с резьбой (рис. 2.1, в).

Угольные электроды изготавливают из антрацита или термоантрацита (прокаленного антрацита), кокса, нефтяного кокса, каменноугольного пека и смолы. Эти материалы после прокаливания (удаления лету­чих и влаги), дробления и помола смеши­вают в подогретом состоянии в бегунах, причем выдерживается весьма точно не только соотношение отдельных компонентов по массе, но и подбор их грануляционного состава. Перемещенную массу продавлива­ют через мундштуки прессов под давлени­ем 25–40 МПа. Полученные сырые элект­роды устанавливают вертикально в обжи­гательных печах и пересыпают дробленым антрацитом и коксовой мелочью во избе­жание окисления. Температуру в печах медленно поднимают в течение примерно 150 ч до 1300°С, затем ее снижают, выни­мают готовые электроды из печи и переда­ют в механический цех для обработки торцов под ниппеля.

Графитированные электроды из­готавливают не из естественного графита, имеющего неподходящие и к тому же нестабильные механи­ческие и электрические свойства, а только из искусственного электро­графита путем графитизации уголь­ных электродов. Гра­фитированные электроды намного дороже угольных; тем не менее на сталеплавильных печах в настоящее время применяются почти исключи­тельно графитированные электроды из-за их существенных преимуществ (табл. 2.1).


Таблица 2.1

 

Основные свойства графитированных и угольных электродов

 

Характеристика Графитированные электроды Угольные электроды
Объемная масса, кг/дм3 1,55 — 1,6 1,55 — 1,6
Плотность, г/см3 2,2 1,9 — 2,0
Предел прочности на растяжение, Н/см2 500 — 850 300 —760
Предел прочности на сжатие, Н/см2 2100 — 2800 1500 — 3000
Коэффициент теплопровод­ности, Вт/м·°С: при 20°С при 1000°С   ~ 150 ~ 115   ~ 35 ~ 58
Начало окисления на воздухе, °С
Электрическое удельное сопротивление, 10-6 Ом·м 8 — 13 40 — 70
Средний расход на 1000 кВт∙ч в ДСП, кг 7 — 10 16 — 20

 

Из таблицы видно, что расход графитированных электродов на ДСП в 2,0–2,5 раза меньше по сравнению с угольными, что в зна­чительной мере компенсирует их большую стоимость. Основным до­стоинством графитированных элект­родов является их меньшее удель­ное электрическое сопротивление. Это позволяет применять электроды меньшего диаметра по сравнению с угольными, что облегчает конструк­цию стоек, кареток и электрододержателей и уменьшает электрические потери в электродах. В эксплуата­ции графитированные электроды на­много удобнее угольных: они более прочны, меньше окисляются, не тре­буют специальных паст для смазы­вания сращиваемых стыков в целях уменьшения переходного сопротив­ления. Кроме того, применение графитированных электродов уменьша­ет науглероживание стали. Поэтому угольные электроды применяют сейчас лишь на некоторых малых печах для фасонного литья и для плавки неответственных сталей.

Графитированные электроды вы­пускаются диаметром от 75 до 600 мм. Введение печей сверхвысо­кой мощности и значительное уве­личение вторичных токов у наибо­лее мощных из них привели к труд­ностям в канализации этих токов через электроды. Обычные электро­ды диаметром 600 мм пропускают максимальный ток, равный 42 000 А, а если учесть, что в печах сверхвы­сокой мощности сокращен период рафинирования, то эту цифру при­менительно к ним можно поднять до 50 000 А. Однако новая печь ем­костью 100 т имеет рабочий ток, до­ходящий до 60 кА, а 200-тонная печь мощностью 125 мВ·А будет иметь рабочий ток 87 кА. Поэтому в на­стоящее время развернуты работы по изменению технологии графитирования электродов с целью снижения их удельного сопротивления и повышения пропускной способности. Результатом этих работ за рубежом явилось создание электродов диаметром 600 мм с пропускной спо­собностью до 75–85 кА. Существенный интерес представляют также работы по нанесению на электроды защитного покрытия, сохраняющего их от окисления. Состав покрытия разработан в НРБ; оно получило распространение как в нашей стране, так и за рубежом. Этипокрытия позволили снизить расход электродов на 20 % или повысить примерно на столько же их пропускную способность по току. На дуговых печах косвенного действия применяют только графитированные электроды, так как менее прочные угольные не могут работать в горизонтальном положении. Технические данные электродов различных марок угля и графита приведены в табл. 2.2 и 2.3.

Свойства электродов зависят от способа их изготовле­ния и качества применяемых материалов. Ниже приведе­на технология изготовления электродов, объясняющая их физические свойства.

Сырьем для изготовления электродов служат высококачественный антрацит, нефтяной кокс с низким содержанием золы и каменноугольный пек. Графитированные электроды изготовляют преимущественно из нефтяного кокса.

Антрацит или кокс сначала прокаливают при высокой температуре для удаления загрязняющих и летучих ве­ществ и понижения электросопротивления, затем смеши­вают с пеком в специальных подогреваемых мешалках. Смесь должна быть определенного гранулометрического состава в зависимости от размеров электродов. В ре­зультате тщательного смешивания жидкий пек охваты­вает все зерна и связывает их между собой. Из получен­ной массы прессуют электроды в специальных прошив­ных прессах.

Вышедшие из пресса так называемые «зеленые» элек­троды сушат и затем обжигают при высокой температу­ре. Обжиг представляет собой длительную и энергоем­кую операцию.

В результате обжига получают твердые электроды, которые после механической обработки направляют к потребителю (угольные электроды) или подвергают так называемой графитизации: длительному нагреву при температуре 2000–2400°С. Графитизацию осуществля­ют в электропечах сопротивления прямого нагрева, при­чем в качестве сопротивления служат сами электроды, которые во избежание окисления засыпают угольным порошком. На эту операцию затрачивают значительное количество электроэнергии — 7000–8000 кВт∙ч/т.

В процессе графитизации изменяется кристаллическое строение электрода, в результате чего сильно снижается удельное электросопротивление и улучшаются другие свойства. Графитированные электроды обрабатывать ме­ханически значительно легче угольных.

Физические свойства графитированных электродов зависят при прочих равных условиях от диаметра, так как с увеличением диаметра затруднительно получить равномерные гранулометрический состав, обжиг и графитизацию.


Таблица 2.2

Технические данные угольных электродов

 

  Технические данные Диаметр, мм
до 150
r, 10-6 Ом·м, для марок:                    
ЭУ0
ЭУ1
Максимальная плотность тока, А/см2

 

Таблица 2.3

Технические данные графитированных электродов

 

  Технические данные Диаметр, мм
r, 10-6 Ом·м, для марок:                              
ЭГ0 8,5 8,5 8,5
ЭГ1
Максимальная плотность тока, А/см2 15,3

 


Удельное электросопротивление с увеличением диа­метра электродов увеличивается, причем на оси оно больше, чем на периферии и различно в поперечной плоскости и у концов. Температурный коэффициент а у графитированных электродов до 50–550°С отрица­тельный, выше 550°С — положительный, так что удель­ное электросопротивление р в этой области температур минимальное (рис. 2.2): Ом∙мм2/м(или 8–10 мкОм·м) [14].

Объемная масса графитированных электродов состав­ляет 1550–1600 кг/м3. Удельная теплоемкость (средняя в диапазоне температур 60–1450°С) равна 1,6 кДж/(кг∙град). Теплопроводность графитированных электродов резко меняется с изменением температуры и различна в про­дольном и поперечном направлениях (рис. 2.3). Скорость окисления электродов [кг/(м2·ч)]относится к единице их окисляющейся поверхности (практически это боковая поверхность). Она зависит от материала электрода и от температуры: до некоторой температуры (температуры начала интенсивного окисления) скорость окисления незначительна, а при переходе через нее рез­ко возрастает (рис. 2.4). Электроды изготовляют в виде цилиндров стандартного диаметра и стандартной относи­тельно небольшой длины, значительно меньшей требу­емой. Чтобы получить необходимую длину электродной свечи, отдельные электроды свинчивают один с другим при помощи ниппелей.
  Рис. 2.2. Зависимость относи­тельного удельного электросо­противления графитированных электродов от температуры: — удельное сопротивление при 0°С; — удельное сопротивление при С  
  Рис. 2.3. Зависимость коэффициен­та Теплопроводности графитиро­ванных электродов от темпера­туры: 1 — в продольном направлении; 2 — в поперечном направлении  

Для этого с обоих концов каждого электрода выполняют гнезда с винтовой нарезкой, в которые и ввинчивают ниппель. Раньше применяли только цилиндрические ниппели (рис. 2.5, а), но в последние годы появились бочкообразные (рис. 2.5, б) ниппели. Они бо­лее прочные при испытании на изгиб, с их помощью мож­но сильней стянуть электроды при меньшем числе оборотов для свинчивания (для бочкообразного ниппеля тре­буется всего три оборота).

 

Место соединения электродов ниппелем представляет собой электрический разъемный контакт, в котором создается добавочное, так называемое «контактное», сопро­тивление. Величина контактного сопротивления не зависит от площади контакта, но зависит от удельного сопротивления материалов, образующих контакт, их окисленности (в случае металла) и от давления на контакте [14]. Крутящие моменты для затяжки ниппелей при свин­чивании графитированных электродов приведены в табл. 2.4. От плотности ниппельного соединения зависят условия его работы. В табл. 2.5 приведено влияние качества ниппельного соединения на изменение электрического сопротивления, мощности и температуры соединения. Рекомендуемые равны 1/3 моментов, разрушающих ниппель. Крупные электроды свинчивают на специальном станке. Графитированные электроды можно свинчивать всу­хую, но электроды большого диаметра при большой силе тока целесообразно свинчивать на пеке или на пасте во избежание самоотвинчивания, вызываемого вибрацией электродов под влиянием электродинамических сил. Сопротивление ниппельного контакта с пастой примерно в 4 раза меньше сопротивления контакта без пасты. Повышенное сопротивление ниппельного контакта вызывает резкое увеличение электрических потерь и перегрев электродов в месте соединения.
  Рис. 2.4. Зависимость скорости окисления электрода на воздухе от температуры:   1 — угольный электрод; 2— графитированный электрод  
Рис. 2.5. Ниппели электродов:   а — цилиндрический; б — бочкообразный

 

Таблица 2.4

 

Зависимость крутящего момента от диаметра электрода

 

Диаметр электро­да , мм
Крутящий момент , Н∙м

 

 

Таблица 2.5

 

Качество ниппельного соединения (в относительных единицах)

 

    Показатели   Состояние электродного соединения  
плотное менее плотное между электрода­ми зазор
Электрическое сопротивление , д.е.
Теряемая мощность, д.е.
Повышение температуры, д.е.

 

В результате резко возрастает окисление электрода (рис. 2.4), диа­метр его уменьшается, и это ведет к поломкам электрода, в особенности в момент наклона печи для слива металла.

 

В печах с зависимой дугой электрод представляет собой прежде всего участок токоподвода (короткой се­ти). Однако этот участок отличается от других участков короткой сети следующим:

1.Через электрод из печи теряется значительное ко­личество тепла, так как температура части его, находя­щейся внутри печи, значительно выше температуры внешней части.

На печах с зависимой дугой электроды после каждой плавки вынимают из печи, они остывают и теряют тепло. Тепло теряется также при свинчивании электродов вне печи на станках.

2. Электрод быстро расходуется, стоимость электро­дов в себестоимости стали иногда превышает стоимость электроэнергии.

3. Электрод служит экраном, регулирующим направ­ленный теплообмен в дуговых печах. Особен­но это важно для печей с зависимой дугой.

 

Электрические потери в электроде примерно обратно пропорциональны квадрату диаметра электрода, а теп­ловые потери прямо пропорциональны. Электрические потери в электроде сосредоточены на его внешнем участ­ке от середины электрододержателя до внутренней по­верхности свода. Тепло, выделяемое электродом внутри печи, следует считать полезным теплом.

Тепло теряется на участке электрода от внутренней поверхности свода (сечение АА', рис. 2.6) до верхнего края холодильника (сечение ВВ');в сечении АА' темпе­ратура электрода примерно равна температуре печи, в сечении ВВ' и выше ( < 500 ¸ 550°С). Весь тепловой поток из печи должен отводить­ся через холодильник (не проходить через сечение ВВ').

Между сечениями АА' и ВВ' теряется электрическая мощность. Возможны три случая: < — из печи отводится тепло, температура электрода внутри печи ни­же температуры свода; = — из печи отвода тепла нет; > — температура электрода внутри печи вы­ше температуры свода. Очевидно, наиболее рационален для энергетического баланса второй случай, при котором тепловые потери ми­нимальные. Потери тепла на крупных дуговых сталеплавильных печах при остывании электродов значительные, так как масса и теплосодержание электродов растут примерно пропорционально (длина «свечи» примерно пропорциональна ). Расход электродов включает в себя расход в результате распыления в самой дуге и окисления. Расход на распыление неизбежен. По опытным данным он пропорционален количеству выделяющейся в дуге электроэнергии и составляет для графитированных электродов в сталеплавиль­ных печах примерно 2 кг на 1000 кВт∙чэлектро­энергии.  
Рис. 2.6. Тепловые потери через электрод к холодильнику:   1 — электрод; 2 — свод; 3 — холодиль­ник; — радиус электрода; — толщи­на свода; — высота холодильника; температура поверхности электрода внутри холодильника; _______ направление тепловых по­токов на участке электрод — холодиль­ник

Окисление электродов возрастает с повышением температуры (рис. 2.4) прямо пропорционально окисляющейся поверхности (практически это боковая поверхность) и увеличивается с ростом концентрации кислорода в окружающей среде, в частности при недостаточном уплотнении электродных отверстий в своде. В зависимости от качества уплотнения расход на окисление может изменяться в несколько раз.

При данной силе тока зависимость расхода электро­дов в результате окисления имеет минимум при опреде­ленном . При очень малых вследствие высокой плотности тока электрод сильно нагревается и потому интенсивно окисляется.

С увеличением диа­метра электрода плотность тока уменьшается, электрод нагревается меньше (температура его поверхности сни­жается), интенсивность окисления резко падает, но воз­растает боковая поверхность электрода (пропорционально ) При больших диаметрах увеличение окисля­ющейся поверхности преобладает над снижением интен­сивности окисления и расход электродов возрастает.

 

 







Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 4117. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2019 год . (0.008 сек.) русская версия | украинская версия