Электродуговые плавильные печи, принцип действия, конструкции, тепловая работа и технология плавки. Тепловой и материальный баланс.

Дуговые электропечи предназначена для получения жидкой стали или жидкого чугуна из металлолома. Основным источником теплоты является электроэнергия за счёт разницы потенциалов. В эл. цечи возникает электродуга, которая является источником нагрева и расплавления металла шахты.

Печи классифицируются:

1. В зависимости от того, где возникает электродуга в раб.пространстве,

- Печи с зависимой дугой (шихта или жид.металл явл. частью эл. цепи и дуга возникает между электродом и металошихтой ). Печи прямого действия

- Печи с независимой дугой (в них дуга возникает между электродами)

- Печи с закрытой дугой (в них дуга горит в газовой полости, внутри расплавляемой металошихты.Используется для получения ферросплавов)

2. По ёмкости:-малой ёмкости (0,5т; 1,5т; 3т; 5т; 12т); средней ёмкости (25т и 50т); большой ёмкости (100т; 200т и более)

рис ДСП:1-свод, 2 –стена, 3- жёлоб, 4 – сталевыпускное отверстие, 5 –электр дуга, 6 – подина, 7- раб окно, 8- заслонка, 9 - электрод

Дуговая печь состоит из:

· Рабочее пространство(собственно печь) с электродами

· Механизмы, обеспечивающие наклон печи, удержание и перемещение электродов, загрузку шихты

Плавку ведут в раб.пространстве, ограниченное с верху куполообразным сводом, снизу сферическим подом.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ.

1. Заправка печи – это исправление повреждённых участков футеровки, на которую забрасывают магнезитовый порошок. Длительность заправки 10-15 мин.

2. Загрузка шихты ведут с помощью бадей или корзин, а в старых печах небольшой ёмкостью – завалочными машинами.

3. Плавление. После завалки электроды опускают почти до касания с шихтой и включают ток. Под действие тока дуги шихта плавится и жидкий металл стекает вниз, электроды опускают и проплавляют так называемые “колодцы”. Затем электроды поднимают и поворачивают на 40 ̊ и проплавляют ещё 3 колодца, потом поворачивают на 80 ̊ и ещё 3 колодца. Плавление ведут при max мощности трансформатора. При плавлении происходит частичное удаление в шлак фосфора и серы, кроме того полностью окисляется кремний, 40-60% Mn, частично FeиC

4. Окислительный период

5. Восстановительный период (может не использоваться)

6. Выпуск стали

Состав шлака

CaO – 35-40%              FeO – 5-20%                     SiO₂ – 15-25%                

Al₂O₃ – 3-7%                 MnO – 8-15%                   P₂O₅ – 0.5-1.2%

Для удаления фосфора необходимо наличие основного шлака и низкаяt-ра. В зоне дуги за время плавления испаряется 2-5% металлолома. Для ускорения плавления применяют газокислородные горелки, которые вводятся через стены печи. Это позволяет снизить расход электроэнергии на 10-15%. Для уменьшения продолжительности плавки применяют продувку кислородом с помощью фурм при расходе кислорода 4-6 м³/т, время снижается на 10-20 мин. Продолжительность плавки зависит от мощности трансформатора и колеблется от 40 минут до 3 часов.

Расход электроэнергии для печей большой ёмкости составляет 400-480 кВт/т. Чем меньше ёмкость печи, тем выше расход электроэнергии, и для малых печей может доходить до 700 (кВт×час)/т

Окислительный период.

1) Уменьшение содержания фосфора

2) Снизить содержание водорода и азота

3) Нагреть металл до t-ры близкой к выпуску (на 120-130 ̊ выше)

На ряду с этим окисляется С до нижнего придела требуемого содержания. За счёт кипения ванны происходит перемешивание металла. Период начинается со слива печи 65-75% шлака при наклоне печи на угол 10-12 ̊. Слив производят для удаления Р из печи. Затем опять присаживают шлакообразующие для наведения нового шлака. Период заканчивается тогда, когда достигнуто необходимое содержание С и Р, затем сливают окислительный шлак. Продолжительность периода 30-90 минут

Восстановительный период.

1) Раскисление металла

2) Удаление серы

3) Доведение химического состава

4) Корректировка t-ры

При этом в печь добавляют ферромарганец и ферросилиций. Из расчёта 0,1+0,15% SiиAl0,03-0,1%. Затем добавляют шлакообразующие для интенсификации процесса рекомендуется использовать электромагнитное перемешивание (на больше грузных печах). Длительность 40-100 минут.

ОСНОВНЫЕ СТАТЬИ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ДУГОВОЙ ПЕЧИ.

Расчет печи включает:

1) Материальный баланс

2) Основные размеры печи

3) Тепловой баланс

4) Расчет необходимой мощности трансформатора

5) Расчет электродов

Расчет ведется на 100 кг.или 100 тонн, реже на общую массу плавки.

Поскольку в период нагрева и плавления шихты потребляется большая часть эл. энергии, расчет ведется, как правило, для периода расплавления.

Т. дуговая печь

Химический состав шихтовых материалов:

Определение угара примеси по аналогии с конвертором.

Кол-во Fe, уходящего в дым принимается 2,5-3% от массы шихты.

Принимаем, что 30% С окислится до CO₂, а 70% до CO/

Определяем расход O₂, затем состав шлака.

Содержание оксидов Fe зависит от содержания С и определяется с помощью:

[C], %            0.08 – 0.18  0.20 – 0.32 0.28 – 0.42 0.67 - 1.34

(Fe общ), %        14,4                12,8           11,04          9,41

Отношение

По аналогии с конвект. опред. окончательный состав шлак, его основность и затем выход годного Ме.

Опр-ся расход O₂ на окисление Fe и примесей, при этом принимают, что кол-во O₂, вносимого воздухом составляет 80%, а технического O₂ вносится 20%.

При определении кол-ва выделяющихся газов учитывают образование СО и СO₂в соотношении 70% и 30% при горении электродов.

невязка 1,45%

ОСНОВНЫЕ СТАТЬИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ДУГОВОЙ ПЕЧИ.

Q_прих= Q_м+ Q_д+ Q_экз+ Q_т.кг+ Q_м.о+ Q_б (1)

1. Тепло вносимое шихтой: Q_мл=m_шс_шt_ш(2)Q_ш=116200*740*20=1090*10³ кДж

2. Тепло, вносимое электрическими дугами:Q_э=η_элω_элQ₀=0,9*237120=213408 МДж (3)

3. Тепло, выделяемое при работе стеновых газокислородных горелок:

Q_m.кг.=29,58*V_CH4 *10⁶(4)Q_m.кг. =29,58*780*10⁶ =28874 МДж    

4. Тепло хим. экзотермич. реакций окисления примесей Ме и окисления Ме:

Q_экз= (5)

Табл. 1 Тепло хим. эндотермич. реакций окисления

5. Тепло шлакообразования

Q_ш.о= (6)

Q_ш.о=1.6099*861+0.6105*5403+0.0018*2651 = 41.07 МДж 

Расход тепла

Q_m.n+ Q_ш (7)

1. Физическое тепло стали

(8)

(9)

(10)               

2. Физическое тепло стали, теряемое со шлаком :

(12)

3. Физическое тепло шлака

(13)

4. Тепло, уносимое газообразными продуктами реакций:

(14)

5. Тепло, уносимое частицами Fe₂O₃:

(15)

6. Потери тепла через ограждающие конструкции:

(16)

Табл. 2. Потери тепла через водоохлаждаемые элементы печи:

а)

Боковые водоохлаждаемые панели	16071
Расход воды: 250 м3/ч	68,903 кг/с
Температура воды на входе	35
Температура воды на выходе	50

б)

Свод комбинированный	9643
Расход воды: 150 м3/ч	41,342 кг/с
Температура воды на входе	35
Температура воды на выходе	50

в)

Рабочее окно	6668
Потери теплоты с водой, охл-й коробку окна	5204,2 ГДж

г)

Фурма-манипулятор	2281
Расход воды: 110 м3/ч	30,318 кг/с
Температура воды на входе
Температура воды на выходе	35
Время работы	20 мин. (1200 сек)

д)

Дверная газокислородная горелка	415
Расход воды: 20 м3/ч	5,5123 кг/с
Температура воды на входе
Температура воды на выходе	35
Время работы	20 мин. (1200 сек)

е)

Фурма-горелка	1037
Расход воды: 50 м3/ч	13,781 кг/с
Температура воды на входе
Температура воды на выходе	35
Время работы	20 мин. (1200 сек)

7. Потери тепла через футеровку:

Потери тепла через футеровку:

(17)

Коэффициент теплоотдачи конвекцией

(18)

Коэффициент теплоотдачи излучением :

(19)

8. Потери тепла через свод:

(20)

Суммарныйкоэф. теплоотдачи

                               (21)

9. потери тепла через подину печи

                                           (22)

38. Плазменные, электронно-лучевые, электрошлаковые установки для плавления металла. Плавильные электрические печи сопротивления.

Рис. 1. Подовая плазменнодуговая печь: 1— плазматрон; 2 — электрод; 3 — отверстие с крышкой.

Работа плазменных печей (установок плазменного нагрева) основана на использовании газоразрядной плазмы в качестве теплоносителя. Достаточная электрическая проводимость плазмы обеспечивает преобразование электрической энергии в тепловую за счет токов проводимости Iпр. подводимых через электроды (кондукционный способ) или возбуждаемых переменным электромагнитным полем (индукционный способ). Поскольку формирование плазмы связано с эндотермическими процессами диссоциации и ионизации газов, плазма характеризуется достаточно высоким энергосодержанием, позволяющим использовать её в энергоёмких пирометаллургических процессах, в том числе для плавки высоколегированных сталей и сплавов, прямого восстановления металлов из руд и получения ферросплавов.

Плазмотрон - устройство для преобразования электрической энергии источника питания в тепловую энергию струи (потока) плазмы, т.е. плазменный генератор. В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую различают плазмотроны: дуговые, индукционные (высокочастотные) и электронные (сверхвысокочастотные).

Наибольшее распространение получили дуговые плазматроны, в которых возможно достижение температуры плазмы порядка 10000 К путём сжатия столба дуги стенками канала (гидродинамическое сжатие), газовым потоком (аэродинамическое сжатие) или внешним магнитным полем (электромагнитное сжатие). Для получения дугового разряда можно применить как постоянный, так и переменный ток. Стремясь получить стабильную работу плазматрона, чаще всего используют постоянный ток во избежании обрыва дуги при переменном токе. Различают плазматроны с независимой дугой (косвенного действия) и с зависимой дугой (прямого действия). Выбор схемы работы плазмотрона зависит от назначения печи и необходимых требований по эффективности её работы.

Рисунок – Схема электрошлакового переплава:

а - с одним расходуемым электродом; б - с двумя; 1- расходуемый электрод; 2 - шлаковая ванна; 3 - металлическая ванна; 4- слиток

Электрошлаковый переплав (ЭШП) является вторичным процессом рафинирования металлов. Он применяется для дальнейшей очистки после завершения первичных операций по удалению примесей и рафинированию. В качестве исходного материала обычно применяется сплошной расходуемый электрод из первичного металла, который может быть литым, полученным обработкой давлением или состоящим из лома. Шлаковая ванна, содержащаяся в охлаждаемом кристаллизаторе, нагревается и расплавляется электрическим током (электро­сопротивлением), текущим между электродом и охлаждаемым поддоном (рис. 1). Когда температура шлаковой ванны превышает температуру плавления металла, электрод начинает оплавляться; капли, стекающие с конца электрода, падают в шлаковую ванну, образуя на поддоне металлическую ванну, которая постепенно затвердевает. Электрод подают в шлаковую ванну, при этом слиток, служащий вторым электродом, постепенно растет.

Жидкий шлак таким образом непрерывно перемещается кверху. Там, где поднимающийся шлак встречается со стенками охлаждаемого кристаллизатора, он за­твердевает, что обеспечивает наличие сплошной короч­ки твердого шлака между кристаллизатором и затвердевающим слитком. При раздевании слитка она шелу­шится с поверхности, характеризующейся прекрасным качеством.

Процесс во многом аналогичен вакуумно-дуговому переплаву (ВДП): сплошной слиток образуется в результате постепенного затвердевания металла в верти­кальном направлении. При соответствующем снижении силы тока к концу операции обеспечивается полное отсутствие усадочной раковины и осевой пористости.

Рафинирование осуществляется вследствие реакции между металлом и шлаком, происходящей в три стадии:

а)     при образовании капли на конце электрода;

б)     при прохождении отдельной капли через шлак;

в) после накопления жидкого металла в ванне, образующейся на верхней части слитка.

При соответствующем выборе шлаков химическая реакция может быть усилена. Возможно, например, снижение содержания серы до очень низкого уровня. Удалению неметаллических включений может способствовать их флотация и химическая реакция со шлаком. Шлаки могут быть подобраны также таким образом, чтобы воспрепятствовать удалению элементов, которые нужно сохранить.