Электросталеплавильное производство

Конструкция современной ДСП

К настоящему времени накопилось достаточное количество научно-технической литературы, посвященной конструктивному решению мощной дуговой сталеплавильной печи. Поэтому в настоящей лекции остановимся лишь на наиболее существенных отличительных особенностях современной ДСП, которые оказывают непосредственное влияние на технико-экономические показатели плавки и способствуют максимально эффективному совмещению технологических процессов в рамках мини-завода.

Корпус печи. Форма и конструкция корпуса дуговой электропечи полностью определяется конфигурацией рабочего пространства, параметры которого обусловливают распределение тепловой энергии и определяют технологический потенциал печи.

Кроме того, конструкция корпуса современной электропечи должна обеспечивать следующие условия технологии производства стали на мини-заводе: выпуск плавки в ковш с надежной отсечкой печного шлака при остатке оптимального количества жидкого металла в печи; широкое применение водоохлаждаемых элементов; рациональное размещение технологического оборудования; минимальную продолжительность простоя печи при замене кожуха (обычно эта операция занимает от четырех часов до суток); разделение корпуса печи для уменьшения грузоподъемности мостового крана; минимальный расход огнеупорных материалов и качественный холодный ремонт футеровки.

Корпус дуговой сталеплавильной печи (рис. 1) оснащен рабочим окном, для осмотра рабочего пространства печи, удаления шлака и выполнения различных технологических операций (замер температуры, отбор проб и т.п.). Основными составными частями рабочего окна являются арка и заслонка с механизмом подъема, которые представляет собой сварные трубчатые водоохлаждаемые конструкции. Под эркером печи закрепляется затвор (откидного или скользящего типа), который закрывает сталевыпускное отверстие. Затвор оснащен приводом, как правило, гидравлическим.

дсп, корпус, кожух, дуговая электорпечь

Рис. 1. Корпус дуговой электропечи

Корпус, как правило, состоит из двух разъемных по границе огнеупорной футеровки и водоохлаждаемых панелей частей - днища и кожуха печи. Днище кожуха печи повторяет конфигурацию ванны печи и изготовлено штамповкой из котельной листовой стали.

По периметру кожуха выполняют несколько технологических окон для установки стационарных стеновых топливо-кислородных горелок, инжекторов для подачи порошкообразных материалов, а также отверстие в крышке эркера - для обслуживания сталевыпускного отверстия. В подине имеются, обычно, три - четыре отверстия с креплениями для размещения продувочных пробок.

Огнеупорная футеровка ванны печи, состоящая из подины и боковых стен работает в условиях резких колебаний температуры, больших тепловых нагрузок, механического и химического воздействия шихтовых материалов. С помощью огнеупорных материалов формируют подину, нижнюю часть стен печи и эркер. Футеровку подины выполняют из магнезитовых огнеупорных материалов. Подина и вертикальные стены ванны, находящиеся под уровнем расплавленного металла могут быть зафутерованы обожженным магнезитовым кирпичом в комбинации с огнеупорной массой. Откосы формируют с применением различных видов набивной огнеупорной массы, в состав которой входит химическое связующее. Перед набивкой огнеупорную массу увлажняют путем добавления 3-5% воды. Для повышения стойкости элементов огнеупорной части ванны печи в зоне шлакового пояса обычно применяют магнезитовый кирпич на синтетической смоляной связке.

Для термически нагруженной части огнеупорной футеровки стен над шлаковым поясом (до водоохлаждаемых панелей) обычно предусматривают применение высокоогнеупорного периклазоуглеродистого кирпича на синтетической смоляной связке с содержанием остаточного углерода не менее 7%. Пространство между кирпичными стенами и водоохлаждаемыми панелями стен заполняют набивной массой.

Круглое выпускное отверстие размещается в эркерной части и сформировано из огнеупорных катушек внутренним диаметром 100 - 180 мм в зависимости от массы плавки.

Продувочные пробки (как правило, пористые огнеупорные изделия конической формы) в количестве 3 - 4 штук вмонтированы в подину по окружности, которая концентрична окружности распада электродов, но несколько превышает ее диаметр. Продувочные пробки размещают вне зоны действия электрической дуги [190, 191].

Кожух печи формирует свободное пространство и представляет собой водоохлаждаемый трубчатый каркас-коллектор, сваренный из двух или трех горизонтальных поясов и вертикальных стоек. С внутренней поверхности в окнах кожуха размещаются стеновые водоохлаждаемые панели. Обычно в количестве 8 - 14 штук. Простые по конструкции и легкоразъемные соединения обеспечивают при необходимости их быструю замену. Трубчатый каркас обеспечивает высокую жесткость конструкции, а также служит коллектором охлаждающей воды в системе. Благодаря тому, что каркас печи охлаждается, уменьшаются размеры его деталей и снижается их масса. Более того, каркас обладает повышенной стойкостью к тепловому воздействию, что существенно увеличивает срок его службы.

Водоохлаждаемые стеновые панели. В настоящее время в практике электропечестроения нет альтернативы применению гарнисажной футеровки стен и свода ДСП. При теплопроводности около 0,12 - 0,13 Вт/(м*К) слой гарнисажа представляет собой достаточно надежную тепловую изоляцию рабочего пространства печи, а также служит для механической и электрической защиты охлаждаемых панелей. Водоохлаждаемые панели при работе печи конденсируют на своей поверхности жидкие частицы плавильной пыли, шлака и покрываются слоем гарнисажа. Толщина слоя гарнисажа находясь в состоянии термического равновесия, изменяется в ходе плавки в зависимости от условий теплообмена: уменьшается за счет оплавления внешнего слоя в случае повышения тепловой нагрузки стен или температуры охлаждающей воды и нарастает до определенного предела в обратной ситуации. Благодаря тому, что величина температуры поверхности гарнисажа постоянна и соответствует температуре его плавления происходит саморегуляция толщины (теплового сопротивления) слоя.

Анализ данных о тепловых потерях с охлаждающей водой показывает, что эта величина колеблется в довольно широких пределах. Например, согласно энергетическому балансу, около 16% подводимой энергии теряется с охлаждающей водой, с другой стороны, согласно данным расход электроэнергии при применении водоохлаждаемых стеновых элементов увеличивается в среднем на 3%, или на 15 кВт*ч/т. Существует мнение, что применение стеновых водоохлаждаемых панелей почти не увеличивает расход электроэнергии, хотя в отдельных случаях отмечается некоторое ее увеличение (до 10 кВт*ч/т, или на 2%).

Очевидно, что такое отличие в оценках потерь обусловлено особенностями технологии плавки, ее продолжительностью, мощностью печного трансформатора, вместимостью печи и чистотой эксперимента.

В связи с вышеизложенным можно отметить, что для современных высокопроизводительных ДСП, работающих в составе мини-заводов удельные потери с охлаждающей водой составляют от 70 до 80 кВт*ч при общем расходе тепла 600-680 кВт*ч/ т выпущенной стали и удельной интенсивности подачи охлаждающей воды около 8-10 м3/т*ч.

Естественно, что применение водоохлаждаемых конструкций приводит росту энергетических затрат, величина которых зависит от вместимости печи, удельной мощности печного трансформатора, технологии и организации производства. Если учесть достаточно высокую стойкость водоохлаждаемых панелей (около 10 тыс. часов), экономию огнеупоров (с 26 до 1,5 кг/т), а также обеспечение высокой степени готовности агрегата к работе экономическая эффективность эксплуатации водоохлаждаемых элементов не вызывает сомнений.

Известно, что максимальную механическую нагрузку панели испытывают в процессе завалки шихты. При малой толщине стенки охлаждающих труб соударения с тяжелыми кусками лома во время завалки могут привести к их деформации или даже разрушению. Поэтому рекомендуемая толщина стенки трубы обычно находится в диапазоне 8-16 мм, что обеспечивает достаточную стойкость к механическим нагрузкам и, с другой стороны, обеспечивает достаточно низкое термическое сопротивление.

Установлено, что срок службы охлаждаемых панелей определяется в первую очередь величиной термических напряжений. Во-первых, охлаждающие трубы подвержены одностороннему воздействию высокой температуры с внутренней стороны печи, что приводит к их деформации, во-вторых - циклические термические и механические напряжения в ходе плавки также сказываются на их стойкости, особенно в районе сварных швов. Имеется прямая связь между сроком службы охлаждающих труб и теплопередачей: чем лучше перенос тепла к охлаждающей среде, тем меньше тепловая нагрузка на трубчатую конструкцию.

В настоящее время в основном уже решены вопросы обеспечения стойкости и надежности водоохлаждаемых элементов, что позволяет увеличить площадь охлаждаемой поверхности стен до 80 - 95%, а свода – до 100%. Однако в подходе к проектированию и изготовлению охлаждаемых элементов имеются некоторые различия.

При конструировании водоохлаждаемых панелей стремятся к получению максимальной толщины теплоизолирующей поверхности для уменьшения тепловой нагрузки трубы и обеспечению наиболее благоприятных условий передачи тепла к охлаждающей среде. Оптимальный материал для охлаждающих труб выбирают с учетом экономических соображений. В большинстве случаев это трубы из котельной стали (например, из стали 20к), которые технологичны, имеют достаточно высокий коэффициент теплопроводности - около 50 Вт/(м*К) и приемлемую цену. В случае высокой величины плотности теплового потока (более 2000 кВт/м2) применяют медные трубы, коэффициент теплопроводности которых заметно выше и составляет 383 Вт/(м*К). Медные водоохлаждаемые элементы позволяют допускать максимальную плотность теплового потока до 5500 кВт/м2.

В зависимости от количества тепла, которое нужно удалить с облучаемой поверхности, минимальный расход охлаждающей воды определяется допустимым повышением ее температуры (при перепаде 20oС и расходе охлаждающей воды 1 м3/ч удаляется около 83,6 МДж/ч). Обязательным условием для этого является достаточная степень турбулентности потока внутри охлаждающей трубы. Минимальная скорость потока воды должна превышать 1,2 м/с и обычно составляет от 1,5 до 2,0 м/с при внутреннем диаметре трубы от 60 до 80 мм, а ее температура на выходе зависит от качества охлаждающей жидкости и обычно не превышает 40-60°С. В настоящее время большинство компаний эксплуатируют водоохлаждаемые элементы, прототипом которых являются панели TW-2000 (разработка «Mannesman Demag»). Конструкция панелей основана на применении трубчатых элементов равной длины, которые прилегают друг к другу. Для обеспечения поворота охлаждающей среды отрезки трубы последовательно соединены переходниками, которые приваривают с внешней стороны панели (рис.2).

водоохлаждаемый элемент, кожух, TW-2000

Рис.2. Водоохлаждаемый элемент типа TW-2000

Для удержания набивки и гарнисажа поверхность панели может быть ошипована. Из элементов аналогичной конструкции изготавливают водоохлаждаемые стены и свод. Тыльная часть панели закреплена на стальном листе, фронтальная - представляет собой сплошную водоохлаждаемую поверхность.

Принято считать что, слабое место такой конструкции – наличие открытого сварного шва в области высокой термической нагрузки.

Конструкция компании «KSK» устраняет этот недостаток и отличается способом крепления труб, который позволяет сократить до минимума количество открытых сварных швов (рис.2.5). Однако такое решение, очевидно, увеличивает гидравлическое сопротивление панелей.

водоохлаждаемая панель, труба, способ соеденения

Рис.2.5 Способ соединения труб водоохлаждаемой панели

К общим недостаткам сварных конструкций, прежде всего, следует отнести высокую стоимость изготовления и необходимость дефектоскопии всех мест соединения деталей. Кроме того, высокая жесткость панелей такого типа в сочетании с большим количеством сварных швов снижают стойкость и надежность конструкции.

Разработка и промышленное производство трубчатых водоохлаждаемых панелей в СССР было организовано на предприятии «Сибэлектротерм». Панели изготавливали из цельнотянутой толстостенной трубы диаметром 76 мм с толщиной стенки 16 мм без сварных швов по всей облучаемой поверхности. Панель отличается оригинальной конструкцией и включает два змеевика, вложенных один в другой. При изготовлении водоохлаждаемых элементов сварка применяется только в местах соединения подводящих и отводящих воду трубопроводов за пределами кожуха электропечи.

Известны разработки, в которых основные сплошные панели (типа TW-2000) с целью создания благоприятных условий формирования на их поверхности теплоизолирующего слоя гарнисажа, оснащены дополнительными фронтальными змеевиками с независимым контуром охлаждения (рис.3).

водоохлаждаемая панель, змеевик, дсп, Danieli

Рис.3. Трубчатая водоохлаждаемая панель с фронтальным змеевиком ДСП-120 «Danieli»

Такой подход за счет формирования на поверхности основной панели утолщенного слоя гарнисажа позволяет в 2,3-2,7 раза сократить площадь поверхности труб, которые подвержены прямому воздействию излучения в рабочем пространстве печи. При этом, как показывает практика, в случае прогара фронтального водоохлаждаемого элемента его можно отключить, а тыльную часть панели продолжать эксплуатировать.

Отличительными особенностями водоохлаждаемых панелей с дополнительным змеевиком являются:

  • обеспечение благоприятных условий для закрепления гарнисажа на трубах фронтального ряда и между ними;
  • высокая стойкость за счет снижения термических напряжений благодаря гибкости и цельности конструкции фронтального ряда.

К основным недостаткам водоохлаждаемых панелей с дополнительным фронтальным элементом следует, прежде всего, отнести:

  • повышенную металлоемкость и, следовательно, их стоимость;
  • уменьшение на 5 - 10% объема рабочего пространства ДСП;
  • увеличение, в определенных условиях, расхода охлаждающей жидкости из-за наличия дополнительного контура.

Водоохлаждаемый свод электропечи (рис. 4) устанавливается на кожух и изолирует сверху рабочее пространство печи. Свод ДСП состоит из центральной и периферийной частей. Центральная огнеупорная часть выполняется, как правило, из высокоглиноземистого кирпича или жаропрочного бетона и может иметь круглую или дельтовидную форму.

свод, водоохлаждаемый, дсп

Рис. 4. Общий вид водоохлаждаемого свода ДСП - 120

Огнеупорная футеровка центральной части опирается на кольцо малого свода, представляющее собой водоохлаждаемую трубчатую конструкцию, которая обеспечивает быструю замену огнеупорной центральной части.

В полностью водоохлаждаемой периферийной части свода предусмотрены отверстия для патрубка газоотсоса и подачи шлакообразующих материалов. Основной несущей конструкцией свода является водоохлаждаемый каркас-коллектор, который представляет собой сварную металлоконструкцию в виде опорной рамы для крепления водоохлаждаемых панелей. Внутреннее и наружное концентрически расположенные кольца каркаса соединены между собой трубчатыми спицами. Внутреннее кольцо располагают выше наружного, таким образом, чтобы панели были расположены наклонно. Во внутреннее кольцо устанавливается центральная часть свода.

Панели могут быть ошипованы с рабочей стороны и иметь сплошную или разреженную укладку труб. В последнем случае зазоры между трубами закрывают стальной полосой.

Патрубок газоотсоса выполнен из продольно закрепленных между собой водоохлаждаемых труб с плоским водоохлаждаемым фланцем. Стыковку патрубка со сводом осуществляют с помощью дополнительного водоохлаждаемого кольца.

Многолетняя практика эксплуатации водоохлаждаемых сводов дуговых сталеплавильных печей различной вместимости свидетельствует о том, что слабым звеном его конструкции является центральная огнеупорная часть, так как она имеет низкую механическую прочность и подвержена высоким термическим нагрузкам.

По мере износа огнеупорной части свода увеличиваются электродные зазоры, что приводит к значительному повышению количества неорганизованных пылегазовых выбросов из рабочего пространства.

Опыт эксплуатации полностью водоохлаждаемого свода в электросталеплавильном цехе ОАО «Донецкий металлургический завод» на двух дуговых сталеплавильных печах ДСП-100Н3А показал высокую надежность и эффективность такого решения - полное исключение применения огнеупоров для футеровки свода.

Опорная конструкция современной дуговой сталеплавильной печи претерпела незначительные изменения и представляет собой стальную сварную конструкцию, на верхней горизонтальной раме (платформе) которой установлен корпус печи и, как правило, роликовый венец системы поворота свода и электродов.

Платформа опирается на два (иногда три) опорных сегмента, которые имеют меньшую в сравнении с классической печью высоту, так как угол наклона печи для полного выпуска уменьшился с 45 до 15o. Для обеспечения скачивания шлака через порог рабочего окна угол наклона печи не изменился и составляет около 10 - 12°. Максимальная плавность и быстродействие механизма наклона печи достигается за счет применения гидравлического привода. Давление рабочей жидкости в гидросистеме, которое составляет около 13 МПа, создают специальной насосной станцией с гидроаккумуляторами, входящей в состав комплекта оборудования печи. Наклон печи со скоростью 0,5-3,5 град./сек выполняется при помощи двух цилиндров двойного действия. Конструкция люльки предусматривает необходимое смещение осевой линии печи для того, чтобы иметь возможность, в случае падения давления в гидросистеме, уравновесить оборудование в горизонтальном положении.

Подъемно-поворотная система свода и электродов. Раскрытие рабочего пространства ДСП для загрузки шихты бадьями проводится путем подъема и поворота свода с электродами.

Опора электрододержателей (рис. 5) современных печей имеет в поперечном сечении цилиндрическую форму размещает механизм подъема и поворота свода, а также электродов и может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Поворот осуществляется в роликовом венце опорной конструкции ДСП.

электрододержатель, корпус, механизм подъема, свод

Рис. 5. Опора электрододержателей с корпусом механизма подъема свода

Механизм подъема свода смонтирован с наружной стороны опоры электрододержателей и выполняется в виде:

  • полупортала с механизмом подъема свода;
  • подъёмного штока, который приводится в действие при помощи гидравлического цилиндра и при движении вверх входит в гнездо консоли свода печи.

Второй вариант конструктивного исполнения ДСП позволяет отказаться от достаточно массивного узла – полупортала печи. Своды современных печей, к примеру, конструкции компаний «SMS Demag», «KSK» и «Danieli» оснащены сводовой консолью коробчатого типа, изготовленной из листовой стали. К консоли с помощью фланцев на болтовом соединении закрепляется гнездо, в которое входит шток гидроцилиндра подъема свода. Для самоцентрирования штока при сочленении с гнездом верхняя часть штока имеет коническую форму.

Беспортальная конструкция ДСП допускает индивидуальное вращение электрододержателей, что позволяет:

  • благодаря оснащению штока механизмом вращения минимизировать величину угла поворота электродов, чтобы избежать чрезмерного скручивания гирлянды короткой сети (рис. 6);
  • сократить простои при замене свода и его огнеупорной части (продолжительность менее 15 и 30 мин соответственно).

Колонны электрододержателей имеют круглое или коробчатое сечение и установлены в направляющих роликах. Гидроцилиндры подъёма электродов находятся внутри колонн. Технологическая скорость перемещения электродов составляет около 120, форсажная – 300 мм/с.

Таблица. Техническая характеристика подъемно-поворотной системы свода и электродов

подъемно-поворотная система, свод, электрод

Токопроводящие электрододержатели современной ДСП выполняют в виде коробчатого профиля из плакированой медью листовой стали либо из алюминия. Электрическая изоляция в этом случае располагается только на подушке колонны электрододержателя. Такая конструкция обладает повышенной надежностью и исключает необходимость постоянного контроля состояния изоляции между трубошиной и рукавом электрододержателя.

механизм подъема, свод, беспортальная дсп

Рис. 6. Схема работы механизма подъема и поворота свода беспортальной ДСП

Зажим электрода и его освобождение производится пружинно-гидравлическим механизмом, состоящим из тарельчатых пружин, гидроцилиндра и прижимного хомута. Взаимное расположение токопроводящих рукавов электрододержателей выполняется триангулированным или копланарным с петлей симметрии. Как показывает практика эксплуатации ДСП последняя схема менее надежна в работе.

При возрастающей силе тока в цепи ДСП условие теплового равновесия выделяемого и отдаваемого (в результате теплоотдачи с боковой поверхности электрода) тепла не соблюдается вследствие ограниченных возможностей увеличения диаметра и электропроводности электрода. В ходе плавки электроды нагреваются выше температуры начала интенсивного окисления графита воздухом. Для охлаждения графитированных электродов наибольшее распространение получили устройства спрейерного охлаждения, когда с головки электрододержателя подается вода и по поверхности электрода стекает до уровня свода печи. Система отличается простотой конструкции, возможностью поддержания стабильных параметров охлаждения и позволяет уменьшить нагрев и окисление графитированных электродов. Принято считать, что в результате охлаждения угар боковой поверхности электрода уменьшается, что позволяет достичь 30% экономии. Система спрейерного охлаждения электродов встроена в рукава электрододержателей. Ориентировочные габаритные размеры дуговых электропечей вместимостью от 50 до 180 т типового ряда компании «Danieli» представлены в табл. 2.

дсп, габаритные размеры, сталеплавильная печь

Рис. 7. Габаритные размеры современной дуговой сталеплавильной печи (к табл. 2).

Таблица 2. Габаритные размеры дуговых сталеплавильных печей

дсп, габаритные размеры, сталеплавильная печь

Система эвакуации и очистки печного газа. Традиционная схема предполагает отсос газов из печи через отверстие в своде. В этом случае наибольшее разряжение создается в зоне сводового патрубка, в то время когда в других зонах имеет место небольшое избыточное давление. Стремление устранить неорганизованные выбросы приводит к увеличению локальных скоростей газового потока по кратчайшему пути от рабочего окна и неплотностей к сводовому отверстию, при этом возрастают потери материалов в систему газоочистки и угар электродов в результате подсоса воздуха.

Снижение выноса пыли в систему газоочистки может быть обеспечено путем изменения конструкции дуговой печи и в частности свода. Изменение системы газоотсоса позволяет снизить скорость печных газов, что должно способствовать уменьшению выноса крупных частиц в систему газоочистки и подсоса воздуха через неплотности печи. Так, в печи «Danieli» была опробована конфигурация свода «циклонного» типа с тангенциальной системой отсоса печных газов, а на 100-т ДСП ОАО «Донецкий металлургический завод» проверена идея распределения газоотсоса по всей поверхности свода [119]. Стоит отметить, что своды такой конструкции имеют большую водоохлаждаемую поверхность и в процессе эксплуатации из-за образования гарнисажа их масса существенно возрастает, что в свою очередь может вызывать дополнительный износ и поломки механизмов печи.

Водоохлаждаемый газоход. Для обеспечения надежной работы тканевых фильтров газоочистки необходимо соблюдение следующих условий:

  • гарантированная температура дымовых газов перед рукавным фильтром в момент пиковой нагрузки (ниже 100-130°С);
  • низкая точка росы дымовых газов и, как следствие, исключение увлажнения фильтрующих элементов.

Соблюдение вышеприведенных условий обеспечивается за счет применения водоохлаждаемого газохода, который устанавливают на участке между сводовым патрубком и неохлаждаемой частью дымового тракта.

Водоохлаждаемый газоход предназначен для отвода печных газов, образующихся в рабочем пространстве дуговой сталеплавильной печи, к системе фильтров газоочистки. Водоохлаждаемый газоход представляет собой канал круглого сечения, образованный водоохлаждаемыми элементами (табл. 3). По мере прохождения печных газов по каналу газохода происходит их охлаждение и грубая очистка (от крупных частиц пыли).

Таблица 3. Технические данные водоохлаждаемого газохода ДСП-50

технические данные, газоход, дсп

Основными водоохлаждаемыми элементами газохода являются:

  • скользящий патрубок газохода, оснащенный механизмом оперативного регулирования подсоса воздуха в зазор между сводовым патрубком;
  • камера осаждения пыли, состоящая из крышки и собственно камеры осаждения пыли, которая предназначена для улавливания, накопления и удаления из рабочего пространства газохода крупных частиц, содержащихся в дымовых газах;
  • водоохлаждаемые участки газохода, размер и форма которых определяется теплонапряженностью и направлением отвода печных газов.
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ