Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Исходя из назначения и условий  работы футеровки подины и откосов, к ней можно предъявить ряд  требований. Рабочий слой подины, непосредственно  контактирующий с металлом и шлаком, должен обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, противостоять химическому  и механическому воздействию  металла и шлака. Подина в целом  должна быть достаточно механически  прочной, чтобы воспринимать механические удары при загрузке шихты, и обладать большим тепловым сопротивлением.

Стены. Температурные условия работы внутренней поверхности стен особенно тяжелы, так как в отдельные периоды плавки температура некоторых участков стен может превысить огнеупорность материала, а при открывании рабочего пространства и загрузке шихты стены быстро охлаждаются. Скорость изменения температуры внутренней поверхности стен может достигать, как уже отмечалось, 10 ООО °С/ч, что создает значительные термические напряжения в футеровке.

В связи с этим внутренний слой футеровки должен быть выполнен так, чтобы ему были свойственны высокая  огнеупорность и термостойкость, низкий коэффициент теплового расширения и высокий коэффициент температуропроводности, а для получения большого теплового  сопротивления футеровка стен печи должна быть хорошо теплоизолированной с внешней стороны.

В особо тяжелых температурных  условиях работает нижний пояс футеровки  стен шириной 300—400 мм, находящийся  под прямым излучением дуг переменного  тока и воспринимающий нагрузку от верхних слоев кладки стен. Поэтому  нижнюю часть стен следует выполнять  из особо огнеупорных материалов, или в крайнем случае, делать ее достаточно большой толщины.

Свод. Свод является наименее долговечной частью футеровки дуговых печей. Как и футеровка стен, свод испытывает значительные температурные колебания. По ходу плавки свод может прямо воспринимать излучение выдуваемых из-под электродов дуг, а также поглощать отражаемое шлаком и футеровкой печи излучение. В результате температура свода, особенно его центральной части, может превысить огнеупорность материала, и свод может подплавляться. Особенно часто под плавление свода происходит при работе с очень жидкими шлаками, обладающими большой отражательной способностью.

При открывании рабочего пространства и отвороте сводового кольца его  излучение воспринимается холодными  элементами конструкции печи, и свод быстро остывает. Это вызывает появление  больших термических напряжений, приводящих к скалыванию свода.

Свод постоянно испытывает сжимающую нагрузку от распора, что  снижает температуру начала его  деформации. Выбивающиеся из печи раскаленные  газы содержат много пыли, которая  оседает на своде и при высокой  температуре может вызвать его  химическое разрушение. Исходя из особенностей службы огнеупоров в сводах дуговых  печей, к ним можно предъявить ряд особых требований. Эти огнеупоры  должны характеризоваться высокой  огнеупорностью, термостойкостью, химической стойкостью по отношению к плавильной пыли, большим тепловым и электрическим  сопротивлением. Последнее вытекает из того, что при недостаточном  электрическом сопротивлении материала  свода электрическая цепь между  фазами может частично замкнуться по своду. Это может привести к возникновению  электрических дуг между сводом и водоохлаждаемыми элементами уплотнений электродов в своде, прогоранию водяной  рубашки и попаданию в печь воды. 

Кладка рабочего пространства, футеровка печи

Изготовление футеровки новой  печи начинают с подины. Подина печи состоит, как правило, из трех слоев: верхнего набивного, образующего после  спекания монолитную массу, кирпичной  кладки, являющейся основанием для  набойки, и теплоизоляционного слоя. Возможна работа печи и без набивного  слоя, но при этом толщина кирпичной  кладки должна быть увеличена.

На большинстве электропечей общая  толщина футеровки подины равна  максимальной глубине ванны. На печах, оборудованных располагаемым под  днищем механизмом электромагнитного  перемешивания металла, толщину  подины уменьшают, что улучшает магнитную  связь между ванной и перемешивающим устройством, позволяет уменьшить  мощность перемешивающего устройства, его стоимость и расход электроэнергии. Но выигрыш в стоимости перемешивающего  устройства по мере уменьшения толщины  подины уменьшается, а опасность  прорыва металла через подину увеличивается; при этом быстро возрастают и тепловые потери через подину. Поэтому на печах, оборудованных  электромагнитным перемешивающим устройством, толщину подины целесообразно принимать  равной 70—80% от глубины ванны.

Толщина огнеупорной футеровки  по центру 100-т дуговой печи , оборудованной механизмом электромагнитного перемешивания, составляет 800—900 мм .

Рис.1 Футеровка дуговой печи

На металлическое днище укладывают изоляционный слой футеровки, состоящий  из листового асбеста толщиной около 20 мм, шамотного порошка и двух рядов на плашку шамотного кирпича. Для перекрытия швов кладки подины каждый последующий ряд кирпича  разворачивают на 45° по отношению  к нижележащему. Магнезитовую кладку подины выполняют из пяти-шести рядов кирпича марки М-91, уложенного на ребро. Швы между кирпичами засыпают сухим подогретым магнезитовым порошком крупностью

На ряде заводов футеровку подины ведут «елочкой» от центра дуговой  печи к периферии. Для уплотнения кладки и хорошего заполнения швов после каждого ряда кирпичи тщательно  простукивают деревянными молотками. Между кладкой подины и изоляцией  стенок кожуха оставляют температурный  зазор 70—80 мм, который засыпают порошкообразным  асбестом 5, 6. Откосы выкладывают прямым и клиновым кирпичом 7, 8 марки М-91 или МП-91. 

До недавнего времени рабочую  часть подины (150—200 мм) набивали из смоломагнезитовой массы, которую  готовили из мелкозернистого магнезитового  порошка (крупность зерен до 2 мм) и каменноугольной смолы с  содержанием влаги не более 0,4%. Для  обезвоживания смолу предварительно кипятили в течение суток, после  чего в нее добавляли 10% каменноугольного песка. Перед замешиванием магнезитовый порошок подогревали до 80—100° С и добавляли в него 10—12% смеси смолы с песком. Набивку вели слоями не более 50 мм при помощи пневматических трамбовок. Такой трудоемкий и длительный (2—3 суток) способ изготовления набивной подины еще сохранился на некоторых предприятиях и в настоящее время.

В 1961—1962 гг. был опробован и внедрен  способ набивки подины, заключающийся  в следующем. Магнезитовый порошок  марки МПП-85 (зерновой состав: фракции  мельче 0,1 мм 15—25%, З-т-6 мм 10—30% и крупнее 6 мм — не более 3%) увлажняют водным раствором жидкого стекла. Полусухой массой заполняют уступы в кирпичной кладке, затем ее наносят на подину слоями толщиной 50 мм и трамбуют пневматическими молотками.

На 100-т дуговых сталеплавильных  печах Челябинского металлургического  завода подину набивают вообще сухим  порошком марки МПП-85 в один прием (масса порошка ~12 т). Плотность набивной подины и откосов проверяют металлическим  стержнем диаметром 5 мм, который при  нажатии рукой должен входить  на глубину не более 10мм.

По окончании набивки подины и откосов по всей сферической  ванне укладывают листовое железо, предохраняющее набивной слой от разрушения при первой завалке шихты и  способствующее лучшей свариваемости  набивного слоя на первой плавке. Стойкость  подины, изготовленной таким способом, оказалась вполне удовлетворительной, а продолжительность набивки  сократилась до 8 ч против 2— 3 суток  при набивке смоломагнезитовой  массой.

Футеровку стен также,  как правило, выполняют из двух слоев — защитного и рабочего. Защитный ряд 100-т печи от кожуха выкладывают хромомагнезитовым кирпичом толщиной 115 мм в перевязку от последнего ряда откосов до песочного затвора свода. На откос шириной 570 мм насыпают магнезитовую прослойку 20—30 мм из набивной массы или мелкого заправочного магнезитового порошка на жидком стекле.

Кладку рабочего слоя из кирпича марок ПШСП, МХСП или ПШСО, МХСО начинают с выпускного отверстия  и ведут к завалочному окну, а верхние два ряда кладут в  обратном направлении. Выпускное отверстие  выкладывают размером 350—450 мм; столбики у завалочного окна выкладывают  в перевязку до упора в арку. Каждый ряд кладки стен просыпают  мелкозернистым магнезитовым порошком. 

Огнеупоры для  футеровки дуговых печей

Так как огнеупорных материалов, в которых сочетаются одновременно все требуемые свойства, не существует, то футеровку дуговых печей приходится изготовлять состоящей из нескольких слоев, выполняющих те или иные функции. Это приводит к тому, что в футеровке  дуговых печей используют разнообразные  огнеупорные материалы, обладающие разными свойствами и используемые для разных целей.

В зависимости от технологического процесса футеровку дуговых печей можно выполнять из кислых или основных огнеупорных материалов.

Для изготовления кислой футеровки  используют кварцит и изделия  из него(динас) с содержанием основного компонента (SiO₂) в количестве 95—97%. При изготовлении динасового кирпича в качестве связующего материала применяют известковый раствор (2,0— 2,2%) и раствор сульфитного щелока или патоки.

Для футеровки печей с основной кладкой применяют материалы  и изделия из магнезитового порошка  с добавлением бедной хромистой  и железной руды. На ряде заводов  в качестве огнеупорного материала  для футеровки электропечей применяют  доломит и изделия из него.

На отечественных заводах для  изготовления основной футеровки используют главным образом магнезитовый порошок. Качество его зависит от химического  и гранулометрического состава, а также плотности, позволяющей  судить о степени обжига порошка.

Содержание примесей в магнезитовых порошках, используемых для набивки  подин и заправки откосов электропечей, не превышает по СаО 2,5—4,0% „ по SiO₂ 4,0—5,0%; потери при прокаливании находятся в пределах 0,6—0,8%. Зерновой состав указанных порошков должен быть в следующих пределах: мельче 0,5 мм — не более 60%, мельче 1 мм — не более 80%.

Для кладки сводов используют высокоогнеупорные  обожженные магнезитохромитовые изделия, изготавливаемые из магнезитового  порошка и хромовой руды. Изделия  прессуют под большим давлением  и подвергают высокотемпературному обжигу при температуре

Высокоогнеупорные магнезитохромитовые  изделия подразделяют на следующие  марки: 
ПШСП — периклазошпинелидные магнезитохромитовые плотные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте; 
МХСП — магнезитохромитовые плотные с крупнозернистым хромитом в шихте; 
ПШСО — периклазошпинелидные магнезитохромитовые обычные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте; 
МХСО — магнезитохромитовые обычные с крупнозернистой хромовой рудой в шихте.

Основной составляющей (65—70%) этих изделий является окись магния. Содержание хромовой руды в зависимости от марки  кирпича находится в пределах 7—18% при применении кимперсайской  руды и в пределах 5—12% при применении сарановской руды.

Плотные изделия (ПШСП и МХСП) предназначены  для изготовления работающих в особо  тяжелых условиях сводов электропечей емкостью более 40 т. Обычные изделия (ПШСО и МХСО) могут быть использованы для изготовления сводов дуговых  печей меньшей емкости.

Изделия указанных марок изготавливают  в виде прямого и пятового кирпичей. Длина прямого кирпича (и, следовательно, толщина свода) составляет 230, 300, 380, 460 и 520 мм.

Для кладки стен и изготовления сводов электропечей малой и средней  емкости применяют высокоогнеупорные  хромомагнезитовые изделия огнеупорностью не ниже 2000° С, изготавливаемые из хромита и спекшегося магнезита. Содержание основных компонентов в этих изделиях (кирпичах) должно быть в следующих пределах: окиси магния не менее 42%, окиси хрома не менее 15%.

Кладку подин и откосов выполняют  из магнезитовых (периклазовых) изделий огнеупорностью выше 2000° С, изготовляемых прессованием из обожженного до спекания магнезита. Магнезитовые изделия подразделяют в зависимости от химического состава на три марки: М-91 (магнезитовые изделия обычной плотности, предназначаемые для кладки подин и откосов электросталеплавильных печей ниже уровня шлака), МП-91 (изделия плотные, предназначаемые главным образом для кладки откосов в районе шлакового пояса), МП-89 (плотные изделия, используемые для кладки футеровки электропечей в исключительных случаях).

Для тепловой изоляции подины и стен, а также для футеровки сливного желоба используют шамотный кирпич, который  обладает низкой теплопроводностью  и высокой термостойкостью. Вследствие низкой огнеупорности (1680—1730° С) шамотный кирпич нельзя использовать для изготовления рабочего слоя футеровки, но вследствие высокой термостойкости его широко применяют для футеровки сталеразливочных ковшей и сталеразливочного припаса.

Шамотные изделия обычно содержат 60—62% Si02 и 35—37% Al₂O₃. Изготавливают их методом пластической формовки или полусухого прессования, причем метод полусухого прессования сейчас преобладает. В футеровке для тепловой изоляции применяют также асбест, порошок шамота и другие теплоизоляционные материалы. 

Механическое  оборудование дуговых печей

Работающие в настоящее время  на металлургических и машиностроительных заводах дуговые сталеплавильные  электропечи даже одинаковой емкости  довольно часто существенно отличаются друг от друга. Эти отличия обусловлены  разным способом загрузки шихты, различной  системой опор печи на фундамент, применением  разных способов открывания рабочего пространства для загрузки шихты, неодинаковым расположением и использованием разнотипных механизмов и другими  особенностями.

Основным фактором, определяющим главные конструктивные особенности  печи, является способ загрузки металлического лома. Существуют два способа загрузки шихты: через рабочее окно мульдами и сверху через открытый свод загрузочными корзинами (бадьями). Загрузка сверху имеет ряд преимуществ, поэтому все современные печи приспособлены для загрузки шихты сверху. Мульдовая загрузка сохранилась на некоторых заводах в старых цехах. Способ загрузки в определенной степени влияет на выбор системы опор дуговой печи на фундамент.

Конструкция кожуха и сводового  кольца дуговой печи

Кожух (каркас) печи служит для поддержания  огнеупорной футеровки и крепления  различных механизмов. Кожух 100-т  печи изготавливают сварным из листовой стали марки Ст 3 (толщина листа 32—40 мм) и усиливают вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости. Верхнюю часть кожуха выполняют цилиндрической, нижнюю — в виде усеченного конуса.

К верхней цилиндрической части  каркаса печи приварено литое  кольцо желобчатого типа, которое  одновременно играет роль жесткой конструкции  и служит песочным затвором печи. Подобная конструкция каркаса печи позволяет  передавать нагрузку от силы тяжести  свода не на кирпичные стены, а  на металлический кожух.

Для удобства изготовления, транспортировки  и монтажа каркас печи выполняют  разъемным по вертикали и горизонтали. Горизонтальный разъем кожуха делают на уровне порога рабочего окна. Составные части кожуха в процессе монтажа соединяют между собой по горизонтальному разъему пальцами с клиньями, что позволяет легко отсоединять и снимать верхнюю часть кожуха во время ремонта футеровки стен. Составные части кожуха по вертикали (две полустенки) соединяют болтами с накладками.