Электродуговые печи постоянного тока

В последнее время в мире значительное внимание уделяется созданию и внедрению в производство дуговых печей постоянного тока (ДППТ). Как было показано выше, основной объем электростали выплавляется в дуговых печах переменного тока, но они имеют недостатки, затрудняющие их эксплуатацию. К ним относятся: высокий уровень шума при работе, сильная запыленность и загазованность, кроме того ДСП являются источником интенивных помех в питающих энергосистемах. Устранить эти недостатки и призваны ДППТ.

Эти печи имеют аналогичные ДСП по конструкции кожух, свод, механизмы наклона печи и перемещения электрода, одинаковую схему загрузки шихты и выпуска металла, требования к качеству шихтовых материалов. Отличие состоит в том, что ДППТ имеет один вертикально расположенный сводовый электрод, закрепленный в корпусе электродержателя и введенный внутрь печи через отверстие в центре свода.

Важнейшим элементом ДППТ является конструкция токоподвода к шихте. Для этого используется или токопроводящая подина с металлическими элементами, или один (несколько) стержневых подовых электродов. В России ДППТ имеют стержневые водоохлаждаемые подовые электроды, геометрические размеры которых рассчитываются с помощью математического моделирования с учетом движения жидкого металла под действием электромагнитных сил.

Питание печи производится от источника постоянного тока, отрицательный полюс которого соединен со сводовым электродом, а положительный – с подовым электродом. Источник питания находится в специальном помещении, которое иногда располагается на значительном расстоянии от печи (десятки и даже сотни метров), и представляет собой комплект электрооборудования, включающий силовой трансформатор, преобразователь, реактор постоянного тока и теплообменник (при водяном охлаждении преобразователя).

В процессе плавки ток дуги проходит по всей глубине ванны, взаимодействует с собственным магнитным полем, создавая электромагнитные силы. Эти силы вызывают направленное движение и перемешивание металла.

При плавке ДППТ испаряется намного меньше металла и шлака, образуется в 6 - 8 раз меньше пыли, поэтому в ней можно плавить металлы и сплавы с относительно низкой температурой плавления.

Кроме перечисленных, ДППТ обладают и другими преимуществами по сравнению с ДСП: сокращается расход графитированных электродов (до 0,8 - 1,5 кг/1т); повышается выход годного металла за счет снижения угара на 3 – 4 %; снижается расход ферросплавов на 15 – 20 %; за счет уменьшения пылевыбросов снижаются затраты на газоочистку; на 15 дБ падает уровень шума; стабилизируется электрический режим; возможно электромагнитное перемешивание жидкого металла.

1.4.4.Разливка стали

Выплавленную в мартеновской печи, конвертере или дуговой печи сталь выпускают в сталеразливочные ковши. Затем ее разливают по изложницам, в которых она затвердевает в форме слитков, или на машине непрерывной разливки стали (МНРС). Слиток является конечной продукцией сталеплавильного цеха и направляется в прокатные кузнечные цехи для дальнейшего передела в сортовой прокат. Разливка представляет собой важнейшую стадию сталеплавильного производства. Существует три способа разливки: сверху, сифоном и на МНРС.

Разливка стали сверху. Такой способ используют, в основном, для разливки мартеновской и конвертерной стали в слитки массой до 25 т для прокатки на станах и в кузнечные слитки массой до 300 т. Сталь из ковша разливается в одну, а при наличии двух стопоров (отверстия в днище) в ковше сразу в две изложницы – высокие, чаще всего чугунные емкости. Отверстие перекрывают и с помощью крана передвигают ковш к следующей изложнице. Операцию повторяют столько раз, сколько нужно для разливки всей плавки.

Иногда разливку производят через промежуточную емкость, которую устанавливают между ковшом и изложницами. Эта емкость имеет два-четыре стопора и позволяет одновременно наполнять четыре изложницы, что значительно ускоряет процесс разливки.

Разливка стали сифоном. Изложницы наполняют снизу по принципу сообщающихся сосудов, направляя струю металла не в изложницу, а в специальную центровую трубу, от которой в поддоне расходятся каналы к 2-4-6-8 изложницам. Каналы, как и центровую трубу изнутри футеруют плотно состыкованными огнеупорными изделиями – проводками, имеющими снаружи форму канала поддона, а внутри круглый канал для течения стали. После наполнения всех изложниц данного куста стопор ковша закрывают и перевозят ковш на следующий поддон. Сифоном производят разливку почти всех качественных и легированных сталей.

Сравнение этих двух способов разливки стали показывает, что разливка сверху имеет следующие преимущества перед разливкой сифоном: 1) простую подготовку оборудования; 2) отсутствие расхода металла на литники (металл, застывший в каналах сифонной проводки и в центровой, который приходится отправлять снова в переплавку).

После разливки металл остывает в изложнице неравномерно: сначала у холодных ее стенок, затем по направлению к центру изложницы. Застывая, сталь кристаллизуется, и объем ее уменьшается. В каждом слитке появляется неправильной формы пустота – усадочная раковина. В окружающей ее рыхлой части концентрируются все загрязнения: кристаллизующийся металл постепенно выталкивает сюда все, что мешает образованию правильных кристаллов – частички шлака, огнеупорных материалов и другие примеси. Газовые пузырьки скапливаются в свободном пространстве. Эту часть слитка (прибыль) сразу же удаляют и пускают в переплав.

Стремясь уменьшить эти потери, сверху на изложницы устанавливают надставки, утепленные огнеупорным материалом, они задерживают остывание металла в процессе кристаллизации. Надставку не только утепляют, но и обогревают. Иногда вводят специальные экзотермические добавки.

Для защиты стали от окисления используют различные методы. Например, разливку дорогих, легированных сталей производят в атмосфере аргона: либо всю изложницу помещают в камере, наполняемой аргоном, либо струю аргона подают так, чтобы она окружала струю стали и наполняла внутреннюю полость изложницы. Очень эффективна разливка под слоем жидкого шлака. При этом перед началом разливки в изложницу кладут брикет или порошок, состоящий из марганцевой руды, селитры, алюминия, магния, плавикого шпата, доменного шлака.

При заполнении изложниц сталью брикет плавится, а его горючие составляющие возгораются, поверхность слитка сверху и по стенкам изложницы покрывается слоем жидкого шлака, газообразные продукты сгорания оттесняют воздух из изложницы.

Кроме того, сгорание смеси дает дополнительное тепло, которое обеспечивает необходимую скорость затвердевания прибыльной части. Этот способ значительно улучшает качество поверхности слитка, уменьшаются брак слитка и проката, отходы стали при зачистке слитков.

Непрерывная разливка стали. Скачком в сталеплавильном производстве, особенно в последние два десятилетия ХХ века, явилось широкое применение непрерывной разливки стали (НРС). Если в 1970 г. в мире непрерывным способом разливали 4,3 %, то в 1998 г. уже 83,3 % всей стали. Некоторые обобщенные данные по доле непрерывной разливки в промышленно развитых странах, в бывшем СССР, в России и в мире приведены ниже, млн. т/% к общему объему:

	1985 г.	1998 г.
Промышленно развитые страны	257,4/68,8	385,7/96,2
Страны бывшего СССР	20,9/13,5	29,9/40,2
Россия	15,5/17,5	22,6/51,7
В мире	332,8/46,3	646,6/83,3

В России внедрение НРС идет медленнее, чем в мире, по ряду причин:

• структура сталеплавильного производства (в мартеновских цехах установка НРС практически исключается);

• преимущественное использование машин непрерывной разливки (МНРС) вертикального типа.

В недрение этого способа было направлено на снижение затрат материалов и энергии, улучшение экологической ситуации и условий труда, повышение качества продукции.

МНРС отлично вписываются в технологический цикл современных конвертерных и электросталеплавильных цехов, создавая условия для совмещения разливки и прокатки металла в единые литейно-прокатные комплексы.

Идея непрерывной разливки стали была сформулирована в середине прошлого столетия, а первое промышленное воплощение получила в нашей стране. В научно-производственном объединении «Тулачермет» начала работать первая в мире установка непрерывной разливки стали (УНРС). Высота установки определялась скоростью затвердевания металла, а первые УНРС были либо многоэтажными башнями, либо шахтами, зарытыми глубоко в землю. Это было очень неудобно.

Раньше слиток, освобожденный из изложницы, необходимо было обжать до определенных размеров, только после этого становилась возможной дальнейшая его деформация. Для обжатия только что остывший слиток снова нагревали, но уже в прокатных цехах, куда стремятся его доставить как можно быстрее. А МНРС сразу дает заготовку разнообразных сечений – и квадратную, и прямоугольную, и круглую, и, если это нужно, даже полую. Появились непрерывнолитые заготовки и для получения прутков, катанки, балок, труб. Необходимость в мощных обжимных станах, в нагреве слитка перед подачей на эти станы отпала.

На многих заводах всю сталь разливают на МНРС. Парк изложниц, все операции по их подготовке и изготовлению (изложница недолговечна: после 15 - 20 наливов ее приходится отправлять в переплав), процессы, связанные с изготовлением и подготовкой поддонов, центровых, разливочных тележек, сифонного припаса, на этих заводах отсутствуют вместе со стрипперными отделениями с мощными кранами, где слиток «раздевают», снимая с него изложницу. НРС предусмотрена на всех вновь строящихся цехах и предприятиях.

М НРС бывают вертикального, радиального и криволинейного типа (рис. 37 и 38).

Сталь из разливочного ковша поступает в промежуточную емкость, которая имеет один или два стопора для одновременной заливки одного или двух кристаллизаторов. Промежуточное устройство позволяет точно регулировать скорость заливки стали, отделяет шлак и т.д. Ниже промежуточного устройства расположен медный водоохлаждаемый кристаллизатор, внутренняя форма которого соответствует форме получаемой стальной заготовки. Кристаллизатор обеспечивает оптимальный отвод тепла и однородную толщину корочки слитка.

Высота кристаллизатора определяется условиями образования достаточно прочной корочки образующегося слитка и усилиями по его вытягиванию, необходимыми для преодоления сил трения (обычно она составляет 700-800 мм). Перед началом разливки в кристаллизатор вводят стальную штангу-затравку, конец которой имеет головку в виде ласточкина хвоста. Образующийся в кристаллизаторе слиток сцепляется с головкой затравки и вытягивается вниз –тянущими клетями.

После выхода из кристаллизатора слиток имеет жидкую сердцевину длиной 7-8 м. Для ее затвердевания слиток направляется в зону вторичного охлаждения, которая состоит из водяных брызгал с интенсивной подачей мелкораздробленных водяных струй и опорных роликов. Ролики препятствуют деформации заготовки и ее вспучиванию под действием ферростатического давления жидкой сердцевины.

Из зоны вторичного охлаждения слиток выходит полностью затвердевшим и попадает в тянущие валки, которые обеспечивают заданную скорость вытягивания, в пределах от 0,5 до 8,0 м/мин. Последняя операция – резка заготовки на мерные длины. В зоне резки с помощью кислородных резаков, движущихся вместе со слитком, отрезают мерные заготовки, отправляемые на склад.

Большим недостатком установок вертикального типа является их высота (до 45 м), поэтому более экономическими являются МНРС радиального (высота до 12 м) и криволинейного типа.

Технология НРС постоянно совершенствуется, ведутся разработки новых конструкций кристаллизатора и его оборудования. Параллельно с прогрессом в технологии появляются новые достижения в автоматизации процесса. Мировая практика показывает, что основные тенденции развития НРС направлены на увеличение скорости разливки, расширение сортамента и качества заготовки, снижение затрат.