Электрические печи
СОДЕРЖАНИЕ
Введение |
4 | |
1 |
Виды печей |
6 |
2 |
Основная часть |
8 |
2.1 |
Конструкция печи |
9 |
2.2 |
Описание технологического процесса |
10 |
2.3 |
Характеристика огнеупорных материалов |
13 |
2.4 |
Применение готовой продукции |
14 |
3 |
Расчет теплового баланса печи |
16 |
Заключение |
20 |
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Черная металлургия -
сравнительно молодая отрасль тяжелой
промышленности Казахстана. Она появилась
лишь в годы второй мировой войны
и в настоящее время
В республике развивается и качественная черная металлургия. Она представлена ферросплавными заводами в Актюбинске и Аксу. Первый из них работает на хромитах Хромтау и выпускает феррохром, второй - на привозных кварцитах с Урала и выпускает ферросилиций. Оба завода построены в городах, где имеются крупные тепловые электростанции, так как производство ферросплавов - отрасль энергоемкая.
Структура и состав черной металлургии Казахстана. Черная металлургия формировалась как крупный национальный комплекс по добыче различных видов металлургического сырья и производству черной металлургии.
В отросли достигнут
очень высокий уровень
В составе черной металлургии республики Казахстан имеется пять отраслей:
1) горнорудная;
2) металлургическая;
3) ферросплавная;
4) огнеупорная;
5) ломоперерабатывающая.
В них работают крупные железорудные (Соколовско-Сарбайский, Исаковский, Качарский горнообоготительный комбинат и Атасуйское рудоплавление), хромитовое (Жездинское рудоплавление) предприятия, Карагандинский металлургический комбинат и два ферросплавных завода (Ермаковской и Атасуйский), завод "Казогнеупоры" (г. Рудный) и ПО "Казвторчермет" (г. Алматы).
Территориально предприятия черной металлургии размещены в пяти областях республики (Костанайской, Карагандинской, Актюбинской, Жезказганской и Павлодарской), где имеются месторождения полезных ископаемых и водноэнергитические ресурсы.
Черная металлургия республики имеет значительную минерально-сырьевую базу. Железорудная промышленность, развитие которой было рассчитано на снабжение сырьем Карагандинского, Магнитогорского и Западно-Сибирского металлургических комбинатов обеспечена высококачественными легкообогатительными магнетитовыми рудами.
В республике имеются крупные разведанные запасы высококачественных марганцевых руд. Производство марганцевых ферросплавов в республике станет одной из перспективных экспортных отраслей.
В настоящее время важным источником валютных поступлений республики является добыча и переработка хромовых руд. В данной отросли основными направлениями должны стать замещение экспорта хромовых руд на экспорт хромовых сплавов.
1 ВИДЫ ПЕЧЕЙ
Электрическая печь – плавильная или нагревательная установка (печь), в которой тепловой эффект достигается с помощью электрического тока. Плавильные печи предназначены для получения металлов из руд, в условиях строительства путем переплавки отходов металла. Нагревательные печи применяют для нагрева металлов с целью обжига и сушки, а также для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки, чтобы изменить внутреннее строение и структуру металла.
Различают печи сопротивления, дуговые, индукционные и другие.
В печах сопротивления нагрев расплавляемого металла осуществляется за счет теплоты, выделяемой в нагреваемом материале или в резистивных элементах. Печи сопротивления по способу нагрева подразделяются на печи прямого действия и печи косвенного действия. В печах прямого действия нагрев осуществляется теплом, выделяемым в нагреваемом изделии при прохождении по нему электрического тока. Нагрев материала в печах косвенного действия происходит за счет тепла, выделяемого нагревательными элементами при прохождении по ним электрического тока.
Печи выполняются одно и трехфазными мощностью до 3000 кВт; питание осуществляется током промышленной частоты 50 Гц от сетей 380/220 В или через понижающие трансформаторы от сетей более высокого напряжения. Коэффициент мощности лежит в интервале от 0,8 до 1,0. Большинство печей сопротивления в отношении бесперебойности электроснабжения относится к приемникам электрической энергии 2-й категории.
В дуговой электрической печи используется тепловой эффект электрической дуги. Применяются для плавки черных и цветных металлов. Печь состоит из стального кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом. Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазным переменным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи.
По принципу нагрева делятся на печи прямого и косвенного нагрева. В печи прямого нагрева электрические дуги между электродами зажигаются через расплавляемый металл. В печах косвенного нагрева электрические дуги между электродами горят под днищем печи. Расплавляемый металл нагревается от теплоты внешних электрических дуг.
Дуговые печи включаются в сеть напряжением 6-10 кВ через печной трансформатор с вторичным напряжением до 100 В.
Индукционные печи предназначены для расплавления и перегрева стали. Возможна плавка цветных металлов (бронзы, латуни, алюминия) и их сплавов в графитовом тигле. Индукционная печь работает по принципу трансформатора, у которого первичной обмоткой является водоохлаждаемый индуктор, вторичной и одновременно нагрузкой – находящийся в тигле металл. Нагрев и расплавление металла происходят за счет протекающих в нем индуцированных токов, которые возникают под действием электромагнитного поля, создаваемого индуктором.
2 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Конструкция печи
Устройство дуговых
электропечей. Первая дуговая электропечь в России
была установлена в 1910 г. на Обуховском
заводе. За годы пятилеток были построены
сотни различных печей. Вместимость наиболее
крупной печи в СССР 200 т. Печь состоит
из железного кожуха цилиндрической формы
со сферическим днищем. Внутри кожух имеет
огнеупорную футеровку. Плавильное пространство
печи закрывается съемным сводом.
Печь имеет
рабочее окно и выпускное отверстие со
сливным желобом. Питание печи осуществляется
трехфазным переменным током. Нагрев и
плавление металла осуществляются электрическими
мощными дугами, горящими между концами
трех электродов и металлом, находящимся
в печи. Печь опирается на два опорных
сектора, перекатывающихся по станине.
Наклон печи в сторону выпуска и рабочего
окна осуществляется при помощи реечного
механизма. Перед загрузкой печи свод,
подвешенный на цепях, поднимают к порталу,
затем портал со сводом и электродами
отворачивается в сторону сливного желоба
и печь загружают бадьей.
Механическое оборудование дуговой печи
Кожух печи должен выдерживать нагрузку
от массы огнеупоров и металла. Его делают
сварным из листового железа толщиной
16–50 мм в зависимости от размеров печи.
Форма кожуха определяет профиль рабочего
пространства дуговой электропечи. Наиболее
распространенным в настоящее время является
кожух конической формы. Нижняя часть
кожуха имеет форму цилиндра, верхняя
часть—конусообразная с расширением
кверху. Такая форма кожуха облегчает
заправку печи огнеупорным материалом,
наклонные стены увеличивают стойкость
кладки, так как она дальше расположена
от электрических дуг. Используют также
кожухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми
панелями. Для сохранения правильной цилиндрической
формы кожух усиливается ребрами и кольцами
жесткости. Днище кожуха обычно выполняется
сферическим, что обеспечивает наибольшую
прочность кожуха и минимальную массу
кладки. Днище выполняют из немагнитной
стали для установки под печью электромагнитного
перемешивающего устройства.
Сверху
печь закрыта сводом. Свод набирают из
огнеупорного кирпича в металлическом
водоохлаждаемом сводовом кольце, которое
выдерживает распирающие усилия арочного
сферического свода. В нижней части кольца
имеется выступ – нож, который входит
в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной
кладке свода оставляют три отверстия
для электродов. Диаметр отверстий больше
диаметра электрода, поэтому во время
плавки в зазор устремляются горячие газы,
которые разрушают электрод и выносят
тепло из печи. Для предотвращения этого
на своде устанавливают холодильники
или экономайзеры, служащие для уплотнения
электродных отверстий и для охлаждения
кладки свода. Газодинамические экономайзеры
обеспечивают уплотнение с помощью воздушной
завесы вокруг электрода. В своде имеется
также отверстие для отсоса запыленных
газов и отверстие для кислородной фурмы.
Для загрузки шихты
в печи небольшой емкости и подгрузки
легирующих и флюсов в крупные, печи скачивания
шлака, осмотра, заправки и ремонта печи
имеется загрузочное окно, обрамленное
литой рамой. К раме крепятся направляющие,
по которым скользит заслонка. Заслонку
футеруют огнеупорным кирпичом. Для подъема
заслонки используют пневматический,
гидравлический или электромеханический
привод.
С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диаметром 120-150 мм или квадратным 150 на 250 мм. Сливной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к горизонтали. Изнутри желоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составляет 1-2 м.
Электрододержатели служат для
подвода тока к электродам и для
зажима электродов. Головки электрододержателей
делают из бронзы или стали и охлаждают
водой, так как они сильно нагреваются
как теплом из печи, так и контактными
токами. Электрододержатель должен плотно
зажимать электрод и иметь небольшое контактное
сопротивление. Наиболее распространенным
в настоящее время является пружинно-пневматический
электрододержатель. Зажим электрода
осуществляется при помощи неподвижного
кольца и зажимной плиты, которая прижимается
к электроду пружиной. Обжатие плиты от
электрода и сжатие пружины происходят
при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель
крепится на металлическом рукаве – консоли,
который скрепляется с Г-образной подвижной
стойкой в одну жесткую конструкцию.
Стойка может перемещаться вверх или вниз
внутри неподвижной коробчатой стойки.
Три неподвижные стойки жестко связаны
в одну общую конструкцию, которая покоится
на платформе опорной люльки печи. Перемещение
подвижных телескопических стоек происходит
или с помощью системы тросов и противовесов,
приводимых в движение электродвигателями,
или с помощью гидравлических устройств.
Механизмы перемещения электродов должны
обеспечить быстрый подъем электродов
в случае обвала шихты в процессе плавления,
а также плавное опускание электродов
во избежание их погружения в металл или
ударов о нерасплавившиеся куски шихты.
Скорость подъема электродов составляет
2,5—6,0 м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0
м/мин.
Механизм наклона
печи должен плавно наклонять печь в сторону
выпускного отверстия на угол 40—45° для
выпуска стали и на угол 10—15 градусов
в сторону рабочего окна для спуска шлака.
Станина печи, или люлька, на которой установлен
корпус, опирается на два – четыре опорных
сектора, которые перекатываются по горизонтальным
направляющим. В секторах имеются отверстия,
а в направляющих – зубцы, при помощи которых
предотвращается проскальзывание секторов
при наклоне печи. Наклон печи осуществляется
при помощи рейки и зубчатого механизма
или гидравлическим приводом. Два цилиндра
укреплены на неподвижных опорах фундамента,
а штоки шарнирно связаны с опорными секторами
люльки печи.
Система загрузки
печи бывает двух видов: через завалочное
окно мульдозавалочной машиной и через
верх при помощи бадьи. Загрузку через
окно применяют только на небольших печах.
При загрузке печи
сверху в один-два приема в течение 5 мин
меньше охлаждается футеровка, сокращается
время плавки; уменьшается расход электроэнергии;
эффективнее используется объем печи.
Для загрузки печи свод приподнимают на
150-200 мм над кожухом печи и поворачивают
в сторону вместе с электродами, полностью
открывая рабочее пространство печи для
введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен
к раме. Она соединена с неподвижными стойками
электрододержателей в одну жесткую конструкцию,
покоящуюся на поворотной консоли, которая
укреплена на опорном подшипнике. Крупные
печи имеют поворотную башню, в которой
сосредоточены все механизмы отворота
свода. Башня вращается вокруг шарнира
на катках по дугообразному рельсу. Бадья
представляет собой стальной цилиндр,
диаметр которого меньше диаметра рабочего
пространства печи. Снизу цилиндра имеются
подвижные гибкие сектора, концы которых
стягиваются через кольца тросом. Взвешивание
и загрузка шихты производятся на шихтовом
дворе электросталеплавильного цеха.
Бадья на тележке подается в цех, поднимается
краном и опускается в печь. При помощи
вспомогательного подъема крана трос
выдергивают из проушин секторов и при
подъеме бадьи сектора раскрываются и
шихта вываливается в печь в том порядке,
в каком она была уложена в бадье.
При использовании в качестве шихты металлизованных окатышей загрузка может производиться непрерывно по трубопроводу, который проходит в отверстие в своде печи.
Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий металл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол в 80°. При этом электроды прорезают в шихте уже девять колодцев. Для поворота корпуса приподнимают свод, поднимают электроды выше уровня шихты и поворачивают корпус при помощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики.
Футеровка печей
Большинство дуговых печей имеет основную футеровку, состоящую из материалов на основе MgO. Футеровка печи создает ванну для металла и играет роль теплоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла. Основные части футеровки – подина печи, стены, свод. Температура в зоне электрических дуг достигает нескольких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отделена от дуг, она все же должна выдерживать нагрев до температуры 1700°С. В связи с этим применяемые для футеровки материалы должны обладать высокой огнеупорностью, механической прочностью, термо- и химической устойчивостью. Подину сталеплавильной печи набирают в следующем порядке. На стальной кожух укладывают листовой асбест, на асбест—слой шамотного порошка, два слоя шамотного кирпича и основной слой из магнезитового кирпича. На магнезитовой кирпичной подине набивают рабочий слой из магнезитового порошка со смолой и пеком — продуктом нефтепереработки. Толщина набивного слоя составляет 200 мм. Общая толщина подины равна примерно глубине ванны и может достигать 1 м для крупных печей. Стены печи выкладывают после соответствующей прокладки асбеста и шамотного кирпича из крупноразмерного безобжигового магнезитохромитового кирпича длиной до 430 мм. Кладка стен может выполняться из кирпичей в железных кассетах, которые обеспечивают сваривание кирпичей в один монолитный блок. Стойкость стен достигает 100-150 плавок. Стойкость подины составляет один-два года. В трудных условиях работает футеровка свода печи. Она выдерживает большие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла, отражаемого шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кирпича. При наборе свода используют нормальный и фасонный кирпич. В поперечном сечении свод имеет форму арки, что обеспечивает плотное сцепление кирпичей между собой. Стойкость свода составляет 50-100 плавок. Она зависит от электрического режима плавки, от длительности пребывания в печи жидкого металла, состава выплавляемых стали, шлака. В настоящее время широкое распространение получают водоохлаждаемые своды и стеновые панели. Эти элементы облегчают службу футеровки.
Ток в плавильное пространство
печи подается через электроды, собранные
из секций, каждая из которых представляет
собой круглую заготовку
Электрическая дуга - один из видов электрического разряда, при котором ток проходит через ионизированные газы, пары металлов. При кратковременном сближении электродов с шихтой или друг с другом возникает короткое замыкание. Идет ток большой силы. Концы электродов раскаляются добела. При раздвигании электродов между ними возникает электрическая дуга. С раскаленного катода происходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые, направляясь к аноду, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. Отрицательные ионы направляются к аноду, положительные к катоду. Пространство между анодом и катодом становится ионизированным, токопроводящим. Бомбардировка анода электронами и ионами вызывает сильный его разогрев. Температура анода может достигать 4000 градусов. Дуга может гореть на постоянном и на переменном токе. Электродуговые печи работают на переменном токе. В последнее время в ФРГ построена электродуговая печь на постоянном токе.
В первую половину периода, когда катодом является электрод, дуга горит. При перемене полярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет, так как в начальный период плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга горит неспокойно, прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака, дуга стабилизируется и горит более ровно.
Алена, добавь рисунок и к нему немного описание
Схема рабочего пространства дуговой электропечи:
1) куполообразный свод;
2) стенки;
3) желоб;
4) сталевыпускное отверстие;
5) электрическая дуга;
6) сферический под;
7) рабочее окно;
8) заслонка;
9) электроды.
2.2 Описание технологического процесса
Сталь - это сплав железа с углеродом, который содержит менее 2 % углерода. Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, фосфор и сера.
Главной составляющей, определяющей свойства сталей, является углерод. С увеличением процентного содержания углерода прочность стали повышается, а способность к пластической деформации понижается. Кроме углеродистых в автомобилестроении широко применяют легированные стали, в состав которых для улучшения тех или иных свойств дополнительно вводят хром, никель, молибден и другие элементы.
Сера и фосфор относятся к вредным примесям. Сера уменьшает способность к ковке и свариваемость, делает сталь ломкой при нагреве (красноломкость). Фосфор придает стали хрупкость в холодном и горячем состоянии (хладноломкость).
Исходными материалами для получения стали служат:
-предельный чугун;
-стальной лом;
-ферросплавы.
Основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах.
Состав, свойства и качества сталей в значительной степени зависят от способа ее производства. Основными способами производства стали являются:
-кислородно-конвертерный;
-мартеновский;
-электродуговой.
Производство стали в электропечах - наиболее совершенный способ получения стали, имеющий ряд существенных преимуществ по сравнению с производством стали в конвертерах и мартеновских печах, а именно:
-температура плавильного пространства (достигает 2000°С) позволяет расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов (хрома, вольфрама, молибдена и др.), способствует более полному удалению вредных примесей (серы, фосфора и неметаллических включений);
-возможность производства любых марок стали с заданным содержанием легирующих элементов, таких, как хром, никель, ванадий, титан и других;
-обеспечивается точность и простота регулирования температур режима плавки;
-значительно уменьшается угар металла и особенно легирующих элементов благодаря регулированию температуры.
В электрических печах выплавляют высококачественные конструкционные, инструментальные стали и сплавы со специальными свойствами (жаро-, коррозионностойкие). Для выплавки стали применяют дуговые и индукционные электрические печи.
Алена, хим реакции, что происходит в печи
Дуговая печь постоянного тока является более перспективным плавильным агрегатом по сравнению с индукционной печью благодаря следующим факторам: уменьшение времени плавки, более низкий расход электроэнергии, возможность проводить окислительно-восстановительные реакции, возможность выплавки шлаков с низким содержанием металлов, использование шихты разного вида в т.ч. стружки и пылевидных материалов, повышенная стойкость футеровки, взрывобезопасность, отсутствие выбросов дымовых газов в цех.
2.3 Характеристика огнеупорных материалов
Футеровка основных сталеплавильных дуговых электропечей выполняется из асбестового картона толщиной 10-20 мм, наклеиваемого на кожух на жидком стекле, одного-двух рядов легковесного или шамотного кирпича и трех рядов магнезитового кирпича, из них два на плашку и один на ребро насухо с заполнением швов магнезитовым порошком.
Кладку откосов, являющихся основанием для стен, выполняют из легковесного шамота и магнезитового кирпича с засыпкой швов магнезитовым порошком. Зазор толщиной 50-70 мм между легковесным кирпичом и кожухом заполняют диатомитовым порошком. Стены печи выкладывают из магнезита толщиной в 11/2-2 кирпича аналогично откосам.
Для предохранения огнеупорной кладки подины от механических повреждений и разъеданий металлом и шлаком производят набивку ее на толщину 150-400 мм массой следующего сое-тава (по объему): магнезитового порошка 89%, каменноугольной смолы 10% и кварцевого песка 1%. Своды печи выкладывают в форме шарового сегмента из динасового или в последнее время из магнезито-хромитового кирпича. Распор свода воспринимается металлическим кольцом. Такая конструкция сводов удобна тем, что их можно убирать при завалке печи (в случае если она производится сверху) и быстро менять при выходе из строя.
2.4 Применение готовой продукции
Сталь (от нем. Stahl) — сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).
Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности.
Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.
Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.
3 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЕЧИ
Приход тепла
1) Тепло, вносимое шихтой, ГДж
где G - емкость дуговой сталеплавильной печи, кг;
dш- доля металла в шихте (dш=0,97-0,99);
cш- теплоемкость шихты (cш=0,460·кДж/(кг·к);
tш- температура шихты (tш=20 С)
Q
2) Тепло, вносимое электрическими дугами, ГДж
Q = ηэл ·Wэл ·10-6 (2)
где ηэл -электрический к.п.д., равный 0,87-0,92;
Wэл -используемая в печи электроэнергия, кДж
3)Тепло экзотермических реакций, ГДж
С
С
Si
Mn
Fe
Fe