Расчет механической трансмиссии привода дуговой сталеплавильной печи ДСП-120

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование оборудования, технологии и улучшение организации производства стали широкого сортамента на слитки и фасонное литье предопределили преимущественное развитие электроплавки стали.

В настоящей работе изложены методика расчетов основных параметров механизмов электродуговой сталеплавильной печи ДСП 120. Приведен расчет трансмиссии привода подъема свода печи.

Рис. 1.1 Технологический процесс «прямого» и «двухстадийного» получения стали

1.ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ

1.1 Двухстадийное получение стали Технологический процесс двух стадийного получения стали является классическим, который совершается в два этапа: выплавка передельного чугуна в доменной печи и последующая его переплавка в сталеплавильных агрегатах.

В доменной плавке в результате протекания восстановительных процессов из железных руд получают чугун — сплав железа с углеродом, в котором присутствуют кремний, марганец, сера, фосфор. В сталеплавильных печах происходит избирательное окисление примесей, входящих в состав чугуна, с переводом их в шлак или газы и получают низкоуглеродистый расплав — сталь.

На рисунке 1.1 изображена технологическая схема получения стали путем переплавки передельного чугуна.

1.1.1 Процесс подготовки железных руд От подготовки железной руды к плавке зависят технико-экономические показатели работы доменных печей. Чем выше содержание железа в подготовленных материалах и выше их газопроницаемость, тем выше производительность печи, ниже расход флюсов и кокса, выше качество чугуна. Основными видами подготовки являются обогащение руд и окускование рудной мелочи, которые осуществляют только после целого ряда предшествующих операций: дробления, грохочения, усреднения и обжига.

На этапе дробления происходит измельчение руды в дробилках и мельницах. После дробления следует грохочение — разделение или сортировка измельченных материалов на классы крупности при помощи решеток или механических сит. Сортировка осуществляется на грохотах.

Для повышения содержания железа и снижения содержания вредных примесей проводят обогащение сырой руды путем отделения рудного минерала от пустой породы, в результате чего получают концентрат и остаточный продукт — «хвосты». Обогащение осуществляется несколькими способами и основано на использовании различия в плотности, поверхностных и магнитных свойствах материалов.

Различают такие способы как промывка (промывка руды водой), гравитация (метод, разделения в жидкой среде рудных минералов и пустой породы, имеющих различную плотность частиц), флотация (метод, основанный на различии поверхностных свойств частиц рудного минерала и пустой породы), магнитное обогащение (метод, основанный на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы).

Окускование железных руд. Для использования в доменной печи полученный в результате обогащения мелкий железорудный концентрат должен быть превращен в прочный кусковой материал, который не истирался бы при опускании в печи и не забивал бы проходы для поднимающихся газов. Наиболее распространенными способами окускования являются агломерация и производство окатышей (окомкование).

Агломерация — процесс окускования мелких железорудных материалов — осуществляется путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или за счет подвода тепла извне. При агломерации в шихту можно ввести. флюсы и другие полезные добавки, удалить вредные примеси (серу и частично мышьяк) и получить пористый, прочный и хорошо восстанавливаемый в доменной печи материал — агломерат. Процесс агломерации производится на агломерационных машинах.

Производство окатышей. Процесс производства окатышей состоит из получения сырых (мокрых) окатышей и их упрочнения путем подсушки и обжига. Рудный концентрат увлажняют, в шихту добавляют связующее вещество — бентонит (мелкодисперсную глину), а при производстве офлюсованных окатышей — известь и после перемешивания окомковывают в грануляторе. Шихтовый материал слипается в комья и при вращении комки окатываются до сферической формы.

1.1.2 Процесс доменной плавки Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные, марганцевые руды и флюсы. Топливом служит получаемый из каменного угля кокс. Кокс получают в шахтных печах. Сжигание кокса в струе горячего воздуха обеспечивает доменный процесс теплом и компонентами, необходимыми для восстановления оксидов железа и образования чугуна. С железными рудами в доменную печь вносится химически связанное с другими элементами железо, которое восстанавливается, науглероживается и образует чугун.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой агрегаты шахтного типа. Процесс выплавки чугуна непрерывный. Сверху в доменную печь загружают шихтовые материалы (агломерат, окатыши, кокс, флюсы), а в нижнюю часть печи вдувают воздух, нагретый до 1100 — 1300 °C, с добавками кислорода, а иногда природного газа и мазута. результате сгорания кокса в нижней части печи образуются газы, состоящие из оксидоуглерода в смеси с азотом и водородом.

Расплав скапливается в нижней части печи, в него переходят частично восстановившиеся кремний, марганец и некоторые другие элементы, а так же фосфор, сера. Этот расплав — чугун, содержащий более 92% Fe; 3,5- 4,3% С, остальное Мп, Si, Р, S. Из печи чугун периодически выпускается.

В результате доменной плавки, получают передельный чугун, который загружается в кислородную печь.

1.1.3 Кислородно-конверторный процесс Конвертерное производство — получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путём продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава.

Сущность этого способа получения стали заключается в том, что через расплавленный чугун продувается технически чистый (95,5%) кислород, который, соединяясь с примесями, уводит их в шлак и отходящие газы, очищая тем самым металл.

Процесс производства стали в кислотном конвертере состоит из следующих основных периодов: загрузки металлолома, заливки чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.

Жидкий чугун, который производят в доменной печи, с помощью транспортной системы в специальном ковше подают в конвертерный цех и с помощью мостового крана заливают чугун в конвертер через горловину. Кроме чугуна в конвертер через горловину подают и другие ингредиенты процесса: металлический скрап, известь.

Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом завалочных машин лоткового типа. Затем с помощью заливочных кранов загружают в наклоненный конвертер через горловину при помощи заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение вводят фурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5% О2. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 — 60% от общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего через 5 — 7 мин после начала продувки.

Конструктивно, по способу осуществления продувки расплава кислородом, существуют: конверторы с поверхностной продувкой, с донной продувкой и с комбинированной.

1.1.4 Разливка стали Из сталеплавильного агрегата сталь выпускается в сталеразливочный ковш, предназначенный для кратковременного хранения и разливки жидкой стали. Сталеразливочный ковш имеет форму усеченного конуса с большим основанием вверху. Ковш имеет сварной кожух, изнутри футеруется огнеупорным шамотным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостового крана или на специальной железнодорожной тележке. Сталь из ковша разливают через один или два стакана, расположенных в днище ковша. Отверстие в стакане закрывают и открывают изнутри огнеупорной пробкой при помощи стопора. В последние годы получили распространение бесстопорные устройства шиберного типа: разливочный стакан снаружи закрыт огнеупорной плитой с отверстием; при перемещении плиты отверстие в ней совпадает с отверстием в стакане и сталь вытекает из ковша.

Емкость сталеразливочных ковшей достигает 480 т. В сталеплавильных цехах сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на машинах непрерывной разливки.

Далее, жидкий металл разливается металлургический ковшом в ваккууматор.

Вакууматор — технологическая установка для вакуумирования стали. Типы вакууматоров: — циркуляционного рафинирования (используется инертный газ аргон, для перемешивания жидкого расплава стали); - порцевого рафинрования; - ковшевой с донной продувкой аргоном. В данном агрегате происходит дегазация стали, для улучшения свойств металла.

В сталеплавильных цехах сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на машинах непрерывной разливки.

Изложница представляет собой пустотелую вертикальную металлическую форму, служащую для получения стальных слитков. Изложницы выполняют из чугуна, и они рассчитаны на получение слитков массой от 100 кг до 20 т. Внутреннее сечение изложниц может иметь форму квадрата, шести-, восьмигранника, многогранника, прямоугольника и т. п. По конструкции изложницы подразделяются на глуходонные и сквозные; могут быть расширяющимися книзу или кверху, в зависимости от сортамента разливаемой стали: расширяющиеся кверху — для разливки спокойной стали, расширяющиеся книзу — для разливки кипящей стали. В обоих случаях конусность облегчает извлечение слитков из изложниц.

Непрерывная разливка стали, насчитывает в своем развитии более полувека, но и в настоящее время эта технология является прогрессивной и совершенствующейся.

Главное ее достоинство — увеличение производительности, повышение качества конечного продукта, снижение затрат. Во всех случаях, где стала появляться непрерывная разливка, затраты на производство конечного продукта снижались не менее чем на 30%. Кроме того, непрерывная разливка стали позволяет автоматизировать процесс получения заготовки, что в свою очередь позволяет создавать автоматизированные металлургические комплексы, включающие производство жидкой стали и проката. В конечном счете, непрерывная разливка стали, позволяет облагородить труд человека, сделав его высококомфортным и высокопроизводительным.

На рис. 2 приведена схема машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Стальковш, наполненный жидкой сталью, произведенной в конверторе с помощью специального сталеразливочного крана поднимают на рабочую площадку МНЛЗ и устанавливают на стенд. Открывают шибер и наполняют промковш до заданного уровня, после чего шиберную заслонку закрывают, открывают стопор промковша и подают металл в кристаллизатор.

Предварительно дно кристаллизатора закрыто головкой затравки, представляющей собой длинный стержень, состоящий из звеньев, соединенных между собой шарнирами. Хвостовая часть затравки удерживается в валках тянуще — правильной машины.

После заполнения кристаллизатора металлом до заданного уровня включают тянуще — правильную машину на вытягивание затравки и одновременно включают механизм качания, который сообщает кристаллизатору движение по технологической линии машины с малым ходом и большой частотой, что позволяет снизить трение между стенками кристаллизатора и корочкой затвердевающей заготовки.

В кристаллизаторе осуществляется первичное, закрытое охлаждение слитка через контакт с холодной медной стенкой, интенсивно омываемой водой по предусмотренным в ней каналам. Постепенно скорость вытягивания доводят до номинальной. Заготовка в двухфазном состоянии (сердцевина жидкая) попадает в зону вторичного охлаждения, где охлаждается в расчетном режиме открытой подачей воды с помощью форсунок.

Когда место стыка головки затравки и заготовки выходит за ось последнего валка ТПМ, затравка отделяется от заготовки с помощью механизма отделения затравки и далее заготовка перемещается в зону режущего устройства, где осуществляется порезка на мерные длины.

Современная технология непрерывной разливки предусматривает разливку методом «ковш — на — ковш». В этом случае производится замена прежнего стальковша на новый, наполненный, без прекращения процесса вытягивания заготовки.

Для реализации такой технологии применяют подъемно — поворотные стенды для стальковша и тележки для промковша с механизмом подъема и передвижения. На машинах непрерывной разливки отливают заготовки квадратного сечения до 350×350 мм, плоские слябы толщиной 50 — 300 мм и шириной 300 — 2000 мм, круглые заготовки диаметром до 500 мм (сплошные и с внутренней полостью). Большая степень химической однородности по длине и поперечному сечению непрерывнолитых заготовок обеспечивает стабильные механические свойства метало-изделий, изготовленных из этих заготовок. Благодаря своим преимуществам способ непрерывной разливки стали принят в качестве основного во всех вновь сооружаемых сталеплавильных цехах.

Рис. 1.2 Схема МНЛЗ

1- стальковш; 2- шиберный затвор; 3-промежуточный ковш; 4-кристаллизатор; 5-механизм качания кристаллизатора; 6-секции вторичного охлаждения; 7-поддерживающие роликовые секции; 8-тянуще-правильная машина (ТПМ); 9-режущее устройство; 10-заготовка; 11-механизм отделения затравки.

По типу МНЛЗ подразделяют на а) слябовые б) блумовые

в) сортовые Рис. 1.3 Типоразмеры заготовок

1.2 Прямое получение железа Основные причины возникновения новых процессов получения железа вытекают из недостатков классической схемы: стремление сократить технологическую цепочку и снизить зависимость от использования кокса — основного восстановителя и источника тепла в классической схеме производства стали. Как следствие — в обозначении новых процессов часто используются термины «прямое получение железа» и «бескоксовая металлургия».

По виду производимого полупродукта новые процессы получения железа разделяют на твердофазные и жидкофазные. Доля последних крайне мала (5−6% от всей бескоксовой металлургии) и их полупродукт не может выступать в составе металлошихты в качестве полновесной альтернативы лому.

В качестве восстановителя в твердофазных процессах используют продукты конверсии (перевода в CO и H2) природного газа или продукты газификации углей. Вследствие относительно низкой эффективности применение газификации углей ограничено. В последнее время процессы, связанные с газификацией углей, наиболее активно развиваются в Индии.

В жидкофазных процессах основным восстановителем и источником тепла является уголь.

Процессы прямого получения железа, которые в последнее время привлекают все большее внимание, позволяют получить железо прямым восстановлением вне доменной печи без применения кокса.

В этих процессах не только исключается использование кокса для производства, но и получается металл высокой степени чистоты, поскольку не происходит загрязнения его серой из золы кокса и другими примесями, переходящими в жидкий чугун при выплавке в доменной печи.

Испробовано большое число способов прямого восстановления железа, но в промышленном масштабе осуществлены лишь немногие.

В результате прямого восстановления получают твердый железорудный продукт, в котором большая часть железа находится в металлическом виде. При большой степени металлизации продукт прямого восстановления называется губчатым железом, при меньшей — металлизированным сырьем. Металлизированный продукт предназначен для переплава в сталь в элекгродуговых сталеплавильных печах. При этом обеспечивается получение сталей с высокими механическими, антикоррозионными, электротехническими и другими ценными свойствами. В процессе прямого восстановления исходным сырьем служат агломерат или железорудные окатыши, в качестве восстановителя используют твердое топливо или газ, содержащий Н2 и СО. Процесс производства металлизированных окатышей, осуществленный на проводится в шахтных печах с использованием восстановительного газа, получаемого путем конвертирования природного газа. Природный газ, как известно, состоит из метана, пропана и других углеводородов. Конверсия заключается в разложении метана и других углеводородов при неполном сжигании природного газа с помощью CO колошникового газа, отходящего из шахтной печи. Конвертирование проводится в специальном конвертере, в который подается природный и очищенный колошниковый газ. В результате конверсии образуется восстановительный газ, состоящий из СО и Н2.

Шахтная печь самостоятельными оборотными газовыми циклами. Сверху в печь загружаются железорудные окатыши, из нижней части непрерывно выгружаются готовые металлизированные окатыши. В верхний газовый цикл подается восстановительный газ, получаемый в результате конверсии природного газа в специальном конвертере. Этот восстановительный газ состоит из 30% СО и 70% Hj и имеет температуру 800 — 950 °C. В верхней части печи под воздействием восстановительного газа происходит восстановление железа из оксидов. Процесс восстановления и продолжительность пребывания окатышей в верхней половине печи составляют 4 — 6 ч; температура окатышей в зоне восстановления 760 «С. Опускаясь в нижнюю часть печи, металлизированные окатыши попадают в нижний газовый цикл, где осуществляется их охлаждение. Для этого в нижнюю часть печи подается смесь восстановительного и изолирующего газа. Изолирующим газом служит часть охлажденных продуктов сгорания, получаемых при конверсировании природного газа. При выгрузке из печи окатыши имеют температуру около 40 «С. Суммарное время пребывания окатышей в шахтной печи составляет 8 — 12 ч. Готовые металлизированные охлажденные окатыши непрерывно выгружают в бункер, где их хранят в атмосфере инертного газа, так как эти окатыши имеют склонность к вторичному окислению.

В полученных металлизированных окатышах содержание металлического железа 90 — 93%. Эти окатыши являются сырьем для последующего получения стали в электропечах.

2.ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ

2.1 Классификация и принцип действия ДСП Основное назначение дуговой сталеплавильной печи (ДСП) — производство стали из металлолома (скрапа). В отличие от мартеновских печей и конверторов, работающих на природном топливе, в ДСП происходит выделение энергии за счёт горения электрической дуги между электродом и переплавляемым металлом. Такой способ нагрева позволяет достигнуть более высокой концентрации энергии по сравнению с традиционным топливом.

Процесс производства электростали весьма энергоёмок. Расход электроэнергии составляет (500−1000) кВт. ч/т. В связи с тем, что электроэнергия, как правило, дороже, чем эквивалентное количество природного топлива, себестоимость электростали получается выше, чем себестоимость мартеновской стали. Однако плавка в дуговой печи позволяет получать высококачественную легированную сталь, а так же перегретую сталь для фасонного литья, что не возможно при мартеновском производстве. В последнее время, по мере уменьшения стоимости электроэнергии и увеличения мощности ДСП, происходит снижение разницы в стоимости передела металла в дуговой и мартеновской печах. Сейчас в мощных дуговых сталеплавильных печах получают и низколегированные стали, в этом случае ДСП лучше приспосабливается к характеру скрапа.

В России дуговые сталеплавильные печи изготовляют с номинальной ёмкостью от 0,5 до 200 тонн.

Растущий спрос на специальные виды сталей и развитие мини-миллов (небольших прокатных заводов, имеющих в составе электропечи) упрочил позиции этого способа производства стали. Развитие основных процессов производства стали с середины XX века представлено на диаграмме рис. 2.1.

Доля мартеновского производства по итогам 2008 года в мире составляла 2,2%. Мартеновское производство сосредоточено в основном в странах СНГ (23,4% от общего производства стали по итогам 2008 года). В связи с закрытием избыточных и малоэффективных производств на фоне мирового финансового кризиса доля мартеновского производства по итогам 2009 года значительно сократилась. Так, на российских предприятиях о закрытии мартеновских цехов объявили Череповецкий МК (Северсталь) и Нижнетагильский МК (Евраз). Таким образом, по итогам 2010 года доля мартеновского производства составляла уже 14,3% в странах СНГ и 1,3% - в мире.

Соотношение между конвертерным и электросталеплавильным процессами в общем объеме производства стали в ближайшей перспективе сохранится: с одной стороны растет количество предприятий неполного цикла (мини-миллы) с использованием электрометаллургии, с другой стороны — ведущий мировой производитель стали Китай наращивает производство именно конвертерной стали (доля кислородно-конвертерной стали в КНР по итогам 2010 года составляет 90,2%).

Рис. 2.1 Развитие основных процессов производства стали с середины XX

Основные технические данные отечественных печей приведены в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 — Технические данные отечественных дуговых электропечей для фасонного литья

Таблица 1.2 — Технические данные отечественных дуговых электропечей для слитковой стали

2.1.1 Классификация дуговых печей Понятие «дуговые печи» включает в себя собственно дуговые и рудотермические печи (рис. 2.2).

В дуговой печи основная часть энергии выделяется в одной или нескольких электрических дугах, горящих внутри печного пространства.

Рис. 2.3 Принцип действия дуговых печей, а — прямого действия; б — косвенного действия

Основным назначением дуговых печей является плавка различных металлов и сплавов.

Имеются две основные разновидности дуговых плавильных печей — печи прямого нагрева, обычно трехфазные, в которых дуги горят между электродами и расплавляемым металлом (рис. 2.3, а), и печи косвенного нагрева, в которых дуга горит между двумя электродами над поверхностью металла (рис. 2.3, б).

Наибольшее распространение получили дуговые печи прямого нагрева, применяемые для плавки стали.

Рис. 2.2 Классификация дуговых печей Дуговые печи косвенного нагрева применяются для плавки цветных металлов, иногда — чугуна.

Конструктивно дуговая печь косвенного действия (рнс. 2.4) представляет собой цилиндрический или бочкообразный футерованный кожух, уложенный горизонтально на роликовые опоры. Через отверстия в торцевых стенках в печь входят два угольных или графитизированных электрода, между которыми горит электрическая дуга. В боковой стенке печи имеется окно, через которое производится загрузка шихты, а также слив расплавленного металла и шлака.

Рис. 2.4 Эскиз дуговой медеплавильной печи После расплавления некоторой части загрузки кожух печи приводится в непрерывное качание с автоматическим реверсированием, причем угол качания постепенно увеличивается по мере дальнейшего расплавления металл.

Помимо ускорения расплавления вследствие омывания жидким металлом нерасплавленной части шихты качание ванны. печи обеспечивает защиту огнеупорной кладки жидким металлом от перегрева излучением электрической дуги. Механизм качания служит также для слива расплавленного металла.

По мере сгорания закрепленные в электрододержателях электроды должны постепенно подаваться внутрь печи, для чего в конструкции печи имеются два механизма перемещения электродов с ручным или электромеханическим приводом.

В современных дуговых печах косвенного действия применяется механизированная подача электродов.

В отечественной промышленности наибольшее распространение получили дуговые печи косвенного действия емкостью 0,25 и 0,5 т с трансформаторами мощностью 175 и 250 кВ-A с цилиндрической формой кожуха и ручной системой перемещения электродов.

Модернизированные печи отличаются бочкообразной формой кожуха и рабочего пространства, повышенной мощностью трансформаторов (250 н 400 кВ-А) и наличием системы автоматического регулирования мощности.

По способу загрузки дуговые сталеплавильные печи разделяются па печи с боковой загрузкой через рабочее окно и печи с верхней загрузкой (рис. 2.5).

Рис. 2.5 Способы загрузки дуговой сталеплавильной печи Боковая загрузка может осуществляться либо вручную (рис. 2.5, а), либо мульдами при помощи напольных или подвесных мульдозавалочных машин (рис. 2.5, б), либо краном с помощью приспособлений в виде загрузочных лотков (рис. 2.5, в).

Верхняя загрузка осуществляется краном при помощи специальных загрузочных корзин с раскрывающимися днищами (рис. 2.5, г).

В руднотермических (рудовосстановительных) электрических печах (рис. 2.6) тепловая энергия выделяется и в электрических дугах, и при протекании тока через слой загрузки (шихты). В этих печах осуществляется получениеразличного вида ферросплавов, карбида кальция, кремния и его сплавов с кальцием и хромом, чугуна, медных и медно-никелевых штейнов, свинцовых шлаков, желтого фосфора и других продуктов.

Рис. 2.6. Принцип действия рудотермической печи:

1 — электрод: 2 —область дугового разряда; 3 — область выделения мощности и сопротивления шихты; 4 шихта; 5 — расплав; 6 — выпускное отверстие (летка).

Рудотермические печи выполняются различной формы и с различным числом электродов, они могут быть стационарными и наклоняющимися.

Характерной особенностью, присущей дуговым печам, является система их питания от специальных трансформаторов с высоким напряжением на первичной стороне и широким диапазоном регулирования вторичного напряжения.

2.1.2 Процесс плавки металла В дуговых сталеплавильных печах (ДСП) осуществляется выплавка стали двоякого назначения:

· электростали в слитках или в виде продукции установок непрерывной и полунепрерывной разливки (так называемая металлургическая электросталь, являющаяся заготовкой для получения проката, поковок и специальных видов переплава);

· электростали для фасонного литья на машиностроительных заводах (так называемая литейная электросталь).

Дуговые печи могут иметь основную или кислую футеровку.

Металлургическая электросталь обычно выплавляется в ДСП с основной футеровкой. Наиболее характерным способом работы печи с основной футеровкой является плавка с окислением, в процессе которой производятся обезуглероживание и дефосфорация, затем раскисление и обессеривание, а при необходимости — легирование стали. Повышенные затраты на выплавку стали в печах с основной футеровкой компенсируются возможностью получения высококачественного металла при использовании дешевого металлолома.

В электропечах с кислой футеровкой выплавляется сталь для литья. Эти печи характеризуются повышенной производительностью и низкими издержками производства в результате большей стойкости футеровки, выполняемой из более дешевых материалов. Недостатком печей с кислой футеровкой является невозможность существенного снижения содержания серы и фосфора в сравнении с исходной шихтой, ввиду чего приходится ориентироваться на применение чистой по сере фосфору шихты.

В печах с кислой футеровкой успешно выплавляется сталь методом переплава. При этом плавка может производиться с кипением и без него.

При ведении плавки с интенсивным кипением материал кислой подины принимает непосредственное участие в проходящих реакциях и образует около половины общего количества шлака.

· Ход плавки в основной дуговой печи на углеродистой шихте с окислением Существует несколько разновидностей плавки в дуговых сталеплавильных печах: с полным окислением примесей; переплав легированных отходов без окисления; плавка на жидком полупродукте (дуплекс-процесс) и др.

Шихта при плавке с полным окислением состоит, главным образом, из стального лома и чугуна, а также шлакообразующих (известь, известняк, плавиковый щпат, шамотный бой).

Плавка включает следующие основные периоды (рис. 2.7): заправка печи, загрузка шихты, плавление, окислительный период, восстановительный период, выпуск.

Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Заправка печи выполняется для поддержания футеровки плавильного пространства в рабочем состоянии. Для этого после выпуска очередной плавки на поврежденные места подины и откосов — места перехода подины печи в стены — с помощью заправочной машины забрасывают сухой магнезитовый порошок, а в случае больших повреждений — порошок с добавками пека или смолы. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загрузке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть повреждена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонт — заправку подины. Перед заправкой с поверхности подины удаляют остатки шлака и металла.

Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через. насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы, или, разбрасывающей материалы по окружности с быстро вращающегося диска, который опускается в открытую печь сверху.

Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть ближе к электродам загружают крупные куски (40%), ближе к откосам средний лом (45%), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15%). Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками.

Завалка шихты начинается сразу после окончания заправки. Завалку шихты осуществляют сверху с помощью загрузочной корзины (бадьи).

Плавление. После окончания завалки свод с электродами устанавливают на печь, электроды опускают и включают ток. Под действием высокой температуры электрической дуги шихта плавится сначала под электродами, жидкий металл стекает вниз и накапливается в центральной части подины. Постепенно происходит полное расплавление шихты. Для ускорения плавления куски переплавившейся шихты с откосов печи сталкивают в зону электрических дуг. Характерной особенностью первого периода плавления является проплавление «колодцев» в шихте, в которые опускают электроды (или одного «колодца» в сверхмощных печах). В период плавления происходит образование шлака как за счет присадок извести, так и за счет окисления элементов, входящих в состав шихты. За время плавления полностью окисляется кремний, 50 — 60% марганца, частично окисляются углерод и железо, окисляется фосфор.

Часто для ускорения плавления используют поворот корпуса печи на ±40°, подогрев шихты вне печи (в загрузочной бадье), или в печи с помощью топливных горелок, применяют продувку кислородом, вводимым в металл после расплавления большей части шихты, с помощью фурм и трубок. Окисление железа, марганца, кремния протекает с выделением значительного количества тепла, что ускоряет расплавление остатков металлического лома.

Окислительный период плавки предназначен для уменьшения содержания в металле фосфора до 0,01 — 0,015%, уменьшения содержания в металле водорода и азота, нагрева металла до требуемой температуры (на 120 — 130 выше температуры плавления). Для окисления примесей используют твердые окислители (железная руда, агломерат), а также газообразный кислород. После окончания периода расплавления начинается окислительный период, задачи которого заключаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; удаление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями.

В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции:

(FeO)=Fe+[O].

Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, наклоняя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик, стоящий под рабочей площадкой цеха. За время окислительного периода окисляют 0,3—0,6% C со средней скоростью 0,3—0,5% С/ч. Для обновления состава шлака одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие количества плавикового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака. Непрерывное окисление ванны и скачивание окислительного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора.

Для протекания реакции окисления фосфора

2[P]+5[O]=(P2O5); (Р2O5)+4(СаО)=(СаО)4*P2O5

необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура.

В электропечи первые два условия полностью выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный (СаО)4*P2O5 скачивается из печи. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали—удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл.

Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает перемешивание металла, выравнивание температуры и состава.

Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации окислительного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода металл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резко ускоряются, а температура металла повышается со скоростью примерно 8— 10 С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаждающие добавки в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значительных потерь ценного легирующего хрома при переплаве.

Окислительный период заканчивается, когда содержание углерода становится ниже заданного предела, содержание фосфора 0,010%, температура металла несколько выше температуры выпуска стали из печи. В конце окислительного периода шлак стараются полностью убирать из печи, скачивая его с поверхности металла.

Восстановительный период плавки имеет целью раскисление металла, удаление серы, доведение химического состава стали до заданного, регулирование температуры. Все эти задачи решаются параллельно в течение всего восстановительного периода. После полного удаления окислительного шлака в печь присаживают шлакообразующие смеси вместе с раскислителями, т. е. наводится новый шлак (карбидный или белый). Раскисление ванны, т. е. удаление растворенного в ней кислорода, осуществляют присадкой раскислителей в металл и на шлак. В начале восстановительного периода металл покрывается слоем шлака. Для этого в печь присаживают шлакообразующие смеси на основе извести с добавками плавикового шпата, шамотного боя, кварцита. В качестве раскислителей обычно используют ферромарганец, ферросилиций, алюминий. При введении раскислителей происходят следующие реакции:

[Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2 [О] = (SiO2); 2[Al]+ 3[O]=(Al2O3).

В результате процессов раскисления большая часть растворенного кислорода связывается в оксиды и удаляется из ванны в виде нерастворимых в металле неметаллических включений. Процесс этот протекает достаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых и средних печах при выплавке ответственных марок сталей продолжают применять метод диффузионного раскисления стали через шлак, когда раскислители в виде молотого электродного боя, порошка ферросилиция присаживают на шлак. Содержание кислорода в шлаке понижается и в соответствии с законом распределения кислород из металла переходит в шлак. Метод этот, хотя и не оставляет в металле оксидных неметаллических включений, требует значительно большей затраты времени. В восстановительный период плавки, а также при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит хорошее перемешивание металла со шлаком, активно происходит десульфурация металла по уравнению FeS + CaO=FeO+ CaS. Этому способствует хорошее раскисление стали и шлака, высокое содержание извести в шлаке и высокая температура.

В печь присаживают также легирующие добавки для введения в металл необходимых легирующих элементов. После этого металл выпускают из печи в установленный под желобом сталеразливочный ковш, для чего печь наклоняют в сторону сталевыпускного отверстия. При необходимости в ковше можно проводить дополнительное раскисление и легирование стали. Так осуществляется двушлаковый процесс выплавки.

Плавка на шихте из легированных отходов основана на переплаве без окисления. Шихта для такой плавки составляется с таким расчетом, чтобы по расплавлении в металле содержание углерода было на 0,05 — 0,1% ниже заданной марки стали в связи с тем, что при легировании и раскислении содержания углерода увеличивается. Шихта составляется только из отходов легированных сталей, образующихся как непосредственно на данном металлургическом заводе, так и поступающих с машиностроительных предприятий. При составлении шихты стремятся использовать максимальное количество отходов данной марки стали или близких к ней других марок. Такое рациональное использование отходов дает большую экономию легирующих элементов, электроэнергии и повышает производительность электропечей.

На плавках методом переплава отсутствует окислительный период. При правильном расчете шихты после расплавления сразу начинается восстановительный период, металл раскисляют, добавляют некоторые легирующие и выпускают. Плавка методом переплава легированных отходов значительно короче по сравнению с обычной плавкой.

Рис. 2.7. Технологическая схема производства сталеплавильной печи

Выплавка стали в кислых электродуговых печах

Электродуговые печи с кислой футеровкой обычно используются при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их составляет от 0,5 до 6,0 — 10 т. Кислая футеровка более термостойкая и позволяет эксплуатировать печь с учетом условий прерывной работы многих литейных цехов машиностроительных заводов. Основным недостатком печей с кислой футеровкой является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Отсюда, очень высокие требования к качеству применяемой шихты по содержанию этих примесей.

Плавление в кислой печи длится примерно так же, как в основной печи (50 — 70 мин). В окислительный период удаляется меньшее количество углерода (0,1 — 0,2%) и из-за повышенного содержания FeO в шлаке металл кипит без присадок железной руды. Содержании (ЗЮг) в шлаке к концу окислительного периода повышается до 55 -65%.

Когда металл нагрет, начинается восстановление кремния по реа: кции:

(Si02)+2 [С] = [Si] + 2СОгаз.

К концу окислительного периода содержание Si в металле увеличивается до 0,2 — 0,4%. Раскисление стали перед выпуском может проводиться как в печи, так и в ковше.

2.2 Конструкция электродуговой сталеплавильной печи

2.2.1 Общее устройство дуговой печи

Дуговая сталеплавильная печь благодаря своим преимуществам предназначена, в основном, для производства легированных высококачественных сталей — коррозионностойких, инструментальных, конструкционных, электротехнических, жаропрочных и др., а также различных сплавов.

Печь ДСП состоит из металлического корпуса в виде кожуха, как правило, цилиндрической формы со сферическим днищем (рис. 2.8, 2.9, 2.10). Изнутри кожух футерован высокоогнеупорными материалами. Плавильное пространство печи сверху перекрывается съемным сводом, огнеупорная кладка которого выполнена в специальном сводовом кольце. В стенах печи имеются одно или два рабочих окна и одно выпускное отверстие с желобом для слива металла и шлака в ковш. Рабочие окна служат для загрузки шлакообразующих, руды, ферросплавов и для ряда технологических операций спуска шлака, взятия проб металла и шлака.

Дуговая печь опирается на два опорных сегмента — люльки, с помощью которых печь может наклоняться в сторону рабочего окна или выпускного отверстия. Наклон печи осуществляется при помощи механизма наклона с электрическим или гидравлически приводом.

Для загрузки шихты в печь свод обычно поднимают к полупорталу и вместе с электродами отворачивают в сторону сливного желоба. Шихта в плавильное пространство опускается с помощью специальной корзины с открывающимся дном. В эти корзины (бадьи) вся шихта укладывается в определенном порядке на шихтовом участке цеха.

Рис. 2.8. 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

К моменту завалки загруженная корзина подается к печи с помощью мостового крана, и после отвода от печи свода корзина опускается в плавильное пространство. Замок, закрывающий днище корзины, выдергивается, и корзина с помощью крана вы-водится из печи. При этом, благодаря раскрытию дна корзины, вся содержащаяся в ней шихта остается на подине печи.

Рис. 2.9. Дуговая сталеплавильная печь (общий вид)

1 — электрод;

2 — головка электрододержателя;

3 — свод;

4 — подвеска свода;

5 — сводовое кольцо;

6 — цилиндрический кожух;

7 — рабочая площадка;

8 — механизм наклона печи;

9 — желоб для слива стали

Рис. 2.10 Дуговая электрическая печь

1 — электрод; 2 — стойка; 3 — электрошины, 4 — каретка; 5 — электрододержатели; 6 — холодильник; 7 — стальной трос; 8 — механизм передвижения электрода; 9 — стальной кожух печи; 10 — футеровка; 11 — выпускное отверстие; 12 — опора; 13 — сектор наклона печи; 14 — механизм наклона печи; 15 — свод; 16 — рабочая площадка;17 — загрузочное окно; 18 — шпиндель механизма наклона печи; 19 — электродвигатель механизма наклона печи.

Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000 °C. Дуга, как известно, может возникать при постоянном и переменном токе.

Дуговые печи работают на переменном токе. При горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки, когда катодом является электрод, дуга горит, так как пространство между электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет, так как в начале плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит прерывисто, неспокойно. После расплавления шихты, когда ванна покрывается ровным слоем шлака, дуга стабилизируется и горит ровно.

2.2.2 Разновидности конструкций электродуговых печей

Шихту в современные электродуговые печи загружают сверху с помощью корзины с открывающимся днищем. В зависимости от способа открывания для загрузки сверху различают печи с поворотным сводом; выкатным корпусом; откатывающимся сводом (рис. 2.11). Печи с поворотным (отворачиваемым) сводом бывают двух типов: с опорой механизма отворота свода на люльку и с опорой на отдельный фундамент. У современных печей первой разновидности (рис. 2.11, а) свод подвешен к полупорталу 2, который вместе с электродами 5 и системой их перемещения закреплен на поворотном валу 8, опирающемся на люльку 9. Для загрузки шихты свод поднимают на 150−300 мм, подтягивая к полупорталу, а электроды поднимают, выводя из рабочего пространства. Затем вращением вала 8 отворачивают свод с электродами на угол 85°, открывая тем самым рабочее пространство. Наклон печи в сторону сливного желоба 11 и рабочего окна 4 обеспечивают качанием люльки.

Печь второго типа (одна из разновидностей, рис. 2.11, г) оборудована подвижной колонной 14, которая опирается на фундамент и снабжена приводами ее подъема и поворота. В нижнем положении полупортал 2 вместе с системой перемещения электродов опирается через две стойки 13 на люльку, а свод на печь. Для открывания рабочего пространства колонна 14 движется вверх и, входя в зацепление с полупорталом, поднимает его со сводом и электродами, а затем, поворачиваясь, отводит свод с электродами от печи; предварительно электроды выводят из рабочего пространства. Люлька наклоняется вместе с печью, сводом и полупорталом с электродами.

У печи с выкатным корпусом (рис. 2.11, б) портал 6 жестко закреплен на люльке 9, к порталу подвешен свод 3 и на портале крепятся электроды 5 с системой их перемещения. Кожух 1 печи установлен на тележке 12, которая с помощью ходовых колес 7 может передвигаться по рельсам, уложенным на люльке. Перед загрузкой свод поднимают, электроды выводят из рабочего пространства, после чего кожух выкатывают из-под портала в сторону рабочего окна 4. Люлька обеспечивает наклон печи вместе с порталом.

Рис. 2.11. Схемы устройства электропечей, загружаемых сверху

а — печь с поворотным сводом с опорой механизма отворота свода на люльку; б — печь с выкатным корпусом; в — печь с откатывающимся сводом; г — печь с поворотным сводом с опорой механизма отворота свода на отдельный фундамент; 1 — кожух; 2 — полупортал; 3 — свод; 4 — рабочее окно; 5 — электроды; 6 — портал; 7 — ходовые колеса; 8 — поворотный вал; 9 — люлька; 10 — фундамент; 11 — сливной желоб; 12 -тележка; 13 — стойки; 14 — подвижная колонна

Распространена и другая разновидность печей с выкатным корпусом. В них люлька и портал со сводом и электродами опирается на два отдельных опорных сегмента. Кожух печи закреплен на люльке и выкатывается из-под портала вместе с люлькой. При наклоне печи люльку замковым устройством жестко соединяют с опорными сегментами портала, сегменты люльки и портала имеют одинаковой радиус кривизны, чем обеспечивается совместный синхронный наклон кожуха и портала.

В печи с откатывающимся сводом (рис. 2.11, в) портал 6 и кожух 1 опираются на общую люльку 9, причем портал установлен на ходовых колесах 7, и может перемещаться по рельсам, уложенным на люльке; к порталу крепиться свод 3 с электродами. Перед загрузкой свод с электродами 5 поднимают, и портал откатывается, съезжая с люльки в сторону желоба 11 или рабочего окна 4. Качанием люльки обеспечивают наклон печи вместе с порталом; портал при наклоне жестко скрепляют с люлькой специальными упорами. В настоящее время печи с выкатным корпусом и откатывающимся сводом считаются устаревшими. В последние годы строят более совершенные печи с поворотным сводом. Ниже рассмотрены механизмы этих печей.

Конструкция опор и механизмов наклона печи с поворотным сводом с опорой механизма отворота свода на люльку

Для опоры корпуса печи на фундамент и для наклона печи при сливе металла служит люлька (рис. 2.12). Она выполнена в виде горизонтальной сварной коробчатой плиты с двумя опорными сегментами 3а.

а) б)

Рис. 2.12. Люлька и механизмы наклона печи с гидравлическим (а) и электромеханическим (б) приводом: 1 — гидроцилиндр; 2 — шток; 3 — люлька; 3а — опорный сегмент; 4 — редуктор; 5 — зубчатая рейка; 6 — электродвигатель; 7 — фундаментная балка

Механизм наклона печи может быть с гидравлическим (рис. 15, а) или электромеханическим (рис. 15, б) приводами. В первом случае подаваемая в гидроцилиндры 1 под давлением жидкость вызывает выдвижение или опускание штоков 2, во втором — электродвигатели 6 с редукторами 4 обеспечивают продольное перемещение зубчатых реек 5.

При перемещении штоков или реек опорные сегменты люльки перекатываются по горизонтальным фундаментным балкам опорных станин 7 печи, что вызывает качание люльки и наклон печи.

На рис. 16 показана кинематическая схема гидравлического и электромеханического с реечной передачей механизмов наклона печи.

Рис. 2.13. Схема механизмов наклона печей:

а — с гидравлическим приводом; 1 — фундаментная балка; 2, 3 — ветви маслопровода; 4 — конечный выключатель; 5 -гидроцилиндр; 6 — гибкий рукав; 7 — люлька; 8 — рабочее окно; 9 — сливной носок; 10 — электромагнит; 11 — распределительный золотник; 12 — дроссель; 13 — насос; 14 — фильтр; 15 — предохранительный клапан; 16 — манометр;

б — с электромеханическим приводом с реечной передачей: 1 — тормоз; 2 — электродвигатель; 3 — редуктор; 4 — рейка; 5 — шестерня; 6 — прижимная обойма; 7 — шарнир; 8 — люлька

В первом из них (рис. 16, а) наклон люльки 7 с печью обеспечивают шарнирно закрепленные на фундаменте гидроцилиндры 5 за счет подачи масла от маслостанции в надпоршневое или подпоршневое пространство гидроцилиндров. Масло к цилиндрам 5 подается от маслостанции, размещенной в отдельном помещении и включающей насос 13, предохранительный клапан 15, манометр 16, распределительный золотник 11, дроссель 12 и фильтры 14. Направление наклона люльки 7 с печью в сторону сливного носка 9 или рабочего окна 8, т. е. подача масла в ветвь 2 или 3 маслопровода, определяется положением золотника 11 путем включения соответствующего электромагнита 10. Скорость наклона регулируется дросселем 12, установленным в сливной магистрали. Угол наклона печи при перекатывании люльки по фундаментным балкам 1 ограничивается конечными выключателями 4. Так как гидроцилиндры при наклоне печи меняют свое положение, в трубопроводы 2 и 3 включены гибкие участки 6 из рукавов высокого давления.

Во втором механизме (рис. 16, б) рейки имеют отдельный при вод, устанавливаемый на фундаменте под печью со стороны рабочего окна. В каждом приводе вращение от электродвигателя 2 через зубчатую муфту передается трехступенчатому редуктору 3, соединенному зубчатой муфтой с валом реечной шестерни 5, которая входит в зацепление с рейкой 4. Последняя соединена шарниром 7 с сектором люльки 8. При наклоне печи рейки получают сложное движение: поступательное — от приводных шестерен и качательное — вокруг оси этих шестерен — в результате перемещения люльки. Необходимое прижатие рейки к шестерне, осуществляется с помощью качающейся прижимной обоймы 6. Вал реечной шестерни опирается на два подшипниковых узла 8. Привод снабжен тормозом 1, с включением которого автоматически отключается электродвигатель.

Конструкции механизмов вращения ванны, подъема и поворота свода с их опорой на люльку

Большая часть строившихся в последние десятилетия отечественных печей этого типа схожи с устройством 100-т печи, схематически показанной на рис. 17. Корпус печи (на рисунке не показан) опирается на люльку 8 через четыре опорных тумбы 9. Свод 12 подвешен к полупорталу, состоящему из двух Г-образных стоек 14 с помощью цепей 11, перекинутых через ролики 13. Концы цепей соединены приводом 7 (электродвигатель и червячный редуктор с тяговым винтом), который перемещает цепи, обеспечивая подъем и опускание свода. Два привода 7 соединены синхронизирующим валом 15. Полупортал закреплен на литой стальной поворотной плите 1, которая одним концом насажена на поворотный вал 4 диаметром 750 мм.