Вакуумные дуговые печи постоянного тока

 

Для повышения качества металла, полученного в других установках (например, в ДСП), его переплавляют при низком давлении в вакуумных дуговых печах (ВДП), в результате чего в металле уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов. ВДП применяют в основном для выплавки слитков высокореакционных металлов (титана, ниобия, вольфрама, циркония, тантала, молибдена), а также для переплава специальных высококачественных сталей, в результате чего они не только очищаются, но и приобретают более плотную структуру. Рабочее давление в камере печи может составлять 1,0-0,001 Па в зависимости от требований к получаемому металлу. В современных ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до 50-60 т.

В качестве материалов электродов в ВДП используются различные продукты металлургического передела. Так, при плавке титана круглые электроды изготовляют прессованием титановой губки. При переплавке вольфрама, молибдена и ниобия электроды изготовляют из штабиков путем стыковой сварки и сборки электродов-пакетов. При переплавке сталей в качестве электродов применяют прокат или специальные штанги, полученные методом непрерывной разливки или ковки. В некоторых установках применяют нерасходуемые электроды, а переплавляемый металл кусками подается в кристаллизатор. Каждый из этих способов, в свою очередь, может быть осуществлен по двум схемам: плавка в глухой кристаллизатор (рис. 4.9, а) и плавка с вытягиванием слитка (рис. 4.9, б).

Основной частью печи является рабочая камера, к которой присоединена вакуумная система. Электрод 1 подвешен к подвижному штоку, проходящему через вакуумное уплотнение, расположенное в верхней части камеры. К нижней части рабочей камеры присоединяется водоохлаждаемый кристаллизатор 7 с рубашкой водяного охлаждения. К электроду подается отрицательный, а к кристаллизатору положительный полюс источника питания. В печи, работающей по схеме с вытягиваемым слитком (рис. 4.9, б), имеется проходящий через вакуумное уплотнение 3 шток 4 для вытягивания слитка. Металл наплавляется на поддон 5 и по мере роста слитка 6 опускается вниз. Процесс плавки начинается с создания вакуума в камере печи и опускания электрода до крайнего нижнего положения. После короткого замыкания или пробоя межэлектродного промежутка возникает дуга. Под действием выделяющейся теплоты электрод расплавляется, и металл небольшими каплями перетекает на слиток.

Объем кристаллизатора и размеры электрода согласованы. В конце плавки весь электрод переходит в расплав, а испаряющиеся примеси и газы откачиваются вакуумной системой. Такая печь называется печью с расходуемым электродом, широко применяется в промышленности. В печах с нерасходуемыми электродами есть опасность загрязнения переплавляемого металла материалом электрода.

б)

а)

 

Рис. 4.9. Схема ВДП с глухим кристаллизатором (а)

и с вытягиванием слитка (б)

 

Основные элементы печи: рабочая камера; шток-электрододержатель; расходуемые электроды; кристаллизатор; поддон; соленоид.

Рабочая камера представляет собой водоохлаждаемую сварную конструкцию цилиндрической формы. В верхней части рабочей камеры установлены подсветы и смотровые окна, позволяющие наблюдать за горением дуги и наплавлением слитка. Для дистанционного наблюдения за ходом процесса к гляделкам пристраиваются специальные перископы, проектирующие изображение рабочей зоны на экран. К нижнему фланцу камеры прикреплен кристаллизатор.

Шток-электрододержатель служит для закрепления и перемещения расходуемого электрода и подвода к нему тока. Он состоит из нескольких коаксиально расположенных труб, наружная медная труба является токоведущей. Внутренние стальные трубы обеспечивают механическую прочность конструкции штока. Между трубами имеются полости для прохода охлаждающей воды. Перемещение штока и расходуемого электрода обеспечивается электрическим или гидравлическим приводом.

Кристаллизатор состоит из внутренней гильзы и наружного стального немагнитного кожуха. Между ними имеется полость для охлаждающей воды. Гильзу изготовляют из материала с хорошей теплопроводностью, не смачивающегося жидким металлом.

Поддон закрывает низ кристаллизатора, входит внутрь или примыкает к торцу его гильзы. Основа поддона – массивный медный диск, снабженный стальной рубашкой водяного охлаждения. Для предотвращения возможного прожога медного диска электрической дугой в начале плавки на него укладывают темплет из переплавляемого металла толщиной 50 мм.

Соленоид устанавливают на боковой поверхности кристаллизатора. Он создает аксиальное с ним магнитное поле. Взаимодействие поля соленоида с током дуги и током, растекающимся в ванне расплавленного металла, приводит к повышению напряжения на дуге, предотвращает переброски дуги на стенку кристаллизатора, стабилизирует дугу. При этом возникает вращение жидкого металла в ванне, что улучшает структуру переплавляемого металла. Питание соленоида производится от полупроводниковых выпрямителей, позволяющих при необходимости производить резкое увеличение и реверсирование тока намагничивания.

Для литья в вакууме существуют специальные ВДП, которые подразделяют на две группы: печи с разливкой при горящей дуге и печи с разливкой после отключения дуги. Конструкция печи показана на рис. 4.10.

Печь состоит из тигеля 1, электрода 2, камеры 3, формы 4 для слива расплавленного металла.

В таблице 4.5 представлены сравнительные характеристики стоимости и расхода электроэнергии вагранок, ДСП, индукционных печей.

 

Рис. 4.10. Схема вакуумной дуговой печи для фасонного литья:

1– тигель; 2– электрод; 3– камера; 4 – форма

 

Таблица 4.5

Сравнительные характеристики вагранок,

ДСП и индукционных печей

 

Тип плавильного агрегата	Относительная стоимость 1 т чугуна	Расход электро- энер­гии, кВт·ч/т
Газовая вагранка	1,0	50-70
Дуговая сталеплавильная печь переменного тока	2,0	600-800
Дуговая сталеплавильная печь постоянного тока	1,8	475-550
Индукционная печь повышенной частоты	2,0	1200-1300
Индукционная печь средней частоты	1,4	500-600

 

Руднотермические печи

 

Руднотермические печи (РТП) применяются в металлургии черных металлов и других отраслях для получения ферросплавов – сплавов железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и др. РТП являются дуговыми печами сопротивления, имеют высокую единичную мощность и относятся ко второй категории по надежности электроснабжения. Нагрев перерабатываемых материалов производится за счет теплоты, возникающей при протекании тока по электродам, шихте, электрической дуге и распла-ляемому материалу. Дуга горит под слоем электропроводной шихты, теплота выделяется в дуговом разряде и преимущественно при прохождении тока через шихту в расплавленных материалах.

Номенклатура продуктов, получаемых в РТП, весьма широка: они могут выпускаться из печи в виде пара, газа, жидкости-расплава или твердого тела, извлекаемого целым слитком. Сырьем для получения ферросплавов служат руды или концентраты. При производстве основных сплавов: ферросилиция, ферромарганца и феррохрома пользуются рудами с большим содержанием металла. Первоначально руду вследствие малого содержания в ней полезного компонента обогащают, получая концентрат с высоким содержанием оксидов основного элемента.

Ферросплавы получают восстановлением оксидов соответствующих металлов, используя восстановители: углерод, кремний и алюминий. Реакции восстановления углеродом требуют подвода большой теплоты.

Значительное место в сфере использования РТП занимает получение электроплавленных огнеупоров, идущих на футеровку. Сырьем здесь являются глинозем, циркон и кварцевый песок. Получаемые методом плавки открытой дугой огнеупоры: корунд и бакор разных марок в печах ОКБ-2130, ДС-0,5 имеют высокую чистоту и плотность. Удельный расход электроэнергии при их получении находится в пределах 1800-2300 кВт·ч на тонну. Здесь перечислены только основные наиболее массовые и энергоемкие производства, тогда как перечень других процессов, осуществляемых в РТП, значительно шире и включает производство графита, сероуглерода и многих других веществ. Общими признаками РТП являются следующие:

– удельное электрическое сопротивление шихты сильно меняется при повышении температуры, в холодном состоянии шихта не электропроводна;

– в расплавленном состоянии шихта представляет собой ионный раствор, проводимость которого также зависит от температуры и вещественного состава. Объем расплава и шихты, участвующих в проведении тока, меняется при изменении температуры. Это определяет возможность параллельного существования проводников разного рода – нелинейного активного сопротивления шихты и расплава и электрической дуги;

– температура преобразования шихты составляет 1200-2200 К, что определяет высокие удельные расходы электроэнергии на выпуск единицы продукции и наличие мощного энергетического хозяйства;

– непрерывный режим работы в течение 1-2 лет;

– электрический режим работы относительно спокоен (в отличие от ДСП): толчки тока и эксплуатационные короткие замыкания отсутствуют.

Разнообразие конструкций РТП вызвано многообразием и сложностью химического состава перерабатываемого сырья, а также большим ассортиментом производимой продукции. Целесообразно выделить несколько основных типов процессов и схем печей.

1. Бесшлаковые или малошлаковые (рис. 4.11) предназначены для получения ферросплавов, карбида кальция. В рабочем пространстве трехфазной неподвижной печи находятся электроды 1, удерживаемые электрододержателями 2, погруженными в шихту 3. Дуги горят с торцов электродов на расплав в газовой полости 5, в так называемом «тигле». По мере оплавления стенок «тигля» увеличивается глубина ванны 6 и происходит оседание шихты. Загрузка шихты производится вокруг электродов, где образуются конические уплотнения 10, предотвращающие прорыв газов. Стенки шахты печи 9 и ее подину 7 изготовляют из угольных блоков. Слив металла производят через летку 8, пробиваемую по мере накопления расплава.

 

Рис. 4.11. Схема печи для бесшлакового и малошлакового

процесса

2. Многошлаковые процессы (рис. 4.12) используются для получения фосфора. РТП для этих процессов неподвижные с тремя или шестью электродами круглой или прямоугольной формы с выпуском через раздельные летки металла 6 и шлака 8. На поверхности расплава находится слой шлака. Ток проходит по электродам 1 через дуги 5, шлак 9 и расплав 7. Загрузку шихты 10 производят через устройства 2 в своде 3, герметизирующем рабочее пространство. Образующиеся газы удаляются через вытяжку 4.

Рафинировочные печи имеют подобную структуру рабочего пространства и отличаются периодичностью работы: загрузка – слив при наклоне печи.

3. Блокпроцессы применяются для получения электрокорунда, ферровольфрама. Ввиду высокой температуры расплава вылить его из печи не представляется возможным, он застывает на небольшой глубине, и по мере подсыпки шихты и ее расплавления дугой происходит наращивание слитка. После заполнения ванну откатывают, остужают и блок извлекают для последующей разделки, дробления, резки алмазными пилами.

 

Рис. 4.12. Схема печи для многошлакового процесса

 

4. Выплавка огнеупоров ведется открытой дугой с постепенной подсыпкой шихты. С целью уменьшения науглероживания расплава необходимо выдерживать определенную длину дуги, покрывать боковую поверхность электродов обмазками, предотвращающими их осыпание в расплав и обгорание. Слив расплава производится периодически по мере наполнения печи.

В РТП применяются электроды трех видов: угольные диаметром до 1200-1400 мм, графитированные диаметром до 800 мм и самоспекающиеся диаметром до 2000 мм или прямоугольные размером 3200×850 мм. Самоспекающиеся электроды представляют собой круглый или прямоугольный кожух из стали толщиной 1,5-5 мм, заполняемый сверху пастообразной электродной массой. При входе в печь под действием тока и теплоты печи электродная масса спекается и допускает плотность тока до 7,6 А/см². По мере сгорания кожух электрода наращивается и заполняется массой, что обеспечивает непрерывную работу печи.

Сопротивление нагрузки руднотермических печей значительно ниже, чем у ДСП, поэтому вторичное напряжение печных трансформаторов ниже, а токи при тех же мощностях в 1,5-2 раза больше. Это приводит к тому, что короткая сеть руднотермических печей более мощная и сложная. В ней применяются меры по обеспечению симметричности загрузки фаз, снижению активного и индуктивного сопротивлений.

На рис. 4.13 показана короткая сеть РДП РКЗ-48Ф. Охлаждение трубчатого пакета шин производится водой, протекающей внутри токоведущих труб. Конфигурация короткой сети выполнена так, чтобы проводники с противоположным направлением тока были расположены как можно ближе друг к другу. Это снижает величины реактивных сопротивлений и падений напряжений в короткой сети.

Наиболее мощные РТП с прямоугольной ванной имеют шесть электродов, расположенных в линию, и питаются либо двумя трехфазными, либо тремя однофазными трансформаторами. В этом случае каждый трансформатор питает два соседних электрода.

Первичное напряжение печных трансформаторов составляет 6, 10 или 35 кВ. Энергетические характеристики некоторых печей приведены в табл. 4.6.

Для повышения коэффициента мощности РТП снабжаются автоматически управляемыми компенсирующими устройствами. Мощные РТП отечественного производства оснащены установками продольно-емкостной компенсации реактивной мощности. Печи зарубежного производства имеют установки поперечной компенсации реактивной мощности.

 

 

Рис. 4.13. Схема короткой сети руднотермической печи:

1 – трансформатор; 2 – гибкие компенсаторы;

3 – пакет трубчатых шин; 4 – неподвижный

башмак; 5 – гибкие ленты; 6 – подвижный

башмак; 7 – электроды

 

При выборе мощности компенсирующих устройств учитывают возможность использования РТП в качестве регуляторов нагрузки энергосистем при одновременном снижении в «час пик» активной и реактивной мощности.

 

Таблица 4.6

Характеристики руднотермических печей

Тип печи	Номин. мощность трансформатора, кВА	Макс. ток электрода, кА	Вторичное напряжение, В
РКО-2,5Н2	2,5		178-89
6РКЗ-2,5Фс	2,5	8,1	308-154
РКО-3,5НОЗ	3,5	7,1	371-260
СКБ-6002А	3,6		421-193
РКЗ-16, 4Н08	16,5 (3×5,5)		204-130
РПЗ-ЗЗШ-Н02	33 (3×11)	25,8	800-475
РПЗ-482	63 (3×21)		238-137
РПО-60
РКЗ-72Ф-М1	72 (3×24)	92,5	649-149

 

Современная руднотермическая печь РТП3-10М (рис. 4.14) предназначена для выделения благородных металлов из богатых продуктов в виде компактного слитка методом бесколлекторной плавки. Рекомендуемая массовая доля благородных металлов в направляемом на руднотермическую плавку продукте должна составлять более 15 % (плавка в накопительном режиме). Оптимальна массовая доля благородных металлов для ведения плавки без промежуточного слива шлака 30-50 %. При суммарном содержании благородных металлов в сплаве менее 15 % требуется проведение специальных исследований по подбору технологических и реагентных режимов плавки. Важным компонентом шихты является оборотный шлак, загрузка которого на плавку производится после расплавления пусковой шихты. Количество оборотного шлака может составлять до 50-90 % от общего количества шлака, в зависимости от массовой доли и химического состава неблагородной части проплавляемого золотосодержащего продукта. Чем более чистым от примесей является продукт, тем в большей степени шлаковая ванна может быть химически инертной средой, обеспечивающей ионную проводимость между погруженными рабочими электродами и создающей условия для нормального разделения фаз расплава с отстаиванием металла в донной части печи.

Издробленный шлак может быть использован при наборе ванны следующей плавки или перерабатывается на концентрационном столе типа СКО-0,5, СКО-2 и др.

 

Рис. 4.14. Печь серии РТП3-10М

 

Для осуществления питания печи необходим однофазный понижающий печной трансформатор мощностью до 100 кВА с входным напряжением 380 В, с возможностью получения на выходе плавно регулируемого напряжения от 10 до 100 В (РОТМ 100/0,5 УХЛ 4), или ступенчатого переключения напряжения от 10 до 100 В (трансформаторы типа РОТМ), или ступенчатого переключения напряжения (печные трансформаторы типа ТПО, ОСУ, ОСЗ, ТСЗИ). Технические характеристики РТП3-10М см. табл. 4.7.

Линия трансформатор-печь должна выдерживать пиковый ток до 1000 А. На практике достаточно соединить клемму каждого электрододержателя с соответствующим выходом питающего трансформатора тремя жилами медного сварочного кабеля сечением 3×70 мм². Линия трансформатор-печь должна быть как можно короче во избежание непроизводительного перерасхода электроэнергии и перегрузки трансформатора.

Корпус печи должен быть подсоединен к общему контуру заземления (или зануления).

Помещение площадью 20-30 м² должно соответствовать требованиям, предъявляемым к помещениям для проведения плавки (стены и пол из негорючего материала, пол неэлектропроводный), и требованиям к сохранности металла. Помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, освещением, средствами пожаротушения (порошковый огнетушитель, асбестовое одеяло, песок).

Таблица 4.7

Основные технические характеристики руднотермической

печи РТП3-10М конструкции ОАО «Иргиредмет»

 

Параметр	Значения параметра
Общий объем ванны, дм3
Рекомендуемая массовая доля суммы благородных металлов в исходном материале, поступающем на плавку (не менее), %
Производительность по загружаемой шихте (продукт + флюсы), кг/ч	10-30
Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/кг слитка	2-5
Оптимальная масса слитка, кг	4-12
Масса печи, кг
Габаритные размеры печи, мм:
длина
ширина
высота
Мощность источника питания, кВт	80-100
Входное напряжение источника питания, В	220-380
Рабочее напряжение печи, В	30-80
Максимальный ток при прогреве ванны, А	500-600
Рабочий ток при плавке, А	200-400
Рабочая мощность печи, кВт	25-35
Количество плавок, проводимых без замены футеровки	10-20

 

Контрольные вопросы

 

1. Чем характеризуется дуговой разряд?

2. Где используют электродуговые печи?

3. Как классифицируют электродуговые печи?

4. По какому технологическому циклу идёт плавление металлов в печах ДСП?

5. В какой период из всего цикла плавления наблюдаются наибольшие затраты электроэнергии и почему?

6. За счёт чего идёт экономия электроэнергии в сталеплавильных печах?

7. Для чего предназначены дуговые печи косвенного действия?

8. Достоинства и недостатки печей ДСП косвенного действия.

9. Как производится регулирование мощности печи?

10. Какое электрооборудование входит в схемы ДСП?

11. Для чего осуществляют регулировку расстояния между электродами?

12. Для чего в цепь высокого напряжения печи включают реактор (дроссель)?

13. С помощью каких параметров регулируется режим работы печи?

14. Особенности трансформаторов, применяемых для печей?

15. Что называют короткой сетью?

16. Из чего состоит короткая сеть и для чего применяется?

17. Как влияют на график нагрузки печи несинусоидальность и несимметрия токов и напряжения?

18. Назовите основные задачи автоматизированного управления ДСП.

19. Назовите недостатки ДСП переменного тока.

20. Какие достоинства и недостатки у дуговых печей постоянного тока?

21. Какую роль в схеме дуговой печи постоянного тока выполняет выпрямитель тока?

22. Где применяют вакуумные печи постоянного тока?

23. Назовите достоинства и недостатки вакуумных печей.

24. Где нашли применение руднотермические печи?

25. Назовите мероприятия по обеспечению симметричности загрузки РТП.

26. Для чего необходимо снижать активное и индуктивное сопротивление печи?

27. Какие меры применяют для улучшения в печах РТП?

28. Для чего в печах РТП линия трансформатор-печь должна быть короткой?

29. В каких случаях в РТП применяют блокпроцессы?

30. Назовите достоинства и недостатки РТП.

 

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основная литература

1. Малахова, Т. Ф. Печи сопротивления [Электронный ресурс]: методические указания к лабораторным занятиям и самостоятельной работе по дисциплине «Основы электротехнологий» для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», образовательная программа «Электроснабжение», всех форм обучения / Т. Ф. Малахова. ФГБОУ ВО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева», каф. электроснабжения горн. и пром. предприятий. – Кемерово, 2016. – 16 с. – Электронный ресурс:

http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=1621.

2. ГОСТ 17677-82. Общие технические условия. – М.: Изд-во стандартов, 1996.

3. Правила устройства электроустановок. – 7 изд. – М.: НТЦПБ, 2012. – 584 с.

 

Дополнительная литература

1. Болотов, А. В. Электротехнологические установки. [Текст]: учеб.для вузов / А. В. Болотов, Г. А. Шепель. – М.: Высшая школа, 1988.

2. Шеховцов, В. П. Электрическое и электромеханическое оборудование [Текст] / В. П. Шеховцов. – М.: Форум-Инфра М, 2004.

3. Свенчанский, А. Д. Электрические промышленные печи [Текст] / А. Д. Свенчанский. – М.: Металлургиздат, 1975.

4. ГОСТ Р 12.1.009-2009. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 2009.

5. Потапов, Л. А. Теоретические основы электротехники: краткий курс [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Л. А. Потапов. – СПб: Лань, 2016. – 374 с.