Параметры ферросплавных и электродуговых печей

Виды и характеристика ферросплавных печей

 

Ферросплавы выплавляют преимущественно  в мощных электрических печах  специальной конструкции, получивших название ферросплавных печей. Эти  печи пригодны для ряда электротермических производств: получения ферросплавов, электроплавки чугуна, производства карбида кальция, фосфора и др., и их часто объединяют под более общим названием рудовосстановительных или руднотермических печей.

Ферросплавную печь характеризуют следующие параметры:

- номинальная мощность (мощность трансформатора) Р, кВА;

- производительность G, т/сут;

- интервал вторичных напряжений, В;

- максимальная сила тока в электроде, кА;

- удельный расход электроэнергии w, МДж (кВт ч/т);

- коэффициент мощности cos ф;

- электрический к.п.д.;

- диаметр электрода d3, мм (для прямоугольных электродов сечение b * l мм, где b и l — соответственно ширина и длина поперечного сечения электрода, мм);

- диаметр распада электродов dp, мм (для прямоугольных печей расстояние между осями электродов одной фазы, мм);

- внутренний диаметр ванны dB, мм (для печей прямоугольной формы ширина В и длина L ванны, мм);

- глубина ванны h, мм;

- диаметр кожуха dKt мм (для прямоугольной печи ширина Вк и длина LK кожуха, мм);

- высота кожуха H, мм.

По своему назначению Ферросплавные  печи могут быть восстановительными или рафинировочными, а по конструкции  – открытыми и закрытыми, как  со стационарными, так и с вращающимися ваннами. В зависимости от формы ванны печи бывают круглыми, прямоугольными и овальными. Потому, как выдаются из печи сплав и шлак, агрегаты могут быть неподвижными и наклоняющимися. Имеются также электропечи с выкатывающимися ваннами.

Ферросплавные печи для рафинировочных процессов, предназначенные для выплавки рафинированных феррохрома и ферромарганца, ферровольфрама и других сплавов, по своему устройству стоят ближе к электросталеплавильным дуговым печам, на базе которых их конструируют. Основные элементы конструкций и оборудования таких печей были рассмотрены в разделе электропечи. Здесь же рассматривается устройство восстановительных печей для производства ферросплавов.

В промышленности используют однофазные и трехфазные ферросплавные  печи; ведутся работы по их использованию, работающих на постоянном токе. Однофазные ферросплавные печи в настоящее время строят только для специальных целей и они имеют ограниченное применение. Ванну однофазных агрегатов изготовляют цилиндрической формы с угольной подиной, в которую закладывают медные токоподводящие шины. Токоподвод подводят от трансформатора к шинам пода и к электроду. При производстве кристаллического кремния некоторое распространение получили однофазные печи с двумя электродами и ванной овальной формы.

Трехфазные ферросплавные  печи строят или с расположением  электродов в одну линию (прямоугольные) или в большинстве случаев  с расположением электродов по вершинам треугольника (круглые). Печи большой  мощности изготовляют и с шестью электродами.

Наиболее широко распространены в ферросплавной промышленности круглые трехфазные печи. В круглом агрегате, электроды которой расположены по треугольнику, тепло концентрируется достаточно хорошо для того, чтобы образующиеся под каждым электродом плавильные тигли соединились между собой. Это позволяет работать с одним выпускным отверстием. У таких ферросплавных печей минимальна по величине теплоотдающая поверхность и в них лучше используется тепло. При рациональной конструкции короткой сети и наличии установок искусственной компенсации реактивной мощности такие печи могут работать с высоким коэффициентом мощности, достигающим 0,95 (даже у агрегатов мощностью

40—60 MB А), и минимально  выраженным явлением «мертвой»  и «дикой» фаз.

Прямоугольные трехэлектродные ферросплавные печи характеризуются сравнительно низким cos φ печной установки и у них резко выражается явление «дикой» и «мертвой» фаз. К этому следует добавить, что образование под каждым электродом самостоятельного реакционного тигля вызывает необходимость работы на трех летках. В связи с этим в настоящее время такие печи для производства ферросплавов не строятся.

Прямоугольные шестиэлектродные ферросплавные агрегаты с тремя однофазными трансформаторами , представляющие собой практически три однофазных печи с общей ванной, в значительной степени свободны от указанных выше недостатков прямоугольных печей и отличаются рядом достоинств, в частности при их использовании облегчается загрузка шихты, легче регулируется расстояние между электродами в зависимости от электрического сопротивления применяемой шихты, шихтовые материалы, особенно при производстве кремнистых сплавов, попадая в зону высоких температур, начинают оплавляться и спекаться, что резко ухудшает газопроницаемость шихты. Для восстановления нормального положения приходится прокалывать шихту жердями, металлическими прутьями или другими приспособлениями. Кроме того, в результате тех или иных технологических нарушений часто происходит сужение реакционного тигля и для его расширения приходится затрачивать очень много труда. Для устранения этих недостатков были предложены конструкции ферросплавных печей с вращающейся ванной, отличающиеся следующими преимуществами:

- улучшается ход технологического процесса, так как обеспечивается хорошая газопроницаемость шихты;

- Футеровка печи служит дольше;

- успешно разрушаются карборунд и шлаковый «козел» по всей площади ванны, что обеспечивает удлинение кампании агрегата, особенно при производстве кристаллического кремния и силикокальция;

- обеспечиваются ровный ход ферросплавной печи и разрушение настылей на колошнике и перегородок в подсводовом пространстве, что способствует устойчивой работе закрытой печи для восстановительных процессов.

В рафинировочных ферросплавных  печах также в ряде случаев  целесообразно применять вращающиеся  ванны, поскольку при этом, например, обеспечивается равномерное вычерпывание сплава при производстве ферровольфрама, а при производстве рафинированного феррохрома повышается стойкость футеровки печи.

Отечественный опыт показывает, что вращение ванны позволяет  повысить ее производительность на 3—6% и снизить удельный расход электроэнергии на 4—5% при одновременной значительной экономии сырых материалов.

В целях улучшения показателей  процесса, защиты воздушного бассейна, утилизации газов, теплота сгорания которых составляет около 10,9 Мдж/м³ (2600 ккал/м3), и улучшения условий труда и службы оборудования в последнее время в производстве ферросплавов стали широко применять закрытые ферросплавные печи. Эти агрегаты (рис. 1) в основных деталях аналогичны открытым печам, но у них дополнительно имеется свод.

Длина рабочего конца электродов у закрытых печей несколько больше, чем у открытых, что сказывается  на увеличении потерь электроэнергии. Но в то же время в закрытых ферросплавных печах резко снижается индуктивное сопротивление короткой сети, так как шихтованный пакет шин доводится почти до центра свода печи.

Параметры ванны ферросплавной  печи и, в частности, внутренний диаметр  ванны dB выбирают исходя из диаметра электрода da, диаметра распада электродов dp, являющегося в свою очередь функцией диаметра электрода и рода выплавляемого сплава, и допустимой величины зазора а между электродом и футеровкой ферросплавной печи.

Так как для определения  параметров ферросплавной печи еще  не создана научно обоснованная методика, их выбирают исходя из условия подобия  размеров проектируемых и хорошо работающих печей. Разработан размерный  ряд ферросплавных печей.

Как правило, диаметр электрода выбирают, исходя из допустимой плотности тока на 1 см² поперечного сечения электрода, величину которой снижают с увеличением диаметра электрода.

Допустимая плотность  тока в электроде зависит от его  материала и диаметра и составляет для самоспекающихся электродов 6—8, угольных 7—12 и графитированных электродов 14—28 А/см² (верхние значения относятся к электродам малых диаметров).

При выборе параметров ферросплавной  печи важно правильно определить диаметр распада электродов. Слишком  малый диаметр распада электродов приводит к наложению реакционных  зон и, следовательно, к очень  большой концентрации мощности.

В результате температура  в этой зоне резко повышается и  понижается полезное сопротивление  шихты, что приводит к высокой  посадке электродов и к повышенным потерям в улет восстановленных элементов и тепла, особенно марганца, кальция, кремния. Выбор завышенного диаметра распада электродов приводит к дополнительным потерям тепла из-за слишком больших размеров ванны печи и к холодному ходу печи, к образованию под электродами отдельных, не связанных между собой реакционных тиглей и к затруднениям с выпуском сплава. В большинстве работ рекомендуется принимать диаметр распада электродов из условия dp = 2,5d3

Для ферросплавных печей  с вращающейся ванной диаметр  dp может быть уменьшен до девяти десятых диаметра распада электрода печи аналогичной производительности, но со стационарной ванной. Это возможно, поскольку глубокая посадка электродов обеспечивается охлаждением реакционной зоны надвигающейся шихтой, разрушением хорошо электропроводного карборунда, уменьшением размеров тигля и изменением его формы, а также ввиду уменьшения вязкого и хорошо электропроводного слоя вокруг газовой полости тигля.

Отмеченные выше факторы  и постоянное перемещение очагов высокой температуры относительно пода и стен ферросплавной печи облегчают  службу футеровки печей с вращающейся  ванной и позволяют снизить величину расстояния а от электрода до футеровки печи на 30% против принятой для стационарных печей до (0,8-М,0) d3 применительно к бесшлаковым и до (0,95-И,2) d3 применительно к шлаковым процессам.

Сообразно с изложенным для выбора диаметра ванны рекомендуются следующие соотношения:

1. Для стационарных ферросплавных печей при бесшлаковом процессе dB = dp + d3 + 2а = dp + 2,7dэ при шлаковых процессах, когда условия службы футеровки печи усложняются и необходимо увеличить величину dB = dp + d3 + 2а = dp + 3,3d3.
2. Для ферросплавных печей с вращающейся ванной: при бесшлаковом процессе dB >= 0,9cL + 2,5dэ, при шлаковых процессах: dB = 0,9dp + + 3,04.

Отечественная практика и  зарубежные данные показывают, что  диаметр ванн для закрытых ферросплавных  печей обычно увеличивают примерно на величину до 1,0- dэ сравнительно с аналогичными открытыми печами.

Наружный диаметр печи выбирают равным dB плюс двойная толщина футеровки, которая определяется мощностью ферросплавной печи и технологическими особенностями процесса.

Глубину h ванны печи определяют в зависимости от диаметра электрода и плотности тока в нем, рода выплавляемого сплава и мощности ферросплавной печи. Обычно для открытых печей мощностью свыше 7500 кВА величину h связывают с диаметром электрода уравнением h = 2,2dэ и для закрытых печей высоту h определяют по условиям обеспечения надлежащего подсводового пространства, что приводит к ее увеличению примерно до 2,5—2,7dэ.

 

 

Кожух ферросплавной печи должен быть достаточно прочным, так  как ему приходится выдерживать  массу футеровки, шихты и сплава, а также давление футеровки печи в результате ее теплового расширения. Кожух выполняют из листовой стали  толщиной 15—25 мм.

Для придания кожуху ферросплавной печи жесткости к нему крепят вертикальные ребра и 3—5 горизонтальных поясов жесткости, выполненных из листового и профильного железа. В закрытых ферросплавных печах роль верхнего пояса жесткости выполняет корыто песчаного затвора. В местах крепления леток кожух усиливают либо литой стальной плитой, либо дополнительными ребрами жесткости, к которым крепят литую или же сварную арматуру летки.

В мощных трехфазных печах  с круглой ванной, работающих на выплавке сплавов непрерывным процессом, делают 1—2, а иногда и 3 летки. В тех  случаях, когда технологический  процесс связан с раздельным выпуском сплава и шлака, делают две летки: металлическую и шлаковую, расположенные  на различных уровнях.

В отдельных случаях кожух  ферросплавной печи или часть  его охлаждается снаружи водой  при помощи брызгал или заложенных в футеровку холодильников. Подину печи обычно охлаждают воздухом, нагнетаемым  вентилятором в пространство между  балками.

Конструкция и качество футеровки  ферросплавной печи во многом определяют технико-экономические показатели производства ферросплавов. Выбор огнеупорных материалов для футеровки ферросплавной печи определяется технологией выплавки сплава, составами шлака и сплава. Характерной особенностью футеровки рудовосстановительных ферросплавных печей служит очень большая толщина подины, что обеспечивает значительную тепловую инерцию. Общим для ферросплавных печей является то, что роль фактического рабочего слоя футеровки электропечи выполняет так называемый гарниссаж — слой, образованный из проплавляемой шихты, восстановленной до различной степени, остатков футеровки и сплава. Часть гарниссажа, обращенная к плавильному тиглю, участвует в процессах восстановления и непрерывно обновляется, а прилегающая к футеровке надежно защищает ее от разрушения. Один из вариантов футеровки закрытой ферросплавной печи с вращающейся ванной для выплавки кремнистых сплавов показан на рис. 1. Срок службы футеровки на таких печах составляет 8—10 лет.