Ферросплавные печи как разновидность рудовосстановительных печей

Глава III

Ферросплавные печи

Ферросплавные печи как разновидность рудовосстановительных печей

Общие сведения

В металлургии для нагрева рудных материалов применяют руднотермические печи. В классификации электропечей (см. рис. 1) они занимают промежуточное положение между дуговыми печами и печами сопротивления, ибо нагрев может происходить как за счет дугового разряда между электродом и нагреваемым материалом, так и в результате тепловыделения по закону Джоуля – Ленца при протекании тока через шихту, расплав или шлак. В зависимости от технологического процесса обработки рудных материалов различают рудоплавильные (например, шлакоплавильные печи) и рудовосстановительные (например, ФСП) руднотермические печи (рис. 57).

Рис. 57. Схемы ферросплавных печей: а – рафинировочная круглая открытая типа РКО; б – рудовосстановительная круглая закрытая типа РКЗ;
в – рудовосстановительная прямоугольная закрытая типа РПЗ;
1 – электроды; 2 – свод; 3 – ванна; 4 – механизм наклона; 5 – сливной желоб («лётка»); 6 – механизм вращения; 7 – электрододержатель;8 – механизм передвижения электродов; Ш – система шихтоподачи

Энергоемкость технологического процесса в зависимости от типа восстановителя (углерод, кремний или алюминий) определяет тепловую и электрическую мощность ФСП. ФСП мощностью 10…100 MB·А предназначены для эндотермического карботермического восстановления оксидов кремния, марганца и хрома. Эти печи, как правило, непрерывного действия. Электроды погружены в шихту, уровень которой в ванне ФСП поддерживают постоянным, непрерывно подавая шихтовые материалы. Электрический режим работы – «закрытая» дуга.

Менее мощные (2,5...4,5 MB·А) ФСП применяют для силико- или алюминотермического получения рафинированных сортов ферромарганца, феррохрома и других ферросплавов. Такие рафинировочные ФСП работают периодически, с полным проплавлением шихты, в режиме «открытая дуга» подобно ДСП (см. рис. 57, а).

При многошлаковых технологических процессах (шлакоплавильные печи, выплавка углеродистого ферромарганца и др.) печи работают практически в режиме сопротивления.

В качестве геометрического параметра рабочего пространства ФСП принимают диаметр электрода D_эд. Все остальные геометрические размеры ванны (рис. 58) выражают через D_эд (табл. 15).

Рис. 58. Основные размеры круглой (а) и прямоугольной (б) ванны ФСП

Таблица 15

Значения линейных параметров для различных ФСП

Относительное значение параметра (симплекс)	Обозначение на рис. 58	Круглая ванна	Прямоугольная ванна
Бесшлаковый процесс	Шлаковый процесс	Бесшлаковый процесс	Шлаковый процесс
Расстояние между электродами Диаметр (длина) ванны Глубина ванны Высота угольной футеровки Заглубление электрода в шихту	p   Dвн (lвн) hвн h hэд	2,15…2,85   5,10…5,20 1,80…2,00   0,65…0,70   1,10…1,20	2,24…3,02   5,60…5,80 2,00…2,50   0,95…1,10   0,85…1,25	2,25…2,85   6,80…7,00 1,80…2,00   0,65…0,70   1,10…1,20	2,70…4,00   8,24…8,80 2,00…2,50   0,95…1,10   0,85…1,25

Электрическими параметрами ФСП считают номинальное значение полной мощности S_ном, полезное фазное напряжение U_поли силу тока в электроде I_эд. Параметр U_полпозволяет для известных значений электрического КПД η_э и коэффициента мощности cos φ данной электрической схемы соединения электродов в ванне рассчитать вторичное напряжение электропечного трансформатора. Параметр I_эд связан с геометрическим параметром D_эдчерез допустимую для данного технологического процесса плотность тока J_доп (табл. 16):

I_эд = J_допπD²_эд/4 ≈ 0,785 J_доп D²_эд. (117)

Таблица 16

Некоторые эксплуатационные показатели «образцовых» ФСП

Сплав	Wу, МВт·ч/т	Средние значения коэффициентов	Для формулы (123)	Jдоп,А/см2
сos φ*	ηэ**	n	с
Ферросилиций: ФС45 ФС65 ФС75 Ферросиликохром Феррохром: углеродистый безуглеродистый Силикомарганец	4,4…4,7 6,9…7,4 8,3…8,9 4,5   3,1…3,3 2,3...2,8 4,1…4,7	0,84 0,80…0,91 0,84 0,82   0,87 – 0,80	0,90…0,93 0,89…0,90 0,96 0,90   0,87 – 0,91…0,94	0,33 0,33 0,33 0,33   0,25 0,25 0,25	5,1…5,2 5,5 5,4 5,2   7,7 9,6	4,9…6,0 5,1…5,5 5,5…5,6 7,0   6,7 – 5,5…5,6

Окончание табл. 16

Сплав	Wу, МВт·ч/т	Средние значения коэффициентов	Для формулы (123)	Jдоп,А/см2
сos φ*	ηэ**	n	с
Ферромарганец углеродистый Силикокальций Ферровольфрам	2,7…3,1 11…13 3,5…4,1	– – –	– – –	0,25 0,25 0,25	7,8 7,1 8,0	4,7 –

_________

* Меньшие значения для более мощных ФСП (без компенсации реактивной мощности).

** Меньшие значения для менее мощных ФСП.

Электрическое поле ванны

Необходимые для данного технологического процесса ФСП температурные и энергетические условия обеспечиваются интенсивностью объемной теплогенерации в ванне q_V в результате преобразования электрической энергии в тепловую по тому или иному способу. Значение q_V зависит от распределения электрического поля Е и плотности тока в ванне J. В однородной среде (УЭС ρ одинаковое по всему объему) при нагреве по закону Джоуля – Ленца

(118)

тепловое и электрическое поля совпадают.

Однако в реальных условиях работы ФСП электро- и теплофизические свойства различных зон ванны неодинаковы, что нарушает подобие этих полей и делает необходимым их раздельное изучение с целью нахождения закономерностей в функции основных геометрических и электрических параметров ФСП.

При погружении электродов в электропроводную углеродсодержащую шихту в ФСП для карботермических восстановительных процессов в ванне возникает сложное токораспределение: часть тока протекает через торец электрода (торцовый ток), другая часть – через боковую поверхность (боковой ток). В однофазной ФСП боковой ток шунтирует торцовый ток. Таким образом, при работе ФСП в смешанном режиме ток шихтовой проводимости будет шунтировать дуговой разряд.

В трехфазной ФСП по этой причине возможны четыре цепи протекания тока через ванну:

1) торец электрода – дуга (при дуговом или смешанном режиме) – расплав (или шлак) – под, т.е. одна фаза электрической схемы «звезда» (активное сопротивление дуги R_д);

2) боковая поверхность электрода – шихта – под, причем эта цепь шунтирует цепь № 1 (активное сопротивление «тигля» R_тгл);

3) боковая поверхность электрода одной фазы – шихта – боковая поверхность электрода другой фазы, т.е. цепь электрической схемы «треугольник» (активное сопротивление шихты R_ш);

4) боковая поверхность электрода – шихта – токопроводящая угольная футеровка (в ФСП с карботермическим восстановительным процессом) – под (активное сопротивление футеровки R_фут).

Такое токораспределение учитывают при составлении эквивалентной схемы замещения ванны ФСП.

В реальных условиях ФСП конфигурация электрического поля и токораспределение зависят от диаметра электрода D_эд, расстояния между электродами p (см. рис. 58), зазора между электродом и ванной, глубины погружения электрода в шихту, высоты слоя шихты, а также электрофизических свойств неоднородной электропроводной среды ванны ФСП.

Трудности теоретического анализа влияния всех факторов определяют необходимость экспериментального исследования электрического поля ФСП как в промышленных условиях на действующих печах, так и в лабораторных условиях на моделях с обеспечением геометрических и физических условий подобия электрических полей (электрическое подобие).

Теоретическое исследование электрического поля показывает, что в трехфазных симметричных печах (с круглой ванной), в которых электроды расположены по вершинам равностороннего треугольника (см. рис. 58, а), на оси симметрии печи возбуждается вращающееся поле постоянной величины. По мере удаления от этой оси частота вращения поля меняется, но внутри треугольника распада электродов поле продолжает оставаться вращающимся. Вне этого треугольника электрическое поле превращается в пульсирующее. В трехфазных ФСП с прямоугольной ванной (см. рис. 58, б), в которых электроды располагают в ряд, электрическое поле в любом сечении ванны имеет пульсирующий характер.

Возникающие в ванне ФСП переменные магнитные и электрические поля определяют как индуктируемые (вихревые) токи (обратить внимание при конструировании металлоконструкций ФСП!), так и токи проводимости.

Самообжигающиеся электроды

Технические характеристики

В ФСП непрерывного действия ток в ванну вводят через непрерывные самообжигающиеся электродов.

Самообжигающийся электрод представляет собой стальной тонкостенный кожух, заполненный электродной массой, обжигающейся теплом печи и проходящим по электроду током в твердый блок на уровне не ниже контактных щек электрододержателя. В обожженном состоянии такие электроды мало отличаются от угольных электродов, но имеют ряд преимуществ:

1) возможно изготовление электрода большого поперечного сечения любой формы (круглого или прямоугольного);

2) более низкая стоимость (примерно в три-четыре раза).

Невысокая допустимая плотность тока (до 7 А/см² согласно табл. 16) защищает электрод от местных перегревов. Большой диаметр электрода (из-за низкой плотности тока) определяет соответственно размер реакционного «тигля», что с учетом принципа действия ФСП смешанного нагрева следует считать также положительным обстоятельством для эксплуатации таких печей.

В состав электродной массы входят твердые углеродистые материалы: электродный термоантрацит (ГОСТ 4794–97), пековый кокс марки КПЭ (ГОСТ 3213–91) и графитированные отходы или коксик; углеродистые связующие вещества.

Электродную массу выпускают специализированные цехи ферросплавных и электродных заводов.

Особенностью самообжигающегося электрода как участка вторичного токопровода ФСП является то, что стальной кожух электрода не только служит для формирования и обжига электрода, но и участвует в прохождении тока как параллельный проводник, шунтирующий электрод при недостаточном значении ρ_эд (табл. 17).

Таблица 17

Сопротивление электрода диаметром 900 мм при различных
температурах, мОм/м (по данным Б.М. Струнского)

Часть электрода	Сечение, см2	Температура электрода, К
Стальной кожух Угольный блок	65,5	0,050 9,400	0,060 3,900	0,067 2,500	0,075 0,800	0,091 0,130	0,100 0,103

При температурах до1000 К роль угольного блока в прохождении тока невелика. Только при Т = 1275 К угольный блок пропускает половину силы тока. При 0,5I_эд = 20 кА средняя плотность тока
(по данным табл. 17) составит 3,06 и 0,038 А/мм² для кожуха и угольного блока соответственно.

Таким образом, токораспределение по частям электрода, определяющее их работоспособность, зависит от условий обжига электродной массы, т.е. от теплового поля самообжигающегося электрода.

Расход самообжигающихся электродов (т.е. расход электродной массы) в расчете на 1 МВт·ч израсходованной электроэнергии составляет 5...12 кг (заводские данные включают возможные непроизводительные расходы по причине поломки электродов, потерь электродной массы при транспортировке и др.).

Конструкция

Кожух электрода(рис. 59) служит формой для электродной массы, предохраняет электрод от окисления, обеспечивает прохождение тока в зоне контактных щек (когда электрод недостаточно электропроводен) и теплопередачу вдоль электрода к верхней необожженной части, а также удерживает электрод в подвешенном состоянии, будучи зажатым механизмом перепуска в верхней своей части. Кожух изготовляют из листовой стали толщиной до 4 мм в виде отдельных секций длиной (1,34...1,7) D_эд. Внутри кожуха приваривают радиальные ребра (8–12 шт.), необходимые для сцепления с электродной массой и удержания нижней части электрода. Ширину ребра выбирают из условия (0,20...0,22) D_эд. Расход стали для изготовления кожуха составляет примерно 5,5 %от массы электрода круглого сечения и 6 % от массы электрода прямоугольного сечения. Электроды наращивают, приваривая новую секцию к кожуху электрода.

Рис. 59. Конструкция самообжигающегося электрода: 1 – электрод; 2 – контактные щеки; 3 – ме-ханизм нажима щек (электродный зажим); 4 – крепление электрокон-тактного узла; 5 – несущий цилиндр; 6 – опора плунжера; 7 – опорная платформа – траверса; 8 – гидроподъемник; 9 – кожух; 10 – за-жимные щеки с пружинно-гидравли-ческим приводом 11 и 13; 12 – механизм перепуска

Для самообжигающихся электродов применяют кольцевые электрододержатели подвесного типа. Электрододержатель состоит из контактных щек,электродного зажима,несущих конструкций, механизма передвиженияи механизма перепуска.

Контактные щеки предназначены для передачи тока, формирования угольного блоки электрода и его подвешивания.

Условия работы контактного узла очень тяжелые. Для максимального снижения электрических потерь и угара электрода контактный узел необходимо располагать возможно ближе к колошнику. Контакт регулярно передвигают при перепуске электрода. Невысокое качество поверхности сварного кожуха приводит к плохому контакту, появлению контактных дуг. Различная индуктивность токопровода по фазам и эффект близости вызывают неравномерное токораспределение по щекам. Все это снижает эксплуатационную стойкость контактных щек.

Для контакта со стальным кожухом самообжигающегося электрода наиболее подходят щеки из меди и некоторых ее сплавов, содержащих небольшое количество цинка и хрома.

Обычно применяют 8–12 щек шириной 340 (узкие щеки) или 400 мм (широкие щеки). Это позволяет менять тепловые условия обжига электродов, поскольку водоохлаждаемые щеки выполняют функцию холодильников.

Площадь контактной поверхности щеки определяют по допустимой плотности тока в токопереходе «щека – электрод» (1,2...1,4 А/см²).

Электродные зажимы создают необходимое контактное давление, прижимая контактные щеки к самообжигающемуся электроду. На современных ФСП функцию удержания электрода выполняет механизм перепуска, зажимая кожух в верхней части электрода (см. рис. 59, поз. 10). Это объясняется тем, что сила трения, возникающая в электроконтактном узле, при больших значениях D_эд уже не может уравновесить силу тяжести электрода.

Механизм зажима контактных щек устаревшего типа был пружинно-винтовым. Современные механизмы рычажного или мембранного типа имеют гидропривод (давление рабочей жидкости – воды достигает 1 МПа).

Несущий цилиндр предназначен для крепления электрододержателя к механизму передвижениясамообжигающегося электрода, установленному на рабочей площадке. Поэтому его длина зависит от уровня рабочей площадки. Диаметр цилиндра, изготовленного из стального листа толщиной 6...12 мм, на 120...150 мм превышает диаметр электрода. В кольцевой зазор сверху нагнетают вентиляторный воздух (холодный или нагретый) для обеспечения заданного режима коксования электродной массы в кожухе электрода выше электрододержателя и для обеспечения чистоты контактной поверхности кожуха в электрододержателе.

Механизм передвижения самообжигающегося электрода на современных крупных ФСП имеет два или три плунжера,установленных на рабочей площадке ФСПЦ. Цилиндры гидроподъемникасвязаны между собой траверсой,снизу к которой подвешивают несущий цилиндр, а сверху устанавливают механизм,перепуска электродов. Скорость подъема составляет 0,5 м/мин. Рабочее давление масла, необходимое для совершения полезной работы и преодоления сил трения в гидроподъемнике, составляет 2,5...3 МПа.

Ход гидроподъемника равен 1,2...1,5 м.

Механизм перепуска самообжигающегося электрода состоит из двух колец, охватывающих кожух электрода: неподвижное нижнее кольцо закреплено на траверсемеханизма передвижения, верхнее кольцо – подвижное. Верхнее кольцо передвигают три гидравлических цилиндра, установленных под углом 120° друг к другу на нижнем кольце. Максимальный ход цилиндра – до 100 мм. Каждое кольцо имеет по шесть стальных щеквысотой 800 мм с пружинно-гидравлическим приводом (ход щеки 10...20 мм). Поверхность каждой щеки, примыкающая к кожуху электрода, для увеличения трения покрыта резиновой накладкой толщиной 6...8 мм (коэффициент трения скольжения «резина – сталь» достигает 0,3...0,6), что позволяет снизить давление на кожух.

В нормальном положении механизм щекиверхнегои нижнего колец прижаты к кожуху электрода; механизм перепуска за счет сил трения удерживает электрод в подвешенном состоянии и передвигается вместе с ним под действием гидроподъемника механизма передвижения.

Для перепуска самообжигающегося электрода подвижное кольцо разжимает электрод, с помощью гидроцилиндров передвигается вверх (на шаг перепуска) и вновь зажимает электрод. Затем нижнее кольцо разжимает электрод,который с верхним кольцом под действием силы тяжести опускается вниз, преодолевая трение контактных щекэлектрододержателя, на шаг перепуска, после чего нижнее кольцовновь зажимает электрод. Описанные операции происходят автоматически с помощью соответствующих блокировок. При необходимости пропустить электрод на большую длину циклы перепуска повторяют.

На ряде печей применяют простой и надежный пневматический механизм перепуска, представляющий собой набор кольцевых резинотканевых рукавов. Перепуск происходит при поочередной подаче воздуха в эти кольца.

Ванна

Кожух

Кожух ванны ФСП должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать давление, создаваемое весом футеровки и шихтовых материалов, а также давление расширяющейся при нагреве футеровки. Для ванны с угольной футеровкой кожух должен быть герметичным, чтобы исключить подсос воздуха.

Кожух выполняют из листовой стали толщиной 12…24 мм в зависимости от размера ванны. Плоские стены кожуха прямоугольной ванны усиливают ребрами жесткости (для кожуха цилиндрической формы ребра жесткости не обязательны). Верхний край кожуха открытых ванн усиливают поясом жесткости; у закрытых ванн эту роль выполняет лоток песчаного затвора, необходимого для предотвращения выбивания печных газов из-под свода.

Для уменьшения распорного действия футеровки целесообразна коническая форма кожуха ванны. При нагреве расширяющаяся футеровка поднимается по конусной поверхности кожуха и свободно увеличивается по диаметру. Коническая часть кожуха (см. рис. 57, б)также увеличивает его жесткость и позволяет уменьшить расход огнеупорных материалов.

Днище кожуха ФСП непрерывного действия обычно плоское, простое в изготовлении и достаточно прочное для условий службы ванны, опирающейся на раму из параллельно установленных двутавровых балок, закрепленных на фундаменте ФСП или на плите механизма вращения ванны. Плоское днище ванны с угольной футеровкой охлаждают вентиляторным воздухом, нагнетаемым в каналы между балками шириной 400...500 мм.

Футеровка

Высокая температура в реакционных «тиглях» ванны ФСП (2300...2500 К) определяет особо высокие требования к огнеупорности футеровки и ее химической стойкости к действию расплава, в особенности шлака. Из всех известных огнеупорных материалов этим требованиям удовлетворяет угольная футеровка. Поскольку эта футеровка не может работать в окислительной атмосфере, ее применяют в нижних горизонтах ванны, которые изолированы от воздуха и окислительных реагентов футеровки, т.е. в подине и в части стены на уровне подэлектродного пространства (см. рис. 58). Углеродистую футеровку нельзя применять в ваннах ФСП для выплавки малоуглеродистых и безуглеродистых сортов феррохрома и ферромарганца, а также металлического марганца. В этих случаях применяют керамические огнеупорные материалы, например, периклазовый кирпич (см. рис. 57, а).

Другой особенностью футеровки ФСП является большая толщина (толщина подины достигает 2,5 м) и хорошая тепловая изоляция. Большое тепловое сопротивление способствует снижению тепловых потерь и созданию необходимой высокой температуры в рабочем пространстве ванны, а значительная масса футеровки, обладающая большой тепловой инерцией, способствует сохранению устойчивой температуры в «тигле» (для ФСП непрерывного действия) при возможных кратковременных простоях (выпуск сплава, перепуск электродов и т.п.).

В ФСП фактическим рабочим слоем футеровки ванны служит гарнисаж, формирующийся:

на подине – из застывшего расплава;

в нижних горизонтах ванны – из проплавленных шихтовых материалов;

в верхних горизонтах ванны – из уплотнившихся непрореагировавших шихтовых материалов, частично или полностью лишенных
(в результате окисления) углеродистого восстановителя.

Толщину слоя гарнисажа устанавливают в соответствии с соотношением размеров ванны (D_вн/D_эд) согласно табл. 15 и условиями охлаждения тех или иных участков футеровки (теплопроводность, толщина, внешняя теплоотдача кожуха).

Роль гарнисажа для повышения стойкости футеровки исключительно велика (особенность эксплуатации ФСП!). Стойкость ванн с гарнисажем нормальной толщины составляет 6...10 лет и более, тогда как ванны шлаковых процессов, в которых по условиям плавки гарнисаж не может быть создан, требуют ремонта уже через 2–3 месяца работы.

Для некоторых технологических процессов (выплавка ферроникеля, производство фосфора) применяют специальные гарнисажные РВП конструкции ВНИИЭТО. В таких печах футеровка изготовлена из графитированных блоков (повышенная теплопроводность, минимальное линейное и объемное расширение при высоких температурах) и высокотеплопроводной засыпки между блоками и водоохлаждаемым кожухом. Углеродистая футеровка позволяет увеличить допустимую удельную мощность таких РВП, а рабочий слой гарнисажа толщиной 20...30 мм, формирующийся в результате теплоотвода, предотвращает износ кладки и исключает науглероживание выплавляемых продуктов.

Механизм вращения

ФСП с круглой ванной для ряда технологических процессов оборудуют механизмом вращения. Вращение ванны аналогично рыхлению разрушает настыли шихтовых материалов, что способствует улучшению газопроницаемости и схода шихты. Реакционные «тигли» становятся асимметричными относительно электрода, так как стенка с набегающей стороны шихты расположена ближе к электроду, чем со сбегающей; размеры «тигля» уменьшаются в 3–4 раза. При этом возрастает активное сопротивление ванны и увеличивается электрический КПД ФСП. Вращение ванны улучшает обслуживание ванны. По данным М.А. Рысса, при выплавке ферросилиция марки ФС75 с вращением ванны извлечение кремния из кварцитов повысилось на 6...8 %, удельный расход электроэнергии снизился на 5...7 %, производительность возросла на 8...10 % (табл. 18).

Таблица 18

Технико-экономические показатели ФСП мощностью
12,5 MB·A при различных режимах вращения ванны (по данным М.А. Рысса)

Показатель	Режим вращения ванны
Стационарная ванна	Круговое вращение	Реверс 120°	Реверс 60°
Активная мощность, МВт Производительность, т/сут Удельный расход электроэнергии, МВт·ч/т	9,9...10,7 25,7...28,4   9,3...9,1	9,8...10,1 24,8...25,7   9,5...9,4	10,8 29,0   8,9	10,9 29,5   8,9

Наличие механизма вращения повышает стоимость печи на 4...6 % и требует более тщательного монтажа ванны. Для ограничения сектора поворота летки вращение ванны делают не круговым, а реверсивным (в секторе 60...120°).

На действующих ФСП время одного оборота составляет 40...160 ч.

Чтобы ванна при вращении не перемещалась в горизонтальной плоскости, ее центрируют тремя-четырьмя упорными катками, расположенными вокруг вращающейся ванны, или центральной опорой, точно фиксирующей ось вращения ванны.

Свод

Свод полузакрытой или закрытой ванны ФСП обеспечивает герметизацию рабочего пространства над колошником и утилизацию отходящих газов, а также улучшает условия обслуживания печей, защищая персонал от теплового воздействия. Необходимо отметить, что наличие свода вносит изменения в технологию выплавки сплава, влияет на электротехнические показатели (cos φ, η_э). При эксплуатации таких печей усложняется газовое хозяйство, поскольку отходящие газы, в частности, при карботермическом восстановлении, содержат до 85 % СО и являются высокотоксичными и взрывоопасными. Поэтому конструкция свода должна быть надежной и прочной, особенно в условиях высокой температуры подсводового пространства.

В настоящее время на ФСП применяют плоские водоохлаждаемые металлические своды консольного типа (см. рис. 57, б). Свод – разъемный, состоящий из девяти периферийных секций в виде усеченных секторов и одной центральной фигурной секции. Секции свода представляют собой полые плоские плиты, сваренные из листовой немагнитной (чтобы избежать электрических потерь из-за гистерезиса при перемагничивании) стали толщиной 8...10 мм. Внутренняя полость секций высотой 50 мм предназначена для охлаждающей воды, поток которой направляется специальными ребрами-перегородками. Для уменьшения тепловых потерь из рабочего пространства ванны нижняя поверхность секций футерована слоем огнеупорной обмазки толщиной 50 мм, армированным приваренными к нижнему листу крючками.

Периферийные секции собирают в сводовом кольце и подвешивают к девяти консольным кронштейнам, опирающимся на рабочую площадку. Центральную секцию устанавливают между электродами.

Свод прямоугольной ванны ФСП (см. рис. 57, в) состоит из 26 прямоугольных секций, опирающихся на кожух ванны и подвешенных на изолированных тягах к перекрытию цеха.

При конструировании металлических сводов необходимо уделить особое внимание электрической изоляции секций из-за возможности:

1) короткого замыкания между фазами;

2) электрических потерь из-за вихревых токов, возникающих под действием интенсивных переменных магнитных полей, создаваемых токами электродов;

3) поражения электрическим током при работе на металлоконструкциях ФСП.

Для создания электрической изоляции между секциями оставляют зазор 65...70 мм, который перекрывают кладкой из шамотных кирпичей. Собранный свод сверху футеруют шамотным кирпичом на плашку. Секция свода также электроизолирована от кронштейнов и от сводового кольца. Сводовое кольцо опирается на рабочую площадку. Нож сводового кольца входит в лоток песчаного затвора, установленный по верхнему краю кожуха ванны, что обеспечивает необходимое уплотнение неподвижного свода и вращающейся ванны.

Свод полузакрытой ванны трехфазной ФСП (см. рис. 57, б) имеет три электродных отверстия, в которых устанавливают загрузочные воронки, два отверстия в периферийных секциях для газоотводов, отверстия для взрывных клапанов, небольшие отверстия для термопары, манометра давления под сводом, отбора газов для газоанализатора, подачи пара или азота для промывки подсводового пространства и всего газового тракта при необходимости открыть свод.

Загрузочные воронки позволяют формировать прямой конус шихтовых материалов вокруг электродов, технологически необходимый для работы ФСП с развитым дуговым режимом и высокой концентрацией энергии вокруг электродов (выплавка кремнистых сплавов). Однако при таком способе подачи шихты ширина зазора вокруг электрода может составлять 350...400 мм, увеличиваясь по мере обгорания электрода. При этом из подсводового пространства может теряться до 15...20 % печных газов.

Кроме этого, применение загрузочных воронок приводит к необходимости удлинения на 1,5...2 м рабочего конца самообжигащегося электрода, выходящего из контактных щек электрододержателя, что увеличивает электрические потери и повышает опасность его поломки.

В закрытую ванну шихту загружают по отдельным труботечкам через специальные дополнительные отверстия в секциях свода, создавая технологически более благоприятное равномерное распределение шихтовых материалов по поверхности колошника ванны (при выплавке марганцевых сплавов). На таких ФСП конструкция свода обеспечивает полную герметизацию подсводового рабочего пространства. В частности, зазор «электрод – свод» уплотняют гидрозатвором или сухим асбестовым сальником.

Для повышения электротехнических показателей работы ФСП иногда применяют высокий свод, позволяющий разместить токопровод к электроду в подсводовом пространстве.

Электрооборудование

Электрическая схема

Электрическая схема питания ФСП (рис. 60) периодического действия аналогична схемам ДСП малой мощности. Рафинировочную ФСП типа РКО-3,5 питают от энергосистемы с U_1л = 10 кВ через электропечной трехфазный трансформатор. Трансформатор имеет 5 ступеней вторичного напряжения (309...216 В), переключаемых без нагрузки, т.е. при отключении от сети.

Рис. 60. Схемы вторичного токопровода ФСП при питании от одного трехфазного для ФСП типа РКО (а) и РКЗ (в) и трех однофазных электропечных трансформаторов для ФСП типа РКО (б), РКЗ (г) и РПЗ (д)

ФСП непрерывного действия небольшой мощности (до 16,5 MB·А) включают в сеть через трехфазный трансформатор (рис. 60, а). Стабильный электрический режим работы таких ФСП исключает потребность в дополнительной индуктивности. Из-за сравнительно низкого вторичного напряжения (по условиям технологического процесса) выводы трансформатора выполняют шинами большого сечения (до 400 × 12) или водоохлаждаемыми трубами (диаметром до 80 × 15), причем число выводов на фазу достигает 8...12 и более.

Электроснабжение более мощных ФСП непрерывного действия целесообразно выполнять по схеме питания от трех однофазных трансформаторов (рис. 60, б, г, д). Несмотря на увеличение стоимости электрооборудования на 30...35 %, такая схема обеспечивает:

1) независимое регулирование напряжения и мощности каждой фазы;

2) возможность улучшения электротехнических параметров токопровода путем расположения однофазных трансформаторов ФСП с круглой ванной в линию или вокруг ванны (под углом 120° между собой);

3) снижение трудоемкости ремонта при повреждении одного из трансформаторов.

Вторичный токопровод вместе с вторичными обмотками печных трансформаторов, электродами и ванной ФСП образует электрический контур, обтекаемый током I_эд большой силы (до 150 кА и более). Такие токи создают сильные переменные магнитные поля вокруг проводников и металлоконструкций печи, вызывая различные электромагнитные эффекты, осложняющие тяжелые температурные условия службы токопровода (особенно в ФСП с открытой ванной) и ухудшающие электротехнические показатели ФСП. В частности, вторичный токопровод мощных ФСП становится генератором реактивной энергии, которую необходимо компенсировать с помощью конденсаторной батареи.

Для трехфазных ФСП с круглой ванной наилучшие электротехнические показатели имеет схема вторичного токопровода «треугольник» на электродах, которая позволяет иметь «шихтованный» бифилярный шинный пакет для каждой фазы трехфазного трансформатора (см. рис. 60, а) или для каждого однофазного трансформатора
(рис. 60, б) с минимальным индуктивным сопротивлением. Схема
рис. 60, г обеспечивает минимальную длину симметричного вторичного токопровода, особенно если расположить трансформаторы над сводом закрытой ванны, но может оказаться нецелесообразной при питании мощной ФСП от сети с напряжением 110 или 220 кВ (глубокий ввод) и необходимости, следовательно, прокладывать линии высокого напряжения внутри цеха вокруг ванны. Схема «компенсированная звезда на трансформаторе» (см. рис. 60, в) также позволяет иметь малое индуктивное сопротивление и равномерное распределение мощности по фазам, но вторичный токопровод имеет сложную конструкцию шинного пакета, применимую только для герметичных закрытых ванн. По схеме рис. 60, д шестиэлектродная ФСП с прямоугольной ванной имеет три однофазные группы по два электрода, питаемые от трех однофазных печных трансформаторов. Такую ФСП следует рассматривать как три однофазных печи, которые объединены одной ванной и электрические контуры которых сцеплены с магнитными потоками всех фаз одной энергосистемы, что увеличивает индуктивное сопротивление фазы.

Печи непрерывного действия

Энергетический баланс ФСП непрерывного действия составляют в виде баланса мощности электропечной установки.

Методика составления баланса действующей ФСП основана на проведении опытных плавок с максимально возможным приборным контролем электрических, температурных и тепловых параметров, составлении материального баланса и выполнении термодинамических расчетов окислительно-восстановительных процессов в ванне.

В отличие от баланса ДСП энергетический баланс ФСП непрерывного действия имеет следующие особенности (табл. 19):

1) в приходной части баланса существенной статьей (30...54 %) является химическая энергия, вносимая в ванну ФСП углеродистым восстановителем (коксом) и электродной массой самообжигающихся электродов и представляющая собой потенциальную энергию – теплоту сгорания;

2) в балансе ФСП с открытой ванной статья «Экзотермические реакции» (5...6 %) характеризует процесс дожигания над колошником оксида углерода в колошниковых газах, тепловой эффект которого повышает энтальпию загружаемых шихтовых материалов;

3) в расходной части баланса по статье «Полезное тепло» наибольшую величину (25...40 % всего баланса) составляют затраты на эндотермические реакции карботермического восстановления оксидов рудных материалов, что и является причиной большой энергоемкости такого технологического процесса производства ферросплавов;

4) ФСП непрерывного действия имеют большие тепловые потери с колошниковыми газами (30...43 % всего баланса), что, во-первых, свидетельствует о теплотехническом несовершенстве такого производства, а во-вторых, ставит важную и актуальную проблему утилизации этой энергии. Использование колошниковых газов в качестве энергоносителя (до 10 МДж/м³) или технологического газа возможно при условии глубокой очистки от пыли.

Таблица 19

Энергетический баланс ФСП непрерывного действия, %

	Статья баланса	Бесшлаковые процессы в ванне	Шлаковый процесс в ванне
	открытой	закрытой при мощности печи, МВ·А	круглой	прямоугольной
	10...30	60...75
	Приход
	Электрическая энергия	45...49	46...48	49...50	62...70
	Химическая энергия восстановителя (кокса) и электродной массы	50...45