Устрій типової дугової печі
Електросталеплавильне виробництво сталі використається на ряді металургійних підприємств: на ВАТ “Дніпроспецсталь” (м.Запоріжжя) діють 3 цеха з дуговими печами місткістю 50 т, на Донецькому металургійному заводі – один цех, а на інших підприємствах працюють дугові печі місткістю 5…10 т в ливарних цехах.
Дугові печі можуть мати різний нагрів : косвений (непрямий) ; прямий і змішаний.
Непрямий нагрів. Передача тепла здійснюється випромінюванням від електричної дуги між електродами (рис.2.1).
Рис. 2.1. Схема печі з непрямим нагріванням:
1 – електрод; 2-електрична дуга; 3-рідкий метал; 4-корпус печі.
Інтенсивність випромінювання q можна визначити за формулою:
q = 3,26F ((Tв /100)4 -110 )/ lв, (2.1)
де F–площа випромінюючої поверхні, м2; Тв – абсолютна температура випромінюючий поверхні, К; lв - відстань від центру джерела випромінювання до об’єкту нагріву, м.
Такий спосіб нагріву має низьку ефективність, тільки біля половини енергії йде на нагрівання металу, інша частина –гріє футеровку.
Прямий нагрів. Дуга виникає між електродами й металевою шихтою (рис.2.2).
Рис. 2.2. Схема печі з прямим нагрівом шихти:
1 - дуга; 2 - шихта; 3 - кожух печі.
Тепло електродуги використовується більш ефективно. Втрати тепла є тільки в наслідок нагрівання електродів і незначного випромінювання їх бокової поверхні.
Змішаний нагрів. Воно здійснюється від дуги і бокової поверхні електродів, тобто використовується пряме і непряме нагрівання (рис.2.3).
Рис. 2.3. Схема печі із змішаним нагріванням:
1-електрод; 2-електрична дуга; 3- рідкий метал; 4- корпус печі; 5- сипуча шихта.
Змішаний нагрів використовують в випадках заповнення печі сипучою шихтою, де рідкий метал або сплав створюється біля дніща. Це печі – феросплавні, або електротермічні для виплавки силуміну.
Обладнання процесу розташоване в чотирьох прольотах цеху: шихтовому, пічному, розливному, допоміжному.
Типи й розміри печей складаються на основі їх місткості, т: 0,5; 1,5; 3,6; 12; 25; 50; 100; 150; 200.
Дугова електропіч сучасної конструкції (рис. 2.4) являє собою складний з точки зору виготовлення та експлуатації агрегат. Він складається з робочого простору (власне печі) з електродами і струпопідводів та механізмів.
Основними елементами печі є:
- кожух і склепіння;
- ущільнювачі електродних отворів (економайзери);
- водоохолоджувальні панелі;
- механізми: нахилу печі для зливу металу і скачування шлаку; підйому і одвороту зводу для завантаження шихти; переміщення електродів.
Коротка мережа (вторинний струмопідвод) служить для передачі струму від виводів вторинних обмоток трансформатора до робочих кінців електродів.
У печах застосовують графітовані електроди. Вони мають в 4..5 рази менший питомий електроопір (8…13 Ом·мм2 на 1м), що дозволяє допускати високі щільності струму (34…14А/см2). Для підвищення конкурентоспроможності виробництва електросталі збільшують стійкість та експлуатаційну надійність графітованих електродів, яка багато в чому визначається їх технічними характеристиками. Вітчизняна промисловість випускає (ТУ 48-12-52-93) електроди діаметром від 75 до 555мм, що працюють при щільності струму від 10 до 25 А/см 
. Технічні характеристики електродів, як для печей змінного, так і постійного струму обумовлені густиною графіту (γ = 1,6…2,2г/см 
), його пористістю (16…25 %) і електропровідністю [σ = (1,4…2)·105 (Ом·м) 
]. При цьому щільності матеріалу в більшій мірі впливає на термостійкість електрода, а пористість-на окислення. Крім того, від щільності електродів і електропровідності залежить їхній опір при передачі електроенергії, а, отже, і електричні втрати.
Рис. 2.4. Сучасна дугова сталеплавильна піч:
1 - привод поворотний; 2 - підвіска порталу; 3 - портал; 4 - консоль; 5 - установка кабельних гірлянд; 6- місце закріплення кабелів; 7- стійка; 8- електродотримач; 9- електрод; 10- ущільнення електродного отвору; 11- газовідсос; 12-звід; 13- кожух; 14 - робоче вікно; 15 – похила платформа.
Діаметр електродів d розраховують, виходячи з потужності трансформатора (сили струму), причому щільність струму не повинна перевищувати допустимих величин.
Конструктивно електропіч нахиляється для випуску металу і скачування шлаку і з підйомом і поворотом зведення в бік розливного прольоту для механізованого завантаження ванни через верх. Основною несучою конструкцією, на якій збираються складові частини електропечі, є похила платформа (15). Нахил платформи для випуску металу і скачування шлаку здійснюється за допомогою двох гідравлічних циліндрів. Для зливу рідкого металу і скачування шлаку електропіч нахиляється на кути до 25° і 10° відповідно. Кожух (13) електропечі являє собою зварну конструкцію і складається з двох частин: верхньої водоохолоджуваної та нижньою футерованої. За поздовжньої осі кожуха на стороні скачування шлаку виконаний отвір для робочого вікна (14). Обрамлення робочого вікна водоохолоджено. Привод переміщення дверцят вікон - гідравлічний. Звід (12) електропечі закриває зверху плавильний простір, утворене футеровкою кожуха. Конструкція склепіння (зводу) комбінована: центральна купельна частина - футерована, периферійна - охолоджувана. Газовідсос (11) служить для відводу газів з робочого простору електропечі. Він виконаний у вигляді коліноподібної трубчастої конструкції з водяним охолодженням. Звід через підвіски з'єднується з консолями (4), закріпленими на порталі (3). Портал є основною несучою конструкцією, що дозволяє здійснювати підйом всієї поворотної системи. Портал у зборі з підвіскою порталу (2) утворює конструкцію, в якій по роликах переміщуються стійки (7) електродотримачів. Електродотримачі (8) служать для утримання електродів (9) і передачі до них струму від гнучкого струмопідвода. Переміщення електродотримачів здійснюється за допомогою плунжерних циліндрів. У центральній частині зводу є три отвори для проходу електродів і один отвір для завантаження сипучих матеріалів. Щоб запобігти вибивання газів з плавильного простору через зазори між електродами і склепінням, на зводі встановлюються газодинамічні ущільнюючі пристрої (10). Установка кабельної гірлянди (5) електропечі служить для електричного з'єднання рухомих електродотримачів з нерухомими башмаками місця кріплення (6), виведеними з трансформаторного приміщення. З'єднання з пічним трансформатором здійснюється гнучкими компенсаторами. Поворотний привод (1) розташовано на окремому фундаменті. Він являє собою тумбу, в якій встановлено підйомно-поворотний вал. Підйом і поворот зводу здійснюється гідроциліндрами. Електропіч комплектується спеціальною корзиною грейферного типу для завантаження ванни електропечі зверху. Завантажувальний пристрій служить для подачі сипучих матеріалів в піч і його встановлено на майданчику консолей порталу по вісі електропечі. Пристрій являє собою бункер з тічкою, що закінчується водоохолоджуваною муфтою в зоні отвору у склепінні електропечі. Електропіч комплектується газокисневими пальниками, які встановлюються в панелях кожуха. Управління електричним режимом виконується з допомогою АСУ ДСП .
Форма робочого простору може бути різною залежно від особливості технології. У поперечному перерізі дугова піч кругла. У поздовжньому перетині (рис. 2.5) профіль робочого простору (внутрішні обриси по футеровці) утворено сфероконічною ванною, стінками над нею і верхньою, обмеженою склепінням, сферичною частиною. При цьому форма ванни і верхній сферичній частині у всіх печей однакова, а стінки, форма яких тісно пов'язана з конфігурацією кожуха, можуть бути циліндричними (а), нахиленими (б) і циліндроконічними (в).
Рис. 2.5. Форма кожуха і робочого простору електропечі:
а)- кожух з циліндричними стінками; б)- з нахиленими; в) - з циліндроконічними; 1- кожух; 2- укоси; 3- рознімач кожуха; 4-футеровка; 5 - кільцевий жолоб; 6 - сводове кільце; 7- отвір для електрода; 8- робоче вікно.
При виборі форми стінок враховують те, що печі з циліндричними стінками мають ряд переваг: менші габарити, маса і зовнішня тепловіддача поверхнею печі і менша довжина короткої мережі. Основна перевага печей з циліндроконічними та нахиленими стінками - підвищення стійкості футеровки стінок внаслідок їх віддалення від високотемпературних електричних дуг. При цьому циліндроконічні стінки більш кращі, так як у печей з похилими стінками надмірно зростає діаметр зводу. З цієї причини велика частина електропечей, що споруджувалися в останні роки на вітчизняних заводах мають робочий простір з циліндроконічними стінками.
Ванна утворена нижньою сферичною частиною і укосами (2), які нахилені під кутом 45° до горизонталі. Такий нахил необхідний, щоб магнезитовий порошок при заправці не зсипався з укосів вниз (кут природного укосу магнезиту близький до 40°). Сферична форма днища кожуха забезпечує мінімальні тепловтрати і витрати вогнетривів на кладку поду.
Робоче вікно завжди розташовують на такій висоті, щоб його поріг знаходився на 70…150мм нижче рівня верху укосів, тобто нижче рівня, від якого починаються стінки печі. Це необхідно, щоб шлак не міг досягти стінок і не розчиняв би футеровку стінок, оскільки її, на відміну від футеровки укосів, неможливо відновити шляхом заправки - магнезитовий порошок зсипатиметься вниз з майже вертикальної стінки.
Подина основної печі складається з ізоляційних і робочих шарів. Ізоляційний шар включає укладені на металеве днище кожуха шар листового азбесту, вирівнюючи шар шамотного порошку і шар кладки з шамотної цегли. Товщина ізоляційного шару 70…180мм. Робочий шар включає кладку з декількох рядів магнезитової цегли товщиною від 280мм на малих печах до 575мм на великих і верхній набивний шар з магнезитового порошку товщиною 100…190мм, який на перших плавках, після викладення пода, спікається в монолітну масу.
Спечений шар набивки відіграє велику роль: по-перше він запобігає можливому відходу рідкого металу через шви між цеглинами кладки поду і, по-друге, його товщину підтримують постійно шляхом "заправки" - закидаючи після кожної плавки на зношені ділянки магнезитовий порошок; завдяки цьому стійкість пода становить 1500…6000 плавок і вона не лімітує роботу печі.
Останнім часом набивний шар іноді роблять завтовшки 400…500мм за рахунок зменшення товщини кладки з магнезитової цегли та ізоляційного шару, при цьому досягнуто підвищення терміну служби пода, зменшення витрати магнезитових вогнетривів і простоїв печі на ремонтах поду. Загальна товщина пода на печах малої і середньої ємності приблизно дорівнює глибині ванни Нв, а на великовантажних знижується до 0,7Нв. На печах з електромагнітним перемішуванням товщина пода не повинна перевищувати 900мм.