Get Adobe Flash player

Календарь

Курсы валют

USD USD
341,27 1,16
EUR EUR
405,60 -2,33
CNY CNY
51,55 -0,06
RUB RUB
5,96 0,05
Дата: 26.09.2017
Источник: НБ РК

Статистика

Яндекс.Метрика

Электроды дуговых печей

Электроды, применяемые для подвода электрического тока в дуговых печах можно разделить на:

  • металлические (расходуемые и нерасходуемые);
  • неметаллические (расходуемые).

Металлические расходуемые электроды применяют в процессах ВДП, ВДДП, ЭЛП и ПДП. Металл электродов в этих процессах сохраняет в основном свой состав и только рафинируется. Металлические нерасходуемые водоохлаждаемые электроды применяются в некоторых ВДП.

К неметаллическим электродам относят электроды, применяемые в рудовосстановительных печах, дуговых печах косвенного нагрева и в ДСП.

В рудовосстановительных печах ток в ванну обычно вводят с помощью самоспекающегося расходуемого электрода. Самоспекающийся электрод представляет собой тонкостенный стальной кожух (08КП, 10КП, 10СП), заполненный электродной массой, спекаемой теплом печи и проходящим по электроду током в твердый блок на уровне не ниже контактных щек электрододержателя.

Электродная масса представляет собой смесь термоантрацита, пекового кокса, графитированных отходов, коксика, каменноугольного пека и каменноугольной смолы с температурой размягчения пека 50 – 55 oС. Плотность такой смеси 1.35 – 1.45 т/м3.

Электродная масса загружается в верхний торец электрода. При загрузке дробленной или жидкой электродной массы ее уровень внутри кожуха электрода должен быть на 2 – 2,5 м выше верхнего торца контактной щеки токоподвода.

Диаметр самоспекающихся электродов более 1000 мм и достигает 2400 мм. Плотность тока в таких электродах колеблется от 3.7 до 7.0 А/см2. Самоспекающиеся электроды обладают низкой механической прочностью. Поэтому их используют только в стационарных печах. В современных дуговых сталеплавильных печах для подвода электроэнергии в рабочее пространство печи применяют графитированные электроды. Ежегодное мировое производство графитированных электродов превышает 1 млн. тонн.

Требования к графитированным электродам – электроды должны обладать:

  • высокой электропроводностью;
  • низкой теплопроводностью;
  • повышенной температурой начала окисления на воздухе;
  • малым содержанием золы и особенно серы;
  • высокой механической прочностью и хорошей обрабатываемостью.

 

Сырьем для производства графитированных электродов служат:

 

  • нефтяной или пековый кокс 75 – 80%;
  • каменноугольный пек 17 – 20%;
  • электродный бой до 10%.

Графитированные электроды для дуговых сталеплавильных печей изготавливаются цилиндрическими в виде сплошных стержней (секций) диаметром 100—710 мм и длиной 1000 - 1800 мм. Для дуговых сталеплавильных печей требуется длина электродов значительно большая. Поэтому отдельные секции электродов приходится наращивать для образования "свечи" необходимой длины с помощью специальных ниппелей. Каждая секция электрода с обоих торцов имеет отверстия с резьбой, в которые ввинчивается половина ниппеля цилиндрической или конической формы. По мере необходимости производится навинчивание следующей секции электрода. Недостаточные усилия при свинчивании отдельных секций приводят к образованию дополнительных контактных сопротивлений в местах их соединения, разогреву этих мест и обрыву электродов из-за разрывов по ниппелю.

Одним из существенных показателей качества электродов является допустимая плотность тока (А/см2), по которой можно судить о пропускной способности тока у электрода того или иного диаметра. По допустимой плотности тока рассчитывается диаметр электрода (см).

Допустимые плотности тока отечественных графитированных электродов высшего сорта марок ЭГО и ЭГ1, выпускаемых по ГОСТ 4426—71

Допустимые плотности тока

Такие электроды используют в обычных ДСП, где рабочие токи не превышают 45кА.

Для сверхмощных дуговых печей, где токи достигают 100кА используют специальные высококачественные графитовые электроды, обладающие низким электрическим сопротивлением, более плотные и прочные, способные выдерживать высокие токовые нагрузки и значительные механические усилия, возникающие при работе трансформатора сверхмощной печи, и менее подверженные поломкам. Специальные электроды должны обеспечить допустимую плотность тока 25 - 30 А/см2.

Технология производства высококачественных электродов для сверхмощных дуговых печей достаточно сложна. Необходимые свойства электродов получают при использовании дорогих высококачественных малозольных шихтовых материалов (главным образом, игольчатого нефтяного кокса), мощного прессового оборудования, пропитки заготовок электродов пековыми связующими, специальной длительной и сложной высокотемпературной обработки (операции графитизации). Высокая стоимость шихтовых материалов и большой расход электроэнергии определяют очень высокую стоимость специальных графитированных электродов для сверхмощных печей (1500-2000 долл. США за 1 т).

В связи с высокой стоимостью графитированных электродов затраты на электроды при работе печей обычной мощности для выплавки углеродистых сталей составляют 8 % себестоимости стали, при работе сверхмощных печей такие затраты могут превышать 15% себестоимости стали, в отдельных случаях достигают 30%. Расход графитированных электродов колеблется в значительных пределах, которые при нормальной работе печей составляют 4 - 8 кг/т (в хорошо работающей сверхмощной сталеплавильной печи общий расход электродов составил 4 кг/т стали).

Для улучшения технико-экономических показателей производства металла большое значение имеют мероприятия по снижению расхода электродов на плавку. Расход электродов зависит не только от их качества, но и от конструкции печи, технологических и режимных факторов плавки, температуры и характера атмосферы печи, качества применяемого лома, марки стали, применения топливно-кислородных горелок и т.д.

Основные потери графитированных электродов при плавке стали можно разбить на три группы:

  • эрозия торца электрода за счет испарения графита в зоне горения дуги и растворения графита в шлаке;
  • окисление графита с боковой поверхности электрода;
  • поломка электродов и неиспользуемые огарки электродов.

Для различных ДСП эти потери составляют в % от общего числа потерь следующие величины

Основные потери граффитированных электродов

Меры, применяемые для снижения потерь графитированных электродов:

  • увеличение длины дуг и общего времени плавки стали в печи под током для снижения эрозии электродов;
  • герметизация печи и особенно приэлектродного пространства в своде для препятствия взаимодействия с воздухом;
  • использование защитных покрытий из алюминия, ферросилиция, силикокальция и других веществ на боковых поверхностях графитированных электродов;
  • использование водоохлаждаемых комбинированных электродов (длина водоохлаждаемой части от 1/3 до 1/2 от длины свечи;
  • использование полых электродов.

Применение защитного покрытия в виде алюминия позволило снизить расход электродов на 28-42%. Применение покрытия на основе ферросилиция обеспечивает снижение расхода еще на 6% по сравнению с использованием покрытия из алюминия.

Обычно при работе дуговой печи температура рабочего конца графитированного электрода достигает 4000° С (температура сублимации графита). В 100-т печи участок электрода, подвергающийся окислению, может иметь длину 6 м. Если большую часть из них заменить водоохлаждаемым металлическим цилиндром, а остальную часть выполнить графитированной, то окисляться будет только графитированный участок, в результате чего расход графитированных электродов вследствие окисления боковой поверхности уменьшится.

Применение водоохлаждаемой конструкции электрода позволяет снизить расход графитированных электродов на 25-30%.

Значительный эффект может быть достигнут при сочетании метода защитных покрытий и применения водоохлаждаемой конструкции свечи. Расход электродов в результате окисления с поверхности зависит от общей площади их поверхности, подверженной воздействию печных газов, химического состава и скорости перемещения газов относительно электродов, температуры поверхности электродов, общей длительности плавки, степени герметизации печи. В общем случае расход электродов в результате окисления с поверхности может быть снижен при повышении качества электродов, рациональной организации и технологии плавки, уменьшении высоты печи и вследствие этого длины электродов, уменьшении по возможности диаметра электрода (без повышения температуры электрода), улучшении герметизации печи, нанесении защитных покрытий, препятствующих диффузии кислорода к поверхности электрода.

Возможности повышения качества электродов путем повышения плотности электродной массы в значительной степени исчерпаны. Уменьшение поверхности контакта электродов с окисляющими газами при уменьшении длины электродов и высоты рабочего пространства печи возможно лишь в некоторых случаях при работе на тяжеловесной шихте.

Значительный эффект может быть получен при улучшении герметизации рабочего пространства печи и уменьшении количества окислительных газов, проходящих через печь. Для этого необходимо осуществить эффективное уплотнение электродных отверстий в своде (для печей работающих по классической технологии).

Снижение расхода электродов в виде потерь за счет поломок, огарков электродов и потерь при остановках печи на ремонт может быть уменьшен при использовании подготовленной шихты, рациональной шихтовке, загрузке и электрических режимах работы печи, устранении обвалов шихты во время плавления, при осторожном обращении с электродами в процессе транспортировки и складирования. Наиболее подвержено поломке ближайшее к электрододержателю ниппельное соединение. При высоких токовых нагрузках в сверхмощных печах тепловое расширение и перегрузка ниппеля являются одной из основных причин поломок электродов. Для уменьшения поломок предпринимают попытки увеличения прочности ниппеля и ниппельных соединений. Опробуется и вариант получения составных электродов без использования ниппелей. Резьбовые соединения в этом случае вытачивают непосредственно из тела электрода и ниппель не нужен. Преимуществом такого способа является уменьшение электрического сопротивления, соответствующее снижение тепловых нагрузок внутри соединения и уменьшение вероятности поломок при эксплуатации печи; недостатком — необходимость очень осторожного обращения с электродами, а при поломке необходимость повторного вытачивания элементов соединения.

Вследствие невозможности осуществления необходимой подготовки шихты, недостаточной отработки технологии плавки расход электродов в большинстве отечественных электросталеплавильных цехов, оборудованных сверхмощными печами, превышает средний уровень расхода электродов в зарубежных цехах. Особенно высок уровень промежуточного расхода электродов вследствие большого числа поломок.

Фирмой "Kruрр" в 1910 г. было предложено использование металлических водоохлаждаемых электродов для дуговых сталеплавильных печей. Однако реализация этой идеи оказалась затруднительной. Цельнометаллическая конструкция не обеспечивает защиты от коротких замыканий между Металлическим электродом и скрапом, что представляет потенциальную угрозу прогара водоохлаждаемого электрода и опасность взрыва.

К началу 70-х годов было найдено рациональное решение идеи водоохлаждаемого металлического электрода. Наиболее простым и надежным из предложенных вариантов оказался составной (комбинированный) электрод, состоящий из верхнего водоохлаждаемого металлического цилиндра, к плоскому нижнему концу которого крепится расходуемый графитированный электрод. Длина графитированного участка комбинированного электрода зависит от ряда факторов; целесообразна минимальная длина этого участка. Чем ниже температура этого участка, тем больше срок службы электрода. Расход графитированной части электрода, кроме всего прочего, определяется температурой окисления графитовой массы, теплопроводностью и пористостью графита, длиной графитированного участка электрода, распределением температур по длине этого участка.

Обычно при работе дуговой печи температура рабочего конца графитированного электрода достигает 4000 °С (температура сублимации графита).

При удалении от рабочего конца температура электрода снижается и у головки электрододержателя достигает 500 °С. В 100-т печи участок электрода, подвергающийся окислению, может иметь длину 6 м. Если большую часть из них заменить водоохлаждаемым металлическим цилиндром, а остальную часть выполнить графитированной, то окисляться будет только графитированный участок, в результате чего расход графитированных электродов вследствие окисления боковой поверхности уменьшится. Кроме того, такое конструктивное решение имеет и ряд других преимуществ: резко уменьшается вероятность поломки электродов; появляется возможность несколько уменьшить диаметр графитированного участка благодаря охлаждающему воздействию металлической части составного электрода; боковую поверхность графитированного участка комбинированного электрода необязательно подвергать механической обработке, вследствие этого можно уменьшить затраты на изготовление графитированных секций; составной электрод имеет меньшее электрическое сопротивление, чем графитовый, благодаря этому повышается активная мощность, вводимая в печь.

К середине 80-х годов наибольшее распространение из числа предложенных конструкций комбинированных электродов получили электроды фирм "Stelco" и "Аrc Тесhnologie". Для снижения расхода дорогостоящих графитированных электродов, стоимость которых на заводе фирмы "Stelco" (г. Эдмонтон) составила 33 % всех затрат по переделу в электросталеплавильном производстве, разработана конструкция составного водоохлаждаемого электрода. Эту конструкцию применяют с 1980 г. на заводе в г. Эдмонтоне на двух 80-т сверхмощных дуговых печах вместо графитированных электродов диаметром 500 мм (рис. 3.1).

Система составных электродов фирмы "Stelco" включает верхний водоохлаждаемый нерасходуемый и нижний активный графитированный участки. Для уменьшения массы верхний участок электрода выполняют полым, воду для охлаждения подают через осевой трубопровод и отводят через кольцевую рубашку, образующую внешнюю часть нерасходуемого цилиндра. Гладкая, точно выполненная наружная поверхность обеспечивает хороший контакт с головкой электроде держателя. Нерасходуемый участок электрода соединен с графитированным при помощи металлического водоохлаждаемого ниппеля, что значительно улучшает контакт этих частей. Графитированный электрод может быть выполнен меньшего диаметра (так как охлаждается через верхний участок) и не требуется обточка внешней поверхности. Для уменьшения окисления боковой поверхности графитированного участка используют недорогое легко наносимое неэлектропроводное огнеупорное покрытие. Допустимая длина остаточных концов графитированных участков не менее 50 см; обычно на практике минимальную длину этого участка можно поддерживать равной 0,7—0,8 м. Новую графитированную секцию вставляют между изношенным и водоохлаждаемым участками водоохлаждаемого электрода.

Опыт завода показал, что извлечение изношенных секций и помещение на их место заранее подготовленных холодных секций могут производиться так же быстро, как и наращивание обычных графитированных электродов на печи. Однако соединение вне печи более надежно, дополнительная экономия электродов в связи с высоким качеством сборки составляет 0,5 кг/т стали. Склад электродов расположен в цехе рядом с участком сборки. Изношенные электроды с печи быстро перемещают на этот участок завалочным краном, а готовые новые электроды доставляют к печи тем же краном. На складе использованные электроды с разогретым рабочим концом быстро присоединяют к источнику водоснабжения с небольшим расходом воды, чтобы предупредить деформацию торцового конуса и избежать парообразования. Для этого система охлаждения снабжается быстроразъемными соединениями.

Электроды дуговых печей

Рисунок 3.1 Водоохлаждаемый комбинированный электрод фирмы "Stelco": 1 - графитовый электрод; 2 — графитовый ниппель; 3 — наконечник 4 — внутренняя обечайка; 5 — металлическая часть электрода; 6 — трубка подачи воды; 7 — фланец; 8 — подвод воды; 9 — отвод воды

Рисунок 3.2 Схема горения электрической дуги на сплошном (а) и полом электродах (б)

Испытания полых электродов показали, что наличие отверстия в электроде оказывает фокусирующее воздействие на столб дуги. Дуга концентрируется на кромке внутреннего отверстия полого электрода, становится массивной, занимает строго вертикальное положение (рис. 3.2) Это, с одной стороны, уменьшает выдувание дуги из-под электрода, а с другой – увеличивает экранирование ее самим электродом. В результате интенсивность прямого излучения от электрической дуги на свод и стены печи уменьшается, способствуя увеличению стойкости футеровки и позволяя работать при более высоком напряжении. Полые электроды способствуют более устойчивому и спокойному горению электрической дуги, снижают колебания напряжения в сети и количество токовых толчков в период расплавления. В результате улучшается коэффициент использования мощности печного трансформатора.

При горении дуги на полых электродах с отношением диаметра отверстия к диаметру электрода = 0,2 - 0,25 по сравнению с работой на сплошных электродах облученность стен уменьшается на 20— 45% и свода на 28—52%. Наибольший эффект следует ожидать при работе на электродах больших диаметров (>400 мм), где центральная часть из-за наличия поверхностного эффекта в передаче тока не участвует.