Измерение температуры свода электросталеплавильных печей
Оглавление
Введение
Классификация ДСП (Дуговых сталеплавильных печей)
Дуговая сталеплавильная печь ДСП - 180
Основные технические и эксплуатационные характеристики ДСП
Производство стали в ДСП
Технологические периоды производства стали
Методы измерения температуры
Измерения температуры в технологических периодах на ДСП
Измерение температуры свода ДСП
Принцип измерения температуры шомпольным термозондом
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Начальным этапом в развитии электрометаллургии следует считать открытие в 1802 году В.В. Петровым явления электрической дуги - электрического разряда в газовой среде.
Устойчивое горение электрической дуги в газовой среде, приводящего к ионизации газа и получению температуры 3000-3500 °С, осуществили в Италии (г. Камо) Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани более двухсот лет назад. Практически через 100 лет во Франции был создан первый, удовлетворительно функционирующий образец электродуговой печи.
В 1906 году в США построена промышленная трехфазная дуговая сталеплавильная печь переменного тока. Аналогичный агрегат емкостью 3,5тв 1910 году появился в России на Обуховском (Ижорском) заводе. С тех пор электрометаллургия является самой передовой и интенсивно развивающийся технологией металлургического производства. Более 30% от всей выплавляемой стали приходится на электрометаллургию, она занимает второе место после кислородно-конверторного производства. Электрометаллургия полностью вытеснила мартеновское производство в США и многих других странах.
В электродуговых печах особенно удобно перерабатывать стальной лом и металлизированное сырье (продукт низкотемпературного бескоксового восстановления железа).
Поскольку электросталеплавильное производство слабо зависит от доменного, это позволяет организовывать производство стали практически в любом районе, имеющим достаточное энергообеспечение и необходимые запасы металлолома. Особенно широко используются дуговые сталеплавильные печи в литейном производстве и на машиностроительных предприятиях.
В настоящий период электродуговые печи являются самыми перспективными и экологически чистыми сталеплавильными агрегатами, используемыми для получения высококачественных сталей или прецизионных сплавов заданного химического состава.
Основной целью технологического процесса электродуговой плавки является получение стали заданного химического состава при требуемой температуре, определенного количества по массе при минимально возможной себестоимости. В современных условиях дуговые сталеплавильные печи (ДСП) все больше начинают использоваться как высокоэффективные технологические агрегаты для расплавления шихтовых материалов. Процессы рафинирования или доводки стали переводятся частично или полностью в другие технологические установки внепечной обработки стали.
В конечном итоге это увеличивает общую производительность металлургического комплекса и позволяет наиболее эффективно использовать преимущество ДСП как высокопроизводительного агрегата для расплавления металлической шихты.
Наиболее значимыми периодами технологического процесса в этом случае являются энергетические стадии, в которых основное внимание уделяется режиму расплавления шихтовых материалов. Чисто технологические периоды, осуществляемые в установках внепечной доводки стали, становятся для ДСП не основными.
Это позволяет дополнительно увеличить стойкость огнеупорной футеровки рабочего пространства ДСП и обеспечить снижение удельного расхода дорогостоящей электрической энергии.
Очевидно, что разделение технологического процесса на технологические и энергетические периоды плавки доступны для крупных современных металлургических предприятий, обеспечивающих большие объемы выплавки стали.
На многих отечественных предприятий производство стали в ДСП осуществляется циклическим процессом с последовательно повторяющимися периодами плавки: межплавочный период; период расплавления шихты; Окислительный и восстановительный периоды.
При наличии жидкого расплава металла в период плавления, т.е. в окислительный и восстановительный (технологические) периоды плавки для исключения перегрева огнеупорной защитной кладки рабочего пространства ДСП величина подводимой к печи электрической мощности ограничивается. Поэтому в названные периоды плавки большое значение имеет объективный достоверный непрерывный (текущий) контроль температуры жидкого металла, температуры внутренней поверхности огнеупорной футеровки и температуры шлака.
Классификация Дуговых сталеплавильных печей
В зависимости от установленной удельной (на тонну садки) мощности печного трансформатора, используемые в металлургической промышленности ДСП подразделяются на следующие группы:
1) низкой мощности, менее 250 кВт/т;
2) средней мощности, от 250 до 400 кВт/т;
3) высокой мощности, от 400 до 600 кВт/т;
4) сверхвысокой мощности, более 600 кВт/т.
Емкость ДСП широко используемых в литейных цехах промышленных
предприятий обычно не превышает 10 - 50 тонн. Емкость агрегатов, используемых в сталеплавильных цехах металлургических предприятий обычно составляет 100, 150, 200 и более тонн.
При интенсивном увеличении объемов выплавляемой стали в дуговых сталеплавильных печах происходит непрерывное совершенствование их конструкции и принципов организации технологического процесса:
— используются водоохлаждаемые панели ;
— осуществляется симметрирование коротких подводящих цепей; используются графитированные электроды, выдерживающие повышенную плотность тока и отличающиеся более высокой механической прочностью;
— осуществляется совершенствование способов выпуска металла из печи;
— использование ДСП в качестве высокопроизводительных технологических агрегатов только для расплавления шихтовых материалов с последующим переносом технологических операций в установки и агрегаты внепечной доводки стали, и т. д.
Для ускорения расплавления шихты и окислительных процессов с целью снижения затрат электрической энергии на 30 - 40% в технологический период расплавления в ДСП используются мощные газо-кислородные горелки конструктивно комбинированные с кислородными продувочными фурмами.
Современный электросталеплавильный процесс совершенствуется особенно заметно в направлении уменьшения электропотребления, в основном за счет замены дорогостоящей электроэнергии пока еще более дешевыми видами углеводородного топлива в различных сочетаниях.
В настоящее время существуют и используются несколько систем подачи углеводородного топлива в ДСП. Например, известна система Данарк фирмы Даниэли. Эта система предусматривает установку газокислородных горелок (фурм) в подине печи и нескольких кислородно-топливных фурм в боковых стенках печи.
Технологическая задача подачи кислорода в ДСП состоит в уменьшении продолжительности окислительного периода электродуговой плавки. Новейшая технология использования кислорода в ДСП разработана фирмой «Baddish Cojet», Германия. В данном случае для ускорения процесса обезуглероживания металла через фурму в боковой стенки печи вдувают кислород под высоким давлением в виде когерентной струи по системе «Ргахаiг Соjеt». Для стабилизации электрического режима и снижения интенсивности разогрева огнеупорной кладки ДСП за счет экранирования электрических дуг используются пенистые шлаки, одновременно ускоряющие процессы окисления нежелательных примесей серы и фосфора в выплавляемой стали.
Широкое распространение в промышленности всех технически передовых стран при выплавке стали в ДСП получило использование в шихте металлизированных окатышей и чугуна. Это, в первую очередь, связано с возможностью расширения сырьевой базы электросталеплавильного производства за счет частичной замены металлического лома окатышами, в которых значительно меньше содержание вредных примесей по сравнению с металлическим ломом.
Как показали результаты исследования количество металлического лома в развитых металлургических районах нашей страны из-за большого экспорта, значительно уменьшилось или лом находится в трудно извлекаемом состоянии.
Во-вторых, замена металлического лома окатышами и чугуном целесообразна по причине увеличения производительности ДСП. При использовании металлизированных окатышей эффективность электросталеплавильного процесса дополнительно повышается за счет более равномерного потребления электрической мощности и увеличения коэффициента использования печной установки.
В случае использования в шихте ДСП окатышей потребление электроэнергии возрастает в связи с увеличением количества шлака и протекания реакций восстановления окислов железа, содержащихся в окатышах. Увеличение средней активной мощности потребляемой ДСП и удельного расхода электроэнергии обуславливает повышенную тепловую нагрузку печи. В связи с этим становится более актуальной проблема защиты огнеупорной кладки ДСП от перегрева путем непрерывного измерения по ходу плавки температуры огнеупорной футеровки и жидкого металла.
Удорожание электроэнергии и энергоносителей с одновременным ужесточением требований к экологической безопасности металлургического производства явилось мощным дополнительным стимулом для развитых промышленных стран использование дуговых печей постоянного тока (ДППТ).
Основные конструктивные элементы и используемые механизмы ДППТ практически аналогичны ДСП переменного тока. В ДППТ для футеровки используются те же материалы, что и для футеровки ДСП. При выплавке стали в ДППТ используют все те же известные и применяемые в ДСП технологические периоды и методы повышения производительности печей: продувка металла кислородом или инертным газом, легирование металла, перемешивание ванны.
Для работы современных ДППТ требуемая величина рабочего тока составляет более 130 КА и напряжения до 750 В. Отличительной особенностью ДППТ нового поколения от ДСП переменного тока является использование только одного верхнего - главного электрода (ГЭ) - катода, расположенного вдоль вертикальной оси печи. Подовые электроды (ПЭ) - аноды вставляются в подину или используется токопроводящая подина. Стойкость подины при проведении в течение компании печи текущих «горячих» ремонтов составляет до 5 тысяч плавок.
Одним из основных элементов подины ДППТ является подовый электрод (реже токопроводящая подина) который подсоединяется к плюсу выпрямителя источника питания ДППТ. В случае использования ПЭ нижний конец его соединяется с токопроводом, выше которого расположены каналы охлаждения. Каналы охлаждения расположены вне защитного металлического кожуха печи. Основная часть подового электрода расположена в нижней трети толщины огнеупорной футеровки подины печи.
Сам электрод представляет собой стальную трубу, заполненную медью, к боковой поверхности трубы приварены стальные листы, соединяющие электрод с расплавленным металлом. Внутри электрода расположены датчики температуры, связанные с системами сигнализации, блокировки и аварийной защиты.
Подовый электрод такой конструкции имеет неограниченный ресурс работы, поскольку заменяются только стальные листы при смене огнеупорной футеровки через 2-3 года (имеются данные и через 5 лет).
В ДППТ используется главный электрод без специальных требований к прочностным свойствам материала. Расход электродов при этом составляет 0,8-1,5 кг/т по сравнению с 4-5,5 кг/т в ДСП переменного тока.
Причиной такого малого удельного расхода дорогостоящих электродов в ДППТ являются следующие факторы:
• сокращение количество используемых электродов в три раза;
• продолжительная работа ДППТ на пониженном токе при высоком напряжении;
• отсутствие поломок при обрушении металлической шихты.
Последнее объясняется изменением формы проплавляемого в шихте колодца. В период расплавления шихты, который проводится при высоком напряжении и малом рабочем токе дуги (небольшой плотности тока), в шихте образуется не узкий колодец, в который погружается электрод (что характерно для ДСП переменного тока), а широкая воронка, внутри которой металлическая шихта на электрод не обрушается.
Дополнительным преимуществом ДППТ является наличие естественного перемешивания расплава за счет взаимодействия электрического тока, протекающего через него и электромагнитным полем. Для реализации естественного перемешивания устанавливается не менее двух подовых электродов, смещенных от оси симметрии подины.
Важным преимуществом ДППТ является значительное (в 7-9 раз) уменьшение выбросов газов при заметном уменьшении угара металла по сравнению с ДСП переменного тока. И в будущем это будет очевидно иметь решающее значение при ужесточении экологических требований.
Несмотря на установку дополнительного электрооборудования (дросселя и выпрямителя) при использовании ДППТ достигается достаточно ощутимая экономии электроэнергии за счет следующих факторов:
• использование одного электрода вместо трех и, следовательно, одного отверстия в своде, что уменьшает тепловые потери;
• у постоянного тока отсутствуют значительные индукционные потери;
• электрическая энергия подводится к ДППТ с более высоким напряжением;
• передача тепла от электрической дуги к металлу, благодаря естественному перемешиванию расплава, более эффективна.
Следует отметить, что стоимость ДППТ в 1,8-2,5 раза превышает стоимость ДСП переменного тока одинаковой производительности и это является пока сдерживающим фактором для их широкого применения.
Начиная с 1962 года особое распространение получила вначале в США, Японии, а затем и в Западной Европе технология СВМ (сверхвысокой мощности).
Именно благодаря этой технологии ДСП стали более эффективными, чем мартеновские печи. Основным преимуществом ДСП высокой и сверхвысокой мощности является значительная концентрация электрической мощности в рабочем пространстве печи.
Так, если для печей емкостью 100 т и больше обычно удельная мощность в энергетический период расплавления составляет 150-250 КВт/т, то для печей СВМ этот показатель равен 300- 650 КВт/т. Это приводит к значительному сокращению продолжительности периода расплавления шихты. Так, если на печи емкостью 100т повышенной мощности (мощность трансформатора около 30 МВА) длительность расплавления составляет до 2,5 часов, то на 140 т печи СВМ (мощность трансформатора 80 МВА) длительность периода расплавления составляет всего 1 час.
Использование СВМ делает необходимость разработки и применения методов оптимизации энергетического режима работы ДСП еще более очевидной и актуальной.
При применении печей СВМ работа происходит на более коротких дугах, которые эффективнее отдают тепловую энергию ванне, обеспечивают длительный срок службы огнеупорной кладки рабочего пространства. Это дополнительно способствует меньшим потерям тепла, особенно после обнажения электрических дуг в технологические периоды плавки. Для устранения этого нежелательного явления требуется установка на печах дорогостоящих компенсирующих устройств, что влияет на стоимость печей, делая её более высокой.
Обычно стоимость ДСП СВМ на 10-25% больше чем в ДСП обычного типа. Это в основном дополнительные затраты на печные трансформаторы и токоподводящие системы с низкой стороны. Дополнительные затраты сравнительно быстро (2-3 года) окупаются за счет повышения производительности печи, снижения расхода огнеупоров и электродов. Ощутимая экономия получается за счет уменьшения удельного количества затраченной электроэнергии до 450-490 КВт/т, что в современных условиях имеет иногда решающее значение.
Дуговая сталеплавильная печь ДСП – 180
Рис. 1. 1 – механизм наклона печи; 2 – фиксатор; 3 – насосно-аккумуляторная станция; 4 – механизм поворота портала; 5 – механизм перемещения электродов; 6 – печной трансформатор; 7 – вторичный токоподвод; 8 – электрододержатель; 9 – графитированный электрод; 10 – свод водоохлаждаемый; 11 – механизм подъема свода; 12 – полупортал; 13 – патрубок газоотсоса сводовый; 14 – стеновые водоохлаждаемые панели; 15 – корпус печи; 16 – люлька; 17 – сливной носок; 18 – фундаментная балка; 19 – фундамент.
Основные технические характеристики, устройство и особенности технологического процесса в современных ДСП рассмотрим на примере ДСП - 180 ЭСПЦ ОАО «ММК», введенного в эксплуатацию в 2006 г.
Две дуговые сталеплавильные печи с номинальной емкостью 180 тонн каждая предназначены для расплавления и нагрева до заданной температуры жидкого расплава металла. Печи оснащены практически всеми современными устройствами для обеспечения ведения высокопроизводительного технологического процесса. Управление устройствами осуществляется автоматическими системами известных фирм VAI – FUCHS и SIEMENS.
Основные элементы оборудования ДСП-180 представлены на рис. 1.
Выплавку стали осуществляют в рабочем пространстве ограниченном водоохлаждаемым сводом, водоохлаждаемыми панелями, стенами и подиной из огнеупорного материала.
Куполообразный водоохлаждаемый свод несет наибольшую функциональную нагрузку. В своде предусмотрены технологические отверстия для отвода плавильных газов, подачи сыпучих, ввода трех электродов и отбора импульса давления в рабочем пространстве.
Огнеупорная футеровка подины и стен выполняется из основных огнеупоров (магнезитохромитовых и хромомагнезитовых). Огнеупорная кладка подины и стен заключена в металлический защитный кожух, имеющий сферическое днище и небольшой выступ (эркер) на стороне сталевыпускного отверстия имеющего шиберный затвор. При выплавке стали в ДСП-180 используется различное сырье и материалы. Фракция используемых ферросплавов должна составлять 20-50 мм. В качестве шлакообразующих материалов используется обожженная известь собственного производства, известняк, сырой доломит, обожженный или ожелезненный доломит. Фракция извести должна составлять 10-40 мм. Содержание Са2 в плавиковом шпате должно быть не меньше 75%.
В качестве углеродосодержащих материалов используются:
• для науглероживания металла коксовая мелочь фракций 10-60 мм, с содержанием углерода не менее 85% и серы не более 0,7%;
• для вспенивания и раскисления шлака в нем графит и (или) антрацит фракций: 0,1-1 мм не более 10%, 1-3 мм - 90% при содержании серы не более 0,3%.
Основные технические и эксплуатационные характеристики ДСП-180 представлены в таблице1 Комбинированные газокислородные фурмы-горелоки RСВ («Refining Combined Burners») используются в качестве эффективных дополнительных источников тепловой энергии и в качестве фурм для продувки кислородом.
Мощность каждой комбинированной горелки - 3500 кВт. Газокислородная горелка КСВ имеет два режима работы:
• в режиме «горелка» расход кислорода до 800 м3/ч при расходе природного газа до 350 м3/ч;
• в режиме «фурма» расход кислорода составляет до 2800 м3/ч при расходе природного газа до 120 м3/ч.
Комбинированные фурмы-горелки устанавливаются в специальных отверстиях третьей, четвертой, шестой, тринадцатой, пятнадцатой и шестнадцатой водоохлаждаемых панелей печи.
Размещение и выбор направления факелов горелок определяется наличием холодных зон в печи. Горелки ориентируются в направлении холодных зон и по касательной относительно электродов для предотвращения их окисления.
Принцип работы газокислородных комбинированных фурм-горелок заключается в регулирования конфигурации факела горелки в различные периоды расплавления и нагрева. Основной поток кислорода направлен в ванну расплава. Однако одной высокой кинетической энергии струи вдуваемого газа не достаточно для поддержания когерентного потока на требуемой длине. Для формирования высокоскоростной когерентной струи необходимо направлять поток кислорода другой газовой струей. Это обеспечивается газовым