Современная электродуговая печь: основные параметры и концептуальные решения


Общее описание дуговой электропечи

В обозначении дуговой сталеплавильной печи, как правило, присутствует её ёмкость в тоннах (например, ДСП-12). Диапазон печей варьируется от 1 до 400 тонн. Температура в ДСП может достигать 1800 .

Основными элементами дуговой сталеплавильной печи (ДСП) являются: рабочее пространство, включающего в себя ванну и верхнее пространство над ванной, механизм перемещения электродов с электрододержателями, электрооборудование, система регулирования электрических режимов

Рабочее пространство образуется огнеупорной футеровкой, сделанной из кирпичной кладки и набойки. Футеровка может быть кислой, основной, нейтральной. Она разделяется на три части: свод, стенки и под.

Ванна – это часть рабочего пространства, вмещающая жидкую сталь и шлак.

Верхнее пространство над ванной – это часть рабочего пространства, которое предназначено для размещения первоначального объема твердой (кусковой) шихты и отдаления свода печи от ванны и электрических дуг.

Электрододержатели – часть конструкции механизма перемещения электродов, предназначенная для зажима и удержания электродов. Могут быть клещевидными или клиновыми.

Электрооборудование дуговой сталеплавильной печи включает в себя оборудование печной подстанции, обеспечивающее электропитание печей, и оборудование, снабжающее энергией технологические механизмы печи: перемещения электродов, открытие-закрытие свода, наклона печи и т. д.

Система регулирования электрических режимов включает в себя комплекс средств, обеспечивающих поддержания необходимых значений тока, напряжения, мощности. Основу этой системы составляет регулятор мощности электрической дуги.

Регулирование мощности электрической дуги производится программно-адаптивным регулятором, который с помощью привода перемещает электроды в вертикальной плоскости. Известны регуляторы электрической дуги с электромеханическим приводом, которые вследствие своей инерционности не получили большого распространения и сейчас практически полностью вытеснены регуляторами с электрогидравлическим приводом.

Перемещение электрода вверх или вниз изменяет длину дуги и величину электрических характеристик: при перемещении электрода вверх длина дуги увеличивается, что приводит к увеличению напряжения и снижению силы тока; при перемещении электрода вниз длина дуги уменьшается, что приводит к увеличению силы тока и уменьшению напряжения. При касании электродом твердой шихты возникает короткое замыкание.

Принцип регулирования мощности состоит в регулировании длины дуги на выбранной ступени напряжения трансформатора. Переключение ступеней напряжения трансформатора осуществляется с централизованного пункта.

Практикуется также использование дифференциальных регуляторов мощности, использующих в своей структуре тиристоры. Они реализуют способ регулирования мощности на основе поддержания постоянства отношения напряжения к силе тока и используют обратную связь по частоте вращения электродвигателя привода электродов [1].

Как правило, ДСП имеет индивидуальное электроснабжение через так называемый «печной» трансформатор, подключённый к высоковольтной линии электропередач. Мощность трансформатора может достигать 300 МВА. Его вторичное напряжение находится в пределах от 50 до 300 В (в современных печах до 1200 В), а первичное от 6 до 35 (для высокомощных печей до 110 кВ). Вторичное напряжение регулируется при помощи ступенчатого переключателя, который сохраняет свою работоспособность также и в режиме плавки.

Плавка стали производится в рабочем пространстве печи, которое ограничено сверху куполообразным сводом, снизу и с боков, соответственно, сферическим подом и стенками, кожух которых изнутри выложен огнеупорным материалом. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, или, как и стенки печи, может быть сделан из водоохлаждаемых панелей. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие графитовые электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным электрическим током, также существуют печи постоянного тока. Современная мощная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для плавки шихты и получения жидкого полупродукта, который дальнейшей обработкой доводят до требуемого химического состава.

Плавка включает в себя несколько этапов: плавление, окислительный период, восстановительный период. Каждый из режимов требует решения вопроса о рациональном распределении мощности по этапам процесса, формирующем директивные графики плавки. В начальный момент плавления твердой шихты не подводят максимальную мощность, чтобы не допустить термического износа футеровки, т. к. электроды открыты. В результате формирования электрической дуги в твердой шихте начинается проплавление колодцев. Электроды, опускаясь в колодцы, экранируются шихтой от футеровки, что дает возможность перейти в режим максимальной мощности. После полного расплавления шихты электроды снова открываются и для предотвращения термического износа футеровки подводимая мощность снова уменьшается. Поиск оптимальных директивных графиков ведения плавки относится к числу наиболее важных задач, т. к. преследует цель снижения затрат технологической электроэнергии.

Дуговая печь постоянного тока с одним сводовым и одним подовым электродами

Версия для печати

Это печь классической компоновки предназначена для работы в дуговых режимах при получении сталей, чугунов, цветных металлов.

Сводовый электрод таких печей всегда имеет отрицательную полярность (катод), а подовый электрод положительную (анод).

В конструкции печи мы применяем различные подовые электроды. В зависимости от задач, это может быть полностью медный подовый электрод, комбинированный медно-стальной или комбинированный медно-графитовый электрод.

Такая конструкция печи производится нами с 2006 года.

За этот период изготовлено 15 печей ёмкостью от 60 кг до 1 тонны.

История

Впервые в мире возможность использования дуги для плавления металлов была показана В. В. Петровым в 1803 году. Петров показал, что с помощью такой дуги можно не только расплавлять металлы, но и восстанавливать их из окислов, нагревая их в присутствии углеродистых восстановителей. Кроме того, ему удалось получить сваривание металлов в электрической дуге.

В 1810 году Сэр Гемфри Дэви провёл экспериментальную демонстрацию горения дуги. В 1853 году Пишон попытался построить электротермическую печь. В 1878-79 годах Сэр Вильгельм Сименс получил патент на электрическую печь дугового типа. В 1899 году первая дуговая сталеплавильная печь прямого действия, построенная Эру.

Хотя ДСП применялись во время второй мировой войны для получения сплавов стали, широкое распространение получила только после её окончания.

Материалы и инструменты для сборки конструкции

Прежде чем начать изготовление муфельной печи своими руками, необходимо обзавестись набором инструментов. Для работы пригодится:

  • сварка и электроды;
  • болгарка;
  • кусачки и ножницы;
  • респиратор, очки;
  • сталь или корпус от духовки;
  • уголок металлический;
  • оцинкованная сетка с ячейкой 2 х 2 см;
  • дверца – готовая, или самодельная;
  • кирпич шамотный;
  • смесь огнеупорная;
  • термостойкий силикон;
  • перлит или базальтовая плита (кровельный утеплитель 1 – 2 см толщиной);
  • проволока нихромовая 1 мм.

Толщина металла для корпуса должна быть 2 – 2,5 мм, так как конечная конструкция будет очень тяжёлой.

По этой же причине, если используется тонкостенная бытовая техника, её нужно укрепить при помощи стального уголка.

Тем, кто собирается заниматься обжигом керамики, не понадобятся температуры выше 800 °С, поэтому они могут сделать муфель из любой фарфоровой или фаянсовой посуды или старого смывного бачка.

Кладка огнеупора

Кирпичная кладка будет гораздо надёжнее, но нужно учитывать, что расположенная внутри печи спираль будет медленно испаряться, и пары эти будут попадать в изделие.

Процесс изготовления огнеупорной камеры

Так что для работы с драгоценными металлами лучше не использовать самодельные агрегаты.

Итак, приобретается шамотный кирпич и смесь для раствора, которая не боится жара.

Подгонка и разметка

Это действие необходимо выполнить для того, чтобы можно было до начала кладки, прорезать в стене муфеля канавку для спирали нагревателя.

  1. На ровной поверхности раскладываются будущие боковые и задняя стенка огнеупора.
  2. Кирпичи подгоняются, подрезаются (важно не забыть про толщину швов, 3 – 5 мм, их может имитировать проволока).
  3. После подгонки кирпичи нумеруются, на их поверхность наносится разметка, где будет проходить спираль (на этом этапе нужно сделать спираль своими руками).
  4. В очках и респираторе производится резка канавок болгаркой.

Отделка печи изразцами – дорогое удовольствие, но такой декор привносит неповторимую изысканность в дизайн помещения. Для экономии средств вы можете попробовать сделать их самостоятельно. , читайте внимательно.

Пошаговую инструкцию по сборке печи Бубафоня вы найдете .

Русская печь до сих пор остается актуальной, а ее постройка – дело довольно трудоемкая. Но если трудности вам не страшны и вы хотите изготовить печь своими руками, вам поможет пошаговая инструкция по постройке: . Рассмотрим правила и этапы кладки печи.

Изготовление спирали для муфельной печи

Понадобится стержень-основа, на который будет наматываться проволока. Его диаметр должен быть примерно 5-6 мм, а поверхность гладкой. Когда спираль готова, её прикладывают к кирпичной заготовке и по получившимся размерам делают метки.

Позже, когда кладка будет готова, намотку нужно будет аккуратно уложить в канавки и закрепить при помощи «скоб» из этой же проволоки. Концы скоб заделываются в швы.

Спираль ТЭНа муфельной печи

Места выхода спирали располагаются в боковой или задней стенке.

Удобнее закрепить их на керамической пластине. Выключатель устанавливается на корпусе, к нему подключаются провода спирали. С одной стороны у него будет два контакта («+» и «-»). Если сделать два отдельных контура, получится три ступени мощности прибора:

  1. Последовательное включение двух контуров.
  2. Только нижняя спираль.
  3. Параллельное включение двух контуров.

УЗО и заземление – обязательно. Чтобы не спалить спираль при первом же подключении, нужно дождаться полного высыхания кладочного раствора.

Камера

Вначале выкладывается дно муфеля, затем возводятся стенки. Потолок кладётся сводом, с замковым кирпичом.

Другой вариант, когда камера делается из кирпичей, поставленных вертикально и по кругу. Должно получиться что-то вроде трубы.

Также производится нанесение канавок, а на боковых сторонах, при помощи болгарки делается скос.

Когда используется готовый корпус от духовки, производится укрепление уголками, затем на внутренние стенки клеится базальтовый утеплитель (на термостойкий силикон или спец. клей). Затем снизу вверх кладутся уже подогнанные, пронумерованные кирпичи с канавкой. Укладывать их нужно очень плотно (толщина швов – не более 5 мм).

Термопара

В высоком температурном режиме, может работать только один вид датчиков – термопара (разнородные токопроводящие детали, которые соединены вместе).

Делаются две керамические трубки, из которых наружу выводятся две проволоки: одна из алюминия, другая из сплава хромель (или никель и железо).

Один конец проволочек свивается вместе. Сваривать не обязательно, так как концы всё равно скоро обгорят.

Их нужно будет «откусить» и скрутить концы снова. Другие концы подключаются к обычному бытовому тестеру.

Дверца

Дверка снимается, кладётся на ровную поверхность. На ней крепится сетка.

В раствор добавляется цемент, и выкладывается кирпич.

Дверца должна надёжно запираться во время плавильных работ.

Можно снабдить её винтовым или клиновым механизмом.

Петли от бытовой техники могут не выдержать нагрузку дверцы с кирпичным слоем. Их лучше заменить на более мощные.

Уплотнение

Можно воспользоваться термостойкой резинкой (используют на духовках). А можно всё тот же силикон. Дверца в местах прилегания обезжиривается, а на саму печь наносится вещество, к которому не липнет силикон (любая жирная смазка).

Силикон наносится толстым слоем на края дверки, она закрывается. В результате, уплотнитель прилипнет к дверце, но край печи останется чистым.

Уплотнитель со временем будет прогорать, поэтому силикон должен быть всегда под рукой, чтобы заменять его.

Сушка печи

Здесь главное не торопиться. Период простоя может занять две недели, но не стоит прибегать к принудительной просушке, иначе могут образоваться трещины и всю конструкцию придётся переделать.
Печь помещается в сухое проветриваемое помещение с положительными температурами.

Проверить готовность печи, можно, включив спирали на самый слабый режим мощности. Просохший агрегат не будет выделять пар.

Процесс выплавки

Переливание металла в промежуточный ковш
Плавка в ДСП, после осмотра печи и ремонта пострадавших участков футеровки (заправка), начинается с завалки шихты. В современные печи шихту загружают сверху при помощи загрузочной бадьи (корзины). Для предохранения подины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь 2-3 % от массы металлической шихты. После окончания завалки в печь опускают электроды, включают высоковольтный выключатель и начинают период плавления. На данном этапе возможна поломка электродов (при плохой проводимости между электродом и шихтой исчезает электрическая дуга и электрод упирается в непроводящий кусок шихты). Регулирование отдаваемой мощности осуществляется изменением положения электродов (длины электрической дуги) либо напряжения на электродах. После периода расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Шлак скачивают через шлаковую летку (рабочее окно), постоянно присаживая шлакообразующие, в течение всего периода плавления, с целью удаления фосфора из расплава. Шлак вспенивают углеродсодержащими материалами для закрытия дуг, для лучшей его скачиваемости и уменьшения угара металла.

Выпуск готовой стали и шлака в стальковш осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки (замер температуры металла и отбор пробы химического состава металла). Также рабочее окно может использоваться для подачи шлакообразующих и легирующих материалов (на малых печах). На современных сверхмощных печах подача шлакообразующих во время плавки осуществляется через специальное отверстие в своде конвейерной подачей. Углеродистые материалы для вспенивания шлака подаются в печь либо порционно через свод, либо вводятся инжекционными горелками струёй сжатого воздуха. Перед выпуском и во время выпуска в стальковш добавляются легирующие и раскислители, а при отсекании печного шлака ещё и шлакообразующие материалы.

Теплоизоляция печи

В результате описанных действий получается практически готовая топка закалочной печи, её необходимо только поместить в корпус, надёжно закрепить и минимизировать теплопотери. Для этого и пригодится изготовленная заранее ёмкость на ножках.

Внутренний объём ёмкости нужно заполнить минеральной ватой плотностью 45-50 кг/м 3 . Вату нужно свернуть спиралью, сначала укладывая её под наружные стенки и постепенно продвигаясь к центру. Плотность укладки должна быть максимальной, но при этом саму вату нельзя повредить. В итоге в центральную складку нужно поместить топку в сборе. Если плотности ваты достаточно, нагревательная часть не будет проминать утеплитель своим весом. Все выводы спиралей нужно тщательно замотать стеклотканью, вставить между ними дистанционные проставки из обрезков минеральной ваты, а затем вывести через заднюю стенку, подключить на обратную сторону шпилек и установить панель на место.

Чтобы надёжно закрепить топку и установить дверцу, вату нужно примять и утопить на 6-8 см глубже бортов. Поверхность утеплителя нужно несколько раз сбрызнуть алебастровым молоком, чтобы вата отвердилась и перестала интенсивно впитывать влагу. После этого лицевая часть печи заливается смесью алебастра, песка и минеральной фибры. Пока состав не застыл, в него вмуровывают топочную дверцу или закладные для её крепления.

Преимущества ДСП

Использование электрической энергии (электрического тока), возможность расплавить шихту (металлолом) практически любого состава, точное регулирование температуры металла и его химического состава подтолкнуло промышленность к использованию ДСП в ходе второй мировой войны для производства легированной стали, качественного литья и, как следствие, деталей оружия и боеприпасов. Сегодня дуговые сталеплавильные печи производят различные сорта сталей и чугунов, а также могут являться источником сырья (полупродукта) для АКП и МНЛЗ.

Схема ZVC драйвера

Стандартный вариант генератора

Усиленный вариант схемы

Но видно мне войти в их число не судьба.

Были куплены все необходимые детали – новые полевые транзисторы, новые фаст диоды и стабилитроны. Всё перед пайкой было испытано на транзистор-тестере, в том числе для определения правильной цоколёвки.

Была собрана шикарная катушка из чистой меди диаметром 5 мм. Но работать сей девайс упорно отказывался.

Подозрение пало на дросселя, которые большинство радиолюбителей рекомендует мотать на желтых порошковых кольцах от БП АТХ.

Добыча искомых и установка также оказалась безрезультативной – индукционный нагреватель металлов как не работал раньше, так и не собирался работать дальше. Подключение различных вариантов катушек совместно с конденсаторами разной емкости картину не изменили – “открывает рыба рот, но не слышно что поёт”, то есть транзисторы открываются, ток тянут, а генерации не происходит.

В конце концов всё это изрядно надоело, многодневные танцы с бубном закончились, и пришлось с поклоном идти к китайцам на ихний Алиэкспресс, заказывать за 7 долларов готовый модуль генератора.

Спустя 2 недели эта штука была доставлена курьером прямо на дом и после подключения к компьютерному блоку питания на 12 В успешно заработала.

Причём она работала и от 5-ти вольт, и с маленькой штатной катушкой, и с большой самодельной, в общем генерировала мощное электромагнитное поле во всех позах (с теми же деталями и схемой). Раскаляет 3 мм штырь до красна за 20 секунд. С железкой 6 мм возится несколько минут, при этом жутко греется само (в основном транзисторы и катушка).

На что тут грешить – даже не знаю. Может конденсаторы не те, может транзисторы. В любом случае факт остается фактом: промышленная плата заработала, а самодельная нет. Так что кто хочет – может смело кинуть в меня куском канифоли, другие – посочувствовать, третьи сами попробовать собрать этот индукционник и написать в комментариях о результатах.

Автоматизация выплавки стали в ДСП

Основными задачами автоматизированного управления процессом плавки являются:

  1. Централизованный контроль технологического процесса и работы печи с выдачей информации о регистрации и сигнализации отклонений от заданных значений.
  2. Управление технологическим процессом.
  3. Управление энергетическим режимом, обеспечивающие максимальное использование мощности печи.
  4. Управление вспомогательными операциями.
  5. Сбор и отборка информации с выдачей необходимой документации.
  6. Контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей[2].

Современные взгляды на вопросы автоматизированного управления процессами электродуговой плавки основаны на необходимости решения двух задач: создание оптимальной структуры электродуговых печей как электротехнологических комплексов и синтез оптимального управления физико-химическими процессами, протекающими в системе «расплав – футеровка – шлак – атмосфера».

Меры безопасности при работе

  • Основная опасность при работе с самодельной установкой — опасность получения ожогов от нагреваемых элементов установки и расплавленного металла.
  • Ламповая схема включает элементы с высоким напряжением, поэтому её нужно разместить в закрытом корпусе, исключив случайное прикосновение к элементам.
  • Электромагнитное поле способно воздействовать на предметы, находящиеся вне корпуса прибора. Поэтому перед работой лучше надеть одежду без металлических элементов, убрать из зоны действия сложные устройства: телефоны, цифровые камеры.

Не рекомендуется использовать установку людям с вживлёнными кардиостимуляторами!

Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок — так можно добиться их максимальной эффективности.

В металлургии электродуговая печь является незаменимым оборудованием. Основное ее назначение – это переплавка металлов под воздействием высокой температуры. Такие тепловые агрегаты бывают различных видов. Они отличаются своими конструктивными характеристиками и особенностью использования.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: