Принцип дії електросталеплавильних печей

1.3.1 Дугові печі

В дугових печах (ДСП) енергія перетворюється у тепло в електричній дузі. Тепло дуги передається металу випромінюванням та конвекцією.

Потужність, яка виділяється у печі, описується виразом:

, Дж,

де U – напруга, В; I – сила струму, А; cosφ – коефіцієнт потужності пічної установки. ККД дугових печей складає 60%.

В електросталеплавильному виробництві найбільше розповсюдження отримали печі прямого нагріву (рис.1.1). Дугові печі непрямого нагріву використовуються в кольоровій металургії та в ливарних цехах для розплавлення чавуну та сплавів.

Найбільш високий ККД (70 %) мають електричні печі із закритою дугою (феросплавні печі). У останній час в металургії все більше розповсюдження отримують плазменно-дугові печі (ПДП, рис.1.2). За формою ванни, футеровки та іншим конструктивним ознакам ПДП нагадують печі ДСП, тільки замість електродів використовують плазмотрони. Плазмотрони працюють на постійному та змінному струмі у декілька сот тисяч ампер та на напрузі 30-150В. При роботі на постійному струмі катодом служить верхній водоохолоджуємий електрод, а анодом ванна рідкого металу, який контактує з водоохолоджуємим мідним подовим електродом. Робочий простір печі заповнюється при роботі плазмоутворюючим газом (аргоном, азотом або воднем) та відповідно створюється нейтральна або відновна атмосфера. При плавці неметалевої шихти використовують плазмотрони непрямої дії.

Рис. 1.1 – Дугові електропечі, прямого нагріву (а) і непрямої дії (б).

Рис. 1.2 – Плазмові дугові печі:

а – з керамічним тиглем; б – з водоохолоджуваним кристалізатором.

Вакуумно-дугові печі (ВДП, рис.1.3) призначенні для рафінування металу в процесі вакуумно-дугового переплаву електроду (металевої заготівки) при крапельному переносі рідкого металу у водоохолоджуємий кристалізатор.

Промислові ВДП у зв’язку з малою стійкістю дуги змінного струму у вакуумі, працють на постійному струмі прямої полярності (мінус на електроді). Метал ВДП характеризується значно більш високою якістю по вмісту газів (Н, N), домішок кольорових металів, неметалевих включень (НВ) у порівнянні з металом, який виплавляється у дуговій печі, конвертері або мартенівській печі.

Рис. 1.3 – Вакуумні дугові печі з електродами, що витрачаються (а) і не витрачаються (б):

1 – вакуумна камера; 2 – електрод, що витрачається; 3 – кристалізатор; 4 – злиток, який наплавляється; 5 – живильник для подачі шихти; 6 – тугоплавка насадка електрода, який не витрачається.

 

1.3.2 Печі опору

В електричних печах опору енергія перетворюється у тепло в спеціальному провіднику і від нього передається металу випромінюванням або конвекцією (піч непрямої дії – «Таммана») або безпосередньо у самому тілі що нагрівають, унаслідок його високого електричного опору при проходженні крізь нього струму (рис. 1.4, печі прямої дії – ЕШП).

Потужність, яка виділяється у печах опору, описується виразом:

, Дж

де I – сила струму, А; R – опір ланцюга, Ом; τ – час, хвилини.

 

У печі «Таммана», елементом, що нагріває, є графітова трубка, в печі ЕШП – шар розплавленого шлаку.

 

1.3.3 Індукційні печі

У індукційних печах енергія перетворюється у теплову безпосередньо у розплавленому в печі металі, який нагрівається токами «Фуко», що утворюються електромагнітною індукцією. По суті роботу індукційної печі можна порівняти з роботою електричного трансформатору.

Рис. 1.4 – Установка електрошлакового переплаву:

1 – електрод, що витрачається; 2 – водоохолоджуваний кристалізатор; 3 – розплавлений шлак; 4 – злиток, який наплавляється.

 

Змінний електричний струм у індукційній печі протікає крізь індуктор (первинна котушка) та створює навколо нього змінне магнітне поле. Утворений при цьому змінний струм індукцює у металі, що нагрівається, який знаходиться в тиглі печі (вторинний ланцюг) змінну ЕРС, під впливом якої в металі виникають змінні токи «Фуко», що розігрівають.

Потужність, яка перетворюється у тепло в індукційній печі, визначається виразом:

, Дж

де I – сила струму в індукторі, А; n – кількість витків індуктора; d – діаметр печі, см; h – висота садки у тиглі, см; ρ – питомий електричний опір, 10^-9, Ом/см; μ – магнітна проникність садки, Гн/м; f – частота струму, Гц.

ККД індукційних печей складає 70%.

За конструктивним виконанням індукційні печі бувають двох типів: без залізного сердечника – тигельні та із залізним сердечником – канальні (рис.1.5). У тигельних печах метал знаходиться в тиглі, який опоясаний індуктором, а в канальних печах – у кільцевому каналі навколо індуктора, у середині якого розташовано сердечник.

Тигельні індукційні печі знайшли більш широке застосування в промисловості та використовуються при виплавці високоякісних сталей, сплавів та жароміцних чавунів. Канальні печі використовуються для плавки кольорових металів і сплавів та рідше для плавки чавуну.

Індукційні печі місткістю більш 1 т працюють на струмі промислової частоти (50 Гц). Печі малої місткості живляться струмом високої частоти. Для цього використовують спеціальні джерела живлення – перетворювач високої частоти: машинні генератори, лампові та тиристорні перетворювачі, які підвищують частоту змінного струму до 500-1000 Гц. Індуктор печі охолоджується водою, а для забезпечення більшої безпеки вода циркулює під дією розрідження.

Рис. 1.5 – Індукційні печі з сердечником (а) і тигельна (б):

1 – індуктор; 2 – сердечник; 3 – кільцевий жолоб з металом; 4 – тигель; 5 – метал.

 

1.3.4 Електронно-проміневі установки

В електронно-проміневих печах (ЕПП) процес йде у вакуумі та електрична енергія перетворення у тепло у результаті гальмування пучка прискорених електронів на поверхні тіла, що нагрівають, та перетворення кінетичної енергії електронів у теплову.

Підведена до металу потужність розподіляється згідно виразу:

Р_під=Р_пов+Р_випр+Р_вип+Р_тепл., Дж

де Р_під – підведена потужність; Р_пов – потужність, яка витрачається на плавлення та перегрів металу; Р_випр, Р_вип, Р_тепл – потужність, яка витрачається на покриття теплових витрат випромінюванням, випаровуванням та теплопровідністю крізь злиток відповідно.

На електронно-проміневих установках можуть встановлювати електронні гармати з кільцевим катодом, радіальні або аксіальні, а також магнетронні гармати.

У промисловості працюють ЕПП з боковою подачею заготівки, що переплавляється, та надходженням крапель рідкого металу безпосередньо у водоохолоджуємий кристалізатор. Установки з проміжною ємкістю (рис.1.6) характеризується більш високою економічністю, а метал, що отримується в процесі переплаву, має кращу якість унаслідок додаткового рафінування його в проміжних ємкостях. Така конструкція ЕПП дозволяє використовувати в процесі переплаву, разом з заготівкою, що переплавляється, злитки, стружку, лом, порошок та рідкий метал.

 

Рис. 1.6 – Електронні плавильні установки з кільцевим катодом (а) і з аксіальною гарматою (б):

1 – електрод, що витрачається; 2 – кільцевий катод; 3 – екран; 4 – водоохолоджуваний кристалізатор; 5 – злиток, який наплавляється; 6 – аксіальна гармата.