автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и режима работы сверхмощных дуговых сталеплавильных печей

Введение.

1. Проблемы сверхмощных дуговых сталеплавильных печей и постановка задачи исследований.

1.1. Общие положения теории, преимущества сверхмощных электропечей и возможности их реализации

1.2. Вопросы совершенствования конструктивных и эксплуатационных параметров электропечной, установки сверхмощных электропечей.

1.3. Стойкость футеровки сверхмощных электропечей

1.3.1. Общие положения. 17^

1.3.2. Своды электропечей.

1.3.3. Футеровка стен.

Выводы и постановка задачи исследований

2. Исследование облученности и тепловой работы футеровки сверхмощных дуговых печей.

2.1. Исследование тепловой напряженности футеровки стен дуговых печей.

2.2. Исследование теплового поля в футеровке печи 42 Выводы

3. Исследование работы футеровки печи и разработка мероприятий по повышению ее стойкости.

3.1. Исследование скорости и механизма износа огнеупорной футеровки стен печи.

3.2. Исследование возможностей повышения стойкости футеровки стен.

3.2.1. Изменение конструкции стен и опробование различных огнеупоров.

3.2.2. Повышение стойкости стен за счет уменьшения тепловой асимметрии печи.

3.2.3. Разработка энергетического режима плавки с использованием термозонда.

3.3. Разработка и внедрение водоохлаждаемых элементов футеровки стен.

Выводы

4. Совершенствование электрической схемы и энерготехнологического режима плавки.

4.1. Исследование возможности снижения электрической асимметрии печи.

4.1.1. Исследование степени электрической асимметрии электропечи ДСП-ЮОНЗА

4.1.2. Исследование влияния длины среднего электрода на степень асимметрии электрической мощности.

4.1.3. Исследование возможности снижения электрической асимметрии за счет поддержания равных напряжений дуг фаз.1.

4.2. Исследование и разработка мероприятий по стабилизации горения дуг.

4.2.1. Влияние присадки шлакообразующих материалов.

4.2.2. Влияние металлизованных окатышей на стабильность горения дуг.

4.3. Совершенствование технологии проведения периода плавления.

4.3.1. Разработка шлакового режима периода плавления.

4.3.2. Разработка рационального состава и порядка укладки лома. III

4.3.3. Разработка способов присадки наугле-роживателей в период завалки и плавления. ИЗ

4.4. Разработка и усовершенствование энергетического режима плавки сверхмощной электропечи ДСП-100НЗА.

Выводы

5. Усовершенствование конструкций печи ДСП-100НЗА и улучшение ее характеристик.

5.1. Реконструкция печного трансформатора.

5.2. Улучшение конструкции вторичного токопровода.

5.3. Совершенствование конструкции электрогидравлического регулятора мощности (ЭГРМ).

5.4. Совершенствование конструкции насосно-аккумуляторной станции (НАС).

Выводы

6. Технико-экономическая эффективность внедрения результатов работы.

i

Планом экономического и социального развития страны на I98I.I985 годы и на период до 1990 года предусматривается увеличение производства электростали в 1,6 раза. Реализация этой задачи связана с разработкой, совершенствованием и применением прогрессивных способов производства, к которым относится освоение выплавки стали в сверхмощных дуговых печах.

Увеличение единичной мощности печных трансформаторов до 60. 90 MB А, а следовательно, и повышение среднего уровня вводимой в рабочее пространство печи мощности до 60 МВт, определило наиболее серьезные проблемы высокопроизводительной работы сверхмощных дуговых печей:

- низкая стойкость огнеупорной футеровки и связанные с этим потери производства из-за недоиспользования установленной мощности трансформатора и увеличения простоев печи на ремонтах футеровки;

- наличие электрической, а следовательно, и тепловой асимметрии печной установки, приводящих к аналогичным потерям;

- необходимость надежности и быстродействия механизмов регулирования ввода электрической мощности в печь;

- необходимость тесной связи энергетических и технологических параметров плавки для обеспечения наилучших технико-экономических показателей.

Учитывая актуальность изложенных вопросов в данной работе исследовали облученность и тепловую работу футеровки сверхмощной дуговой печи, способы ее защиты с помощью водоохлаждаемых элементов, электрическую асимметрию и способы ее снижения, электрический и технологические режимы ведения плавки и в первую очередь, периода плавления, особенности работы основных узлов электропечной установки - печного трансформатора, насосно-аккумуляторной станции и электрогидравлического регулятора мощности, и способы повышения надежности, стабильности и быстродействия при регулировании мощности и выполнении других технологических операций.

Б диссертационной работе использованы материалы НИР, выполненные заводом совместно с ДЛИ, ВНИИЭТО, НИШ г.Челябинск, ЦЭЧМ, УкрНИИспецсталь (номера госрегистрации 78036578, 80001914, 80073899).

На защиту выносятся следующие основные положения:

- разработана методика исследования теплонапряженности огнеупорной футеровки стен дутовой печи;

- определена величина поглощаемого стенкой теплового потока, в том числе та ее часть, которая расходуется на оплавление огнеупорного материала;

- уточнен механизм износа огнеупорной футеровки в наиболее теплонапряженной зоне;

- разработаны, испытаны и внедрены водоохлаждаемые элементы в футеровке стен сверхмощной дуговой сталеплавильной печи;

- усовершенствован метод регулирования мощности по фазам;

- разработаны способы стабилизации горения дуг и энерготехнологический режим периода плавления;

- усовершенствована конструкция печного трансформатора, насосно-аккумуляторной станции и электрогидравлического регулятора мощности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика исследования теплонапряженности огнеупорной футеровки стен, позволившая впервые путем прямых измеретгай изучить теплонапряженность стен и ее зависимость от вводимой в печь мощности;

- впервые в практике работы дуговых электропечей определена величина теплопоглощения стенки, в том числе та ее часть, которая расходуется на плавление огнеупорного материала;

- уточнен механизм износа футеровки в наиболее теплонапряжен-ной зоне дуговых электропечей.

В работе получены следующие результаты, представляющие практическую ценность: впервые в отечественной практике разработаны, испытаны и внедрены водоохлаждаемые элементы в футеровке стен сверхмощной дуговой сталеплавильной печи, которые приняты в серийное производство на печах последних модификаций;

- усовершенствован метод регулирования мощности по фазам, позволивший снизить электрическую асимметрию печи почти в два раза;

- разработаны способы стабилизации горения дут и энерготехнологический режим периода плавления;

- усовершенствована конструкция печного трансформатора, на-сосно-аккумуляторной станции и электрогидравлического регулятора мощности, что позволило значительно повысить уровень вводимой мощности, обеспечить надежность работы механизмов и повысить их быстродействие вдвое.

Экономический эффект, полученный за счет повышения производительности печей и снижения расхода огнеупоров и электродов, составил 641 тыс.руб.

Работа выполнена на кафедре металлургии стали и ферросплавов Донецкого политехнического института и на Донецком металлургическом заводе.

Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры электрометаллургии стали и ферросплавов ДЛИ, работникам НИИМ (г.Челябинск), УкрНШспецстали, ВНШЭТО, ШО "Сибэлектротерм" и работникам завода за помощь, оказанную в ходе выполнения работы.

I. ПРОБЛЕМЫ СВЕРХМОЩНЫХ ДУГОВЫХ СТАЗШШАВШЕЬНЫХ ПЕЧЕЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате исследований одной из первых в стране сверхмощных дуговых сталеплавильных печей емкостью 100 т разработан и внедрен комплекс мероприятий по совершенствованию конструктивных, электрических и энерготехнологических параметров печной установки, обеспечивших успешное освоение высокопроизводительной ее работы.

2. Впервые путем прямых измерений изучены теплонапряженность рабочей поверхности футеровки стен сверхмощной дуговой сталеплавильной печи, величина поглощенного стенкой теплового потока, в том числе та ее часть, которая расходуется на оплавление огнеупорного материала, и зависимость этих параметров от вводимой в печь мощности.

3. Установлено, что уровень облученности футеровки стен сверхмощной электропечи в наиболее теплонапряженных участках изменяется в диапазоне регулирования подводимой мощности от 350 до 1700 р кВт/м , а на рабочих режимах в период открытого горения дут -от 350 до 700 кВт/м2, причем с увеличением вводимой мощности до 15 МВт облученность стен изменяется незначительно, а при дальнейшем увеличении мощности - резко нарастает.

4. Изучен механизм износа футеровки стен печи в зоне максимальных тепловых потоков. Показано, что основным видом износа является оплавление, которому предшествует капиллярная пропитка ошеупора окислами железа и тем более интенсивная, чем больше тепловая напряженность участка футеровки.

5. Впервые в отечественной практике разработана, испытана и вндрена система водоохлаждаемых элементов, заменяющая огнеупорную кладку стен. Система состоит из серии трубчатых панелей обычно II панелей), , расположенных на высоте

500.800 мм от уровня порога рабочего окна. Результаты разработок были использованы при проектировании и изготовлении сверхмощных печей нового поколения.

6. Исследование работы печи и тепловой работы панелей показало, что появляется возможность; увеличения уровня вводимой в печь мощности и сокращения периода плавления. Продолжительность горячих простоев на ремонте футеровки уменьшилась на 2,3% (абс.), продолжительность кампании печи увеличилась вдвое (со 100. 130 до 200.250 плавок), расход огнеупоров сократился на 2,2 кг/т стали, что с избытком компенсировало увеличение ресхода электроэнергии на 5 кВт.ч/т и технической воды - на 4,8 м^/т стали.

7. Исследованы и опробованы различные варианты уменьшения электрической асимметрии печи, которая на высших ступенях напряжения составляла в среднем 20%. При этом из-за неравномерности температурного поля в печи асимметрия скорости износа огнеупорной футеровки в нижней ее части достигала 50%.

Переход от способа регулирования мощности по току на способ регулирования по напряжению дуги позволил уменьшить асимметрию мощности до 8. 12%, повысить стойкость огнеупорной футеровки и повысить средний уровень вводимой мощности почти на 4 МВт.

8. Исследована Живность стайшшзащи горения дуг в сверхмощных печах за счет повышения их мощности, изменения количества и технологии присадки пшакообразующих и применения метал-лизованных окатышей. Показано, что использование тяжеловесного лома в кусках не более 1,5.2,0 т в количестве 30.40т, про-сыпка извести в бадью, присадка кокса в нижнюю часть завалки; регламентированное применение газокислородного обогрева и кислородной, продувки обеспечили уменьшение частоты и амплитуды колебаний тока и мощности почти втрое, более стабильную шихтовку по углероду, снижение содержания вредных примесей, по расплавлении.

9. В процессе поэтапного исследования различных электрических режимов разработан и внедрен рациональный энергетический режим ведения плавки, сочетающий максимальное использование печного трансформатора в возможно более полном соответствии с организационными и технологическими условиями работы печи. Средняя величина вводимой мощности возрастает на 3.4 МВт.

10. Разработаны и внедрены мероприятия по совершенствованию конструкций сверхмощной печи серии ДСП-ЮОНЗА, позволившие за счет реконструкции печного трансформатора повысить вторичное напряжение до 573В и увеличить мощность на 25%, за счет модернизации насосно-аккумуляторной, станции и электрогидравлического регулятора мощности увеличить надежность, стабильность работы и быстродействие механизмов, перейти от регулирования мощности по току к регулированию по напряжению дуги, улучшить качество поддержания мощности.

11. Исследованные и разработанные мероприятия по совершенствованию конструкции и режима работы электропечи серии ДСП-ЮОНЗА внедрены в электросталеплавильном цехе Донецкого металлургического завода им.В.И.Ленина. Фактический экономический эффект от внедрения составил 641 тыс.руб.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС, Политиздат, 1985, с. 255.

2. WX Schwabe, С.£.Robinson. "J. of Metals'; 1965, № I, p. 75.80.

3. W.E.Schwabe, £.&.Robmson, "J. of Metals" 1967, № 4, p. 67.75.

4. W,E. Schwab^, C.&.Robmson. "J. of Metals Г196*, № 55. ~W;E.Schwabe,C.&.Rokinson. "Iron and Steel Engineer" 1969, № 9, p. 124.136.

5. J.Nanjo, S.Yasukawa. "Electric Furnace'; Vol2, № I, 1965, p. 15.22.

6. S.Yasukawa." Electric Furnace" Vol. 2, № 3,1965,p24.36.8. № 2,AugI969, p. 10. .I7.MTHosh\ka.MIHI Engineering Reviev^'Spedal

7. M. Aosbika, "Uli Engineering Review^ Vol 7, № 36, W July 1967, p. 375.388.

8. G.Zingel, L.Krefeld. "Radex, Rundschau'1 , 1973, № 3.

9. H.Ottmar, A.Oerter(D,Amaling.,vRadex Rundschau" , 1973, № 3.

10. H.Ecsman.B.Maniera/'Electro -Warme Intern11 , 1970,V. 10.

11. J.&iotti." Electro-War me Intern" , 1970, V. 10.

12. W.E.Schwabe, C.Gr.Robinson/New development m UHP: theory and practice" Cannes, July 1971.

13. W.E.Schwabe. "ProceedInge of the32th Electric furnace Conference!1 Pittsburg , 1974,New Yorl$V. 32, p.48.54.

14. A.H. Морозов " Сталь, 1974, № 4, с. 319.323.

15. A.K. Петров, А.И. Самсонов."Сталь", 1975, № I, с. 37.38.

16. В.А. Григорян, А.Я. Стомахин. "Сталь", 1974, №11,с.999.1002.

17. H.A. Тулин, O.A. Лабунович и др. "Сталь", 1974, № 6 ,с.504.506.20. ^SrYasukawa, M.Aoshika." I Hi Engineering Review',' Vol. 3, № 4,Marcbl970.

18. W.t.Sckwabe.C.k.Robmson. "Ultra H\gk Power are furnaces" —"Irorrand" steel Engineer" , 1969, № 9,p.132.137.22. "W.t.ScKwabe, C.Gr.Robinson. "Report on Ultra High poweroperation of electric furnace", "Iron of Metals'! ,1967, № 4, p. 67.75. \

19. Дуговые электропечи. M "Металлургия", 1972, 288 с.

20. Смоляренко В.Д. " Высокомощные дуговые сталеплавильные печи", М. "Энергия", 1976 г.25. 5.Yasukawa.uIHl Engineering Review", 1975, № 3, p.46.61.

21. Смоляренко В.Д. "Влияние мощности дуг на тепловую работу футеровки ДСП в период расплавления'1. В сб. "Исследования в области промышленного электронагрева". Вып. 7, 1975, с.94.95.

22. Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.Н. "Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей" М. Металлургия, 1981,с. 320.

23. J.GioUi,C.Robinson."Mortkwestern's *»оо\оп are furnace* . "J.of Metals", 1973, № 8, p. 17.21.

24. Соколов A.H. Рациональные режимы дуговых сталеплавильных печей М. ,"Металлургиздат", I960 , 484 с. с ил.

25. Тулуевский Ю.Н. и др. "Основные закономерности износа футеровки крупнотоннажных ДСП", "Сталь", 1977, № II, с.1004.1008.

26. У 31. Тулуевский Ю.Н., Нечаев Е.А."Информационные проблемы интенсификации сталеплавильных процессов", М., Металлургия, 1978.

27. Галян B.C. и др. Износ футеровки 100т ДСП повышенной мощности. В сб. "Производство электростали", М. Металлургия, 1975, № 3.

28. Зинуров И.Ю. и др. Пути повышения стойкости футеровки дуговых сталеплавильных печей. В сб. "Производство электростали", М.,

29. Металлургия, 1976, № 5, с. 23.29.

30. Огнеупоры в черной металлургии Японии. ЭИЧМ, Сер II, вып.1 1977.

31. Фуруми К. Необожженные магнезиальные огнеупоры для участков перегрева сталеплавильной печи "Тайкабуцу (огнеупоры)", 1973, 25, № 180, р. 39.42.

32. Кайбичева М.Н. Футеровка электропечей. М. Металлургия, 1975, 280 с. с ил.

33. Накадзи С. Применение огнеупоров с высоким содержанием глинозема для футеровки свода дуговой электропечи "Тайкабуцу 'огнеупоры)", 1969, 21, № 135, р. 169.174.

34. Шуруми К. Результаты применения основных магнезитохромитовых огнеупоров для стен дуговой электропечи. "Тайкабуцу (огнеупоры 1975, 27 № 204 , р. 35.42.

35. Окада X. О мерах по повышению срока службы стен 80т ДСП "Тайкабуцу (огнеупоры)", 1971, 23 , № 157, р. 77.79.

36. Като Т. Результаты опытного применения углеродистых основных огнеупоров на участках перегрева стен ДСП- "Тайкабуцу Фогнеупо-ры)", 1970 , 22 № 196, р. 123.125.

37. Применение футеровки из основного кирпича в ДСП в Англии ЭИЧМ, Сер.II, вып. 2, 1974.

38. A.Rowlaud. "29th tlec. Furnace Conference,New York", 1972, p. 149.154.

39. Электрометаллургия Франции "ЭИЧМ" 1974, Сер.20, вып.4.

40. В,Bowman. "J. pour electricjue et des industrieselectrochimiques" 1977, № 9, November , p.14.21.

41. Окороков H.В. "Научные доклады высшей школы", M., "Металлургия", 1958, № 4, с. 261.264 с ил.

42. Виноградов В.М., Пирожников В.Е. " Черная металлургия" (Бюл. ин-та "Черметинформация"),1976, №17, с. 24 с ил.

43. Соколов А.Н., Скоростные плавки в дуговых электропечах. М-Л., "Машгиз, 1963, 270 с. с ил.48. &.MortL''Raclex Runsehau" , 1973, №3,р.558.567.

44. РЖ "Металлургия", реф. 12Б26.

45. Полинчатин А.Д. и др. Механизм разрушения высокоглиноземистых у/ огнеупоров в своде ДСП с нейтральной средой. Огнеупоры",1975,10, с. 30.35. "

46. Окороков Н.В. Дуговые сталеплавильные печи. М., "Металлургия", 1971, с. 344.

47. Басьяс И.П. и др. Кольцевая кладка сводов крупнотоннажных ДСП на ЧМЗ. В сб. "Современные проблемы электрометаллургии стали", № 166, Челябинск, 1975, с. 229.234.

48. Способ комбинированной кладки свода мощных ДСП "Черметинформа-ция" Новости ЧМ за рубежом, 1976, № 63.

49. Усовершенствования в электроплавке стали. ЭИЧМ, Сер.20, вып.6,1976.

50. W. Hogari." New economics oí steel-move steel with less capac\tv, Iron and steel fcngineer " ,1975, №12, p.57.60,

51. Иошимура Т. Меры по повышению срока службы свода 40т ДСП -"Тайкабуцу (огнеупоры)", 1973, 25, № 186, р. 315.

52. РЖ "Металлургия", 1977, реф. I2B240.

53. Окороков Н.В. Электроплавильные печи черной металлургии. М., ГНТИ литературы по черной и цветной металлургии, 1950, 563с.с ил59. 3.Lakin."Steel Times0 , 1969, №3.

54. Танемура Ф. Арочно-подвесной свод ДСП."Тайкабуцу(огнеупоры)"1977, 29, № 229, р. 90.94.

55. Смоляренко В.Д. Анализ показателей работы ДСП высокой мощностиза рубежом. ЭИЧМ, Сер. 20, вып. I, 1976.

56. S.Yasukawa.'lHl Eng. Review " t 1974, 94, № б, p.230.231.

57. Кудрин В.А., Смолин А.И., Сосонкин О.М., "Металлургия", 1969, № 3, с. 23.25.

58. Сосонкин О.М., Федченко А.И., Шевцов А.З.,"Металлург",1974, № 3, с. 23.24.

59. Сосонкин О.М., Прусс А.П., Федченко А.И. "Машиностроитель", 1978, № 10, с. 40.41.

60. Герцык С.И., Селиверстов В.В., Сосонкин О.М., Изв. вуз. Черная металлургия", 1978, № II, с. 42.45.

61. Сосонкин О.М., Григорьев Э.М., Федченко А.И. и др.

62. Металлург", 1972, № 9 с. 26.27.

63. Сосонкин О.М., Кудрин В.А. , "Сталь", 1981 , 5, с.25.28

64. Кудрин В.А., Сосонкин О.М. " Сталь", 1981 , № 10, с.39.40

65. Кудрин В.А., Сосонкин О.М., Резник И.Г., " Сталь", 1984, № 5, с. 25.27.

66. Ассенмахер Р., Клейн X., Эльснер Э., Амелинг Д. "Черные металлы", 1978, № 20.

67. Значительное повышение стойкости центральной части сводов ДСП "Черметинформация" Новости Ш за рубежом 1977, № 52

68. DziggelK.'StaKl und EiSfcnI975 ,15 , № 2, p. 259.270.

69. Сосонкин О.М. и др. Возможности интенсификации теплообмена при использовании водоохлаждаемых элементов кладки электродух/ говой печи. В "Сборнике трудов МВМИ", ВыпЛ2, 1972, с. 19.22.

70. Гарнисажная футеровки заслонки мартеновской печи "Металлург, 1977, № 4.

71. Охлаждаемые панели передней стенки мартеновской печи. Металлург, 1976, № I.

72. S.Yasukawa." IU1 Lng'meermg Review" , 1975, 15, №2.

73. Браверман Б.М. и др. В сб. "Использование вторичных энерго79