ПЛАВИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H05B7/20 H05B7/02 H05B7/11 

Изобретение относится к электропечам постоянного тока для плавления металлического сырья, преимущественно железного лома или скрапа.

Известна плавильная электрическая печь постоянного тока, содержащая плавильную ванну, состоящую из дна или пода, окруженного боковой стенкой, и закрытую сверху съемной крышкой сводчатой формы, причем упомянутая выше плавильная ванна является симметричной по отношению к средней вертикальной плоскости Р1, расходуемые электроды, каждый из которых смонтирован на конце консольного опорного кронштейна, располагающегося с необходимым вылетом над сводчатой крышкой плавильной ванны, в специальном устройстве, обеспечивающем этому электроду возможность вертикального перемещения и входа через специальное отверстие в сводчатой крышке во внутреннюю полость плавильной ванны, стационарные электроды, встроенные в донную часть плавильной ванны, источник постоянного тока, имеющий соответственно два электрических полюса отрицательный и положительный, соединенных посредством электрических проводников соответственно с расходуемыми электродами один полюс и со стационарными электродами другой полюс, средства загрузки в плавильную ванну металлического сырья для его последующего расплавления посредством создания мощных дуговых электрических разрядов, электрические проводники, подключенные к расходуемым электродам и проложенные вдоль опорных кронштейнов, и электрические проводники, подключенные к стационарным электродам и проложенные вдоль нижней поверхности дна плавильной ванны, причем электрические проводники прокладываются по трассам, специально определяемым для каждого стационарного электрода в функции возникающих магнитных влияний от различных частей данной установки [1]
В этом устройстве рассматривался главным образом вариант воздействия на прокладку электрических проводов путем расчета на основе созданной математической модели различных вариантов магнитных воздействий от этих проводников при различном их расположении с целью определения оптимального расположения, требующего минимальной длины проводников для эффективного контроля направления формирующихся в печи электрических дуг.

Однако в тех случаях, когда емкость электропечи превышает сто десять тонн, приходится использовать такие значения силы тока, которые вынуждают увеличивать число используемых электродов, и, следовательно, повышать опасность возмущений электрических дуг, являющихся результатом взаимных влияний электрических и магнитных полей, возникающих при прохождении электрического тока через многочисленные проводники. Разработка математической модели для такого случая становится весьма затруднительной, если принять во внимание большое число элементов, которые взаимодействуют между собой.

Однако специальные исследования, проведенные фирмой-заявителем, дали возможность найти такое расположение электродов и электрических проводников, которое позволяет практически реализовать электропечи весьма большой емкости, превышающей сто десять тонн, при полном сохранении достаточно эффективного контроля направления формирующихся электрических дуг.

В соответствии с предлагаемым изобретением электрическая плавильная печь имеет в своем составе два расходуемых электрода, разнесенных между собой и смещенных по отношению к средней плоскости плавильной ванны в сторону источника тока, и по меньшей мере четыре стационарных электрода, расположенных по обе стороны от упомянутой средней плоскости ванны в вершинах правильного многоугольника, симметричного относительно средней плоскости ванны и помещенного между вертикальными проекциями расходуемых электродов. При этом проводники электродов, расположенных со стороны источника тока, идут непосредственно к нему и располагаются параллельно проводникам расходуемых электродов, а проводники электродов, располагающихся с противоположной источнику тока стороны средней плоскости ванны, включают каждый ветвь, окружающую вертикальную проекцию соответствующего расходуемого электрода, и следующую ветвь, идущую к источнику тока параллельно проводникам, подключенным к расходуемым электродам.

В соответствии с предпочтительным способом практической реализации предлагаемого изобретения электропечь имеет в своем составе четыре стационарных донных электрода, расположенных соответственно в четырех квадрантах, разграниченных средней плоскостью плавильной ванны и поперечной опорной плоскостью, перпендикулярной средней плоскости ванны и проходящей между расходуемыми электродами на одинаковом расстоянии от них, причем все четыре стационарных донных электрода располагаются на равных расстояниях соответственно от средней плоскости ванны и от поперечной плоскости.

В общем случае расходуемые электроды располагаются вдоль линии, параллельной продольной средней плоскости плавильной ванны, и смещены в сторону источника тока, а стационарные донные электроды размещаются в вершинах четырехугольника, две стороны которого параллельны средней плоскости ванны, а две другие стороны пересекаются этой упомянутой выше плоскостью и расстояние между ними меньше, чем расстояние между расходуемыми электродами. Таким образом, расходуемые электроды будут располагаться вне упомянутого выше четырехугольника. Однако точное позиционирование электродов зависит от множества различных элементов и, в частности, от расположения выпускного отверстия, которое должно находиться на некотором удалении от электродов.

Следовательно, расходуемые электроды будут располагаться в зоне, имеющей форму полосы, параллельной средней плоскости ванны и смещенной относительно этой плоскости в сторону расположения источника тока. При этом стационарные донные электроды будут располагаться в зоне, имеющей форму прямоугольной полосы, заключенной между двумя концентрическими прямоугольниками, внутренним и внешним соответственно, стороны которых соответственно параллельны или перпендикулярны средней плоскости плавильной ванны, причем точные положения тех и других электродов внутри упомянутых выше зон определяются на основании предварительного расчета, учитывающего взаимные влияния друг на друга различных частей рассматриваемой установки таким образом, чтобы в результате взаимной компенсации магнитных эффектов прохождения электрического тока по токоведущим частям формирующиеся электрические дуги подвергались воздействию полей, стремящихся направить эти дуги в заранее определенную зону дна электропечи.

В частности, для электрической плавильной печи емкостью, превышающей сто десять тонн, и с силой тока, могущей превысить величину в 120000 А, полоса, в которой должны находиться электроды на дне электропечи, имеет ширину порядка 400 мм и центрирована относительно оси, находящейся на расстоянии 600 мм от средней плоскости ванны. Прямоугольная полоса, в которой должны находиться стационарные электроды, имеет ширину 300 мм и центрирована относительно квадрата со стороной, равной 2500 мм, который в свою очередь центрирован относительно средней плоскости ванны и относительно поперечной плоскости, проходящей через середину расстояния между расходуемыми электродами. При этом расходуемые электроды должны располагаться на расстоянии от 3 до 4 м друг от друга.

На фиг. 1 представлена предлагаемая электропечь, поперечный разрез; на фиг. 2 электропечь, продольный разрез; на фиг. 3 показаны зоны позиционирования электродов, вид сверху; на фиг. 4 расположение электродов и токоподводящих проводников, вид сверху.

Плавильная электропечь для расплавления железного лома или скрапа имеет в своем составе плавильную ванну 1, ограниченную сводчатой крышкой 13. Плавильная ванна установлена на специальных опорах, снабженных подшипниками или поворотными устройствами, позволяющими опрокидывать ванну относительно горизонтальной оси таким образом, чтобы иметь возможность слить расплавленный шлак через порог с одной стороны и слить расплавленный металл через выпускное отверстие 18, с другой стороны, как это показано на схеме, приведенной на фиг. 2.

Каждый расходуемый электрод 2 располагается на кронштейне 17, вдоль которого проложен электрический проводник 23, связывающий электрод 2 с источником постоянного тока 4, размещенным насколько это возможно ближе к электропечи.

Расходуемый электрод 2 представляет собой графитовый стержень, который скользит в специальном держателе, установленном на конце кронштейна 17, и может вследствие этого перемещаться в вертикальном направлении, входя во внутреннюю полость плавильной ванны 1 через отверстие в сводчатой крышке 13.

Технические средства, предназначенные для удержания в заданном положении и постепенного опускания расходуемых электродов в плавильную ванну, хорошо известны и поэтому не представлены.

Дно 11 плавильной ванны 1 выложено покрытием 15 из огнеупорного материала, в которое вмонтированы стационарные донные электроды 3, проходящие через дно 11 печи. В непосредственной близости от плавильной ванны 1, но все же на расстоянии, достаточном для защиты от печного жара и возможного выброса расплавленного металла, размещается источник постоянного тока 4. Это может быть, например, трансформатор объединенный в один агрегат с выпрямителем. Такой источник постоянного тока имеет соответственно два полюса. Отрицательный полюс 41 источника подключается посредством питающего проводника 23 к расходуемым электродам 2, а положительный полюс 42 того же источника подключается посредством проводников 5 к стационарным донным электродам 3.

Благодаря такой хорошо известной конструкции прохождение электрического тока через электроды печи приводит к формированию электрических дуговых разрядов 6 между расходуемыми электродами 2 и загруженным в печь металлическим ломом или скрапом, который в результате расплавления образует ванну жидкого металла. Прохождение электрического тока по описанной выше цепи поддерживается вплоть до полного расплавления загрузки печи и получения путем добавления тех или иных легирующих элементов металла требуемого химического состава.

До настоящего времени было обычным делом использование в плавильных электропечах либо единственного графитного электрода, размещенного по оси плавильной ванны, либо трех таких электродов, расположенных обычно в вершинах равностороннего треугольника с центром на оси плавильной ванны.

В отличие от принятой ранее схемы изобретение предлагает использование только двух графитовых электродов 21 и 22, которые центрированы на или в непосредственной близости от линии, параллельной средней продольной плоскости Р1 плавильной ванны и смещенной относительно этой средней плоскости на некоторое расстояние в сторону расположения источника тока 4, как это показано на фиг. 1 и 3.

Электроды 21 и 22 разнесены относительно друг друга на некоторое расстояние b, которое для плавильных электропечей емкостью более ста тонн может составлять от 3 до 4 м.

Изобретение предполагает также использование в конструкции электропечи четырех стационарных донных электродов 3, располагающихся парами по одну и по другую стороны от продольной плоскости Р1 и образующих вершины правильного четырехугольника, лежащего между двумя расходуемыми графитовыми электродами 21 и 22.

На фиг. 3 показано расположение электродов по отношению к двум упоминавшимся выше опорным плоскостям. Речь идет о продольной средней плоскости Р1 плавильной ванны, которая является перпендикулярной по отношению к оси опрокидывания ванны, и поперечной плоскости Р2, перпендикулярной плоскости Р1. Обе эти плоскости пересекаются друг с другом вдоль вертикальной оси 10 плавильной ванны.

Два упомянутых выше расходуемых электрода 21 и 22 размещаются по обе стороны от поперечной плоскости Р2 на расстояниях b1 и b2 от нее и смещены в сторону расположения источника питания электропечи соответственно на расстояния а1 и а2 относительно продольной плоскости Р1. Упомянутые выше расстояния а1 и а2 в общем случае равны друг другу. Однако они могут варьироваться в некотором диапазоне, поскольку точное положение расходуемых электродов определяется на основании достаточно сложного расчета и зависит, как уже было показано, от множества факторов.

Таким образом, имеется возможность определить зону 25 в форме узкой полосы, параллельной продольной средней плоскости Р1, в которой могут находиться вертикальные проекции осей расходуемых электродов 21 и 22.

На практике для плавильной электропечи емкостью более ста десяти тонн упомянутые выше расстояния а1 И а2 могут изме- няться в пределах от 400 до 800 мм, а расстояния b1 и b2 могут изменяться в пределах от 1500 до 2000 мм. Зона 25, в которой могут находиться расходуемые электроды, имеет таким образом ширину 400 мм и центрирована относительно оси, отстоящей на 600 мм от продольной средней плоскости Р1.

Внутри упомянутой выше зоны 25 определяются две прямоугольные зоны 26, симметричные относительно поперечной плоскости Р2, в которых могут находиться соответствующим образом центрированные проекции двух расходуемых электродов 21 и 22, причем точное положение этих электродов определяется на основании расчета.

Расположение стационарных донных электродов также определяется относительно упомянутых выше двух плоскостей Р1 и Р2, причем каждый из электродов 3 смещен на расстояние с от плоскости Р1 и на расстояние d от плоскости Р2.

В общем случае оси стационарных донных электродов 3 располагаются в вершинах правильного четырехугольника, центрированного относительно двух упоминавшихся выше плоскостей Р1 и Р2. Однако точное местоположение этих электродов определяется на основании расчета, причем величины расстояний с и d для каждого электрода 3 могут лежать в некотором диапазоне.

Таким образом определяются по отношению к описанным выше опорным плоскостям Р1 и Р2 две прямоугольные зоны 26 для позиционирования расходуемых электродов 21 и 22 и четыре прямоугольные зоны 35 для позиционирования четырех стационарных донных электродов соответственно 31, 32, 33, 34.

Следовательно, для плавильной электропечи емкостью, превышающей сто десять тонн, упомянутые выше зоны расположения соответствующих электродов будут определяться следующим образом.

Два расходуемых электрода 21 и 22 будут центрированы по одну и по другую стороны поперечной плоскости Р2. Каждый из электродов будет располагаться в прямоугольной зоне 26, ограниченной двумя сторонами, параллельными продольной средней плоскости плавильной ванны Р1 и смещенными в сторону расположения источника питания электропечи соответственно на 400 и 800 мм, и двумя сторонами, параллельными поперечной плоскости Р2 и смещенными относительно этой плоскости на 1500 и 2000 мм соответственно.

Четыре стационарных донных электрода 31, 32, 33 и 34 будут центрированы соответственно в одном из квадрантов, ограниченных плоскостями Р1 и Р2 внутри зон 35, имеющих форму квадрата, ограниченного четырьмя сторонами, попарно параллельными соответственно плоскостям Р1 и Р2 и отстоящими от этих двух плоскостей соответственно на 1000 и 1300 мм.

В общем случае опорная плоскость Р1 будет представлять собой продольную среднюю плоскость плавильной ванны 1, перпендикулярную оси опрокидывания этой ванны. В этой плоскости центрировано выпускное отверстие 18, вместо которого может использоваться вытянутый порог или бортик, заканчивающийся носиком для выпуска расплава при опрокидывании ванны.

В ряде случаев поперечная опорная плоскость Р2 будет также представлять собой и плоскость симметрии. Однако ее положение может изменяться в зависимости от характеристик плавильной ванны и соответствующего положения различных ее элементов и приспособлений. Например, загрузка плавильной ванны сырьем может осуществляться в центре, по оси плавильной ванны между двумя расходуемыми электродами или же через специальное загрузочное отверстие, смещенное в сторону от расходуемых электродов, в частности, когда плавильная электропечь загружается железным ломом. В этом случае предпочтительным является смещение расходуемых электродов во избежание их повреждения при загрузке печи.

Относительное расположение внутри плавильной электропечи расходуемых и стационарных донных электродов, загрузочного отверстия и выпускного отверстия также может быть определено в функции различных технических и технологических соображений. Так, например, на практическое решение этого вопроса может оказывать влияние использование системы циркуляции горячих газов, позволяющее обеспечивать предварительный разогрев подлежащего расплавлению металлического лома или скрапа, технологическая необходимость сведения формирующихся в плавильной ванне электрических дуговых разрядов в некоторую заданную зону подачи печи или стремление заставить электрические токи протекать вполне определенными путями внутри ванны расплавленного металла.

Кроме того, возможность встраивания нижних стационарных электродов в донную часть плавильной ванны также определенным образом ограничены, поскольку при этом необходимо учитывать фактическое расположение различных ее конструктивных элементов, от которого зависит возможность осуществления желаемой конфигурации прокладки токоподводящих электрических проводников.

Как видно из схемы, представленной на фиг.4, питающие электрические проводники 23, подключенные к расходуемым электродам 21 и 22, идут прямо к источнику электрической энергии 4, будучи проложенными непосредственно по опорным кронштейнам этих электродов, и вследствие этого обычно параллельны между собой и перпендикулярны средней продольной плоскости Р1 плавильной ванны. Смещение расходуемых электродов 21 и 22 в сторону источника тока 4 позволяет компенсировать магнитные эффекты, возникающие вследствие прохождения электрического тока через проводники 23, при сближении расходуемого электрода 21 и стационарных электродов 31 и 32, размещенных со стороны источника тока и связанных с ним непосредственно при помощи питающих проводников 51 и 52, параллельных питающим проводникам 23 и поперечной опорной плоскости Р2, перпендикулярной опорной плоскости Р1.

В то же время питающие электрические проводники 53 и 54, подключенные соответственно к стационарным донным электродам 33 и 34, проложены так, что они обходят или огибают расходуемые электроды 21 и 22, располагающиеся соответственно с той же стороны от поперечной плоскости Р2.

Таким образом, питающий проводник 53, подключенный к стационарному донному электроду 33, состоит из условно первой ветви 531, которая отходит от электрода 33 по направлению, параллельному средней плоскости Р1, и второй ветви 532, которая проложена к источнику питания 4 параллельно питающему проводнику 2 на расстоянии около 4 м от поперечной опорной плоскости Р2.

С другой стороны, питающий проводник 54, подключенный к стационарному донному электроду 34, располагающемуся со стороны выпускного отверстия 18, условно состоит из первой ветви 541, которая отходит от упомянутого выше электрода под некоторым углом к средней продольной плоскости Р1 таким образом, чтобы пройти между выпускным отверстием 18 и проекцией расходуемого электрода 22, соединившись затем со второй ветвью 542, параллельной питающему проводнику 23, подключенному к расходуемому электроду 22.

Такое подробное описанное выше расположение электродов и питающих проводников позволяет обеспечить взаимное уравновешивание возникающих магнитных эффектов при прохождении электрического тока и обеспечить, в частности, компенсацию влияния воздушных электрических проводников 23 таким образом, чтобы формирующиеся в плавильной ванне электрические дуговые разряды, направленные к стационарным донным электродам, могли подвергаться минимальным возмущающим их воздействием.

Источник электрической энергии 4 представляет собой агрегат, объединяющий генератор переменного тока и выпрямитель, который может иметь несколько выходов и обеспечить соединение с различными электродами таким образом, чтобы электрический ток проходил между соответствующими стационарными и расходуемыми электродами, между двумя стационарными электродами и расходуемым электродом, расположенным с противоположной стороны, между самими стационарными электродами и самими расходуемыми электродами. Кроме того, имеется принципиальная возможность создать внутри плавильной ванны многочисленные электрические цепи, направленные по контролируемым направлениям, которые благодаря созданным таким образом магнитным силам определяют желательное гидродинамическое воздействие ванны расплавленного металла на проходящий металлургический процесс.

Сущность изобретения: электропечь постоянного тока имеет в своем составе два расходуемых электрода, разнесенных относительно друг друга и смещенных вместе в поперечном направлении относительно средней плоскости плавильной ванны в сторону расположения источника тока, и по меньшей мере четыре стационарных донных электрода, распределенных по обе стороны от передней плоскости и расположенных в вершинах правильного четырехугольника /многоугольника/, симметричного по отношению к средней плоскости и помещенного между вертикальными проекциями расходуемых электродов, причем питающие проводники электродов, расположенных со стороны источника питания, проложены прямо к этому источнику, параллельно питающим проводникам расходуемых электродов, а питающие проводники электродов, расположенных с другой стороны, имеют каждый первую ветвь, огибающую вертикальную проекцию соответствующего расходуемого электрода, и вторую ветвь, проложенную к источнику питания параллельно проводникам, подключенным к расходуемым электродам. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПЛАВИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащая плавильную ванну, состоящую из дна или пода, окруженного боковой стенкой, и закрытую сверху съемной крышкой сводчатой формы, причем плавильная ванна является симметричной по отношению к средней вертикальной плоскости, расходуемые электроды, каждый из которых смонтирован на конце консольного опорного кронштейна, располагающегося с необходимым вылетом над сводчатой крышкой плавильной ванны, в специальном устройстве, обеспечивающем этому электроду возможность вертикального перемещения и входа через специальное отверстие в сводчатой крышке во внутреннюю полость плавильной ванны; стационарные электроды, встроенные в донную часть плавильной ванны; источник постоянного тока, имеющий соответственно два электрических полюса отрицательные и положительный, соединенных посредством электрических проводников соответственно с расходуемыми электродами один полюс и со стационарными электродами другой полюс; средства загрузки в плавильную ванну металлического сырья для его последующего расплавления посредством создания мощных дуговых электрических разрядов; электрические проводники, подключенные к расходуемым электродам и проложенные вдоль опорных кронштейнов, и электрические проводники, подключенные к стационарным электродам и проложенные вдоль нижней поверхности дна плавильной ванны, причем эти электрические проводники прокладываются по трассам, специально определяемым для каждого стационарного электрода в функции возникающих магнитных влияний от различных частей данной установки, отличающаяся тем, что она содержит два расходуемых электрода, разнесенных на определенное расстояние друг относительно друга и смещенных вместе относительно средней плоскости Р1 плавильной ванны в сторону расположения в данной установке источника тока и по крайней мере четыре стационарных электрода, распределенных по обе стороны от упомянутой средней плоскости плавильной ванны и располагающихся в вершинах правильного симметричного относительно средней плоскости плавильной ванны многоугольника, помещенного между вертикальными проекциями расходуемых электродов, причем питающие электрические проводники, подключенные к стационарным электродам, располагающимся со стороны источника питания, прокладываются прямо к упомянутому источнику питания параллельно электрическим проводникам, подключенным к расходуемым электродам, а питающие электрические проводники, подключенные к стационарным электродам, располагающимся с противоположной источнику питания стороны, имеют каждый условно первую ветвь, огибающую вертикальную проекцию соответствующего расходуемого электрода, и вторую ветвь, проложенную по направлению к источнику питания параллельно электрическим проводникам, подключенным к расходуемым электродам. 2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит четыре стационарных донных электрода, размещенных соответственно в четырех квадрантах, разграниченных средней плоскостью плавильной ванны и опорной поперечной плоскостью, перпендикулярной к средней плоскости и проходящей между расходуемыми электродами на одинаковых расстояниях от этих электродов, причем упомянутые четыре стационарных электрода располагаются на одинаковых расстояниях от средней плоскости плавильной ванны и ее поперечной плоскости соответственно. 3. Печь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что расходуемые электроды располагаются в зоне, имеющей форму полосы, параллельной средней плоскости и смещенной в поперечном направлении в сторону расположения источника питания, а каждый из стационарных донных электродов размещается в зоне прямоугольной формы, ограниченной четырьмя сторонами, соответственно параллельными и перпендикулярными средней плоскости плавильной ванны. 4. Печь по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что для электропечи емкостью более 110 т и с силой рабочего тока, превышающей 120000 А, расходуемые электроды располагаются в зоне, имеющей ширину 400 мм и центрированной на оси, отстоящей на 600 мм от средней плоскости плавильной ванны, и разнесены друг относительно друга на расстояние 3 4 м, а каждый из стационарных донных электродов расположен на расстояниях от двух опорных плоскостей соответственно 1 1,3 м. 5. Печь по п.2, отличающаяся тем, что проводник возврата, соединенный со стационарным донным электродом, расположенным со стороны выпускного отверстия, центрированного на средней плоскости, имеет первую ветвь, которая отклоняется в сторону относительно плоскости так, чтобы проходить между выпускным отверстием и проекцией расходуемого электрода, и затем соединяется с второй ветвью, параллельной питающему проводнику электрода, а проводник возврата, соединенный с другим электродом имеет первую ветвь, которая отходит от электрода параллельно плоскости, затем соединяется с второй ветвью, проложенной к источнику питания параллельно питающему проводнику, идущему к источнику тока.