ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2016 года по МПК F27B3/08 

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, а именно к устройству электродуговых печей постоянного тока.

Известна дуговая сталеплавильная печь постоянного тока, содержащая свод, по меньшей мере два сводовых электрода, установленных по окружности распада электродов, корпус, сливной желоб, ванну с расположенным в днище ванны по крайней мере одним подовым электродом, рабочее окно, причем центр окружности, на которой расположены электроды, смещен относительно вертикальной оси симметрии печи в горизонтальной плоскости (см. патент РФ на изобретение №2190815, кл. F27B 3/08, С21С 5/52, опубл. 10.10.2002 г. ).

Предложенное устройство позволяет проводить весь период расплавления и жидкие периоды плавки стали с высоким КПД только при небольших объемах плавильной камеры. Кроме того, недостатком такой печи является оплавление откосов футеровки и нагрев воды в водоохлаждаемых панелях стен у сливного желоба, что является следствием отклонения дуги от центра плавильной камеры.

Известна электродуговая печь постоянного тока, включающая основной корпус, подвижный электрод, установленный в центре крыши печи, который генерирует дуги при перемещении электрода, нижний электрод, установленный ниже в центре, проводники, которые связаны с нижним электродом так, что отклонение дуги, вызванное магнитным полем в пределах основного корпуса, отменяется другим магнитным полем от проводников, когда электрические токи поступают на проводники от источника постоянного тока (см. патент на изобретение US №5138630, кл. С21С 5/52, F27B 3/08, Н05В 7/11, Н05В 7/148, опубл. 11.08.1992 г. ).

Наличие внешних магнитных полей, вызываемых, например, размещением подводящих или отводящих кабелей, могут отклонить нежелательным образом электрическую дугу, что приводит к преждевременному износу футеровки печи. Устройство применимо с высоким КПД только при небольших объемах плавильной камеры, так как отклонение электрической дуги, вызванное такими магнитными полями в известной печи, устраняется посредством дополнительных магнитных полей, которые создаются током в проводнике, расположенном на дне печи.

Известна дуговая электропечь постоянного тока, содержащая вертикально расположенный катод и подину, выполненную с частью в виде кольцевой электропроводной каменной кладки, соединенной с кольцевым медным токоподводом, расположенным с внешней стороны подины, в которой выполнено эксцентрично относительно катода выпускное отверстие, причем кольцевая каменная кладка выполнена из карбон-магнезита с изменяющимся электрическим сопротивлением так, что она со стороны, противоположной выпускному отверстию, имеет уменьшенное электрическое сопротивление, причем электроконтактная каменная кладка в области, не контактирующей непосредственно с расплавом, выложена из графитовых кирпичей, между которыми по окружности выполнены проемы, заполненные неэлектропроводным материалом или материалом с другой, чем у кирпичей, электропроводностью (см. патент РФ на изобретение №2070777, кл. Н05В 7/20, Н05В 7/06, Н05В 7/11, F27B 3/08, F27B 3/14, F27B 3/16, опубл. 20.12.1996 г. ).

При работе печи между катодом и расплавом образуется электрическая дуга. Она должна распространяться, например, в направлении оси катода, но под действием внешнего магнитного поля может отклоняться от этого направления. Для компенсации этого отклонения подина здесь исполняется таким образом, что ее электрические свойства меняются в окружном направлении, т.е. протекающий через кладку ток имеет в окружном направлении меняющуюся плотность, благодаря чему относительно оси катода возникает асимметричное токораспределение. При этом электрическая дуга из-за ее асимметрии отклоняется в сторону относительно оси катода, противоположную стороне, на которой ток через анод имеет наибольшую плотность. Благодаря этому возникающее отклонение электрической дуги можно компенсировать таким образом, чтобы она снова проходила в направлении оси катода. Однако электрическая дуга и посредством асимметричного токораспределения может отклоняться в требуемом направлении, при этом любое отклонение учитывается посредством внешнего магнитного поля. Таким образом, при помощи устройства токопровода можно отклонять электрическую дугу настолько далеко в направлении к выпускному отверстию, что расплав особенно прогревается в области вокруг него и тем самым обеспечивается надежный выпуск расплава.

Недостатки известной печи в существенной сложности выполнения и в отсутствие возможности управления положением электрической дуги в широких пределах. Особенно это проявляется при воздействии на дугу внешних магнитных полей, что приводит к выгоранию некоторой части футеровки, расположенной выше расплава внутри плавильной камеры.

Известна электродуговая печь постоянного тока для выплавки металла, сплава и всех электрических проводящих материалов, содержащая корпус плавильной камеры, образованный металлической оболочкой с футеровкой из огнеупорного неэлектропроводящего материала, сливной желоб, параллельно расположенные электроды в качестве анода и катода, электромагниты с питанием их катушек от напряжения регулируемого источника постоянного тока, расположенные на боковых сторонах корпуса плавильной камеры под углом 120 градусов относительно друг друга на рабочем уровне расплавленного металла для управления электрической дугой при ее отклонении с ударом в футеровку (см. патент на изобретение CN №1048750, кл. С21В 11/10, F27B 3/00, F27B 3/08, публ. 23.01.1991 г. ).

Известная электродуговая печь без подовых электродов имеет следующие преимущества: высокая производительность, низкий расход сырья, высокое качество продукции, экономия энергии и низкий уровень шума.

Недостатком данной печи является малый объем плавильной камеры и малоэффективное приложение магнитного поля на рабочем уровне расплавленного металла, так как расплавленный материал снижает магнитную проницаемость магнитного поля и ослабляет влияние магнитного поля на положение дуги.

Технические решения, представленные в указанных публикациях, имеют существенные недостатки, поскольку они связаны с большими затратами на электрооборудование и малым объемом плавильной камеры.

Известна электродуговая сталеплавильная печь постоянного тока, содержащая корпус плавильной камеры, образованный металлической оболочкой с футеровкой из огнеупорного неэлектропроводящего материала, сливной желоб, свод и сводовый электрод, под со смещенным от оси корпуса подовым электродом, электромагниты, четыре термочувствительных элемента, связанных с электромагнитами, и блок управления электромагнитами, число входов которого равно числу термочувствительных элементов, а число выходов равно числу электромагнитов так, что все его входы подсоединены к соответствующим выходам термочувствительных элементов, а катушки электромагнитов подсоединены к выходам указанного блока, указанные электромагниты расположены под дном плавильной камеры, термочувствительные элементы вмонтированы в стенку плавильной камеры и свод (крышку), причем блок управления электромагнитами выполнен с возможностью питания от источника трехфазного переменного тока для непрерывного вращения дуги в процессе плавки (см. патент на изобретение US №4110546, кл. Н05В 7/20, опубл. 29.08.1978 г. ).

Электромагниты в известном устройстве предназначены для вращения дуги и по сути являются обмотками (подобно обмоткам статора трехфазного двигателя с частотным управлением), создающими вращающееся магнитное поле, которое перемещает дугу центрального электрода по окружности, создавая равномерность температуры расплава по поверхности. Расположение электромагнитов под дном плавильной камеры приводит к ослаблению магнитного поля при переходе через расплав при больших рабочих объемах плавильной камеры. Использование четырех термочувствительных элементов для измерения температуры стенки плавильной камеры дает приближенные представления о температуре слоя футеровки плавильной камеры. Достоверность информации о температуре слоя футеровки в такой печи сомнительна (например, при внутреннем диаметре плавильной камеры четыре метра длина окружности плавильной камеры равна двенадцати метрам, при этом четыре термочувствительных элемента (фиг. 2а) установлены через неконтролируемые промежутки в три метра), что является существенным недостатком такой печи. Установка катушек электромагнитов на своде (крышке) плавильной камеры может привести к их повреждению во время слива металла или замены центрального электрода. Недостатком данной конструкции является снижение эффективности плавки при больших объемах плавильной камеры.

Таким образом, в известной электродуговой печи:

- низкий КПД при больших объемах плавильной камеры;

- повышенные энергозатраты для непрерывного вращения дуги;

- пониженная безопасность работы печи из-за использования переменного тока;

- сложность управления работой печи из-за необходимости попеременного повышения и уменьшения скорости вращения дуги.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является электродуговая сталеплавильная печь постоянного тока, содержащая корпус плавильной камеры с рабочим окном, образованный металлической оболочкой со слоем футеровки из огнеупорного неэлектропроводящего материала, сливной желоб, свод и сводовый электрод, расположенный по оси плавильной камеры, по меньшей мере один подовый электрод, смещенный относительно оси плавильной камеры, электромагниты с катушками, множество термочувствительных элементов и блок управления электромагнитами, число входов которого равно числу термочувствительных элементов, а число выходов равно числу электромагнитов так, что все его входы подсоединены к соответствующим выводам термочувствительных элементов, выводы катушек электромагнитов подсоединены к выходам указанного блока, дополнительный низковольтный источник постоянного тока, электромагниты расположены на боковых сторонах корпуса плавильной камеры не ниже максимального рабочего уровня расплавленного металла и выполнены с возможностью работы на постоянном токе, множество термочувствительных элементов установлены выше максимального рабочего уровня расплавленного металла с возможностью измерения температуры на поверхности слоя футеровки корпуса плавильной камеры, причем блок управления электромагнитами соединен с дополнительным низковольтным источником постоянного тока, термочувствительные элементы представляют собой термопары, рабочие спаи которых расположены непосредственно на поверхности слоя футеровки, в том числе под тонким слоем ее обмазки, а остальная часть термопар закреплена слоем обмазки футеровки на торце плавильной камеры, рабочие спаи термопар установлены на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга, три электромагнита постоянного тока, центры электромагнитов постоянного тока расположены на одинаковом уровне по высоте в горизонтальной плоскости, поверхности электромагнитов, обращенные к плавильной камере, параллельны оси плавильной камеры, а намотка их катушек выполнена в одном направлении, центры электромагнитов расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в окружность, содержащую эти центры так, что градусная мера по окружности между двумя соседними центрами составляет 120 градусов, поверхности электромагнитов, обращенные к плавильной камере, параллельны касательным, проведенным через центры электромагнитов к окружности, содержащие данные центры, а оси этих электромагнитов, проходящие через их центры перпендикулярно указанной поверхности электромагнитов, расположены в одной плоскости с пересечением в центре плавильной камеры, причем угол между их осями составляет 120 градусов, электромагниты постоянного тока выполнены с ферромагнитными сердечниками, один конец каждого из которых закреплен на внешней стороне корпуса плавильной камеры, блок управления электромагнитами представляет собой многовходовый программируемый микроконтроллер и имеет выходы, выполненные в виде коммутирующих элементов типа твердотельное реле, блок управления электромагнитами выполнен заодно целое с дополнительным низковольтным источником постоянного тока, второй подовый электрод, смещенный относительно оси плавильной камеры,(см. патент на изобретение РФ №2486717, кл. С2 Н05В 7/18, опубл. 27.06.2013 г. - прототип).

Недостатком данной печи является малоэффективное использование магнитного поля электромагнитов за счет большого рассеяния магнитного поля во внешнюю относительно корпуса печи среду, за счет дополнительных потерь магнитного поля от бесполезного замыкания магнитного потока через общий магнитопровод электромагнитов и корпус печи и за счет сравнительно большого расстояния до объекта воздействия - электрической дуги, поскольку электромагниты расположены снаружи, вне корпуса электродуговой печи, а как известно из литературных источников, индукция магнитного поля, распространяющегося в воздушной среде или ей подобной, например во внутреннем пространстве плавильной камеры электродуговой печи, убывает пропорционально кубу расстояния от источника магнитного поля до точки измерения (воздействия) его параметров, в частности индукции магнитного поля, и, кроме того, конструкции сложна для ее реализации в виде трех электромагнитов с общим магнитопроводом, закрепленных на внешней поверхности корпуса плавильной камеры, это увеличивает габаритные размеры электродуговой печи и усложняет технологический процесс слива расплавленного металла, что является весьма серьезным недостатком.

В основу изобретения положена задача компенсации нежелательного влияния возможных значительных магнитных полей на электрическую дугу.

В процессе работы электродуговой печи постоянного тока после нескольких плавок начинается процесс выгорания футеровки, расположенной выше поверхности расплавленного металла. Наблюдения этого процесса показали, что электрическая дуга между центральным электродом - катодом и расплавом металла - отклоняется от центрально-вертикального направления к одному из краев ванны расплавленного металла, где и происходит выгорание футеровки. Это приводит к выходу из строя всей печи и необходимости внепланового ремонта. Установлено, что отклонение электрической дуги происходит всегда примерно в один и тот же сектор или близко к нему.

Этот недостаток имеется во всех электродуговых печах постоянного тока. Исследования процесса отклонения дуги показали, что причиной отклонения является наличие внешнего магнитного поля, которое, проникая внутрь плавильной камеры, воздействует на электрическую дугу, представляющую собой поток заряженных частиц. Известно, что на движущуюся в магнитном поле заряженную частицу действует сила Лоренца, которая меняет траекторию движения заряженной частицы, не изменяя ее энергии. Дальнейшие исследования показали, что источником внешнего магнитного поля являются металлические конструкции, обрамляющие плавильную камеру и токопроводы, подводящие энергию к электродам электродуговой печи. Намагничивание стальных конструкций происходит под действием магнитного поля подводящих токопроводов, по которым при работе печи протекают постоянные токи порядка 30-40 тысяч ампер. Постепенное накопление намагниченности во внешних стальных конструкциях превращает их по сути в постоянные магниты. Магнитное поле внешних стальных конструкций без ослабления проникает через магнитнонасыщенный корпус плавильной камеры внутрь.

Возможность проникновения внешних магнитных полей внутрь плавильной камеры можно показать следующим образом. Известно, что напряженность (H) магнитного поля от проводника током (I) определяется выражением:

H=2I/4πR,

где I - ток в проводнике;

R - расстояние от проводника до данной точки.

В связи с этим при токе в угольном электроде I=36·10³ А и R=2 м (радиус плавильной камеры) напряженность магнитного поля на корпусе сталеплавильной камеры равна:

Η=2·36·10³/4·π·2≈2,87·10³ А/м.

Соответственно индукция в стальном корпусе плавильной камеры составит:

Β=µ·µ_о·Η=1000·1,256·10^-6·2,87·10³=3,6 Тл,

Где µ=1000 - относительная магнитная проницаемость материала корпуса печи;

µ_ο=1,256·10^-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость (магнитная постоянная).

Магнитное поле, наводимое на корпусе плавильной камеры током центрального угольного электрода, превышает нормы для магнитного насыщения корпуса, а следовательно, корпус плавильной камеры находится в насыщенном состоянии. Магнитнонасыщенный корпус плавильной камеры утрачивает свойство создавать размагничивающее поле для любого внешнего магнитного поля и внешнее поле стальных конструкций проникает внутрь корпуса без ослабления.

Результирующее магнитное поле от сложения внешнего и внутреннего магнитных полей взаимодействует с потоком заряженных частиц в электрической дуге и следствием этого взаимодействия является отклонение электрической дуги к краю плавильной камеры. В этом случае происходит перегрев соответствующей части футеровки и ее выгорание, что приводит к преждевременному выходу из строя всей печи.

Изобретение решает задачу устранения существующих недостатков в работе дуговой электропечи, что позволит существенно увеличить срок службы футеровки и получить несомненный экономический эффект, связанный с уменьшением числа внеплановых ремонтов, а следовательно, непроизводительных простоев электродуговой печи постоянного тока и получением дополнительного объема необходимого металла.

Технический результат изобретения заключается в увеличении срока износа слоя футеровки путем увеличения излучения дуги на металл и снижения излучения дуги на свод и слой футеровки плавильной камеры, повышении интенсивности процесса плавки за счет оперативности центрирования дуги при ее отклонении в плавильных камерах различных габаритов, снижении энергозатрат, повышении производительности дуговых сталеплавильных печей и КПД.

Технический результат достигается тем, что в электродуговую печь постоянного тока, содержащую корпус плавильной камеры с рабочим окном, образованный металлической оболочкой со слоем футеровки из огнеупорного неэлектропроводящего материала, сливной желоб, свод и сводовый электрод, расположенный по оси плавильной камеры, один и другой подовые электроды, смещенные относительно оси плавильной камеры, дисковые катушки-соленоиды, множество термочувствительных элементов и блок управления дисковыми катушками-соленоидами, число входов которого равно числу термочувствительных элементов, а число выходов равно числу дисковых катушек-соленоидов, так что все его входы подсоединены к соответствующим выводам термочувствительных элементов, а выводы дисковых катушек-соленоидов подсоединены к выходам указанного блока, дисковые катушки-соленоиды расположены внутри корпуса плавильной камеры под слоем футеровки не ниже максимального рабочего уровня расплавленного металла и выполнены с возможностью работы на постоянном токе при непрерывном охлаждении, множество термочувствительных элементов установлены выше максимального рабочего уровня расплавленного металла с возможностью измерения температуры на поверхности слоя футеровки корпуса плавильной камеры, причем блок управления дисковыми катушками-соленоидами соединен с низковольтным источником постоянного тока, введены дополнительно источник хладагента и трубопровод для транспортирования хладагента, присоединенный к источнику хладагента и к дисковым катушкам-соленоидам.

В электродуговой печи целесообразно иметь четыре дисковые катушки-соленоиды, установленные попарно диаметрально противоположно внутри плавильной камеры между слоями футеровки так, что оси, проходящие через центры двух пар дисковых катушек-соленоидов, установленных диаметрально противоположно, лежат в одной плоскости, расположенной выше максимального уровня расплавленного металла, а угол между осями, проходящими через центры двух пар дисковых катушек-соленоидов, установленных диаметрально противоположно, равен 90°, плоскости дисковых катушек-соленоидов желательно выполнить изогнутыми по дуге, радиус которой соответствует радиусу внутренней поверхности футеровки в месте установки дисковых катушек-соленоидов, а для подключения выводов дисковых катушек-соленоидов к блоку управления дисковыми катушками-соленоидами и трубопроводу в соответствующих местах корпуса желательно выполнить необходимые отверстия. Дисковые катушки-соленоиды целесообразно установить внутри корпуса плавильной камеры, внутри футеровки между первым, считая от корпуса, слоем футеровки и остальными внутренними слоями футеровки плавильной камеры. Витки всех дисковых катушек-соленоидов предпочтительно выполнить из медной трубки. Целесообразно на каждом витке всех дисковых катушек-соленоидов выполнить тепло- и электроизоляцию из одного или нескольких слоев кремнеземной ленты типа КЛ11 - (3,5-5,0) общей толщиной не менее 0,5 мм путем навивки ее на проводники дисковых катушек-соленоидов. На концах и в середине общей длины проводников каждой дисковой катушки-соленоида желательно предусмотреть выводы в виде медных трубок для подведения и отведения хладагента, а на выводах от концов дисковых катушек-соленоидов целесообразно предусмотреть крепления для подключения токоподводящих проводников.

Центры дисковых катушек-соленоидов предпочтительно расположить на одинаковом уровне по высоте попарно диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости, а намотку дисковых катушек-соленоидов выполнить в одном направлении.

Термочувствительные элементы представляют собой термопары, рабочие спаи которых расположены непосредственно на поверхности слоя футеровки, в том числе под тонким слоем ее обмазки, а остальная часть термопар закреплена слоем обмазки футеровки на торце плавильной камеры.

Предпочтительно рабочие спаи термопар установить на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга.

Блок управления дисковыми катушками-соленоидами представляет собой многовходовый программируемый микроконтроллер и имеет выходы, выполненные в виде коммутирующих элементов типа твердотельное реле.

Предпочтительно блок управления дисковыми катушками-соленоидами выполнить заодно целое с источником постоянного тока.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Фиг. 1 изображает в изометрии электродуговую печь постоянного тока (с разрезом).

Фиг. 2 изображает электродуговую печь постоянного тока, вид сверху.

На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:

1 - металлическая оболочка (корпуса плавильной камеры);

2 - слой футеровки (из огнеупорного неэлектропроводящего материала);

3 - свод (крышка);

4 - сводовый электрод (центрированный катод);

5 - первый подовый электрод (первый анод);

6 - второй подовый электрод (второй анод);

7 - токоподвод к сводовому электроду 4;

8 - токоподводы к первому и второму подовым электродам 5, 6;

9 - дисковые катушки-соленоиды;

10 - термочувствительные элементы в виде термопар (t₁, t₂, t₃………t₂₄ - номера термопар от первой до двадцать четвертой);

11 - блок управления дисковыми катушками-соленоидами 9 (выполненный в виде многовходового программируемого микроконтроллера);

12 - сливной желоб;

13 - рабочее окно;

14 - минимальный рабочий уровень расплавленного материала (плоскость расплава на его минимальном уровне);

15 - максимальный рабочий уровень расплавленного металла (плоскость расплава на его максимальном уровне);

16 - ось симметрии плавильной камеры;

17 - металлические конструкции, обрамляющие плавильную камеру;

18 - низковольтный источник постоянного тока;

19 - выходы блока 11 управления дисковыми катушками-соленоидами 9;

20 - источник хладагента;

21 - трубопровод для транспортирования хладагента.

Электродуговая печь постоянного тока содержит корпус плавильной камеры, образованный внешней металлической оболочкой 1 и внутренним слоем футеровки 2 из огнеупорного неэлектропроводящего материала, свод (крышку) 3 и по меньшей мере один сводовый электрод 4, являющийся центрированным катодом для получения электрической дуги, первый и второй подовые электроды 5, 6, смещенные относительно вертикальной оси симметрии 16 плавильной камеры и являющиеся анодами, токоподводы 7, 8 соответственно к сводовому электроду 4 и подовым электродам 5, 6, четыре дисковые катушки-соленоиды, множество термочувствительных элементов (ТЧЭ) 10, блок 11 управления дисковыми катушками-соленоидами 9, число входов которого равно числу термочувствительных элементов 10, а число выходов равно числу указанных дисковых катушек-соленоидов 9 так, что все его входы подсоединены к соответствующим выводам термочувствительных элементов 10, а выводы дисковых катушек-соленоидов 9 подсоединены к выходам указанного блока 11, сливной желоб 12 для слива металла, рабочее окно 13 для наблюдения за процессом плавки.

Дисковые катушки-соленоиды 9 расположены внутри корпуса плавильной камеры под слоем футеровки не ниже максимального рабочего уровня 15 расплавленного металла и выполнены с возможностью работы на постоянном токе при непрерывном охлаждении.

Множество термочувствительных элементов 10 расположены выше максимального рабочего уровня 15 расплавленного металла. Блок 11 управления дисковыми катушками-соленоидами 9 представляет собой многовходовый программируемый микроконтроллер, в частности, фирмы Beckhoff, с питанием от низковольтного источника 18 постоянного тока, при этом он имеет выходы 19, выполненные в виде коммутирующих элементов типа твердотельное реле. Блок 11 управления может быть выполнен заодно целое с указанным источником 18 постоянного тока.

Термочувствительные элементы 10 представляют собой термопары, рабочие спаи которых расположены непосредственно на поверхности слоя 2 футеровки, а остальная их часть (проводники) надежно закреплена, например, слоем материала обмазки (например, шамотной глины) футеровки 2 на кольцевом торце плавильной камеры. Термопары предпочтительно разместить на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга по внутренней поверхности плавильной камеры ближе к верху слоя 2 футеровки так, чтобы рабочие их спаи касались непосредственно нагреваемой поверхности слоя 2 футеровки, не имея гальванической связи с расплавом металла. Рабочие спаи термопар можно также закрепить тонким слоем (от одного до двух миллиметров) обмазки футеровки.

Дисковые катушки-соленоиды 9 целесообразно установить внутри плавильной камеры внутри футеровки 2 между первым, считая от корпуса 1, слоем футеровки и остальными внутренними слоями футеровки 2 плавильной камеры попарно диаметрально противоположно. Витки всех дисковых катушек-соленоидов 9 предпочтительно выполнить из медной трубки. Целесообразно на каждом витке всех дисковых катушек-соленоидов 9 выполнить тепло- и электроизоляцию из одного или нескольких слоев кремнеземной ленты типа КЛ11 - (3,5-5,0) общей толщиной не менее 0,5 мм путем навивки кремнеземной ленты на проводники дисковых катушек-соленоидов 9.

На концах и в середине общей длины проводников каждой дисковой катушки-соленоида 9 желательно предусмотреть выводы в виде медных трубок для подведения и отведения хладагента, а на выводах от концов дисковых катушек-соленоидов 9 целесообразно предусмотреть крепления для подключения токоподводящих проводников от блока 11 управления дисковыми катушками-соленоидами 9.

Центры дисковых катушек-соленоидов 9 предпочтительно расположить на одинаковом уровне по высоте в горизонтальной плоскости попарно диаметрально противоположно, выше максимального уровня 15 расплава металла внутри плавильной камеры так, что оси, проходящие через центры двух пар дисковых катушек-соленоидов 9, установленных диаметрально противоположно, принадлежат указанной плоскости, а угол между осями, проходящими через центры двух пар дисковых катушек-соленоидов 9, установленных диаметрально противоположно в указанной горизонтальной плоскости, равен 90 градусов, причем указанные оси пересекаются между собой в точке пересечения горизонтальной плоскости, содержащей эти оси, с осью симметрии 16 плавильной камеры, то есть в центре плавильной камеры, причем указанная горизонтальная плоскость, содержащая центры дисковых катушек-соленоидов 9, расположена выше плоскости расплава металла в плавильной камере на ее максимальном уровне 15, а плоскости дисковых катушек-соленоидов 9 желательно выполнить изогнутыми по дуге, радиус которой соответствует радиусу внутренней поверхности футеровки 2 в месте установки дисковых катушек-соленоидов 9. Для подключения выводов дисковых катушек-соленоидов 9 к блоку 11 управления дисковыми катушками-соленоидами 9 и трубопроводу 21 в соответствующих местах корпуса желательно выполнить необходимые отверстия. Намотку дисковых катушек-соленоидов 9 предпочтительно выполнить медной трубкой в одном направлении с обозначением начала и конца.

Начала и концы дисковых катушек-соленоидов 9 подключены к выходам блока 11 управления, к входам которого подключены выходные концы термопар.

Устройство работает следующим образом. При поднятом и отодвинутом своде 3 происходит загрузка шихты таким образом, чтобы поверхность расплава находилась в пределах от минимального рабочего уровня 14 до максимального рабочего уровня 15 расплавленого металла. Затем свод 3 закрывают и сводовый электрод 4 опускают в рабочее пространство плавильной камеры. После зажигания дуги сводовый электрод 4 поднимают вверх, дуга сводового электрода 4 горит над шихтой, прорезая в ней колодец. В этот момент работают сводовый электрод 4, первый и второй подовые электроды 5, 6, что обеспечивает вертикальное горение дуги.

В процессе расплавления часть стен плавильной камеры освобождается от шихты и попадает под прямое излучение дуги, то есть она уже не экранирована шихтой и интенсивно излучает на слой 2 футеровки стен плавильной камеры. Таким образом, полезная мощность дуги уменьшается, коэффициент полезного действия составляет 0,56-0,59. Температура слоя 2 футеровки повышается также при отклонении дуги от центра под действием магнитных полей металлических конструкций 17, обрамляющих плавильную камеру снаружи. Во избежание оплавления слоя футеровки 2 термочувствительные элементы 10 в виде термопар осуществляют контроль температуры на указанном слое футеровки 2.

Для возвращения электрической дуги к центру плавильной камеры в случае ее отклонения, внутри корпуса плавильной камеры на минимально возможном расстоянии от объекта воздействия - электрической дуги установлены четыре дисковые катушки-соленоиды 9, центры которых расположены в горизонтальной плоскости выше максимального уровня 15 расплава металла внутри плавильной камеры, а угол между осями, проходящими через центры двух пар дисковых катушек-соленоидов 9, установленных диаметрально противоположно в указанной горизонтальной плоскости, равен 90 градусов, причем указанные оси пересекаются между собой в точке пересечения горизонтальной плоскости, содержащей эти оси, с осью симметрии 16 плавильной камеры, то есть в центре плавильной камеры. Таким образом, достигается симметрия установки дисковых катушек-соленоидов 9, оси действий которых пересекаются в центре плавильной камеры под центральным сводовым электродом 4. Суммарное магнитное поле дисковых катушек-соленоидов 9 регулируется токами, протекающими по ним. Регулирование осуществляется по специальному алгоритму в зависимости от перегрева области слоя 2 футеровки, прилежащей к той или иной термопаре.

В блоке 11 управления дисковыми катушками-соленоидами 9 токовые сигналы термопар обрабатываются, сравниваются попарно между собой и по очереди с эталонными данными, находящимися в блоке 11, и по результатам, полученным при анализе по определенному алгоритму, формируются выходные сигналы, поступающие на входы четырех дисковых катушек-соленоидов 9.

Выходные сигналы блока 11 управления дисковыми катушками-соленоидами 9 предпочтительно формировать в виде постоянных токов определенных направлений. Токи, протекающие по виткам дисковых катушек-соленоидов 9, создают магнитные поля, направления которых совпадают с направлениями осей дисковых катушек-соленоидов 9, и образуют векторную сумму индукций магнитных полей дисковых катушек-соленоидов 9. Взаимодействие суммарного магнитного поля с потоком заряженных частиц - электрической дугой - определяет силу Лоренца, действующую на электрическую дугу в обратном направлении, и электрическая дуга смещается к центру плавильной камеры. Этим решается одна из важнейших задач - увеличение срока службы электродуговой печи постоянного тока между соседними плановыми регламентными работами с получением высокого экономического эффекта.

Электродуговая печь имеет простую конструкцию, что обеспечивает ее долговечность. Использование кратковременного режима включения дисковых катушек-соленоидов позволяет снизить затраты на электроэнергию. Предлагаемое устройство просто в изготовлении, легко монтируется, удобно в эксплуатации, исключает влияние паразитных магнитных полей на дугу, стабилизация положения которой в плавильной камере устраняет разрушающее ее воздействие на футеровку. По сравнению с прототипом достигается увеличение КПД, исключение разрушения футеровки, возможность переоборудования любых электродуговых печей постоянного тока с одним или двумя подовыми электродами. Использование предлагаемого устройства наиболее эффективно при создании высокомощных большегрузных дуговых сталеплавильных печей постоянного тока в цехах металлургических и машиностроительных предприятий.

Достоверный контроль температуры футеровки с оперативным управлением положения дуги позволяет увеличить излучение дуги на металл, снизить излучение на свод (крышку) и стены (футеровку), вследствие чего повышается КПД, снижается расход электроэнергии и повышается производительность печи. Предлагаемое устройство позволяет достичь следующих результатов: повышение КПД на 10÷15%, повышение производительности примерно в два раза за счет двукратного увеличения срока службы слоя футеровки и, как следствие, сокращение удельного расхода электроэнергии не менее чем на 5-6%. Кроме того, компенсация внешних магнитных полей улучшает экологическую чистоту пространства вокруг электродуговой печи.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к устройству электродуговых печей постоянного тока. Печь содержит корпус плавильной камеры с рабочим окном, образованный металлической оболочкой и футеровкой из слоев огнеупорного неэлектропроводящего материала, сливной желоб, свод и сводовый электрод, расположенный по оси плавильной камеры, подовые электроды, смещенные относительно оси плавильной камеры, дисковые катушки-соленоиды с блоком управления, термочувствительные элементы в виде термопар, рабочие спаи которых установлены с возможностью измерения температуры на поверхности слоя футеровки корпуса плавильной камеры и под слоем обмазки футеровки на кольцевом торце плавильной камеры, и расположены на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга, блок управления дисковыми катушками-соленоидами, число входов которого равно числу термочувствительных элементов, подсоединенных к соответствующим выводам термочувствительных элементов, а число выходов равно числу дисковых катушек-соленоидов, подсоединенных к выходам указанного блока, причем блок управления дисковыми катушками-соленоидами выполнен заодно целое с низковольтным источником постоянного тока в виде многоходового программируемого микроконтроллера. Печь снабжена источником хладагента с трубопроводом, присоединенным к нему одним концом, другой конец которого присоединен к дисковым катушкам-соленоидам с обеспечиванием их непрерывного охлаждения, а дисковые катушки-соленоиды установлены внутри корпуса плавильной камеры, расположены между слоями футеровки попарно диаметрально противоположно и выполнены с возможностью подключения к источнику постоянного тока, при этом оси, проходящие через центры упомянутых катушек, расположены на одинаковом уровне по высоте в горизонтальной плоскости выше установленного максимального уровня расплавленного металла и пересекаются в центре плавильной камеры. Изобретение обеспечивает повышение КПД на 10÷15% и производительности в два раза за счет увеличения срока службы слоя футеровки и позволяет сократить удельный расход электроэнергии не менее чем на 5-6% и улучшить экологическую чистоту пространства вокруг электродуговой печи. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электродуговая печь постоянного тока, содержащая корпус плавильной камеры с рабочим окном, образованный металлической оболочкой и футеровкой из слоев огнеупорного неэлектропроводящего материала, сливной желоб, свод и сводовый электрод, расположенный по оси плавильной камеры, подовые электроды, смещенные относительно оси плавильной камеры, дисковые катушки-соленоиды с блоком управления, термочувствительные элементы в виде термопар, рабочие спаи которых установлены с возможностью измерения температуры на поверхности слоя футеровки корпуса плавильной камеры и под слоем обмазки футеровки на кольцевом торце плавильной камеры, и расположены на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга, блок управления дисковыми катушками-соленоидами, число входов которого равно числу термочувствительных элементов, подсоединенных к соответствующим выводам термочувствительных элементов, а число выходов равно числу дисковых катушек-соленоидов, подсоединенных к выходам указанного блока, причем блок управления дисковыми катушками-соленоидами выполнен заодно целое с низковольтным источником постоянного тока в виде многоходового программируемого микроконтроллера, выходы которого выполнены в виде коммутирующих элементов типа твердотельное реле, отличающаяся тем, что она снабжена источником хладагента с трубопроводом, присоединенным к нему одним концом, другой конец которого присоединен к дисковым катушкам-соленоидам с обеспечиванием их непрерывного охлаждения, а дисковые катушки-соленоиды установлены внутри корпуса плавильной камеры, расположены между слоями футеровки попарно диаметрально противоположно и выполнены с возможностью подключения к источнику постоянного тока, при этом оси, проходящие через центры упомянутых катушек, расположены на одинаковом уровне по высоте в горизонтальной плоскости выше установленного максимального уровня расплавленного металла и пересекаются в центре плавильной камеры.

2. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит четыре дисковые катушки-соленоиды.

3. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что угол между осями, проходящими через центры двух пар дисковых катушек-соленоидов, установленных диаметрально противоположно, равен 90°.

4. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что плоскости дисковых катушек-соленоидов выполнены изогнутыми по дуге, радиус которой соответствует радиусу внутренней поверхности футеровки в месте установки дисковых катушек-соленоидов.

5. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что дисковые катушки-соленоиды выполнены из медной трубки, а намотка их произведена в одном направлении.

6. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что дисковые катушки-соленоиды выполнены с тепло- и электроизоляцией для каждого витка.

7. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены отверстия для подводки трубопровода и токопровода к дисковым катушкам-соленоидам.