Электрометаллургическое производство ферросилиция является одним из наиболее крупнотоннажных и электроэнергоемких из всех видов ферросплавов. Вместе с тем выплавка ферросилиция в странах (основных его производителях) постоянно увеличивается.

Развитие ресурсо- и энергосберегающих технологий выплавки ферросилиция в ретроспективе основывалось на опыте освоения и эксплуатации ферросплавных печей большой единичной мощности.

За многолетний период промышленного производства ферросилиция постоянно повышались требования к его качеству. Это сопровождалось разработкой печных и внепечных способов рафинирования жидкого ферросилиция от примесных элементов.

Многолетние научно обоснованные поиски обеспечили создание машин и механизмов для механизированной разливки ферросилиция, а также дробильно-сортировочных комплексов для фракционирования сплава, что в конечном итоге повысило конкурентоспособность отечественного ферросилиция на международных рынках ферросплавов.

Несмотря на достигнутые успехи в производстве ферросилиция продолжает оставаться актуальным ряд проблемных задач по совершенствованию технологии плавки, оптимизации геометрических параметров ванны, электрических режимов работы печей, разливки, фракционированного ферросилиция, решению экологических вопросов.

Высокопроцентные марки ферросилиция (ФС75) выплавляются углеродотермическим способом. Восстановлением оксидов кремния при углеродотермическом процессе является углерод.

1 Общая часть

1.1 Конструкция ванны и кожуха печи

Кожух представляет собой сварную металлоконструкцию цилиндрической формы из листовой стали. Для придания жесткости к нему крепят вертикальные ребра и 3-5 горизонтальных поясов жесткости, выполненных из листового и профильного железа. На кожухе расположены два желоба для выпуска расплава. Днище кожуха - сварное, плоское. В кожухе выполнены два леточных окна, обрамленных плитами, на которых закреплены сливные желоба. Для улучшения охлаждения днища кожуха с целью повышения надежности его работы кожух электропечи устанавливается на двутавровые балки. Футеровка рабочего пространства ванны состоит из угольных блоков, швы между блоками забиты углеродистой массой. Теплоизоляция ванны выполнена из шамотного кирпича, внутренняя поверхность кожуха оклеена листовым асбестом, между кожухом и кирпичной кладкой предусмотрен слой шамотной засыпки.

Ванна электропечи укрыта плоским металлическим водоохлаждаемым зонтом. Зонт состоит из крышки и вертикальных стенок. Крышка зонта через изолированные тяги подвешивается к перекрытию цеха. Внутренние поверхности всех секций зонта торкретированы специальным жаростойким бетоном.

1.2 Самоспекающиеся электроды

Самоспекающийся электрод состоит из металлического каркаса (кожуха) и электродной массы заполняющий этот кожух. Для формирования электрода используют электродную массу в виде кусков загружаемых через верх с помощью специальных загрузочных устройств. Кожухи электродов изготавливают из листовой стали отдельными секциями. При наращивание электродов кожухи приваривают к предыдущей секции на работающем электроде. Чтобы изготовить кожух правильной цилиндрической формы, сборку и сварку необходимо производить только на стенде, с последующим отпуском сварочных швов. Ребра служат для увеличения жесткости кожуха, а так же для передачи тока с поверхности кожуха к концу электрода. Отогнутые треугольные пластины служат для скрепления между собой при обжиге секторов электродной массы, заключенных между ребрами.

1.3 Электрододержатель. Механизм перемещение электродов

Одним из основных и ответственных узлов ферросплавной печи, оказывающем решающее влияние на технико-экономические показатели ее работы, является электрододержатель.

Электрододержатель состоящий из электродного зажима с контактными щеками и несущего цилиндра, должен обеспечивать надежность зажатия и подвески электродов и его перемещения с требуемой скоростью, надежность и удобства перепуска электродов, минимальные потери электроэнергии, надлежащий тепловой режим обжига сапоспекающихся электродов. Электродный зажим состоит из кольца, контактных щек и механизма их зажима.

Конструкция подвеса и перемещения электрода должна принять массу электрода и электрододержателя, часто достигающие 30-50т, а иногда и более, надежно удерживать их над печью и обеспечивать перемещение электрода вверх и вниз с нужной скоростью. Основным конструктивным элементом этого механизма являются два плунжера. Которые осуществляют перемещение электродов при подачи в них масла от маслонапорных установок. Плунжеры опираются на стаканы, укрепленные на раме уплотнения, и связанны между собой траверсы, которые служат также для крепления несущего цилиндра и устройства для перепуска электродов.

1.4 Механизм перепуска электродов

По мере сгорания электрода возникает необходимость перепускать его, т. е. удлинять рабочий конец. Применяемое для этого гидравлическое устройство крепится на траверсе гидроподъемника или на раме верхнего конца несущего цилиндра. Оно имеет верхнее и нижнее кольца одинаковой конструкции. Зажатие электрода в кольце осуществляется пружинами, отжатие кольца - гидравлическим цилиндром. Для осуществления перепуска разжимается нижнее кольцо. Электрод вместе с верхним кольцом опускается вниз. После этого вновь зажимают электрод в нижнем кольце и затем разжимают верхнее. Освобожденное верхнее кольцо тремя гидравлическими домкратами возвращают в исходное положение и снятием давление с гидроцилиндров верхнего кольца возвращают систему в исходное положение. Главным преимуществом устройства этой конструкции является возможность дистанционного управления операцией перепуска электродов и отсутствие приваренных к кожуху электрода лент, что обеспечивает более гладкую поверхность электрода, т. е. лучший контакт щека-электрод. Перепуск производят без отключения печи.

Рисунок Механизм перепуска электродов.

1.6 Контактная щека электрододержетеля

Контактные щеки служат для подвода рабочего тока к электрода. Высокая температура колошника и возможность попадания пыли и электродной массой между электродом и щекой ухудшают условие работы контакта щека-электрод и самих щек, поэтому обычно для изготовления щек применяют хорошо электро- и теплопроводные электролитическую медь или сплавы. Щеки при помощи изолирующих подвесок крепят к нижнему кольцу несущего цилиндра. Кольцо состоит из двух полуколец, соединенных стальными пальцами с надетыми на них бронзовыми втулками (для разрыва магнитного контура). Полукольца представляют собой пустотелые сварные или литые стальные коробки, в полостях которых размещены пружинные зажимы. Число зажимов соответствует числу щек. Нажатие на щеку осуществляется 1-2 пружинами, давление которых на щеку передается при помощи подвижного упора.

1.7 Механизм токоподвода к печи

Кабели и ленты с неподвижного конца закрепляют в неподвижных башмаках шинного пакета, по которому подается ток от трансформатора, а у подвижного конца - в подвижных башмаках, от которых идет токоподвод на самой печи к щекам электрододержателя. Гибкие ленты и кабели токоподвода располагают по возможности в стороне от прямого воздействия тепла, выделяемого колошником. Для контактных башмаков, расположенных над колошником печи или вблизи его, обязательно водяное охлаждение. Токоподвод от подвижного башмака электрододержателя выполняют, как правило, в виде охлаждаемых водой труб размерами 60/40, т. е. с толщиной стенки 10-15 мм. Плотность тока в медных водоохлаждаемых трубах можно принимать равной 4-7А/ммІ.

2 Специальная часть

2.1 Конструкция водоохлаждаемого зонта

Количество газов выделяющиеся от колошника ферросплавной печи, их состав, температура и запыленность зависят от выплавленного сплава и являются важными показателями хода технологического процесса плавки.

В открытых печах газы сгорают непосредственно над колошником, а затем разбавляются воздухом. Газы, проходя через слой шихты на колошнике, вносят с собой пыль, конденсаты паров кремния, марганца, кальция, железа и их окислов, а также мелкие частицы углеродистого восстановителя. Очистка газов в открытых печах является обязательным условием работы электропечных агрегатов. Улавливание газов выделяющихся от колошника открытых печей, осуществляется водоохлаждаемыми зонтами.

Зонты выполняют из листовой стали и подвешивают к балкам перекрытие над печью. Они должны быть электричеки изолированы от металлических конструкций, а также от загрузочных труботечек, проходящих через боковые поверхности зонта.

Формы зонта - цилиндрическая с герметической крышкой, в которую врезаются три мундштука овальной формы для пропуска несущим кожуха электрододержателей и фиксаторов.

В верхней части зонта имеется газоотводящий патрубок, соединяющий зонт с выбросной трубой и газоотчисткой.

Перед трубой устанавливается тройник с дросселем, обеспечивающим переключением на газоочистные сооружения или на выброс через трубу в атмосферу.

Наиболее перспективным способом очистки газовоздушной смеси от открытых печей в настоящее время признан способ очистки в рукавных тканевых фильтрах, а для ряда сплавов в электрофильтрах.

Размеры зонтов по диаметру определяются диаметром ванны печи. Нижние обрезы зонтов устанавливаются по высоте примерно на 1,5м над уровнем колошника для открытых печей. Запыленность газа составляет 0,5-2,5г/мі и выше. Для предотвращения выбивания газа из под кромки зонта в цех необходимо обеспечить скорость подсоса воздуха у края зонта не менее 2м/с, что обуславливает большое разбавление технологических газов. Исследования показывают, что в открытой печи происходит 80-100 кратное разбавление технологических газов воздухом. В силу этого количество газов выбрасываемых открытой печью составляет 300 тысяч мі/час газовоздушной смеси.

Температура отходящих от зонтов газов зависит как от выплавляемого сплава, так и от степени разбавление воздуха и колеблятся в широких пределах, достигая 350-450К.

3 Расчетная часть

3.1 Выбор мощности трансформатора и расчет электрических параметров ферросплавной печи

3.1.1 Выбор мощности трансформатора

Расчет ведется по заданной производительности электропечи G=65 т/сутки. Тогда мощность трансформатора определяется по формуле:

где Sн- номинальная мощность трансформатора, кВА;

Wуд- удельный расход электроэнергии для выплавки данного сплава, кВт·ч/т;

cosц - средневзвешенный коэффициент мощности;

K - коэффициент загрузки трансформатора по мощности;

К- коэффициент использования трансформатора по времени;

К3- коэффициент, учитывающий неравномерность напряжения в сети.

Следует иметь в виду, что, чем больше мощность печи, тем ниже cosц.

Определив по формуле мощность трансформатора, выбираем трехфазный трансформатора типа ЭОЦНК 27000/110-75УЗ (Т1).

Sтр-ра=29 МВА.

Суммарная мощность трансформатора равна 29 МВА.

3.1.2 Определение полезной электрической мощности, выделяемой в ванне печи

Выбираем значение произведения электрического КПД печи на коэффициент мощности () для печей типа РКО-29

Рпол =Sн ·зэл• cosц кВа, (2)

Pпол =29000 •0,915=26535 кВА.

3.1.3 Определение полезного фазного напряжения U пол.ф.

Полезное фазное напряжение, вычисляется по формуле:

Uпол.ф. =С·Рппол =5,4•(26535)0,33 =155,68В (3)

где Сиn- коэффициенты, характеризующие данный процесс.

Значения коэффициентов: C=5,4; n =0,33.

Значения коэффициента «С» зависят от рода сплава и мощности печи. Значение коэффициента «n» за висит от вида процесса (бесшлаковый).

3.1.4 Определение линейного напряжения на вывод низ кого напряжения печного трансформатора Uл

Воспользовавшись значениями «», производим рас чет линейного напряжения на выводах низкого напряжения печного трансформатора, по фор муле:

где К - коэффициент, учитывающий схему соединения вторичных обмоток трансформатора.

Для рудовосстановительной печей типа РКО выбираем соединение вторичных обмоток трансформатора, по схеме треугольника, значит .

3.1.5 Определение количества ступеней напряжения печного трансформатора

Для выбора ступеней напряжения печного трансформатора следует взять интервал вторичных напряжений при постоянной мощности от 0,8 U до 1,2 U с перепадом напряжения от ступени к ступени «U» равным 5В:

=1,2Uл2, (5)

=0,8Uл2, (6)

Uл2max = 1,2•294,3=353,16В,

Uл2min=0,8•294,3=235,44В.

Количество ступеней напряжения печного трансформатора «m» определяется выражением:

3.1.6 Определение линейного тока (максимального)в электроде, кА

Линейный максимальный ток в электроде, кА, определяется из соотношения:

Рабочий линейный ток в электроде, кА, равен:

3.1.7 Определение диаметра электрода

Зная силу тока и допустимые значения плотности тока в электроде, определяем диаметр электрода.

Выбираем диаметр электрода равный 1200мм:

- Масса электрода 8,2т;

- Толщина кожуха 2,5 мм;

- Максимальная сила тока 70 кА.

3.2 Расчёт геометрических параметров рудовосстановительной печи

Для обеспечения подобия электрических полей, прежде всего, необходимо соблюдение геометрического подобия.

Принимая определяющим параметром диаметр электрода Dэ, получаем критерий геометрического подобия

где B' - безразмерный коэффициент;

В - рассчитываемый параметр;

Dэ - диаметр электрода

По формуле (11) рассчитываем следующие геометрические параметры:

- Расстояние между электродами

в= 2,5•1200=3000 мм.

- Диаметр ванны на уровне угольных блоков dB

dB = 5,2•1200 =6180 мм.

- Диаметр ванны выше уровня угольных блоков DB

DB= 5,6•1200 =6780 мм.

Высота ванны НВ

НВ = 1,9•1200 =2280 мм.

Высота угольной обстановки h

h =,675•1200=810 мм.

Заглубление электрода в шихту hэ

hэ=1,15•1200=1380 мм.

Диаметр распада электрода DР

DР =2,5·1200 =3000 мм.

Проверочный расчет по значению «DР»

Расхождения в значениях Dp менее 5%, следовательно, удовлетворяет условиям.

Проверочный расчёт по параметру ?а?

а =1,075·Dэ=1,075•1200=1290 мм. (13)

проверка

Расхождение в значениях параметра, ?а? менее 5%, следовательно, удовлетворяет условиям.

3.3 Тепловой расчет футеровки печи

3.3.1 Расчет подины

Температуру атмосферы, ta, принимаем равной нулю; tн=180; tвн=1900.

Qт.о =б0(Tн -Та ) =20,8 (180-0) =3744 (15)

где б0 - коэффициент теплоотдачи конвекцией в окружающую среду, Вт/м2·К

Tн - температура наружной поверхности, К

б0=10+0,06Тн=10+0,06·180=20,8 (16)

По формуле (17) рассчитываем температуры отдельных слоёв футеровки.

где л - коэффициент теплопроводности, Вт/м·К; д - толщина стенки, м.

Угольные блоки 2 по 550Ч550мм плюс 2 засыпки электродной массы по 50 мм (1,2м):

t1 () =1650 () - 6289,92;

8,37t1+0,0018t12-13810,5-2,97t1+6289,92=0;

0,0018 t12+5,4t1-7520,58=0;

Д=29,16+4·0,0018·7520,58=83,308;

t1=-5,4+9,127/0,0036=1035,278є.

Решая данное уравнение, получили значение t1 =; Шамот 2Ч65 мм (0,13 м):

Решая данное уравнение, получим значение t=720,516;

Засыпка 50 мм (0,5м):

Решая данное уравнение, получим значение t3=385;

Асбест:

Решая данное уравнение, получим значение

Толщина подины составляет 1,2+0,13+0,05+0,015=1,395м.

3.3.2 Расчет стен

Температуру атмосферы, ta, принимаем равной нулю; =1650-250 = 1400; tн=150

Qт.о =19,0 (150-0) =2850

Угольные блоки 550 мм:

Решая данное уравнение аналогично, получим значение t=1083,3;

Шамот 230 мм:

Решая данное уравнение, получим значение t=463,043;

Шамотная крупка 20 мм:

Решая данное уравнение, получим значение t3=304,213;

Асбест:

Решая данное уравнение, получим значение м.

Толщина стен составляет =0,55+0,23+0,02+0,01=0,81м.

3.4 Расчет элементов короткой сети

Жесткий участок токопровода:

По известной, допустимой плотности тока в трубах, определяем количество труб, составляющих пакет.

где FH - сечение неподвижной части короткой сети, мм2;

Iр - рабочий ток (известная величина, полученная расчет ным путем или из технической характеристики печи), А;

?Iн - допустимая плотность тока, А/мм2.

Определим сечение трубы(80Ч60) Fтр, мм2, по формуле: