Электроды для дуговых сталеплавильных печей

Электроды предназначены для подвода электричества в рабочее пространство печи. От физических свойств и качества изготовления электродов в значительной степе­ни зависят процессы теплообмена в печи, производитель­ность электропечной установки, себестоимость и качество металла.

К электродам предъявляют следующие требования:

1. Возможно низкое удельное электросопротивление и минимальные в них потери электроэнергии.

2. Достаточно высокая механическая прочность на сжатие, изгиб и растяжение, исключающая поломки электродов, вызывающие простои и нарушающие нор­мальный технологический цикл.

3. Высокая термостойкость, исключающая растрески­вание и скалывание электродов под влиянием резких колебаний температуры, что особенно характерно для печей с открытой дугой.

4. Удовлетворительная обрабатываемость на станках.

5. Возможно более высокая температура начала ин­тенсивного окисления на воздухе.

6. Возможно более низкая стоимость, так как стои­мость электродов зачастую выше платы за израсходо­ванную электроэнергию в себестоимости стали.

7. Минимальное содержание золы и серы.

В дуговых сталеплавильных печах применяют угольные или чаще графитированные электроды, имеется опыт использования трубчатых электродов.

Можно считать точно установленным, что выдувание дуги из-под трубчатого электрода меньше (а экраниро­вание электродом больше), чем из-под сплошного, так как дуга горит по краю осевого канала.

По зарубежным данным, при применении трубчатых электродов наблюдается увеличение использования мощ­ности в период расплавления с 0,84–0,85 до 0,93–0,94, дуга горит устойчивей, несколько выше, но расход трубчатых электродов на 2–10 % больше по сравнению с расходом обычных сплошных электродов.

Ток внутрь рабочего пространст­ва дуговых печей проходит по угольным или графитированным электродам. Вначале электродами являлись квадратные или круглые угольные бруски; по мере сгорания их заменяли новыми, а оставшиеся огарки выбрасывали или размалы­вали. Позже перешли на наращи­ваемые электроды (рис. 2.1), кото­рые можно использовать целиком.

Современные непрерывно нара­щиваемые электроды имеют круглое сечение и обработанные на станках торцы, в которых по оси электрода сделаны отверстия с резьбой. В от­верстия на половину длины ввин­чивают ниппеля, обычно изготов­ленные из того же материала, что и электроды. Ниппеля и отверстия для них могут быть как цилиндри­ческими (рис. 2.1, а), так и биконическими (рис. 2.1, б) с треуголь­ной или трапецеидальной резьбой. На выступающую из торца электро­да половину ниппеля навинчивают следующий, так что оба они состав­ляют одно целое — свинченный электрод или «электродную свечу».

а б в Рис. 2.1. Секции непрерывно наращивае­мых электродов с цилиндрическими (а), биконическими (б) и коническими (в) ниппе­лями

Преимуществом конических ниппе­лей является удобство их свинчива­ния — для этого достаточно двух оборотов, в то время как при ци­линдрических ниппелях требуется при свинчивании сделать 10–12 оборотов.

Для удобства транспортировки и эксплуатации электроды изготав­ливают длиной 1000–2400 мм; на печи требуется большая длина «свечи», поэтому работающий элект­род состоит из двух или трех сек­ций, соединенных ниппелями. По мере обгорания нижней части элект­рода электрододержатель опуска­ется все ниже, и когда он оказыва­ется вблизи своего нижнего поло­жения у свода, производят наращи­вание его и перепуск. На небольших печах эта операция может осущест­вляться на самой печи. В верхний торец установленной в электрододержателе электродной свечи, пред­варительно сняв с него защитный колпачок, предохраняющий от пыли, ввинчивают ниппель, а в очередную секцию электрода с верхнего кон­ца — металлический ниппель с коль­цом. За это кольцо секцию подхва­тывают крюком крана цеха и под­нимают над печью, устанавливая над наращиваемой «свечой». Ме­таллический ниппель скреплен с кольцом шарнирно, так что он мо­жет поворачиваться вокруг своей оси. Висящую секцию электрода, осторожно опуская и поворачивая, навинчивают на ниппель в верхнем торце «свечи». После этого начина­ют перепуск «свечи», для чего ос­лабляют зажим электрододержателя, и «свеча» повисает на крюке крана. Каретку (или стойку) печи поднимают в крайнее верхнее положение, электрододержатель вновь зажимают, и он принимает на себя массу электрода. Чтобы не увели­чивать простоев печи, наращивание и перепуск электродов стараются осуществлять между плавками.

Недостатком метода наращива­ния электродов на печи являются тяжелые условия работы и легкость поломки ниппеля. Поэтому на крупных печах наращивание и перепуск электрода ведут иначе. В пролете, кран которого проходит над печью, обычно в одном из его концов, уста­навливают специальную стойку (этажерку), в которой стоят зара­нее наращенные «свечи». При сме­не отработанной электродной «све­чи» ее подхватывают крюком за кольцо ввинченного в верхний то­рец металлического ниппеля, элект­рододержатель ослабляют, «свечу» извлекают из печи и устанавлива­ют в одно из свободных гнезд. Го­товая электродная «свеча» подни­мается, подносится к печи и закреп­ляется в нужном положении в электрододержателе. Электродные «свечи» наращивают на стойке пос­ле их остывания в нормальных ус­ловиях и поэтому гораздо тщатель­нее. Недостатками этого метода яв­ляются несколько большее окисле­ние электродов в период их осты­вания в стойке благодаря свободно­му доступу к ним воздуха и необ­ходимость в большей высоте подъе­ма крюка крана. В настоящее время для наращивания электродов больших диаметров разработана механизированная стойка, в которой зажатие, перемещение и навинчивание электродов осуществляются с помощью гидравлического и электромеханического приводов.

Угольные электроды изготавливают диаметром 100—1200 мм; электроды диаметром выше 400 мм имеют конический ниппель, нарезанный прямо на одном из концов электрода, а на другом его конце делают соответствующее коническое углуб­ление с резьбой (рис. 2.1, в).

Угольные электроды изготавливают из антрацита или термоантрацита (прокаленного антрацита), кокса, нефтяного кокса, каменноугольного пека и смолы. Эти материалы после прокаливания (удаления лету­чих и влаги), дробления и помола смеши­вают в подогретом состоянии в бегунах, причем выдерживается весьма точно не только соотношение отдельных компонентов по массе, но и подбор их грануляционного состава. Перемещенную массу продавлива­ют через мундштуки прессов под давлени­ем 25–40 МПа. Полученные сырые элект­роды устанавливают вертикально в обжи­гательных печах и пересыпают дробленым антрацитом и коксовой мелочью во избе­жание окисления. Температуру в печах медленно поднимают в течение примерно 150 ч до 1300°С, затем ее снижают, выни­мают готовые электроды из печи и переда­ют в механический цех для обработки торцов под ниппеля.

Графитированные электроды из­готавливают не из естественного графита, имеющего неподходящие и к тому же нестабильные механи­ческие и электрические свойства, а только из искусственного электро­графита путем графитизации уголь­ных электродов. Гра­фитированные электроды намного дороже угольных; тем не менее на сталеплавильных печах в настоящее время применяются почти исключи­тельно графитированные электроды из-за их существенных преимуществ (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Основные свойства графитированных и угольных электродов

Из таблицы видно, что расход графитированных электродов на ДСП в 2,0–2,5 раза меньше по сравнению с угольными, что в зна­чительной мере компенсирует их большую стоимость. Основным до­стоинством графитированных элект­родов является их меньшее удель­ное электрическое сопротивление. Это позволяет применять электроды меньшего диаметра по сравнению с угольными, что облегчает конструк­цию стоек, кареток и электрододержателей и уменьшает электрические потери в электродах. В эксплуата­ции графитированные электроды на­много удобнее угольных: они более прочны, меньше окисляются, не тре­буют специальных паст для смазы­вания сращиваемых стыков в целях уменьшения переходного сопротив­ления. Кроме того, применение графитированных электродов уменьша­ет науглероживание стали. Поэтому угольные электроды применяют сейчас лишь на некоторых малых печах для фасонного литья и для плавки неответственных сталей.

Графитированные электроды вы­пускаются диаметром от 75 до 600 мм. Введение печей сверхвысо­кой мощности и значительное уве­личение вторичных токов у наибо­лее мощных из них привели к труд­ностям в канализации этих токов через электроды. Обычные электро­ды диаметром 600 мм пропускают максимальный ток, равный 42 000 А, а если учесть, что в печах сверхвы­сокой мощности сокращен период рафинирования, то эту цифру при­менительно к ним можно поднять до 50 000 А. Однако новая печь ем­костью 100 т имеет рабочий ток, до­ходящий до 60 кА, а 200-тонная печь мощностью 125 мВ·А будет иметь рабочий ток 87 кА. Поэтому в на­стоящее время развернуты работы по изменению технологии графитирования электродов с целью снижения их удельного сопротивления и повышения пропускной способности. Результатом этих работ за рубежом явилось создание электродов диаметром 600 мм с пропускной спо­собностью до 75–85 кА. Существенный интерес представляют также работы по нанесению на электроды защитного покрытия, сохраняющего их от окисления. Состав покрытия разработан в НРБ; оно получило распространение как в нашей стране, так и за рубежом. Этипокрытия позволили снизить расход электродов на 20 % или повысить примерно на столько же их пропускную способность по току. На дуговых печах косвенного действия применяют только графитированные электроды, так как менее прочные угольные не могут работать в горизонтальном положении. Технические данные электродов различных марок угля и графита приведены в табл. 2.2 и 2.3.

Свойства электродов зависят от способа их изготовле­ния и качества применяемых материалов. Ниже приведе­на технология изготовления электродов, объясняющая их физические свойства.

Сырьем для изготовления электродов служат высококачественный антрацит, нефтяной кокс с низким содержанием золы и каменноугольный пек. Графитированные электроды изготовляют преимущественно из нефтяного кокса.

Антрацит или кокс сначала прокаливают при высокой температуре для удаления загрязняющих и летучих ве­ществ и понижения электросопротивления, затем смеши­вают с пеком в специальных подогреваемых мешалках. Смесь должна быть определенного гранулометрического состава в зависимости от размеров электродов. В ре­зультате тщательного смешивания жидкий пек охваты­вает все зерна и связывает их между собой. Из получен­ной массы прессуют электроды в специальных прошив­ных прессах.

Вышедшие из пресса так называемые «зеленые» элек­троды сушат и затем обжигают при высокой температу­ре. Обжиг представляет собой длительную и энергоем­кую операцию.

В результате обжига получают твердые электроды, которые после механической обработки направляют к потребителю (угольные электроды) или подвергают так называемой графитизации: длительному нагреву при температуре 2000–2400°С. Графитизацию осуществля­ют в электропечах сопротивления прямого нагрева, при­чем в качестве сопротивления служат сами электроды, которые во избежание окисления засыпают угольным порошком. На эту операцию затрачивают значительное количество электроэнергии — 7000–8000 кВт∙ч/т.

В процессе графитизации изменяется кристаллическое строение электрода, в результате чего сильно снижается удельное электросопротивление и улучшаются другие свойства. Графитированные электроды обрабатывать ме­ханически значительно легче угольных.

Физические свойства графитированных электродов зависят при прочих равных условиях от диаметра, так как с увеличением диаметра затруднительно получить равномерные гранулометрический состав, обжиг и графитизацию.

Таблица 2.2

Технические данные угольных электродов

Таблица 2.3

Технические данные графитированных электродов

Удельное электросопротивление с увеличением диа­метра электродов увеличивается, причем на оси оно больше, чем на периферии и различно в поперечной плоскости и у концов. Температурный коэффициент а у графитированных электродов до 50–550°С отрица­тельный, выше 550°С — положительный, так что удель­ное электросопротивление р в этой области температур минимальное (рис. 2.2): Ом∙мм²/м(или 8–10 мкОм·м) [14].

	Объемная масса графитированных электродов состав­ляет 1550–1600 кг/м3. Удельная теплоемкость (средняя в диапазоне температур 60–1450°С) равна 1,6 кДж/(кг∙град). Теплопроводность графитированных электродов резко меняется с изменением температуры и различна в про­дольном и поперечном направлениях (рис. 2.3). Скорость окисления электродов [кг/(м2·ч)]относится к единице их окисляющейся поверхности (практически это боковая поверхность). Она зависит от материала электрода и от температуры: до некоторой температуры (температуры начала интенсивного окисления) скорость окисления незначительна, а при переходе через нее рез­ко возрастает (рис. 2.4). Электроды изготовляют в виде цилиндров стандартного диаметра и стандартной относи­тельно небольшой длины, значительно меньшей требу­емой. Чтобы получить необходимую длину электродной свечи, отдельные электроды свинчивают один с другим при помощи ниппелей.
Рис. 2.2. Зависимость относи­тельного удельного электросо­противления графитированных электродов от температуры: — удельное сопротивление при 0°С; — удельное сопротивление при С
Рис. 2.3. Зависимость коэффициен­та Теплопроводности графитиро­ванных электродов от темпера­туры: 1 — в продольном направлении; 2 — в поперечном направлении

Для этого с обоих концов каждого электрода выполняют гнезда с винтовой нарезкой, в которые и ввинчивают ниппель. Раньше применяли только цилиндрические ниппели (рис. 2.5, а), но в последние годы появились бочкообразные (рис. 2.5, б) ниппели. Они бо­лее прочные при испытании на изгиб, с их помощью мож­но сильней стянуть электроды при меньшем числе оборотов для свинчивания (для бочкообразного ниппеля тре­буется всего три оборота).

Место соединения электродов ниппелем представляет собой электрический разъемный контакт, в котором создается добавочное, так называемое «контактное», сопро­тивление. Величина контактного сопротивления не зависит от площади контакта, но зависит от удельного сопротивления материалов, образующих контакт, их окисленности (в случае металла) и от давления на контакте [14]. Крутящие моменты для затяжки ниппелей при свин­чивании графитированных электродов приведены в табл. 2.4. От плотности ниппельного соединения зависят условия его работы. В табл. 2.5 приведено влияние качества ниппельного соединения на изменение электрического сопротивления, мощности и температуры соединения. Рекомендуемые равны 1/3 моментов, разрушающих ниппель. Крупные электроды свинчивают на специальном станке. Графитированные электроды можно свинчивать всу­хую, но электроды большого диаметра при большой силе тока целесообразно свинчивать на пеке или на пасте во избежание самоотвинчивания, вызываемого вибрацией электродов под влиянием электродинамических сил. Сопротивление ниппельного контакта с пастой примерно в 4 раза меньше сопротивления контакта без пасты. Повышенное сопротивление ниппельного контакта вызывает резкое увеличение электрических потерь и перегрев электродов в месте соединения.
Рис. 2.4. Зависимость скорости окисления электрода на воздухе от температуры:   1 — угольный электрод; 2— графитированный электрод
Рис. 2.5. Ниппели электродов:   а — цилиндрический; б — бочкообразный

Таблица 2.4

Зависимость крутящего момента от диаметра электрода

Диаметр электро­да , мм
Крутящий момент , Н∙м

Таблица 2.5

Качество ниппельного соединения (в относительных единицах)

В результате резко возрастает окисление электрода (рис. 2.4), диа­метр его уменьшается, и это ведет к поломкам электрода, в особенности в момент наклона печи для слива металла.

В печах с зависимой дугой электрод представляет собой прежде всего участок токоподвода (короткой се­ти). Однако этот участок отличается от других участков короткой сети следующим:

1.Через электрод из печи теряется значительное ко­личество тепла, так как температура части его, находя­щейся внутри печи, значительно выше температуры внешней части.

На печах с зависимой дугой электроды после каждой плавки вынимают из печи, они остывают и теряют тепло. Тепло теряется также при свинчивании электродов вне печи на станках.

2. Электрод быстро расходуется, стоимость электро­дов в себестоимости стали иногда превышает стоимость электроэнергии.

3. Электрод служит экраном, регулирующим направ­ленный теплообмен в дуговых печах. Особен­но это важно для печей с зависимой дугой.

Электрические потери в электроде примерно обратно пропорциональны квадрату диаметра электрода, а теп­ловые потери прямо пропорциональны. Электрические потери в электроде сосредоточены на его внешнем участ­ке от середины электрододержателя до внутренней по­верхности свода. Тепло, выделяемое электродом внутри печи, следует считать полезным теплом.

Тепло теряется на участке электрода от внутренней поверхности свода (сечение АА', рис. 2.6) до верхнего края холодильника (сечение ВВ');в сечении АА' темпе­ратура электрода примерно равна температуре печи, в сечении ВВ' и выше ( < 500 ¸ 550°С). Весь тепловой поток из печи должен отводить­ся через холодильник (не проходить через сечение ВВ').

Между сечениями АА' и ВВ' теряется электрическая мощность. Возможны три случая: < — из печи отводится тепло, температура электрода внутри печи ни­же температуры свода; = — из печи отвода тепла нет; > — температура электрода внутри печи вы­ше температуры свода. Очевидно, наиболее рационален для энергетического баланса второй случай, при котором тепловые потери ми­нимальные. Потери тепла на крупных дуговых сталеплавильных печах при остывании электродов значительные, так как масса и теплосодержание электродов растут примерно пропорционально (длина «свечи» примерно пропорциональна ). Расход электродов включает в себя расход в результате распыления в самой дуге и окисления. Расход на распыление неизбежен. По опытным данным он пропорционален количеству выделяющейся в дуге электроэнергии и составляет для графитированных электродов в сталеплавиль­ных печах примерно 2 кг на 1000 кВт∙чэлектро­энергии.

Рис. 2.6. Тепловые потери через электрод к холодильнику:   1 — электрод; 2 — свод; 3 — холодиль­ник; — радиус электрода; — толщи­на свода; — высота холодильника; температура поверхности электрода внутри холодильника; _______ направление тепловых по­токов на участке электрод — холодиль­ник

Окисление электродов возрастает с повышением температуры (рис. 2.4) прямо пропорционально окисляющейся поверхности (практически это боковая поверхность) и увеличивается с ростом концентрации кислорода в окружающей среде, в частности при недостаточном уплотнении электродных отверстий в своде. В зависимости от качества уплотнения расход на окисление может изменяться в несколько раз.

При данной силе тока зависимость расхода электро­дов в результате окисления имеет минимум при опреде­ленном . При очень малых вследствие высокой плотности тока электрод сильно нагревается и потому интенсивно окисляется.

С увеличением диа­метра электрода плотность тока уменьшается, электрод нагревается меньше (температура его поверхности сни­жается), интенсивность окисления резко падает, но воз­растает боковая поверхность электрода (пропорционально ) При больших диаметрах увеличение окисля­ющейся поверхности преобладает над снижением интен­сивности окисления и расход электродов возрастает.