CC BY
19
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2015 Технические науки 25
УДК 53.03.15
А. В. Афонаскин1, Л. М. Савиных2, И. Б. Власова3 , В. С. Малиновский3, В. Д. Малиновский3,
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ДУГОВЫЕ ПЕЧИ И МИКСЕРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИРМЫ «ЭКТА» ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА
ЮТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «УРАЛЬСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ», ЕКАТЕРИНБУРГ ^ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 3 ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИРМА «ЭКТА», МОСКВА
A.V. Afonaskin1, L. M. Savinykh2, I. B. Vlasova3 , V. S. Malinovskiy3, V. D. Malinovskiy3, NEW GENERATION GENERAL-SERVICE ARC FURNACES AND MIXERS OF DIRECT CURRENT FOR IRON PRODUCTION DEVELOPED BY THE SCIENTIFIC AND TECHNICAL FIRM «EKTA» 1OPEN JOINT-STOCK COMPANY «URAL RESEARCH TECHNOLOGICAL INSTITUTE», EKATERINBURG 2FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION
«KURGAN STATE UNIVERSITY» 3LIMITED LIABILITY COMPANY SCIENTIFIC AND TECHNICAL FIRM «EKTA», MOSCOW
Аннотация: Предложены универсальные дуговые печи и миксеры нового поколения, являющиеся более производительными и более экологичными. Они позволяют получать чугуны высокого качества и с гораздо меньшим угаром легирующих элементов. Разработанная технология получения чугуна согласуется с классической теорией металлургических процессов.
Ключевые слова: электрические дуговые печи постоянного тока; чугун; шихта; рафинирование; науглероживание; магни-тогидродинамическое перемешивание.
Александр Васильевич Афонаскин
Aleksander Vasilyevich Afonaskin доктор технических наук, профессор
a.v.afonaskin@uralniti.ru
Ирина Борисовна Власова
Irina Borisovna Vlasova fts@kgsu.ru
Введение. Для производства чугуна ООО «НТФ «ЭКТА» разработала два типа установок: дуговые печи постоянного тока универсальные нового поколения (ДППТУ-НП) для плавки чугуна и дуговые миксеры постоянного тока (ДМПТУ) для выдержки, рафинирования и доводки расплава чугуна, его накопления для получения крупных отливок.
Оборудование печей и миксеров позволяет реа-лизовывать технологии производства качественного
Abstract: The universal more efficient and more ecological arc furnaces and mixers of new generation are offered. They allow to obtain high quality cast iron with much lower fumes of alloying elements. The developed technology of producing iron conforms with the classical theory of metallurgical processes.
Key words: electric arc furnace of direct current; cast iron; batch; refining; carbonization; magnetohydrodynamics mixing.
Леонид Михайлович Савиных
Leonid Mikhailovich Savinykh кандидат технических наук, доцент fts@kgsu.ru
Вячеслав Дмитриевич Малиновский
Vyacheslav Dmitrievch Malinovskiy fts@kgsu.ru
чугуна, описанные в классической теории металлургических процессов.
Установка ДППТУ-НП позволяет производить любые марки чугунов, включая высокопрочные, как путём обработки чугуна, так и методом синтезирования с использованием стальной шихты. Эта шихта не требует специальной подготовки перед плавкой: в процессе плавки проводится её науглероживание до заданного состава углерода; за счет активных шлако-
Владимир Сергеевич Малиновский
Vladimir Sergeevich Malinovskiy кандидат технических наук fts@kgsu.ru
вых и других классических процессов осуществляется глубокое удаление примесей, включая серу.
В ДППТУ-НП освоена переработка любого лома, включая чугунную стружку, без угара металла и потерь легирующих элементов.
Миксеры ДМПТУ обладают возможностями дуговых плавильных печей для обработки жидкого расплава. Как и в ДППТУ-НП, в миксерах ДМПТУ обрабатывают металл горячими шлаками, например, с целью глубокого удаления серы; проводить науглероживание расплава до заданного содержания углерода. В ДМПТУ повышается качество чугуна, выплавляемого, например, в вагранках, осуществляется накопление металла и его раздача.
Установки ДППТУ-НП и ДМПТУ позволяют с минимальными затратами производить качественное чугунное литьё с выполнением требований экологов по ПДВ и ПДК.
По всем основным показателям, включая расход электроэнергии, потери металла за счет угара и брака и другим, печи ДППТУ-НП превышают показатели любых плавильных печей других типов.
Инновационные решения, используемые в ДППТУ-НП и ДМПТУ
В оборудование ДППТУ-НП и технологии введены инновационные решения. Эффект от внедрения ДППТУ-НП достигается при комплексном подходе к организации плавки металла, при котором использование дуги постоянного тока является одним из элементов системы технических решений, разработанных и запатентованных специалистами ООО «НТФ «ЭКТА».
В ДППТ У-НП организация процесса расплавления шихты, управляемого магнитогидродинамического (МГД) перемешивания расплава, взаимодействия дуги и расплава, управление электрическими параметрами печи обеспечивают отсутствие локального перегрева расплава во все периоды плавки, гомогенность температуры и химического состава расплава, активное взаимодействие расплавов металла и шлака, высокую скорость протекания металлургических реакций, эффек-
тивное усвоение легирующих элементов и науглероживание расплава, низкий угар шихты и ферросплавов, быстрое формирование шлака высокого качества, подавление взаимодействия печной среды с окружающим пространством. В ДППТУ-НП реализована экологическая чистота процесса плавки при минимальном уровне пылегазовыбросов, снижен расход электроэнергии.
Перемешивание расплава в ДППТУ-НП осуществляется за счет взаимодействия тока, протекающего через расплав, с электромагнитным полем протекающего тока. Для реализации процесса принципиально новым является установка в подине печи не менее двух подовых электродов уникальной разработки, смещенных от осей симметрии подины, при этом опорное пятно дуги размещается по центру расплава. Благодаря этому в расплаве вектор тока имеет ярко выраженные вертикальную и горизонтальные составляющие, взаимодействие собственного электромагнитного поля которых с током вызывает интенсивное перемешивание расплава в вертикальной и горизонтальной плоскостях, с максимальной скоростью движения набегающего потока расплава под дугу и из под дуги вглубь расплава. Такой характер движения расплава наблюдается в дуговых печах постоянного тока, но он неустойчив. Через относительно короткое время под анодным пятном дуги и над подовыми электродами формируются вихревые потоки, а движение основной массы расплава прекращается. Поэтому была разработана оригинальная система организации оптимального перемешивания расплава с помощью регулятора электрического режима источника электропитания [1-4].
В результате инноваций ДППТУ-НП имеет совершенную систему управляемого МГД перемешивания расплава (рисунок 1), которое с большой скоростью, непрерывно во все периоды нагрева и рафинирования расплава, выравнивает его температуру и химический состав, обеспечивает эффективный тепломассоперенос в расплавах металла и шлака, включая интенсивное науглероживание расплава металла при выплавке синтетического чугуна.
а) тороидальное МГД перемешивание расплава (схема в поперечном сечении);
б) система МГД перемешивания включена (активное перемешивание расплава);
в) система МГД перемешивания отключена.
Рисунок 1 - Система МГД перемешивания в ДППТУ-НП и ДМПТУ
Вестник Курганской ГСХА
№ 4, 2015
Технические науки
27
МГД перемешивание усиливает взаимодействие шлака и расплава, гарантируя, например, глубокую десульфурацию металла. Кроме того, МГД перемешивание позволяет в полной мере осуществить передачу энергии электрической дуги в расплав, не допуская локального перегрева металла. Система МГД перемешивания расплава не имеет мировых аналогов, обладает новизной и предельно проста конструктивно. Она позволила отказаться от любых других способов перемешивания расплава.
В ДППТУ-НП применяются два вида дуговых разрядов - колонный и спиралевидный, которые так же, как и МГД перемешивание, являются элементами системы технических решений, запатентованных специалистами НТФ «ЭКТА» (рисунки 2, 3). Управление формами дуговых разрядов позволяет оптимизировать режимы плавления шихты и нагрева расплава.
Первый режим. Режим плавления с восстановлением окисленной шихты колонным разрядом. Колонный разряд (рисунки 2, 3) характеризуется тем, что пандеромоторные силы закачивают печные газы в прикатодную область дуги. Газы проходят через дугу и выходят из нее в районе анода, что позволяет развить циркуляцию печной атмосферы и ее быстрый нагрев. При этом с поверхности металла идет интенсивное испарение различных органических и других примесей. А высокая температура печных газов не позволяет образоваться диоксинам, фуранам и другим печным выбросам. За счет стабилизации мощности дуги предотвращается подсос воздуха в печную атмосферу. При организованном выходе из печи печные газы воспламеняются и догорают до простых окислов СО2 и Н2О.
Рисунок 2 - Движение газов при горении колонной дуги в ДППТУ-НП
Таким образом, режим начала плавки является лучшим способом очистки металла шихты от примесей - смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), влаги, масел, и т. д.
Второй режим. Режим нагрева расплава спиралевидной дугой (рисунок 3 а, б) с управляемым электромагнитным гидродинамическим перемешиванием расплава.
а б
а) действительная форма разряда, выявляемая при скоростной фотосъемке; б) форма разряда при визуальном наблюдении.
Рисунок 3 - Дуговой разряд спиралевидной формы
При повышении плотности тока в графитиро-ванном электроде режим горения дуги изменяется. Дуга переходит во вторую устойчивую форму горения, приобретая вид спирали и удерживается в пространстве продольным магнитным полем, формируемым изменившейся формой дуги. Этот режим позволяет быстро провести расплавление основной части шихты без перегрева футеровки и обеспечить максимальную теплопередачу из дуги в расплав.
Третий режим - доплавление шихты и нагрев расплава. Третий режим подобен второму, но при этом напряжение источника питания снижается, а ток дуги увеличивается. При этом доля энергии дуги, передаваемая непосредственно в расплав, увеличивается до 80-90 %. Система МГД перемешивания позволяет получить развитые процессы тепломассопере-носа расплавов шлака и металла, и между ними.
В ДППТУ-НП подавлен газообмен печной среды с окружающим воздухом, что ведет к снижению угара, улучшает качество металла и препятствует образованию, например, окислов азота, снижает массу печных газов, поступающих в систему вентиляции и газоочистки.
В ДППТУ-НП эффективна выплавка металла из различных шлаковых и других отходов, включая стружку без её очистки от масел, СОЖ, остатков шлака. При плавке шихты, загрязнённой примесями, которыми являются различные виды углеводородных соединений, например, масло, СОЖ и т. п., они испаряются, нагреваясь до высоких температур внутри печи и, воспламеняясь на выходе из печи, догорают до простых соединений в виде Н2О и СО2 при смешивании с воздухом.
На рисунке 4 приведён пример переплавляемой шихты (стружка с высоким содержанием СОЖ и масел), а на рисунке 5 - организация дожигания отходящих газов в ДППТУ-НП при плавке сильно загрязненной шихты.
В ДППТУ-НП разработаны надёжные взрыво-безопасные подовые электроды и технология их эксплуатации.
Для сравнения эффективности работы ДМПТУ-12 и трёхфазной ДЧМ-10 результаты сведены в таблицу.
Рисунок 4 - Пример переплавляемой шихты в ДППТУ-НП (стружка с высоким содержанием СОЖ и масел)
Рисунок 5 - Плавка металлов в ДППТУ-НП с организованным дожиганием отходящих газов при плавке сильно загрязненной шихты (на фото: печной агрегат ДППТУ-6АГ, г. Сухой Лог)
Таблица - Сравнительные показатели производства чугуна
Показатели производства чугуна СЧ-21
Параметры ДМПТУ-12 ДЧМ-10
Производительность, т/год 160000 100000
Удельный расход электроэнергии на нагрев на 100 °С С 42 кВт^ч/т 115 кВт^ч/т
Удельный расход графитированных электродов 0,34 кг/т 2,8 кг/т
Гомогенность температуры и химического состава + -
Брак по неспаям - +
Брак по газовым раковинам - +
Легирующие (для механических свойств) Мп, Си, РЬ Мп, Сг, N1
Распределение графитовых включений Равномерное Неравномерное
Участки с графитовыми включениями <35 мкм >35 мкм
Микроструктура Перлит 100 % Перлит<30%
Нерастворимые ферросплавные включения - +
ГОСТ 1412 (механические свойства) СЧ-24 СЧ-21
Промышленная эксплуатация оборудования подтвердила, что печи ДППТУ-НП и миксеры ДМПТУ имеют следующие преимущества при производстве различных марок чугунов:
• использование рядовой шихты, стружки с обычным содержанием серы;
• наведение активных шлаков для проведения дефосфорации и десульфурации;
• обеспечение однородности химического состава и требуемой температуры по всему объёму металла для обеспечения требуемой формы графита;
• экономия раскислителя при выплавке чугуна;
• эффективное производство высококачественного синтетического чугуна; значительное повышение качества любых видов чугунов (повышение механических свойств на 10-20 %, улучшение внутренней структуры с соблюдением требований по неметаллическим включениям и газам, стабильность состава и температуры) без использования дополнительного оборудования для подготовки шихты и внепечной обработки, с применением дешевых шихтовых материалов;
• экологическая чистота металлургических процессов (уровень пылегазовыбросов снижается в несколько раз, шума - на 15-20 дБА);
• сокращается время плавки и увеличивается производительность в 1,5-2 раза;
• низкий: угар шихты (не более 1,5 %); расход гра-фитированных электродов (не более 1,5 кг/т); электроэнергии (для печи - не выше 550 кВт-ч/т, для миксера - не более 42 кВт^ч/т при перегреве на 100 оС); высокий коэффициент полезного действия печей и миксеров - 70-85 %;
• низкий расход ферросплавов;
• высокая надежность и взрывобезопасность оборудования;
• короткий срок окупаемости затрат на оборудование (не более 10-12 месяцев);
• значительное улучшение условий труда обслуживающего персонала.
Список литературы
1 Малиновский В. С., Володин А. М., Богдановс-кий А. С. Результаты работы дуговой печи постоянного тока ДППТУ-20 на АООТ «Тяжпрессмаш» // Литейное производство. - 2004. - № 11.
2 Патент № 2104450 РФ. С 22 В 9/21. Способ электроплавки и дуговая печь для его осуществления / Малиновский В. С.; опубл. 04.01.1995.
3 Патент № 2048662 РФ. С 22 В 9/20. Способ электроплавки и дуговая печь для его осуществления / Малиновский В. С., Чудновский А. Ю., Липовецкий М. М.; опубл. 31.03.1992.
4 Патент № 2112187 РФ. Н 05 В 7/06. Подовый электрод электропечи / Малиновский В. С.; опубл. 13.03.1996.
