Плавильна електрична піч постійного струму

Предлагаемое изобретение имеет объектом электропечь постоянного тока для плавления металлического сырья, преимущественно железного лома или скрапа. Фирма-заявитель данного изобретения уже предлага ла во французском патенте № 86.11215, зарегистрированном 1 августа 1986г.(принятым нами в качестве прототи па и который аналоги чен патенту, полученному в США №4821284, МПК Н 05 В 7/11), плавильную электрическую печь постоянного тока, которая содержит: - плавильную ванну, состоящую из дна или пола, окруженного боковой стенкой, и закрытую свер ху съемной крышкой сводчатой формы, причем упомянутая выше плавильная ванна является симметричной по отношению к средней вертикальной плоскости, - расходуе мые электроды, каждый из кото рых смонтирован на конце консольного опорного кронштейна, располагающегося с необходимым вылетом над сводчатой крышкой плавильной ванны, специальном устройстве, обеспечивающим этому электроду воз можность вертикального перемеще ния и входа через специальное отверстие в сводчатой крышке во внутреннюю полость плавильной ванны, - ста ционарные электроды, встроенные в донную часть плавильной ванны, - источник постоянного тока, имеющий соответственно два электрических полюса - отрицательный и положительный, соединенных посредством электрических проводников соответственно с расходуе мыми электродами - один полюс, и со ста ционарными электродами - другой полюс, - электрические проводники, подключенные к расхо дуемым электродам и проложенные вдоль опорных кронштейнов, и электрические проводники, подключенные к стационарным электродам и проложенные вдоль нижней поверхности дна плавильной ванны, причем эти последние электрические проводники прокладываются по трассам, специально определяемым для каждого стационарного электрода в функции возникающи х магнитных влия ний от различных частей данной установки. Указанное реше ние позволяет в электропечи постоянного тока и даже при достаточно большой мощности агрегата контролировать направление формирования электрических дуг. С этой целью вместо максимально возможного разнесения электрических проводников печи для устранения влияния магнитных полей, возникающих вследствие прохождения электрического тока по этим проводникам, напротив, проводники, соединенные с неподвижными донными электродами печи, пропуще ны вдоль нижней поверхности дна печи на минимально возможном удалении от него, причем профиль и ориентация прокладки упомянутых выше проводников определяется таким образом , чтобы при прохождении электрического тока, создающего магнитные поля в процессе работы электропечи, взаимное влияние этих полей на формирующиеся электрические дуги с учетом всей совокупности магнитных влияний, происходящих в процессе функционирования электропечи от других проводников с током и различных частей установки, создавалась тенденция сведения всех электрических дуг в определенную зону металлической ванны (ванны расплавленного металла). Величина тока, который можно пропустить через проводники и электроды печи, в частности через донные фиксированные электроды, ограничена различными причинами. Поэтому приходится использовать несколько расхо дуемых электродов и несколько донных стационарных электродов. В уже упоминавшемся французском патенте № 86.11215 и в патенте США № 4.821.284 были рассмотрены несколько вариантов расположения электродов в электропечи. В частности, был рассмотрен вариант с тремя расхо дуе мыми и тремя стационарными электродами. Расположение и ориента ция электрических проводников, подхо дящи х к стационарным донным электродам, были определены на основе предварительного расчета с учетом общего расположения и конструкции установки и, в частности, расположения и конструкции электродов. Для вы полнения этой работы прежде всего была создана математическая модель, позволяющая рассчитать влияние на электрические дуги в печи всех элементов, по которым прохо дит электрический ток в процессе ее функционирования с уче том величины этого тока, магнитных характеристик различных частей установки, эволюции состояния загрузки печи и изменения температур в ходе различных фаз плавления, а также различая в расчетах стационарные элементы, ха рактеристи ки и расположения которых фиксированы заранее, и переменные элементы, на которые можно воздействовать и можно, таким образом, определить особенности прокладки электрических проводников, рассчитывая заранее предполагаемые характеристи ки воздействия на электрические дуги. Среди стационарных или неизменных элементов необходимо отметить, в частности, общую конструкцию электропечи и такие ее элементы, как форма плавильной ванны и ее опор, вспомогательные приспособления типа сливного отверстия и средств его закрытия, штанги удержания расхо дуе мых электродов, вдоль кото рых обычно прохо дят соответствующие электрические проводники, а также расположение источника электрической энергии, кото рый обычно размещается как можно ближе к плавильной ванне с тем, что бы максимально сократить длину электрических проводов. Именно поэтому в упомянутом выше патенте на изобретение рассматривался главным образом вариант воздействия на прокладку электрических проводов путем расчета на основе созданной математической модели различных вариантов магнитных воздействий от эти х проводников при различном их расположении с целью определения оптимального расположения, требующе го минимальной длины проводников для эффективного контроля направления формирующи хся в печи электрических дуг. Таким образом, изобретение в соответствии с упомянутым выше патентом позволяет практически реализовать плавильные электропечи постоянного то ка достаточно большой ёмкости. Вплоть до уровня емкости электропечи порядка ста десяти тонн сохраняется возможность использования единственного расхо дуемого электрода при том, что сила тока не превышает 100000 ампер. В этом случае благодаря способу, описанному выше, удается доста точно просто контролировать направление электрической дуги. При этом обычно используют три ста ционарных донных электрода, расположенных симметрично вокруг точки, на которую в вер тикальной плоскости проектируется расхо дуемый электрод. Однако в тех случаях, когда емкость электропечи превышает сто десять тонн, прихо дится использовать такие значения силы тока, кото рые вынуждают уве личивать число используемых электродов, и, следовательно, повышать опасность возмуще ний электрических дуг, являющи хся результатом взаимных влияний электрических и магнитных полей, возникающи х при прохождении электрического тока через многочисленные проводники. Разработка мате матической модели для такого случая становится весьма затруднительной, принимая во внимание большое число элементов, которые взаимодействуют между со бой. Задача настояще го изобретения состоит в разработке электропечи постоянного тока большой ёмкости, превышающей сто десять тонн, при сохранении эффективного контроля направления формирующихся электрических дуг. Поставленная задача решается предлагаемым изобретением за счет того, что разработана плавильная электрическая печь постоянного тока,. содержащая: - плавильную ванну, состоящую из дна или пола, окруженного боковой стенкой, и закрытую свер ху съемной крышкой сводчатой формы, причем упомянутая выше плавильная ванна является симметричной по отношению к средней вертикальной плоскости, - расходуе мые электроды, каждый из кото рых смонтирован на конце консольного опорного кронштейна, располагающегося с необходимым вылетом над сводчатой крышкой плавильной ванны, специальном устройстве, обеспечивающим этому электроду воз можность вертикального перемеще ния и входа через специальное отверстие в сводчатой крышке во внутреннюю полость плавильной ванны, - ста ционарные электроды, встроенные в донную часть плавильной ванны, - источник постоянного тока, имеющий соответственно два электрических полюса - отрицательный и положительный, соединенных посредством электрических проводников соответственно с расходуе мыми электродами - один полюс, и со ста ционарными электродами - другой полюс. - электрические проводники, подключенные к расхо дуемым электродам и проложенные вдоль опорных кронштейнов, и электрические проводники, подключенные к стационарным электродам и проложенные вдоль нижней поверхности дна плавильной ванны, причем эти последние электрические проводники прокладываются по трассам, специально определяемым для каждого стационарного электрода в функции возникающи х магнитных влияний от различных частей данной установки, и в соответствии с изобретением, она имеет в своем соста ве два расхо дуемых электрода, разнесенных на определенное расстояние друг относительно друга и смещенных вместе относительно средней плоскости плавильной ванны в сторону расположения в данной установке источника тока, и по крайней мере четыре стационарных электрода, распределенных по обе стороны от упомянутой выше средней плоскости плавильной ванны и располагающи хся в геометрическом смысле в вершинах правильного симметричного относительно средней плоскости плавильной ванны многоугольника, помещен ного между вер тикальными проекциями расхо дуе мых электродов, причем питающие электрические проводники, подключенные к стационарным электродам, располагающимся со стороны источника питания. прокладываются прямо к упомянутому выше источнику пита ния, параллельно электрическим проводникам, подключенным к расхо дуе мым электродам, а питающие электрические проводники, подчиненные к стационарным электродам, располагающимся с противоположной к источнику питания стороны, имеют каждый условно первую ве твь, огибающую верти кальную проекцию соответствующе го расхо дуемого электрода, и вторую ветвь, проложенную по направлению к источнику питания параллельно электрическим проводникам, подключенным к расходуе мым 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 ван ны и проходящей между расхо дуе мыми электродами на одинаковом расстоянии от них, причем все четы ре стационарных донных электрода располагаются на равных расстояниях соответственно от средней плоскости ванны и от поперечной плоскости. В общем случае расхо дуемые электроды располагаются вдоль линии, параллельной продольной средней плоскости плавильной ванны, и смещены в сто рону источника тока, а стационарные донные электроды размещаются в вершинах че тырехугольника, две стороны кото рого параллельны средней плоскости ванны, а две другие стороны пересекаются этой упомянутой выше плоскостью и расстояние между ними меньше, чем расстояние между расходуе мыми электродами. Таким образом, расходуе мые электроды будут располагаться вне упомянутого четырехугольника. Однако точное позиционирование электродов зависит от множества различных эле ментов и, в частности, от расположения выпускного отверстия, которое должно находиться на некотором удалении от электродов. Итак, расхо дуе мые электроды будут располагаться в зоне, имеющей форму полосы, параллельной средней плоскости ванны и смещенной относительно этой плоскости в сто рону 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 др угих электродов внутри упомянутых вы ше зон определяются на основании предварительного расчета, учитывающе го 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 превышать величину в 120000 ампер, полоса, в которой должны находиться электроды на дне электропечи, имеет ши рину порядка 400 мм и центрирована относительно оси, нахо дящей ся на расстоянии 600 мм от средней плоскости ван ны. 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, прохо дящей че рез середину расстояния между расхо дуемыми электродами. При этом следует отметить, что расхо дуемые электроды располагаются на расстоянии от трех до четырех метров друг о т др уга. Ниже изобретение поясняется более подробно на основе приведенного описания конкретного способа его реализации, опирающе гося на приведенные в приложении чертежи, где на Фиг. 1 - представлен вид в разрезе по поперечной плоскости электропечи в соответствии с предлагаемым изобрете нием, Фиг.2 - представлен продольный разрез электропечи в соответствии с предлагаемым изобрете нием, Фиг.3 - схе матически показаны зоны позиционирования электродов при виде на них сверху, Фиг. 4 - вид сверху в схе матическом плане на расположение электродов и токоподво дящи х проводников. На приведенном в приложении фиг.1 схематически представлена плавильная электропечь для расплавления железного лома или скрапа, имеющая в своем составе плавильную ванну 1, ограниченную дном 2 или полом и боковой стенкой 3 и закрываемую съемной сводчатой крышкой 4. Плавильная ванна 1 установлена на специальных опорах, снабженных подшипниками или поворотными устройствами 5, позволяющи ми опрокидывать ванну относительно горизонтальной оси таким образом, чтобы иметь возможность слить расплавленный шлак через порог основания 6 с одной стороны и слить расплавленный жидкий металл 7 через выпускное отверстие 8 с другой стороны, как это показано на схеме, приведенной на фиг.2. Каждый расходуе мый электрод 9 располагается на кронштейне 10, вдоль которого проложен электрический проводник 11, связывающий электрод 9 с источником постоянного то ка 12, размещаемым насколько это возможно ближе к плавильной ванне 1 электропечи. Расходуе мый электрод 9 представляет собой графи товый стержень, который скользит в специальном держателе, установленном на конце кронштейна 10, и может вследствие этого перемещать ся в вертикальном направлении, входя во вн утреннюю полость плавильной ванны 1 через отверстие в сводчатой крышке 4. Технические средства, предназначенные для удержания в заданном положении и постепенного опускания расходуе мых электродов в плавильную ван ну, хо рошо известны и не представлены поэтому в подробностях на приведенных в приложении рисун ках. Дно 2 плавильной ванны 1 имеет основание 6, выложенное из огнеупорного материала, в которое вмонтирова ны донные фиксированные электроды 13, прохо дящие через дно 2 плавильной ванны 1. В непосредственной близости от плавильной ванны 1, но все же на расстоянии, доста точном для защи ты от печного жара и возможного выброса расплавленного металла, размещается источник постоянного тока 12. Это может быть, например, трансформатор, объединенный в один агрегат с вып рямителем. Такой источник постоянного тока имеет соответственно два полюса. Отрицательный полюс 14 источника подключается посредством питающе го электрического проводника 11 к расходуе мым электродам 9, а положительный полюс 15 того же источника подключается посредством электрических проводников 16 к донным фиксированным электродам 13. Благодаря такой хорошо известной конструкции прохождение электрического тока через электроды печи приво дит к формирова нию электрических дуговых разрядов 17 между расхо дуе мыми электродами 9 и загруженным в печь металлическим ломом или скрапом, который в результате расплавления образует ванну жидкого металла 7. 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 соста ва. До настоящего времени было обычным делом использование в плавильных электропечах либо единственного графитного электрода, размещаемого по оси плавильной ванны, либо трех таких электродов, располагающи хся обычно в вершинах равностороннего треугольника с центром на оси плавильной ванны. В отличие от принятой ранее схемы предлагаемое изобретение предлагает использование только двух гра фитовых расхо дуе мых электродов 18 и 19, кото рые центрирова ны на или в непосредственной близости от линии 20, параллельной средней продольной плоскости 21 плавильной ванны и смещенной относительно этой средней плоскости на некоторое расстояние в сторону расположения источника тока 12, как это показано на фиг.1 и фи г.3. Расходуе мые электроды 18 и 19 разнесены друг относительно друга на некото рое расстояние b, которое для плавильных электропечей емкостью более ста тонн может составлять от трех до че тырех метров. Настоящее изобретение предполагает также использование конструкции электропечи четырех донных фиксированных электродов 13, располагающихся парами по одну и по другую стороны от продольной плоскости 21 и образующих вер шины правильного четы рехугольника, лежащего между двумя графи товыми расходуе мыми электродами 18 и 19. На фиг.3 показано расположение электродов по отношению к двум упоминавшимся выше опорным плоскостям. Речь идет о продольной средней плоскости плавильной ванны 21, кото рая является перпендикулярной по отноше нию к оси опрокидывания ванны, и поперечной плоскости 22, перпендикулярной плоскости 21. Обе эти плоскости пересекаются друг с др угом по вертикальной оси 23 плавильной ванны. Два упо мянутых выше расхо дуемых электрода 18 и 19 размещаются по обе стороны от поперечной плоскости 22 на расстояниях b1 и b2 от нее и смещены в сто рону расположения источника пита ния электропечи соответственно на расстояния а1 и а2 относительно продольной плоскости 21. Упомянутые выше расстояния а1 и а2 в общем случае равны друг другу. Однако они могут вар ьироваться в некотором диапазоне, поскольку точное положение расходуе мых электродов определяется на основа нии достаточно сложного расчета и зависит, как уже было показано, от множества факторов. Таким образом, имеется возможность определить зону 24 в форме узкой полосы, параллельной продольной средней плоскости 21, в кото рой могут на ходиться вертикальные проекции осей расходуе мых электродов 18 и 19. На практике для плавильной электропечи емкостью более ста десяти тонн упомянутые выше расстояния a1 и а2 могут изменяться в пределах от 400 до 800 мм, а расстояния b1 и b2 могут изменяться в пределах от 1500 до 2000 мм. Зона 24, в которой могут на ходиться расхо дуе мые электроды, имеет, таким образом, ширину 400 мм и центрирована относительно оси, отстоящей на 600 мм от продольной средней плоскости 21. Внутри упомянутой выше зоны 24 определяются две прямоугольных зоны 25, симметричные относительно поперечной плоскости 22, в которых могут нахо диться соответствующим образом центрированные проекции двух расхо дуемых электродов 18 и 19, причем точное положение этих электродов определяется на основании расчета. Расположение стационарных донных электродов так же определяется относительно упомянутых выше двух плоскостей 21 и 22, причем каждый из фиксированных электродов 13 смещен на расстояние с от плоскости 21 и на расстояние d от плоскости 22. В общем случае оси донных фиксированных электродов 13 располагаются в верши нах правильного четырехугольника, центрированного относительно двух упо минавши хся выше плоскостей 21 и 22. Однако точное местоположение этих электродов определяется на основании расчета, причем величины расстояний c и d для каждого фиксированного электрода 13 могут лежать в некотором диапазоне. Таким образом определяются по отношению к описанным выше опорным плоскостям 21 и 22 две прямоугольные зоны 25 для позиционирования расхо дуе мых электродов 18 и 19 и четыре прямоугольные зоны 26 для позиционирования четырех донных фиксированных электродов соответственно 27, 28, 29, 30. Итак, для плавильной электропечи ёмкостью, превышающей сто десять тонн, упомянутые выше зоны расположения соответствующи х электродов будут оп ределяться следующим образом: - два расходуе мых электрода 18 и 19 будут центрированы по одну и по другую сто роны поперечной плоскости 22. Каждый из электродов будет располагаться в прямоугольной зоне 25, ограниченной двумя сторонами, параллельными продольной средней плоскости плавильной ванны 21 и смещенными в сторону расположения источника питания электропечи соответственно на 400 и 800 мм, и двумя сторонами, параллельными поперечной плоскости 22 и смещенными относительно этой плоскости на 1500 и 2000 мм соответственно; - четы ре донных фиксированных электрода 27, 28, 29 и 30, - каждый будет центрирован соответственно в одном из квадратов, ограниченных плоскостями 21 и 22 внутри зон 26, имеющих форму квадранта, ограниченного четырьмя сторонами, попарно параллельными соответственно плоскостям 21 и 22 и отстоящи ми от этих двух плоскостей соответственно на 1000 и 1300 мм. В общем случае опорная плоскость 21 будет представлять собой продольную среднюю плоскость плавильной ванны 1, перпендикулярную к оси опрокидывания этой ванны. В этой плоскости центрирова но выпускное отверстие 8, вместо которого может использоваться вытянутый порог или бортик, заканчивающийся носиком для выпуска расплава при опрокидывания ванны. В ряде случаев поперечная опорная плоскость 22 будет также представлять собой и плоскость симметрии. Однако ее положение может изменяться в зависимости от характеристик плавильной ванны и соответствующе го положения различных ее элементов и приспособлений. Например, загруз ка плавильной ванны сырьем может осуществляться в центре, по оси плавильной ванны, между двумя расходуе мыми электродами, или же через специальное загрузочное отверстие, смещенное в сторону от расходуе мых электродов, в частности, когда плавильная электропечь загружается железным ломом. В этом случае предпочтительным является смеще ние расхо дуемых электродов во избежание их повреждения при загрузке печи. Относительное расположение внутри плавильной электропечи расхо дуе мых и донных фиксированных электродов, загрузочного отверстия и выпускного отверстия так же может быть определено в функции различных те хнических и те хнологических соображений. Так, например, на практическое решение этого вопроса может оказать влияние использование системы циркуляции горячих га зов, позволяющее обеспечить предварительный разогрев подлежаще го расплавлению металлического лома или скрапа, технологическая необхо димость сведения формирующи хся 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, возможности встраивания нижних фиксированных электродов в донную часть плавильной ванны также определенным образом ограничены, поскольку при этом необходимо учитывать факти ческое расположение различных ее конструктивных элементов, от которого зависит возможность осуществления желаемой конфигурации прокладки токоподводящих электрических проводников. Действительно, как видно из схемы, представленной на фиг. 4, питающие электрические проводники 11, подключенные к расхо дуе мым электродам 18 и 19, идут прямо к источнику постоянного тока 12, будучи проложенными непосредственно по опорным кронштейнам этих электродов, и, вследствие этого, обычно параллельны между собой и перпендикулярны средней продольной плоскости 21 плавильной ванны. Смеще ние расходуе мых электродов 18 и 19 в сторону источника постоянного тока 12 позво ляет компенсировать магнитные эффекты, возникающие вследствие прохождения электрического то ка через электрические проводники 11, при сближении расхо дуемого электрода 18 и фиксированных электродов 27 и 28, размещенных со стороны источника тока и связанных с ним непосредственно при помощи пи тающих электрических проводников 31 и 32, параллельных питающим электрическим проводникам 11 и опорной поперечной опорной плоскости 22, перпендикулярной к опорной продольной плоскости 21. В то же время питающие электрические проводники 33 и 34, подключенные соответственно к донным фиксированным электродам 29 и 30, проложены так, что они обхо дят или огибают расходуе мые электроды 18 и 19, располагающиеся соответственно с той же стороны от поперечной плоскости 22. Таким образом, питающий электрический проводник 33, подключенный к донному фиксированному электроду 29, состоит из условно первой ветви 35, кото рая отходит от фиксированного электрода 29 по направлению, параллельному средней продольной плоскости 21, и второй ветви 36, кото рая проложена к источнику постоянного тока 12 параллельно питающему электрическому проводнику 11 на расстоянии около четырех метров от поперечной опорной плоскости 22. С другой стороны, питающий электрический проводник 37, подключенный к донному фиксированному электроду 30, располагающемуся со стороны выпускного отверстия 8, условно состоит из первой ветви 38, которая отходит от упомянутого вы ше электрода под некоторым углом к средней продольной плоскости 21 таким образом, чтобы пройти между выпускным отверстием 8 и проекцией расхо дуе мого электрода 19, соединившись затем со второй ветвью 39, параллельной питающе му электрическому проводнику 11, подключенному к расхо дуе мому электроду 19. Такое подробное описанное выше расположение электродов и питающи х проводников позволяет обеспечить взаимное уравновешивание возникающи х магнитных эффектов при прохождении электрического тока и обеспечить, в частности, компенсацию влияния воздушных электрических проводников 11 таким образом, что формирующиеся в плавильной ванне электрические дуговые разряды, направленные к донным фиксированным электродам, будут подвергаться минимальным возмущающим их воздействиям. В то же время, источник постоянного то ка 12 представляет собой агрегат, объединяющий генератор переменного то ка и выпрямитель, который может иметь несколько выхо дов и обеспечить соединение с различными электродами таким образом, чтобы обеспечить прохождение электрического тока между соответствующи ми фиксированными и расхо дуемыми электродами, между двумя фиксированными электродами и расходуе мым электродом, расположенным с противоположной стороны, между са мими фиксированными электродами и самими расходуе мыми электродами. Кроме того, имеется принципиальная возможность создать внутри плавильной ванны многочисленные электрические цепи, направленные по контролируемым направлениям, кото рые благодаря созданным таким образом магнитным силам определяют желательное гидродинамическое воздействие ванны расплавленного металла на проходящий металлур гический процесс. Фиг. 1 Фиг. 2 Фиг. 3 Фиг. 4 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03