Электроды ферросплавных печей
Производство ферросплавов

Электроды ферросплавных печей

Назначение и характеристика электродов

Электроды служат для подвода электрического тока в рабочее пространство дуговой электропечи. Электроды должны иметь высокую электропроводность, достаточную механическую прочность, высокую термическую стойкость, а также низкую стоимость. Этим требованиям удовлетворяют электроды из углеродистых материалов.

Результаты рассмотрения основных свойств различных электродов (табл. 6) показывают, что наилучшими являются графитированные электроды, а качество самоспекающихся (самообжигающихся) электродов близко к качеству угольных электродов. В практике производства электростали графитированные электроды обычно называют графитовыми.

Преимущества графитированных электродов настолько существенны, что, несмотря на их высокую стоимость (в два раза выше стоимости угольных электродов), они используются на средних и крупных электросталеплавильных печах. Графитированные электроды выпускают диаметром от 75 до 555 мм со следующей допустимой плотностью тока (ГОСТ 4426—71):

диаметры электродов

В некоторых случаях производят электроды диамет­ром 610, 710 мм и более. На практике иногда допускает­ся более высокая рабочая плотность тока на электродах (до 35 А/см2 для электродов диаметром 555 мм). Расход электродов при этом возрастает.

Основные свойства различных электродов
Таблица 6. Основные свойства различных электродов

Электрод при плавке подвергается механическим воздействиям (обвал шихты, наклон печи и т. д,), час­то направленным под углом к оси электрода, и поэтому он должен иметь достаточную механическую прочность. Повышенная пористость (пониженная плотность) элек­трода вызывает интенсивное его окисл.ение при вы­сокой температуре. Угольные электроды по ГОСТ 4425—72 изготавливают диаметром от 100 до 750 мм, и рекомендуемая плотность трка на них составляет 7—12 А/см2.

В ферросплавной промышленности широкое примене­ние получили самоспекающиеся электроды, заменяющие угольные и графитированные электроды там, где допу­скается некоторое науглероживание сплава и разбавле­ние его железом. Угольные электроды применяют при выплавке кристаллического кремния, а графитирован­ные при производстве безуглеродистого феррохрома, ме­таллических хрома и марганца и т. п. Обычно использу­ют. круглые самоспекающиеся электроды диаметром ≥2000 мм, реже (на прямоугольных печах) применяют плоские самоспекающиеся электроды размером до 3200×800 мм. Допустимая рабочая плотность в самоспекающемся электроде составляет 5—8,5 А/см2 (верх­нее значение относится к малым электродам).

Изготовление графитированных электродов

Основными составляющими угольных электродов и электродной массы для самоспекающихся электродов являются антрацит и каменноугольный кокс. Для изго­товления графитированных электродов применяют малозольные нефтяной, сланцевые и пековый коксы.

Для повышения эксплуатационных свойств электро­дов в шихту вводят искусственный и реже естественный графит, а также бой графитированных электродов. Для связывания твердых составляющих шихты электродных изделий применяют средне- и высокотемпературный ка­менноугольные пеки, а для производства электродной массы — среднетемпературный каменноугольный пек или смесь его с каменноугольной смолой.

При производстве электродной продукции сырые ма­териалы дробят и прокаливают (за исключением графи­та и обожженного боя) в ретортных или трубчатых вра­щающихся печах, в результате чего увеличивается их плотность, удаляется основное количество летучих, повы­шается электропроводность и механическая прочность. Прокаленные материалы измельчают на дробилках и в мельницах различных типов с последующим рассевом материалов на барабанных ситах или вибрационных гро­хотах.

Подготовленные материалы точно дозируют по видам сырья и его гранулометрическому составу и затем пода­ют в смесительные машины, куда задают и связующее, причем жидкие пек и смолу предварительно нагревают для удаления влаги и частично летучих веществ. В ре­зультате тщательного перемешивания при температуре ~150° С получается однородная смесь, называемая электродной массой, которую используют для последую­щей переработки на электроды, или выдается в качестве готовой продукции, применяемой для самоспекающихся электродов.

Электроды получают на гидравлических прессах ме­тодом выдавливания массы через мундштук при давле­нии (50—200) · 105 Па (50—200 кгс/см2) в зависимости от сечения изделия.

Спрессованные электроды охлаждают водой на спе­циальных рольгангах и затем обжигают в многокамер­ных газовых печах непрерывного действия. В результате обжига связующее превращается в кокс, что обеспечи­вает резкое повышение механической прочности, элек­тропроводности и термической стойкости электродов. Обжиг ведут при температурах 1200—1300° С под сводом печи в защитной засыпке из мелкого коксика, предохра­няющей электроды от сгорания и деформации. Продол­жительность обжига зависит от размеров и плотности изделий и обычно составляет 320—400 ч.

Для получения графитированных электродов обож­женную заготовку подвергают графитизации в электри­ческих печах сопротивления при 2500—3000° С в течение 50—60 ч, причем сопротивлением в этих печах служат сами электроды и пересыпка — коксик фракции 10—30 мм. Общая продолжительность графитизации, вклю­чая загрузку, графитизацию, остывание и разгрузку пе­чи, составляет 7—10 сут. В результате графитизации повышается электропроводность, теплопроводность и хи­мическая стойкость, уменьшается твердость электродов.

Обожженные угольные и графитированные электро­ды подвергают механической обработке: обточке цилиндрической поверхности, обработке торцов и нарезке ниппельных гнезд. Ниппельное соединение обеспечива­ется ниппелем с винтовой нарезкой, ввинчиваемым в нип­пельные гнезда в торцах электродов. У угольных элек­тродов иногда нарезают на одном конце электрода ко­нический ниппель, а на другом конце —коническое гнез­до. Для графитированных электродов применяют цилиндрические и конические ниппели (рис. 43). Ниппели вытачивают из специальных заготовок, об­ладающих высокой плотностью и механической прочностью, что обеспечивается дополнительной пропиткой обожженных заготовок пеком под давлением 5-106 Па (5 ат) при температуре 280—300° С.

Соединение электродов при помощи цилиндрического (а) и конического ниппелей
Рис. 43. Соединение электродов при помощи цилиндрического (а) и конического (б) ниппелей (А — пековая пробка)

Для повышения эксплуатационных качеств графитированных электродов в ряде случаев на их поверхность наносят различные защитные покрытия, или их пропи­тывают различными солями, или вводят в массу при их изготовлении различные добавки, снижающие окисление электрода во время его службы. Это позволяет снизить расход электродов на 20—30%.

Самоспекающиеся электроды

Основными преимуществами самоспекающихся элек­тродов при производстве ферросплавов являются возможность изготовления электродов большого диаметра и их низкая стоимость (они в три раза дешевле графитированных и в полтора раза дешевле угольных).

Распределение температуры в самоспекающихся электродах
Рис. 44. Распределение температуры в самоспекающихся электродах,°С

Самоспекающийся электрод представляет собой за­полненный электродной массой металлический кожух с внутренними ребрами, выполненный из листового железа толщиной от 1,25 до 3 мм. Кожух, изготавливаемый из отдельных секций длиной 1,4—1,8 м, служит формой для электродной массы, предохраняет электрод от окисления воздухом, обеспечивает прохождение электриче­ского тока от электрододержателя к обожженной части электрода, а также усиливает передачу тепла к верхней части электрода. Спекание и обжиг электродной массы протекают в печи.

На рис. 44 показано примерное распределение темпе­ратуры в электроде в области электродного зажима. Первая стадия обжига массы на длине ~ 1 м состоит в нагреве ее с 25 до 65° С, в результате чего кусковая мас­са размягчается и сливается в блок (если масса загру­жалась в твердом виде без предварительного подогрева).

На втором участке длиной также ~ 1 м температуру массы повышают от 60 до 200° С у кожуха и до 350° С в центре электрода, образуя так называемый конус спе­кания. Под контактные щеки масса поступает еще плас­тичной. На последней стадии обжига, под щеками, на участке длиной ~ 1 м, температуру массы повышают до 800° С и из-под щек электрод выходит обожженным.

В зависимости, от особенностей технологического ре­жима (уровень колошника печи, длина рабочего конца электрода, температура охлаждающего воздуха и т. п.) отмеченное распределение температуры может менять­ся. Нижний торец электрода, работающий в зоне высо­ких температур, подвергается графитизации.

Эксплуатация электродов

Электроды необходимо транспортировать и хранить, не допуская попадания влаги и оберегая их от механи­ческих повреждений. Для предотвращения саморазвинчивания в процессе эксплуатации ниппельные соедине­ния графитированных электродов закрепляют, используя пробки из специальных паст, которые, расплавляясь и коксуясь при нагревании, обеспечивают надежное крепление. Перед установкой на печь электроды жела­тельно просушивать, а ниппельное гнездо должно быть продуто сжатым воздухом.

Хорошее свинчивание электродов в свечу обеспечи­вается при проведении этой операции вне печи на специальном стенде при помощи устройства, состоящего из опорного хомута, стягивающего хомута и механизма для создания крутящего момента, который должен состав­лять для электродов диаметром 350—400 мм около 2,45 кДж (250 кгс·м) и для электродов диаметром 500— 555 мм—примерно 4—5 кДж (400—500 кгс·м).

На стойкость электрода влияют не только его физи­ко-механические свойства, но и условия эксплуатации. На электрод, находящийся в рабочем пространстве, воз­действует большое число факторов, которые снижают его стойкость и увеличивают расход. К числу таких факто­ров относятся термические напряжения, связанные с неравномерным распределением температуры по длине и сечению электрода.

Заметное разрушение электродов происходит вслед­ствие попадания на его поверхность капель металла и шлака. Особенно этот процесс получает развитие при близком расположении электродов к поверхности ван­ны, что соответствует режиму при минимальном напря­жении. И, конечно, недопустимо науглероживание ме­талла путем опускания электродов в ванну.

Около 70% общего расхода электродов приходится на окисление. Поэтому большое значение для повышения стойкости электродов приобретает создание хорошего уплотнения между электродом и сводом. Излишнее использование кислорода, особенно при плохом усвоении его металлом, увеличивает расход электродов.

На расход электродов, кроме перечисленных факто­ров, влияют тип процесса, длительность плавления, сор­тамент выплавляемых сталей, емкость печи и т. д. Причиной облома электродов может быть плохая центровка электрододержателей, плохой контакт в ниппельном со­единении, неправильная завалка шихты и ее обвалы и т. п.

Необходимо стремиться к снижению расхода электродов, так как их доля в общей стоимости передела составляет заметную величину. Расход электродов колеблется в пределах 4—9 кг на 1 т выплавляемой стали. Нижний предел характерен для крупных печей при выплавке углеродистых сталей.

В случае применения самоспекающихся электродов транспортирование и хранение электродной массы должно производиться в условиях, исключающих возможность ее загрязнения. Набивку кожухов электродной массой производят без отключения печи, причем масса загружается как в твердом, в виде кусков размером не более 200 мм, так и в жидком состоянии. Набивка должна производиться не реже одного раза в сутки. Электрод сверху должен быть закрыт крышкой во избежание попадания в кожух пыли, что может привести к облому электрода в дальнейшем.