Электрододержатель представляет собой совокупность узлов и деталей,
предназначенных для удержания и перепуска электрода, а также для подвода
к нему тока.
Конструкции электрододержателей существенно
различаются в зависимости от вида электрода и типа печи, Основнымн
видами электродов дуговых печей являются:
а) графитированный или угольный электрод, наращиваемый готовыми секциями
посредством резьбового соединения; б) самообжигающийся электрод со
сварным кожухом из тонколистовой стали, заполняемым электродной массой.
Графитированные и угольные электроды имеют преимущественное
распространение в дуговых печах, а также в некоторых типах
руднотермических печей. Например, в рафнннровочных печах для получения
ферросплавов методом полного проплавления шихты дуговым процессом и в
печах для получения титановых шлаков. Само-обжигающиеся электроды широко
применяются в подавляющем большинстве руднотермических печей
непрерывного действия.
Корпус и токоведущие детали электрододержателя дуговой сталеплавильной
печи находятся в зоне высоких температур над сводом печи, а в отдельных
случаях аналогичные элементы электрододержателя находятся в зоне
открытого пламени, например, в рафинировочных печах с открытым
колошником. В сочетании с тем или иным механизмом корпус
электрододержателя обеспечивает передачу тока к электроду и зажим
электрода с необходимым усилием.
К самообжигающемуся электроду руднотермической печи подвод тока
осуществляется контактными щеками, прижимаемыми к электроду внутри
нажимного кольца специальными устройствами, а удержание и перепуск
электрода осуществляется отдельными механизмами. Тепловая нагрузка на
токоведущие детали таких электрододержателей аналогична условиям
эксплуатации их в дуговых сталеплавильных печах. Особенно это относится
к открытым руднотермическим печам, где электрододер-жатели постоянно
находятся в зоне пламени сгорающих над колошником газов. Несколько легче
условия работы электрододержателей в руднотермических печах с закрытым
колошником. Однако и в этом случае необходимо считаться с повышенными
тепловыми нагрузками за счет возможного погружения контактных щек ниже
уровня свода, а также за счет воздействия высокотемпературных газовых
свищей из реакционной зоны печи.
С учетом приведенных соображений токоведущие детали электрододержателей
дуговых печей, как правило, выполняются водоохлаждаемыми. Исключения
имеют место в редких случаях для дуговых сталеплавильных печей малой
вместимости (в основном лабораторного и полупромышленного назначения), а
также для отдельных маломощных руднотермических печей со спокойным
режимом работы (в частности, для печей, работающих блок-процессом).
На рис. 11.2 показана конструкция корпуса электро-додержателя, ранее
применявшаяся в печах серии ДСВ (в дальнейшем и в печах серии ДСП).
Зажим электрода, охватываемого замкнутым водоохлаждаемым литым бронзовым
корпусом осуществляется через окно в корпусе стальной колодкой от
рычажно-пружинного механизма с пневматическим или гидравлическим
цилиндром, обеспечивающим отжим колодки от электрода. Такая конструкция
характеризуется значительной массой сложной бронзовой отливки. Так,
например, для электрода диаметром 500 мм масса обработанного корпуса
составляет около 900 кг, что соответствует массе отливки около 1000 кг.
На рис. II.3 представлена более рациональная облегченная конструкция
корпуса электрододержателя, разработанная ВНИИЭТО для электрода
диаметром 555 мм. В этой конструкции электрод притягивается хомутом из
жаропрочной стали к открытому бронзовому водоохлаждаемому корпусу, масса
которого в обработанном состоянии составляет около 700 кг. Помимо
существенного упрощения и облегчения бронзовой отливки корпуса
электрододержателя, в этой конструкции передача тока к электроду
осуществляется кратчайшим путем, за счет чего достигается уменьшение
активного и реактивного сопротивления корпуса. Такая конструкция была
опробована и испытана на многих печах ДСП-100 и показала хорошие
эксплуатационные качества* В случае необходимости взамен бронзового
литого корпуса электрододержателя может применяться сварной корпус из
толстолистовой малоуглеродистой стали. В этом случае несколько
ухудшаются электрические показатели печи из-за дополнительных потерь в
магнитной массе стального корпуса.
Попытки изготовления сварных и сварнолитых водоохлаждаемых корпусов
электрододержателей из маломагнитной стали (например, Х18Н9Т) пока не
дали удовлетворительных результатов, так как в процессе эксплуатации в
условиях высоких и неравномерных тепловых нагрузок весьма затруднительно
обеспечить гер-метичность сварных швов при использовании стали такого
типа.
В некоторых литературных источниках приводятся заниженные величины
предельно допустимых плотностей тока в контактных соединениях электродов
со смежными поверхностями корпусов электрододержателей. В работе [8]
максимальная плотность тока контакта графити-рованного электрода с
медным корпусов электрододержателя определяется величиной 2,6 А/см2, что
противоречит практике эксплуатации современных мощных дуговых печей.
Реальные плотности тока в контактных соединениях многократно превосходят
вышеуказанные ограничения без ущерба кля надежности работы печей.
Из теории и практики известно, что электрическое сопротивление контакта
не зависит от площади соприкосновения контактирующих деталей, а при
заданных материалах, форме и состоянии контактных поверхностей
определяется усилием их сжатия. Поэтому для
надежной работы электрододержателя в реальных условиях требуется
обеспечить необходимое усилие зажима электрода и устойчивый отвод тепла
из зоны контактного соединения.
Применительно к графитированным электродам основные размеры корпуса
электрододержателя выбираются
по следующим конструктивным соображениям: а) диаметр внутренней
поверхности должен соответствовать диаметру электрода; б) высота
соприкасающейся с электродом поверхности обычно принимается около 1,2
диаметра электрода.
При определении необходимого усилия зажима электрода следует в первую
очередь исходить из условия надежного удержания электрода в корпусе
электрододержателя от проскальзывания в процессе работы печи.
Расчет необходимого для удержания электрода усилия зажима производится
следующим образом. На электрод, зажатый в элек-трододержателе, действуют
следующие силы (рис. 11.4):
а) сила тяжести электрода бэл, обусловленная его массой Мэл;
б) две равные противоположно направленные силы Р, создаваемые механизмом
зажима электрода;
в) две силы трения FTP (в общем случае эти две силы могут быть
различными, но для практических расчетов они обычно принимаются
одинаковыми с усреднением расчетных коэффициентов трения).
Действительное усилие зажима электрода Р должно
приниматься с коэффициентом запаса k= 1,54-2,0. Это необходимо по
следующим соображениям:
а) во избежание проскальзывания электродов под действием дополнительных
динамических нагрузок от вибрации рукавов электрододержателей и от
усилий взаимодействия между электродами при протекании по ним тока;
б) с целью снижения переходного сопротивления контакта между электродом
и электрододержателей.
Кроме того, в процессе эксплуатации рычажно-пружинного механизма зажима
электрода имеет место уменьшение прижимающего усилия против
первоначального за счет термического расширения рычагов и тяг механизма,
а также за счет старения пружин.
Усилие зажима, выбранное, исходя из условий
надежного удержания электрода от проскальзывания, является достаточным
для обеспечения хорошего электрического контакта.
В целях уменьшения электрических потерь в контакте электрододержатель —
электрод можно рекомендовать увеличение удельного давления в контакте за
счет перехода от контакта на значительной поверхности соприкосновения к
линейному контакту. Применительно к рассмотренному выше примеру это
означает создание электрического контакта с электродом по двум выступам
шириной порядка 10 мм на внутренней поверхности корпуса
электрододержателя.
При удельном давлении на поверхность
графитированного электрода
, близком к пределу прочности графитированного электрода, можно ожидать
существенного снижения переходного сопротивления контакта и
соответствующего уменьшения электрических потерь.
Наиболее уязвимым местом в электрододержателях дуговых сталеплавильных
печей обычно является контактное соединение токоподводящих шин с
корпусом электрододержателя. В подавляющем большинстве случаев
токоподвод на рукавах электрододержателей осуществляется
водоохлаждаемыми медными трубами, а медные плоские шины с естественным
охлаждением встречаются лишь на сравнительно маломощных дуговых печах
устаревших конструкций.
Рукав электрододержателя дуговой сталеплавильной печи обычно находится
под напряжением, подведенным к корпусу электрододержателя, что
обусловлено трудностью обеспечения надежной электрической изоляции между
корпусом электрододержателя и рукавом в условиях высокой температуры и
открытого пламени над сводом печи.
Как показывает опыт эксплуатации дуговых сталеплавильных печей,
достаточно обеспечить надежную изоляцию между рукавом электрододержателя
и металлоконструкцией опорной колонны или каретки электрододержателя
(главную изоляцию печи).
В руднотермических электропечах применяются, как правило,
самообжигающиеся электроды с кожухом из листовой стали. Подвод тока к
таким электродам производится контактными щеками, выполняемыми из меди
или из сплавов на ее основе. До недавнего времени наибольшее
распространение имели литые контактные щеки из меди и ее сплавов с
залитыми змеевиками водяного охлаждения. Срок службы таких щек обычно
составлял от 6 до 12 мес. и лишь изредка при особо высоком качестве
изготовления и легких условиях эксплуатации — от 1,5 до 2 лет. Это
объясняется в основном двумя характерными недостатками щек такого типа:
а) трудностью обеспечения благоприятных и стабильных условий
теплоотдачи от корпуса щеки к охлаждающей воде через змеевик; б)
наличием контактного соединения токоподводящей трубы с корпусом щеки,
работающим при высоких температурах.
Значительное увеличение срока службы контактной щеки достигнуто на ЧЭМК
(печь РКО-16,5) за счет выполнения змеевика из медной трубы диаметром
60/30 мм. При этом один конец трубы змеевика используется для подвода
тока посредством приварки к медной трубе подвижного участка жесткого
токопровода, а другой конец — для перехода охлаждающей воды к змеевику
соседней контактной щеки.
На рис. II.5 показана хорошо зарекомендовавшая себя в эксплуатации
контактная щека рудиотермиче-ской печи РПЗ—48. Характерной особенностью
этой щеки является отсутствие змеевика, взамен которого в теле щеки
высверливаются каналы для водяного охлаждения. Щека выполняется из
медной доски толщиной около 110 мм и имеет плоскую форму соответственно
форме поперечного сечения самообжигающегося электрода (прямоугольное
сечение со скругленными боковыми поверхностями и подводами тока только
по двум плоским продольным поверхностям электрода).
Номинальный ток 14 кА подводится к щеке двумя медными трубами диаметром
60/40 мм, которые одновременно служат для подвода и отвода воды.
Присоединение токоведущей трубы к щеке производится при помощи
приваренного к трубе массивного медного фланца с легко сминаемой медной
прокладкой, обеспечивающей надежное уплотнение на входе и выходе
охлаждающей воды. Эта же медная прокладка передает значительную часть
тока в контактном соединении от токоведущей трубы к телу контактной
щеки.
С целью устранения контактного присоединения предложена конструкция
контактной щеки, показанная на рис. 11.6. Аналогично предыдущей
конструкции щека выполняется из медной доски со сверлением каналов
водяного охлаждения, после чего, в случае необходимости, ей прессованием
придается форма, соответствующая поверхности электрода. В гнездо канала
водяного охлаждения вваривается короткая медная труба, к концу которой в
процессе монтажа приваривается труба подвижного участка жесткого
токопровода. Такая конструкция является простой в изготовлении и
надежной в эксплуатации. При среднем сроке службы щеки 2—3 года
отсутствие разъемного контактного соединения является
преимуществом конструкции. При замене щеки (обычно
при капитальном ремонте печи) отрезают медные трубы щеки в местах их
приварки к трубам токоподвода с последующей заваркой стыков после
установки новой щеки.
В качестве заготовки для такой щеки обычно используется медный прокат в
виде плиты толщиной 80—90 мм без обработки рабочей поверхности щеки.
Каналы для водяного охлаждения выполняются на горизонтальном станке
глубокого сверления, а цилиндрическая форма придается ей на прессе с
усилием порядка 10 МН (применительно к электродам прямоугольного сечения
щека выполняется плоской).
В отличие от корпуса электрододержателя дуговой сталеплавильной печи
контактные щеки руднотермической печи, помимо подвода тока, играют
существенную роль в процессе коксования самообжигающегося электрода. С
учетом этого высота контактной щеки выбирается, исходя из условий
теплового режима работы электрода, и для большинства руднотермических
печей обычно составляет 0,8—1,2 диаметра электрода (по условиям подвода
тока она могла бы быть по крайней мере вдвое меньше).
Ширина контактной щеки принимается в зависимости от количества щек с
таким расчетом, чтобы зазоры между смежными щеками на поверхности кожуха
электрода были по возможности небольшими (обычно они составляют 20—40
мм)
В отдельных случаях с целью более равномерного охлаждения кожуха
самообжигающегося электрода контактные щеки выполняются с чередующимися
выступами и впадинами на боковых поверхностях.