Металлургические мини-заводы
  2.2.1 Дуговые печи переменного и постоянного тока

Во всем мире при строительстве металлургических мини-заводов, как правило, предпочтение отдают дуговым электропечам трехфазного переменного тока с высоким полным электрическим сопротивлением контура, которые работают с вторичным напряжением 1000 В и более (ДСП) и дуговым печам постоянного тока (ДППТ) с одним катодом [45, 154 - 156]. В мире насчитывают около 1200 дуговых электропечей, из них около 15% составляют ДППТ [155]. Как показывает опыт промышленной эксплуатации, печи переменного и постоянного тока создаются в соответствии с единым принципом проектирования и управления, поэтому технология переплава металлошихты в этих печах и технико-экономические показатели плавки не имеют принципиальных отличий в силу одинакового принципа теплогенерации и перераспределения тепла в рабочем пространстве.

Несомненно, некоторые особенности применения постоянного тока для плавки стали положительно влияют на технологический процесс. Так, например, под воздействием электродинамических сил, возникающих при прохождении постоянного тока через ванну жидкого металла, происходит достаточно эффективное ее перемешивание. Перемешивание ванны ускоряет плавление, позитивно влияет на процессы окисления углерода, угар железа и рафинирование расплава. Изменяя положение катода, анода или используя специальные средства можно регулировать характеристики движения металла и интенсивность его перемешивания [157]. Кроме того, при прохождении постоянного тока через проводник отсутствует поверхностный эффект (скин-эффект), т.е. неравномерное распределение плотности электрического тока по сечению проводника. Такая неравномерность присуща только переменному току, причем степень ее растёт с увеличением площади сечения проводника и его электропроводности, следовательно, проводники электрического тока (жесткие шины, гибкие кабели, электроды) ДППТ могут иметь меньшее сечение при одинаковых тепловых потерях в сравнении с ДСП.

Вместе с тем, короткая сеть ДППТ, по крайней мере, в два раза длиннее одной фазы ДСП, поэтому масса короткой сети ДППТ обычно на 70-80 % выше. Наличие проводника, соединяющего анод печи с трансформаторной подстанцией определяет необходимость строительства и обслуживания шинной галереи под ванной печи. Из-за ввода в электрическую цепь тиристорного или диодного преобразователя капитальные затраты на печь постоянного тока увеличиваются, и в целом стоимость ДППТ в полтора раза выше, чем аналогичной ДСП.

Сопоставительные исследования свойств электрической дуги постоянного и переменного тока показали, что дуга постоянного тока характеризуется пониженным значением градиента потенциала в столбе, что для обеспечения выделения требуемой мощности вызывает необходимость увеличения ее длины до 0,8-1,0 м [158, 159]. В конце плавления шихты это приводит к росту потоков излучения на стены и свод печи и увеличению тепловых потерь. Поэтому, несмотря на более высокую, чем в трехфазных печах скорость нагрева и плавления металла, дуговая печь постоянного тока не в состоянии обеспечить существенного повышения производительности (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Показатели работы высокопроизводительных ДСП №1 «Badiche Stahlwerke GmbH» [160], ДСП №2 «Nucor Yamato Steel» [147] и ДППТ «Peiner Trager GmbH» в 2000 году [84, 161]

Показатели работы высокопроизводительных ДСП №1 «Badiche Stahlwerke GmbH» [160], ДСП №2 «Nucor Yamato Steel» [147] и ДППТ «Peiner Trager GmbH» в 2000 году [84, 161]

Продолжение табл. 2.2

Показатели работы высокопроизводительных ДСП №1 «Badiche Stahlwerke GmbH» [160], ДСП №2 «Nucor Yamato Steel» [147] и ДППТ «Peiner Trager GmbH» в 2000 году [84, 161]

Установлено, что КПД дуги переменного и постоянного тока в зависимости от электрического и шлакового режимов изменяется в пределах 0,55 - 0,85 и 0,40 - 0,75, соответственно, чем и объясняется больший, в некоторых случаях, удельный расход электроэнергии в дуговых печах постоянного тока [159]. Кроме того, при эксплуатации дуговой печи постоянного тока необходимо принимать специальные меры по предотвращению отклонения дуги из-за явления магнитного «выдувания» дуги для предупреждения неравномерности износа футеровки стен. С целью снижения расхода огнеупоров, используют различные приемы, например: внецентренное расположение графитированного электрода, увеличение диаметра рабочего пространства печи и высоты стен и т.п. [162, 163]. Дуга переменного тока, наоборот, в силу меньшей длины, при горении в колодцах увеличивает вероятность эксплуатационных коротких замыканий, но по окончании плавления шихты работает более эффективно и легко поддается регулированию.

По мнению специалистов компании «Danieli», концепцию печи постоянного тока обычно выбирают с целью уменьшения расхода графитированных электродов. Однако, опыт показал, что одноэлектродная дуговая печь постоянного тока имеет ограниченное преимущество в сравнении с дуговой печью переменного тока с высоким импедансом. По расчетам в одноэлектродной ДППТ вместимостью свыше 80 т расход электродов может быть даже выше, чем в современной ДСП, вследствие ограниченной проводимости существующих типоразмеров электродов [156]. Известно, что на печах постоянного тока вместимостью более 80 т применяют графитированные электроды нестандартного диаметра – 700-800 мм [161]. В научной литературе появляется информация о том, что одноэлектродные печи исчерпали свои возможности по мощности.

Как правило, в рабочее пространство ДСП вводят в полтора - два раза больше кислорода, чем в ДППТ (табл. 2.2). Это объясняется тем, что последние имеют ограничения содержания кслорода в расплаве и, как следствие, интенсивности вдувания кислорода в ванну из-за снижения стойкости подовых электродов. По-видимому, повышение концентрации кислорода в расплаве вызывает интенсивное зарождение пузырей оксидов углерода на рабочей поверхности подового электрода, при этом их экранирующее воздействие снижает электрическую проводимость подового электрода, что приводит к его перегреву.

Наличие подовых электродов увеличивает толщину и массу подины, усложняет конструкцию, текущий ремонт и повышает расход подовых огнеупоров, однако, это компенсируется сниже-нием расхода стеновых огнеупоров. Поэтому принято считать, что суммарный расход огнеупоров для электропечей постоянного тока ниже и составляет в среднем около 4 против 6 кг/т для крупных трехфазных печей [136].

Пионерами разработки ДППТ являются компании «АSЕА» (Швеция), «ВВС» и «GHH» (США), «CLECIM» (Франция), «Nippon Kokan», «Dai-Do» (Япония), «Voest-Alpine» (Австрия), «Itaimpianti» (Италия) и др.

Практически все дуговые печи постоянного тока являются одноэлектродными и отличаются между собой количеством и конструктивным исполнением подового электрода (анода). Подовый электрод является ключевым элементом конструкции ДСППТ. Не вдаваясь в технические детали, отметим, что различные печестроительные компании в силу сложившихся патентных ограничений устанавливают следующие типы анодов:

  • «токопроводящая подина», охлаждение воздушное («ABB Industrie AG»);
  • многостержневой металлический подовый электрод, охлаждение воздушное («MAN GHH/Nippon Kokan»);
  • многопластичный металлический подовый электрод, охлаждение воздушное («Deutshe Voest Alpine Industrieanla-genbau»);
  • одностержневые металлические электроды, охлаждение водяное («Clecim»).

Особых преимуществ у какого-либо из приведенных типов подовых электродов не выявлено; гарантируемая стойкость их, как правило, не превышает 1000 плавок.

Cпециалисты компании «Danieli» формулируют наиболее важные требования к конструкции подового электрода следующим образом [156]:

  • длительная компания службы между ремонтами;
  • легкое и быстрое обслуживание;
  • быстрый запуск печи из холодного состояния;
  • быстрый запуск печи из горячего состояния после осмотра подины;
  • стойкость при интенсивной кислородной продувке расплава;
  • способность проводить электрический ток большой силы;
  • надежная, устойчивая и безопасная эксплуатация;
  • возможность контроля условий прохождения тока через подовый электрод;
  • возможность непрерывного контроля тепловых условий работы анода.

Очевидно, что конструкция некоторых элементов ДППТ, в том числе и электрических, является в настоящее время предметом дискуссий и находится в стадии совершенствования [165].

Определить явное преимущество того или иного типа печи в настоящее время не представляется возможным. Производители стали сами выбирают тип печи исходя из условий их эксплуатации, наличия или отсутствия мощных электропитающих сетей, обеспеченности металлошихтой различного вида (лом, твердый или жидкий чугун, железо прямого восстановления и т.п.) и качества, обеспеченности топливом, кислородом и других факторов.

Например, германская акционерная компания «Badische Stahlwerke GmbH» перед установкой новой электропечи провела собственные исследования, на основании которых выбрала тра-диционное техническое решение, так как считает, что:

  • в распоряжении пока нет новых технологий с очевидными существенными преимуществами;
  • применение традиционной технологии позволяет ограничить риск, например, запрета эксплуатации агрегата органами по охране окружающей среды;
  • изменение технологических режимов процесса плавки, которые влияют на выбросы, должно быть минимальным;
  • необходимо свести к минимуму любой риск потерь в производстве и появление дополнительных издержек;
  • предпочтение необходимо отдавать тем технологиям, которые уже освоены персоналом завода.

В январе 1997 г. на мини-заводе «Badische Stahlwerke GmbH» начала работать 80-т ДСП изготовленная компаниями «Concast Standard АG» и «Badische Stahl Engineering GmbH». Замена старой печи на новую заняла четыре недели, а в течение 2000 года в ДСП выплавили более 10 000 плавок [45].

Одним из существенных факторов ограничения мощности печного трансформатора электропечи, зачастую является величина мощности короткого замыкания питающих электрических сетей. Поэтому на сегодняшний день ощутим существенный прогресс в электрической конструкции ДСП. Печи оборудованы специальными электрическими устройствами, которые предназначены для снижения воздействия на питающие электросети [165]. Эти устройства можно разделить на две основные группы: позволяющие компенсировать электрические помехи, вызванные технологическим процессом плавки, и улучшающие динамические характеристики печного электрооборудования. Так, ДСП с высоким электрическим сопротивлением вторичного контура позволяет вводить в рабочее пространство большее количество тепла за счет стабилизации горения дуги. При неизменной мощности трансформатора повышение напряжения дуги позволяет снизить величину силы тока, а значит и электродинамические силы, действующие на электроды, электрододержатели и гибкие электрические кабели, т.е. снижается риск пробоя их изоляции и уменьшается механический износ. Работа с пониженной величиной силы тока дуги уменьшает расход электродов и электрические потери. Известно, что колебание длины дуги вызывает перепады величины силы тока, как в диапазоне низких частот, так и в диапазоне высоких частот. Работа печи с длинной дугой и высоким сопротивлением предпочтительна по причине меньших относительных колебаний ее длины, а, следовательно, и перепадов величины силы тока [166].

  2.2.1 Дуговые печи переменного и постоянного тока
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ