Пути улучшения технико-экономических показателей

Теплотехническое (плавка стали в водоохлаждаемом кристаллизаторе с очень низким η_т) и электротехническое (работа на низком напряжении и токах в десятки килоампер с невысоким η_э) несовершенство печей ЭШП, несмотря на особовысокое качество переплавляемого металла, является причиной большого удельного расхода электроэнергии, стоимость которой составляет до 30 % расходов по переделу при ЭШП. На промышленных печах ЭШП W_у составляет 1...2 МВт∙ч/т, изменяясь в зависимости от физических свойств шлака различного химического состава (рис. 78, а), удельного электросопротивления (рис. 78, б), технологических (рис. 78, в), электрических (рис. 78, г) и конструкционных (рис. 78, д) факторов, определяющих токораспределение, теплогенерацию и температурное поле шлаковой ванны. Влияние этих факторов на величину W_у объясняется изменением условий теплообмена (см. § 2) и теплового КПД η_т.

Рис. 78. Изменение удельного расхода электроэнергии в зависимости от химического состава шлака (а), УЭС (б), межэлектродного расстояния (в), силы тока (г) и коэффициента заполнения кристаллизатора k_з.к (д)

Снижение удельного расхода электроэнергии, согласно выражению (19), возможно повышением η_э, η_т и уменьшением W_у.т, что достигают:

1) при переходе с одноэлектродной на двух- и многоэлектродные схемы ЭШП, при которых W_y снижается на 30...40 %;

2) интенсификацией теплопередачи «шлаковая ванна – расходуемый электрод», например, за счет принудительного ЭМП шлака магнитным полем соленоида, что повышает массовую скорость ЭШП Q_m на 25...30 %, сокращает время плавки τ_пл и удельный расход электроэнергии W_y на 15...20 %;

3) предварительным подогревом расходуемого электрода до температуры не выше 900 К (чтобы не вызвать интенсивного окисления его поверхности и ухудшения качества выплавляемого слитка);

4) теплоизоляцией шлаковой надставки подвижного кристаллизатора (при наличии соответствующих огнеупорных материалов);

5) последовательным соединением двух одинаковых печей ЭШП (предложение ВНИИЭТО), что улучшает электротехнические показатели: повышение активной нагрузки на электропечной трансформатор, работа на более высокой ступени вторичного напряжения, увеличение электрического КПД, снижение удельного расхода электроэнергии на 5 %.

Годовую производительность печей ЭШП определяют по формуле (11), в которой цикл переплава τ_пдг складывается из продолжительности τ_п подготовительно-заключительных операций (подготовка кристаллизатора и поддона, установка расходуемых электродов, засыпка при «твердом» или заливка шлака при «жидком» старте, выдержка слитка в кристаллизаторе и выгрузка готового слитка) и длительности плавления электродов τ_эн. Время τ_эн необходимо для наведения шлаковой ванны τ_нш, формирования жидкометаллической ванны τ_нм (период I на рис. 77), наплавления слитка массой т_о с массовой скоростью Q_m за время τ_р = m_о/Q_m (период II на рис. 77) и выведения усадочной раковины τ_выв (период III на рис. 77).

Массовая скорость плавления Q_m (т/ч) зависит от условий кристаллизации слитка, определяющего размера кристаллизатора l_опр.кл (м) (рис. 79) и теплофизических свойств переплавляемого металла:

, (139)

где k – теплофизический параметр, зависящий от химического состава металла и принимаемый, по данным Ю.М. Миронова, для железа ~2,6; для стали ШХ15 ~1,2; для стали 12X13 ~1 т/(ч·м); k_фр – коэффициент, характеризующий положение фронта кри- сталлизации относительно оси цилиндрического слитка, в виде отношения радиуса зеркала металлической ванны 0,5D_сл к глубине конической части ванны h_кн, т.е. k_фр = 0,5D_сл/h_кн = tg (0,5γ), γ – угол конуса (оптимальное значение γ = 90°).

Рис. 79. Зависимость массовой скорости процесса ЭШП от определяющего линейного размера кристаллизатора (по данным ИЭС)

Глава V

Индукционные печи

§ 1. Физические основы индукционного нагрева

Общие сведения

Принцип индукционного нагрева^ заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид)^. Через индуктор пропускают переменный синусоидальный^ электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это – первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла^ (закон полного тока):

rot H = J_nep + J_cм = J_пр + дD/дτ = (1/ρ + jωε_aбс) Е, (140)

где Н и Е – комплексные векторы напряженности магнитного и электрического поля соответственно; J_neр, J_пр, и J_см – комплексные векторы плотности тока переноса, проводимости и смещения соответственно; D = ε_абсЕ = ε₀ε_rЕ – комплексный вектор электрической индукции; ε_абс и ε_r – абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемость; ε₀ – электрическая постоянная, Ф/м; ε₀ = 1/(4π9∙10⁹); ρ – удельное электрическое сопротивление; ω – угловая частота колебаний электромагнитного поля; ω = 2πf; f – частота тока.

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданный индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т.е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Это – второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла (закон электромагнитной индукции):

rot Е = –дВ/дτ = –jωμ_абсН, (141)

где В – комплексный вектор магнитной индукции; В = μ_абсН = μ₀μ_rН; μ_абс и μ_r – абсолютная и относительная магнитная проницаемость; μ₀ – магнитная постоянная, Гн/м; μ₀ = 4π∙10^–7.

В нагреваемом электропроводном объекте под действием индуктированного электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости J_пр (вихревые токи), теплогенерация^ которых является причиной диссипации энергии электромагнитного поля. Это – третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывает закон Джоуля – Ленца [см. формулу (118)]:

q_V = J_пpE = ρ J = Е²/ρ,

где q_V – интенсивность (мощность) объемной теплогенерации.

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т.е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т.е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом. Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с магнитопроводом и без магнитопровода.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:

1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;

2) установки средней (повышенной) частоты (500...10⁴ Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;

3) высокочастотные установки (66 или 440 кГц), питающиеся от ламповых (электронных) генераторов.

В плавильной индукционной печи без замкнутого магнитопровода расплавляемый металл находится в керамическом тигле^, помещенном внутри цилиндрического многовиткового индуктора. Отсутствие замкнутого магнитопровода значительно увеличивает магнитный поток рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы ИТП их питают токами средней, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей частоты тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ ≈ 0,03...0,1), что вызывает необходимость искусственной емкостной компенсации реактивной (индуктивной) мощности.