111. 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 «BadicheStahlwerkeGmbH» [160], ДСП №2 «NucorYamatoSteel» [147] и ДППТ «PeinerTragerGmbH» в 2000 году [84, 161]
Продолжение табл. 2.2
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.
Варианты конструктивного исполнения дуговых электропечейНаблюдающаяся в последние годы жесточайшая конкуренция на рынке металлургической техники и технологии породила разнообразие коммерческих названий процессов и плавильных агрегатов для мини-заводов. Естественно, что все они отражают стремление дальнейшего повышения ценовой конкурентоспособности металлопродукции. На современном этапе развития электропечестроения можно выделить следующие основные направления совершенствования конструкции дуговых печей (рис. 2.2):
А. Изменение геометрических параметров рабочего пространства печи.
Б. Разделение рабочего пространства печи на зоны, в одной из которых проходит процесс плавления шихты, а в другой или других - нагрев шихтовых материалов с последующей утилизацией тепла в ванне агрегата.
В. Предварительный нагрев шихтовых материалов в системе газохода электропечи удаленными из рабочего пространства газами.
Г. Агрегаты параллельной обработки шихтовых материалов в нескольких объемах рабочего пространства.
Д. Электропечи комбинированной конструкции.
Рис. 2.2. Основные направления совершенствования конструкции дуговых печей
Преимущества и недостатки выплавки стали в дуговых печах.
Преимущества. Использование электрической энергии (электрического тока), возможность расплавить шихту (металлолом) практически любого состава, точное регулирование температуры металла и его химического состава подтолкнуло промышленность к использованию ДСП в ходе второй мировой войны для производства легированной стали, качественного литья и, как следствие, деталей оружия и боеприпасов. Сегодня дуговые сталеплавильные печи производят различные сорта сталей и чугунов, а также могут являться источником сырья (полупродукта) для АКП и МНЛЗ.
Недостатки. Высокий местный перегрев под электродами; трудность перемешивания и усреднения химического состава чугуна; значительное количество продуктов горения и шума во время работы.