§ 2. Электрический режим

Электрическая дуга является основным источником тепла в дуговой сталеплавильной печи. Электрическая дуга или дуговой электрический разряд в газовой среде – это поток электронов и ионов между анодом и катодом. При приложении к последним напряжения достаточной величины происходит эмиссия электронов с катода которые, соударяясь с молекулами газа в межэлектродном пространстве, вызывают их ионизацию; при этом положительно заряженные частицы движутся к катоду, а электроны к аноду, создавая дугу. Движущиеся к аноду электроны бомбардируют его, в результате

441

чего кинетическая энергия электронов превращается в тепловую и световую, аналогичный процесс идет на катоде, бомбардируемым положительно заряженными частицами; температура бомбардируемого пятна анода составляет 3600-4000 °С, катода 3200-3600 °С, а температура столба дуги достигает 6000 °С.

В дуговой сталеплавильной печи дуга горит между электродами и металлом (жидкая ванна, нерасплавившаяся шихта) и представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Поскольку дуговые печи питаются переменным током, в течение каждого полупериода меняются катод и анод, а напряжение и сила тока дуги достигают максимума и проходят через ноль. Эмиссия электронов с катода существенно облегчается при повышении температуры катода, поэтому в дуговой печи после расплавления шихты дуга горит более устойчиво, чем в начале плавки при холодной шихте. Длина дуги на больших высокомощных печах может достигать 150–200 мм, сила тока 60–100 кА.

Мощность печного трансформатора и дуги. Как уже отмечалось (п. 5, § 1), в течение многих лет дуговые печи, работавшие по традиционной технологии с окислительным и восстановительным периодами, оснащали трансформаторами с невысокой удельной мощностью (от 130 до 200–400 кВ • А/т). В последние 10–15 лет, как правило, сооружают печи с высокомощными трансформаторами (600–900 кВ • А/т). Требуемую мощность трансформатора определяют расчетом, задаваясь длительностью периода расплавления шихты, которую принимают в пределах 1,0– 1,2 ч. Связь между этими параметрами следующая:

_s= ^т ' Q

X ' cosf • Т)_эл • К '

где S – номинальная мощность трансформатора, кВ • А; Т – масса металлической завалки, т; Q – удельный расход электроэнергии за период плавления (расплавление шихты и нагрев металла и шлака до ~ 1550 °С), кВт • ч/т; т – длительность расплавления, ч; cos <p – коэффициент мощности печной установки; т)_эл – электрический к.п.д. установки; К– коэффициент, учитывающий колебания электрического режима из-за неустойчивости горения электрических дуг (К « 0,85).

442

Величина Q на высокомощных печах составляет 400– 430 кВт • ч/т, на печах с трансформаторами невысокой мощности 450–480 кВт • ч/т. Значение Т7_ЭЛ изменяется в пределах 0,95–0,8 и определяется величиной электрических потерь в короткой сети, снижаясь при росте этих потерь; cos<p изменяется в пределах от 0,9 до 0,7–0,6, его снижение означает ухудшение использования отбираемой трансформатором из сети электроэнергии (снижение активной подводимой в печь мощности р_а).

Подводимая от трансформатора в печь мощность (активная мощность р_а) определяется по известному для трехфазной

цепи соотношению: р_а = ^ 3 {//cos (p, где U – величина вторичного напряжения печного трансформатора, В; /– сила тока в короткой сети (сила тока дуги), А. Полезная мощность (суммарная мощность дуг) р_а меньше р_а и равна: р_д = р_ат7эл- Таким образом, мощность дуг в основном определяется величиной питающего напряжения и силой тока дуги, а также значениями cos <p и т)_эл. Характер зависимости между этими величинами при постоянном значении вторичного напряжения трансформатора показан на рис. 135.

Регулирование подводимой в печь мощности и мощности дуг осуществляют двумя способами: путем переключения ступеней вторичного напряжения печного трансформатора (в пределах от 110 до 600–900 В) и изменением силы тока дуги /. Регулирование / основано на следующей закономерности: при неизменном вторичном напряжении величина / зависит от

Рис. 135. Электрические характеристики 100-т дуговой электропечи для ступени напряжения 486 В: р_а – активная мощность; р_д – мощность дуг; р_эп – мощность электрических потерь; Т}_эд – электрический к.п.д*; cos <p – коэффициент мощности; / – сила тока

активного и реактивного сопротивлений короткой сети (на данной печи относительно постоянных) и от сопротивления воздушного промежутка между электродом и металлом. Изменяя величину последнего, т.е. длину дуги, достигают изменения / (при увеличении дугового промежутка его сопротивление возрастает и поэтому / уменьшается и наоборот).

Для каждой ступени вторичного напряжения .находят оптимальные значения /, для чего строят полученные на основании расчетов графики, аналогичные показанному на рис. 135. Величину / и соответственно длину дуги выбирают, стараясь обеспечить высокую мощность дуги при возможно больших значениях iy_M и cos (р. Учитывают также то, что в период плавления, когда излучение дуг передается окружающему их лому, желательно работать с длинными дугами, т.е. при увеличенной их излучательной поверхности, а при жидкой ванне – на более коротких дугах с тем, чтобы уменьшить облучение стен и свода печи. Выбранный оптимальный режим на каждой ступени напряжения поддерживают с помощью автоматических регуляторов мощности дуг.

Электрический режим печей, работающих по традиционной технологии, основывается на том, что по потреблению электроэнергии процесс плавки делится на два этапа: первый включает период расплавления, в течение которого расходуется ~ 2/3 общего количества электроэнергии (430– 480 кВт • ч/т), второй – окислительный и восстановительный периоды, когда после расплавления металла потребность в подводимой мощности резко снижается. Во время окислительного периода подводимая мощность должна обеспечить нагрев металла до температуры выпуска и компенсацию теп-лопотерь, а в восстановительный период преимущественно поддержание температуры металла на необходимом уровне и компенсацию теплопотерь. Соответственно в период плавления работают на высших ступенях напряжения трансформатора и относительно длинных дугах, что обеспечивает высокую подводимую мощность и хорошую излучательную способность дуг, в окислительный период – на средних ступенях напряжения и в восстановительный период – на низших ступенях и укороченных дугах, что снижает подводимую мощность и уменьшает излучение на футеровку печи.

На высокомощных печах технология плавки включает период плавления и короткий окислительный период, проводимый

444

с нагревом жидкого металла. Значительную часть периода плавления, когда излучение дуг поглощается стальным ломом, экранирующим стены печи, работают на высших ступенях напряжения и длинных дугах (при относительно небольших токах), что обеспечивает хорошую излучательную способность мощных дуг при высоких значениях cos <p (~ 0,9). После сформирования жидкой ванны, чтобы уменьшить облучение стен печи переходят на работу с короткими при больших токах и напряжении высокомощными дугами. Такие дуги в значительной мере заглублены в ванну, что увеличивает передачу тепла жидкому металлу, но из-за больших токов сильно снижается cos <p (до 0,7–0,6). Чтобы повысить экономичность электрического режима разработана технология работы с "пенистыми" шлаками: во время плавления и окислительного периода на шлак загружают порции мелкого кокса, это вызывает вспенивание шлака пузырями СО, образующимися при окислении углерода кокса. Электрические дуги оказываются погруженными во вспененный шлак, что позволяет несколько увеличить длину дуг, уменьшив силу тока; при этом cosy возрастает до 0,8–0,85. По такому режиму работают большинство высокомощных печей.