Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 111

Для современной дуговой электропечи, работающей в составе

мини-завода, характерны следующие отличительные особенно-

сти:

• плавильный агрегат, работая в дискретном режиме с мак-

симально возможной производительностью, должен обес-

печивать заданный квазинепрерывный процесс разливки

стали на МНЛЗ;

• применение широкого спектра технических и технологи-

ческих приемов ведения плавки для получения расплава

стабильного

химического состава и температуры, позво-

ляющих обеспечить высокую ценовую конкурентоспособ-

ность готовой продукции и быструю адаптацию к изме-

няющимся условиям;

• конструктивное оформление агрегата и технология элек-

троплавки должны гарантированно обеспечивать экологи-

ческую безопасность в условиях непрерывного ужесточе-

ния требований к защите окружающей среды.

Дуговые печи переменного и постоянного тока.

Во всем

мире при строительстве металлургических мини-заводов, как

правило, предпочтение отдают дуговым электропечам трехфазно-

го переменного тока с высоким полным электрическим сопро-

тивлением 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 еди-

ным принципом проектирования и управления, поэтому техноло-

гия переплава металлошихты в этих печах и технико-

экономические показатели плавки не имеют принципиальных от-

112 Металлургические мини-заводы

личий в силу одинакового принципа теплогенерации и перерас-

пределения тепла в рабочем пространстве.

Несомненно, некоторые особенности применения постоян-

ного тока для плавки стали положительно влияют на технологи-

ческий процесс. Так, например, под воздействием электродина-

мических сил, возникающих при прохождении постоянного тока

через ванну жидкого металла, происходит достаточно эффектив-

ное ее перемешивание

. Перемешивание ванны ускоряет плавле-

ние, 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 переме-

шивания [157].

Кроме того, при прохождении постоянного тока через про-

водник отсутствует поверхностный эффект (скин-эффект), т.е.

неравномерное распределение плотности электрического тока по

сечению проводника. Такая неравномерность присуща только пе-

ременному току, причем степень ее растёт с увеличением площа-

ди 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, соеди-

няющего 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 по-

стоянного тока увеличиваются, и в целом стоимость ДППТ в пол-

тора раза выше, чем аналогичной ДСП.

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 113

Сопоставительные исследования свойств электрической

дуги постоянного и переменного тока показали, что дуга посто-

янного 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 посто-

янного тока не в состоянии обеспечить существенного повыше-

ния производительности (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Показатели работы высокопроизводи-

тельных ДСП №1 «Badiche Stahlwerke GmbH»

[160], ДСП №2 «Nucor Yamato Steel» [147] и ДППТ

«Peiner Trager GmbH» в 2000 году [84, 161]

Показатель

ДСП

BSW

ДСП

NYS

ДППТ

1 2 3 4

Масса плавки, т 80 112 100

Полная электрическая мощность, МВА 57 90 140

Вторичное напряжение, В 660 1100 1120

Сила тока дуги, кА 56 н.д. 125

Размеры кожуха: днище/каркас, м 5,5/5,8 6,7/н.д. 7,1/7,3

Диаметр электродов, мм 550 610 750

Число проведенных плавок 10361 12740 10320

Производительность, тыс. т/год 829 1427 1032

Максимальное количество плавок

в сутки

51 н.д. 43

114 Металлургические мини-заводы

Продолжение табл. 2.2

1 2 3 4

Удельный расход:

электроэнергии, кВт×ч/т

электродов, кг/т

кислорода, м

/т

325

1,8

342

1,6

350

0,9

Установлено, что КПД дуги переменного и постоянного

тока в зависимости от электрического и шлакового режимов из-

меняется 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 предотвра-

щению

отклонения дуги из-за явления магнитного «выдувания»

дуги для предупреждения неравномерности износа футеровки

стен. С целью снижения расхода огнеупоров, используют раз-

личные приемы, например: внецентренное расположение графи-

тированного электрода, увеличение диаметра рабочего про-

странства печи и высоты стен и т.п. [162, 163]. Дуга переменно-

го тока, наоборот, в силу меньшей длины,

при горении в колод-

цах увеличивает вероятность эксплуатационных коротких замы-

каний, но по окончании плавления шихты работает более эффек-

тивно 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

ограни-

ченное преимущество в сравнении с дуговой печью переменного

тока с высоким импедансом. По расчетам в одноэлектродной

ДППТ вместимостью свыше 80 т расход электродов может быть

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 115

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 диа-

метра – 700-800 мм [161]. В научной литературе появляется ин-

формация о том, что одноэлектродные печи исчерпали свои воз-

можности по мощности.

Как правило, в рабочее пространство ДСП

вводят в полто-

ра - два раза больше кислорода, чем в ДППТ (табл. 2.2). Это объ-

ясняется тем, что последние имеют ограничения содержания ки-

слорода в расплаве и, как следствие, интенсивности вдувания ки-

слорода 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 экрани-

рующее воздействие снижает электрическую проводимость по-

дового электрода, что приводит к его перегреву.

Наличие подовых электродов увеличивает толщину и мас-

су 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 круп-

ных 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). Подо-

116 Металлургические мини-заводы

вый электрод является ключевым элементом конструкции

ДСППТ. Не вдаваясь в технические детали, отметим, что различ-

ные печестроительные компании в силу сложившихся патентных

ограничений устанавливают следующие типы анодов:

• «токопроводящая подина», охлаждение воздушное («ABB

Industrie AG»);

• многостержневой металлический подовый электрод, охла-

ждение воздушное («MAN GHH/Nippon Kokan»);

• многопластичный металлический подовый электрод, ох-

лаждение

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 следую-

щим 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 распла-

ва;

• способность проводить электрический ток большой силы;

• надежная, устойчивая и безопасная эксплуатация;

• возможность контроля условий прохождения тока через

подовый

электрод;

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 117

• возможность непрерывного контроля тепловых условий

работы анода.

Очевидно, что конструкция некоторых элементов ДППТ, в

том числе и электрических, является в настоящее время предме-

том 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 эксплуата-

ции, наличия или отсутствия мощных электропитающих сетей,

обеспеченности металлошихтой различного вида (лом, твердый

или жидкий чугун, железо прямого восстановления и т.п.) и каче-

ства, 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 ограни-

чить риск, например, запрета эксплуатации агрегата орга-

нами по охране окружающей среды;

• изменение технологических режимов процесса плавки, ко-

торые влияют на выбросы,

должно быть минимальным;

• необходимо свести к минимуму любой риск потерь в про-

изводстве и появление дополнительных издержек;

• предпочтение необходимо отдавать тем технологиям, ко-

торые 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». За-

118 Металлургические мини-заводы

мена 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 величи-

на мощности короткого замыкания питающих электрических се-

тей. Поэтому на сегодняшний день ощутим существенный про-

гресс в электрической конструкции ДСП. Печи

оборудованы спе-

циальными электрическими устройствами, которые предназначе-

ны для снижения воздействия на питающие электросети [165].

Эти устройства можно разделить на две основные группы: позво-

ляющие компенсировать электрические помехи, вызванные тех-

нологическим процессом плавки, и улучшающие динамические

характеристики печного электрооборудования. Так, ДСП с высо-

ким электрическим сопротивлением вторичного контура позво-

ляет 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, дей-

ствующие на электроды, электрододержатели и гибкие электри-

ческие кабели, т.е. снижается риск пробоя их изоляции и умень-

шается механический износ. Работа

с пониженной величиной си-

лы тока дуги уменьшает расход электродов и электрические по-

тери. Известно, что колебание длины дуги вызывает перепады

величины силы тока, как в диапазоне низких частот, так и в диа-

пазоне высоких частот. Работа печи с длинной дугой и высоким

сопротивлением предпочтительна по причине меньших относи-

тельных колебаний

ее длины, а, следовательно, и перепадов ве-

личины силы тока [166].

Варианты конструктивного исполнения электропечей с

целью снижения энергозатрат. Наблюдающаяся в последние

годы жесточайшая конкуренция на рынке металлургической тех-

лава 2. Д

говая электропечь – агрегат для выплавки… 119

ники и технологии породила разнообразие коммерческих

названий процессов и плавильных агрегатов для мини-заводов.

Естественно, что все они отражают стремление дальнейшего по-

вышения 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.

А. Изменение геометрических параметров рабочего

пространства печи заключается в адаптации конструкции

агрегата к сложившимся устойчивым условиям работы, которые,

как правило, отличаются от типовых, и выражается в изменении

формы и размеров рабочего пространства. Такое направление

совершенствования конструкции дуговых печей позволяет

проводить технологический процесс более стабильно, а

отклонение его параметров от традиционных не оказывает

существенного влияния на качество получаемого полупродукта

технико-экономические показатели плавки .

120 Металлургические мини-заводы

Рис. 2.2. Основные направления совершенствования

конструкции дуговых печей