Дуговая сталеплавильная печь

Основное назначение дуговой печи прямого действия (2.73) – выплавка стали в слитки для последующего передела в прокатных цехах, а также для фасонного литья на машиностроительных заводах; получение металлургического сырья, химических продуктов.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) состоит из стального кожуха, имеющего цилиндрическую, расширяющуюся или ступенчатую форму 1. Внутри кожуха располагается огнеупорная футеровка 2. Поверх футерованного кожуха печи расположен свод печи 3, через который пропущены электроды 4. Для зажигания дуги электроды вначале опускаются до соприкосновения с расплавляемым материалом, а затем немного поднимаются до возбуждения дуги 6. В процессе плавки электроды перемещаются с помощью механизма подъема электродов 5. Каждая печь имеет рабочие окна и сливное отверстие. Через рабочее окно производится загрузка печи, а через сливное отверстие – ее выгрузка. Иногда печь загружается сверху при снятом или отодвинутом своде. Слив готового металла производится путем наклона печи.

Рис. 2.73. Схема дуговой сталеплавильной печи

Для выравнивания химического состава и температуры расплавляемого металла в печах большой емкости имеются электромагнитные устройства для перемешивания расплава.

Электродуговая печная установка снабжена механизмами наклона печи для слива металла, подъема и отворота свода, перемещения электродов. Они могут иметь электромеханический или гидравлический привод. Электроды крепятся в специальных электрододержателях, которые связаны с механизмом перемещения электродов. Ток подводится к электрододержателю с помощью пакета медных шин или водоохлаждаемых труб.

В качестве примера существующих промышленных дуговых сталеплавильных печей для рис. (2.74.) показана схема печи ДСП-200 МО1.

Рис. 2.74. Дуговая сталеплавильная печь ДСП-200 М 01:

1 – рабочее окно; 2 – механизм перемещения электрода; 3 – колонна электродержателя; 4 – сливной носок; 5 – фундаментная балка; 6 – кожух; 7 – свод; 8 – электрод; 9 –кабельная гирлянда; 10 – механизм подъёма свода; 11 – люлька; 12 – привод наклона.

Процесс выплавки электростали в дуговой печи состоит из следующих операций: расплавление скрапа, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление металла, введение в него нужных легирующих компонентов, рафинирование, выливание металла в ковш для последующей разливки.

Под действием развивающейся в опорном пятне дуги температуры скрап расплавляется и жидкий металл стекает в подину. В шихте образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся электроды до тех пор, пока они не достигнут поверхности расплавленного металла на подине печи.

Расплавление скрапа и шихты приводит к повышению уровня расплавленного металла и для предотвращения короткого замыкания электроды поднимаются. Характерной особенностью периода расплавления является неспокойный режим горения дуги. Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, длина ее меняется в широких пределах при обвалах и перемещениях скрапа (от короткого замыкания до обрыва дуги). Длительность периода расплавления зачастую составляет более половины всего процесса и при этом расходуется 60–80 % всей электроэнергии. Период расплавления считается законченным, когда весь металл в ванне печи перешел в жидкое состояние.

Удаление примесей происходит следующим образом. Вследствие сравнительно низкой температуры ванны в ней интенсивно идут эндотермические реакции окисления железа, кремния, марганца и фосфора. Оксиды всплывают и образуют на поверхности расплава вместе с вводимой известью слой шлака, который имеет в своем составе легкоионизирующиеся компоненты (более низкая работа выхода электрона) по сравнению с расплавленным металлом, поэтому, несмотря на значительное удлинение, дуга здесь горит устойчиво. В шлаке оксиды кремния соединяются с закисью железа и марганца, образуя соответствующие силикаты. Для интенсификации этих процессов в ванну добавляют железную руду или вдувают кислород. При этом углерод металла восстанавливает руду. Образующийся оксид углерода пузырьками всплывает – происходит так называемое «кипение», или «кип», ванны. Важной стадией процесса является рафинирование металла.

В конце периода расплавления для окончательного доведения состава металла до требуемого в него вводят легирующие добавки и приступают к разливке. Плавка в крупных печах длится 4–6 ч: из них 1,5–2,5 ч длится расплавление и 2–4 ч – окисление и рафинирование металла. В зависимости от вида скрапа, шихты, состава футеровки, применения легирующих компонентов режимы работы печи и стадии технологического процесса могут быть различными. Поэтому к конструкции дуговой печи, ее элементам и схеме электроснабжения предъявляют особые требования.

1. Возможность гибкого управления мощностью, поскольку в начальный период необходима максимальная мощность, чтобы ускорить

процесс расплавления. В другие периоды нужно иметь возможность изменять мощность для управления температурами металла и шлака.

2. Поддержание в печи восстановительной атмосферы.

3. Быстрая реакция электрооборудования печи на частые короткие замыкания и обрывы дуги в период расплавления, возможность ограничивать ток короткого замыкания до безопасных значений, ликвидировать все отступления от нормального электрического режима в кратчайшее время. Нарушение нормального режима происходит, как правило, по фазам. Поэтому каждый электрод печи должен быть оснащен механизмами подъема и опускания с автоматическим регулированием.

Дуговые сталеплавильные печи являются трехфазными и имеют подину из непроводящего материала. Ванна с металлом в такой печи образует естественную нулевую точку трехфазной цепи, и печь оказывается включенной по трехпроводной системе трехфазного тока без нулевого провода.

Электроды в дуговых печах служат для ввода электроэнергии в зону ее потребления, для расплавления шихты и получения необходимых материалов. Электроды подразделяют на нерасходуемые и расходуемые. Основные требования, предъявляемые к ним: достаточная механическая прочность, способность выдерживать высокие температуры, низкое активное сопротивление. В дуговых печах применяются непрерывно наращиваемые графитизированные электроды. Они имеют круглое сечение и обработанные торцы, по оси которых имеются отверстия с резьбой. В отверстия ввинчены ниппели, выполненные из материала электрода, до половины своей длины. На выступающую из торца электрода половину ниппеля навинчен следующий электрод и т. д. Таким способом изготавливается электродная свеча, состоящая из нескольких электродов.

В зависимости от диаметра электроды изготавливают длиной 1000–1800 мм. По мере обгорания в печи нижней части свечи электродов она опускается вниз с помощью механизмов перемещения. Когда электрододержатель подходит к своду печи, производится наращивание и перепуск электродов.

Графитизированные электроды изготавливают из искусственного электрографита в специальных электрических печах. Несмотря на то, что они дороже угольных, в современных печах в подавляющем большинстве применяются графитизированные электроды. Основное их достоинство – меньшее удельное сопротивление.

Иногда применяемые графитоугольные электроды диаметром 100–1200 мм изготавливают из антрацита, термоантрацита (прокаленого антрацита), нефтяного кокса, каменноугольного пека и смолы в специальных печах путем обжига заготовок без доступа кислорода при температуре до 1600 К.

В нашей стране в эксплуатации находятся дуговые печи для выплавки стали емкостью до 200 т, питаемые от трансформаторов мощностью до 80 MB⋅A.

При повышении мощности печи значительно снижается расход энергии на выплавку 1 т металла, что определяет тенденцию укрупнения печных установок.

Электрооборудование дуговых печных установок.

Электродуговая печь представляет собой мощный энергопотребитель, относящийся ко второй категории по надежности электроснабжения. Электрооборудование и схемы электроснабжения ДСП имеют ряд особенностей.

Основное электрооборудование дуговых печных установок (рис. 2.75.) включает печь с электродами и ванной, в которой горят дуги и находится перерабатываемый материал; отдельный для каждой печи понизительный трансформатор, вместе с которым часто размещены дроссели; короткую сеть, соединяющую вторичные выводы трансформатора с электродами печи; коммутационную, измерительную и

защитную аппаратуру.

В печных установках применяются трансформаторы и дроссели, изготовленные в виде отдельных аппаратов, а также трансформаторы со встроенными дросселями.

В дуговых электропечных установках различают главную и вспомогательные цепи тока (рис. 2.75.).

Главная цепь тока включает основное электрооборудование и электрические дуги печи. К вспомогательным относятся цепи управления, измерения и защиты, автоматики и т. п.

В главной цепи различают первичную и вторичную стороны. Первичная цепь состоит из последовательно соединенных проводов и аппаратов высокого напряжения, дросселя и первичной обмотки печного трансформатора. Вторичная цепь состоит из последовательно соединенных вторичной обмотки трансформатора, токопроводов короткой сети, электродов и электрических дуг. Все части цепи, расположенные вне печи, получили общее название подводящей сети.

Короткой сетью называют токопровод от выводов вторичной стороны трансформаторов до электродов дуговой печи.

По короткой сети идут очень большие токи (до 100 кА и выше), поэтому токопроводы короткой сети имеют большое сечение и выполнены в виде пакетов медных лент, медных шин или водоохлаждаемых труб.

Короткая сеть состоит из участков жесткозакрепленных шинопроводов и гибких проводов, соединяющих концы шинопроводов с передвигающимися во время работы печи электродами.

Рис. 2.75. Схема электропечной установки:

1, 6 – выключатели; 2 – высоковольтные шины; 3 – разъединитель;

4 – высоковольтная сеть; 5 – реактор; 7 – печной трансформатор;

8 – короткая сеть; 9 – электроды; 10 – электродуговая печь

Подвод питающей линии высокого напряжения от ввода производится через разъединители и выключатели высокого напряжения, установленные вместе с защитными аппаратами в распределительном устройстве электропечной установки.

Электроснабжение трансформаторов печной подстанции производится от сети 6,10–35 кВ, а для мощных подстанций – 110 кВ. Присоединение измерительных и защитных приборов к проводам высокого напряжения производится через трансформаторы тока и напряжения.

Для поддержания наивыгоднейшего режима печи устанавливаются автоматические регуляторы мощности печи. Такие регуляторы воздействуют на механизм передвижения электродов, изменяют длину дуги и поддерживают заданное значение мощности дуговой печи. Для повышения точности регулирования в системы управления вводятся вычислительные машины.

Печные трансформаторы предназначены для питания электродуговых печей. Для печей небольшой и средней мощности трансформаторы выполняют трехфазными. Для печей большой мощности применяются группы однофазных трансформаторов, которые позволяют получить повышенный коэффициент мощности за счет более рациональной конструкции короткой сети и регулировать независимо мощности и напряжения каждой фазы. Печные трансформаторы имеют следующие особенности:

1) высокое значение номинального тока на стороне низкого напряжения (до десятков и сотен килоампер);

2) большой коэффициент трансформации (напряжение с 6, 10, 35, 110 кВ трансформируется до нескольких сотен вольт);

3) число ступеней напряжения и диапазон его регулирования гораздо больше, чем у силовых трансформаторов (напряжение регулируется примерно на 500 % при числе ступеней до 40 и более);

4) трансформаторы обладают высокой стойкостью против эксплуатационных коротких замыканий с кратностью тока (2,5 − 3) I_ном, имеют высокую механическую прочность.

Мощные печные трансформаторы оборудованы установками принудительного охлаждения с искусственной циркуляцией масла через теплообменник. Они снабжены регуляторами напряжения под нагрузкой, производящими 100–160 переключений в сутки.

Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются по схеме «треугольник–треугольник» с возможностью переключения по схеме

«треугольник–звезда», что позволяет регулировать вторичное напряжение.

Регулирование режимов работы печи и ее электрических характеристик осуществляется изменением напряжения за счет изменения числа включенных в сеть витков первичной обмотки трансформаторов с помощью переключателя ступеней.

Переключение ступеней напряжения печных трансформаторов малой и средней мощности осуществляется при снятой нагрузке. Для этого переключатель снабжают блокировкой с главным высоковольтным выключателем. В трансформаторах большой мощности переключение осуществляется под нагрузкой специальным переключателем, установленным на крышке трансформатора. Трансформаторный агрегат включает в себя регулирующий автотрансформатор с обмотками грубой и тонкой регулировки и главный трансформатор с первичной и вторичной обмотками. На первичную обмотку главного трансформатора напряжение сети подается на первой ступени полное, а на остальных ступенях – его определенная доля, которая зависит от положения контактов избирателя переключающего устройства.

Разъединители в схемах электроснабжения дуговых печных установок служат для создания видимого разрыва силовой цепи электропечи. Коммутация цепи разъединителем осуществляется только при отключенном высоковольтном выключателе.

Высоковольтные выключатели совместно с аппаратурой защиты предохраняют печь от токов короткого замыкания и осуществляют оперативное отключение и выключение печи. В существующих печах применяются масляные многообъемные и воздушные выключатели. Для печных установок напряжением 6 или 10 кВ используются выключатели типа ВМБ-10; для установок напряжением 35 кВ – масляные выключатели типа ВМД-35-600. В последнее время при напряжениях 35 и 110 кВ все чаще применяются воздушные и вакуумные выключатели.

Предусмотрено аварийное отключение печного трансформатора, которое срабатывает при недопустимых токах в первичной обмотке

трансформатора, а также при поступлении сигнала от газовой защиты трансформатора или переключателя напряжения.

Дроссель, или реактор, служит для ограничения бросков тока при эксплуатационных коротких замыканиях и стабилизации горения дуг за счет создания падающей характеристики цепи питания. У работающих непрерывно дуговых печей режим работы дросселя прерывистый, условия его работы тяжелые, поэтому он должен удовлетворять повышенным требованиям термической и механической прочности.

Дроссель включается между сетью и линейными зажимами обмотки высокого напряжения трансформатора или в «фазу» – последовательно с данной обмоткой. Чаще всего дроссель располагают в общем кожухе с печным трансформатором.

Короткая сеть дуговых печей служит для передачи электрической энергии от вторичной обмотки трансформатора в рабочее пространство печи. Несмотря на небольшую длину короткой сети, ее активное и особенно индуктивное сопротивление является одним из определяющих составных частей общего сопротивления участков печной установки. Они оказывают существенное влияние на энергетические показатели работы печи: мощность, коэффициент мощности, энергетический КПД и т. д.

Короткая сеть должна иметь минимальную длину и наиболее рациональное расположение проводников для снижения индуктивности, равномерной загрузки фаз и проводников в фазах током (рис. 2.76, а–г).

В короткой сети выделяются четыре основных участка: шинные

пакеты (от выходов низкого напряжения печного трансформатора до неподвижных башмаков), гибкая часть (участок гибких кабелей), трубошины (от подвижных башмаков до головок электрододержателя), электроды.

Рис. 2.76. Схемы соединения вторичных токопроводов ДСП

В печных дуговых установках необходимы защиты от токов перегрузки и аварийного короткого замыкания. Защиту от перегрузок обычно обеспечивают на стороне низкого напряжения с помощью максимальных реле с зависимой выдержкой времени. Защита от токов аварийного короткого замыкания осуществляется с помощью максимальных реле мгновенного действия на стороне высокого напряжения.

Установку мгновенных реле выбирают так, чтобы они не реагировали на токи эксплуатационных коротких замыканий (2−2,5) I_н, поэтому установку защиты выбирают равной 5I_н . Защита от перегрузки имеет выдержку времени 5–10 с, т. е. включает значительное время работы автоматики, ликвидирующей аварийный режим.

Рабочие режимы и характеристики электродуговых печей.

Дуговая сталеплавильная печь работает, как правило, круглосуточно с остановками на ремонт и профилактический осмотр. Цикличность работы определяется чередованием плавок с отключением печи

для слива металла, заправки и загрузки. Большая единичная мощность печных агрегатов определяет большие расходы электрической энергии, поэтому перед энергетической службой промышленных предприятий и технологами стоят задачи выбора рационального режима работы печи, обеспечивающего, с одной стороны, высокую производительность, а с другой – минимальный расход электроэнергии.

Поскольку лучшие значения этих показателей зачастую не совпадают, установление оптимальных условий эксплуатации дуговой печи основывается на анализе энергетических характеристик. Электрические режимы работы печей характеризуются определенными значениями токов, напряжений, сопротивлений и мощностей. При изменениях длин дуг и их сопротивлений происходят изменения напряжения, причем эти изменения колеблются от нуля до максимума.

В зависимости от силы тока в печи различают следующие режимы работы: режим холостого хода (дуги не горят, I = 0); нормальный режим (I = I_н ); режим эксплуатационного замыкания (I = I_к).

По периодичности и времени нагрузки принято различать непрерывный режим и режим с нагрузкой, изменяющейся в течение плавки. Производительность печи и расход электроэнергии зависят от мощности дуг, потерь электроэнергии и связаны с рабочим током.

Наиболее полную картину изменения энергетических параметров установки с изменением режима работы печи можно получить при рассмотрении рабочих и электрических характеристик.

Рабочими энергетическими характеристиками печи принято считать зависимость от тока полной активной мощности установки Р; мощности дуги Р_д; электрических потерь Р_э; тепловых потерь P_т; электрического КПД η_э; коэффициента мощности cosϕ; расхода электроэнергии на плавку N; производительности g; продолжительности плавки τ.

Теоретические расчеты параметров дуговых установок производят на основании их схем замещения. В расчетах отдельные элементы электрической цепи заменены активными и индуктивными сопротивлениями, подобранными таким образом, что при одинаковых напряжениях потребляемые токи и мощности схемы замещения и реальной цепи равны.

В схемах замещения электрические дуги заменяют активными сопротивлениями.

Короткая сеть и электроды в схеме замещения представлены активным r и индуктивным х сопротивлениями. Сопротивления проводов цепи высокого напряжения, намагничивающие токи трансформатора и потери холостого хода ввиду их малости не учитываются, печной трансформатор заменяется совокупностью активных и индуктивных сопротивлений.

Схема замещения представлена на рис. 2.77, а.

Рис. 2.77. Схема замещения дуговой сталеплавильной печи:

r_т2 , х_т2 – активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки

трансформатора; r_кс, х_кс – сопротивление короткой сети; R – сопротивление

электрической дуги; r'_р , х'_р – приведенные сопротивления реактора;

r¢_т , x¢_т – приведенные сопротивления первичной обмотки трансформатора;

U_ф – фазное напряжение сети; U_д – напряжение на дуге .

Приведенные сопротивления в схеме замещения рассчитывают следующим образом. Активное сопротивление первичной обмотки однофазного трансформатора определяют из условия равенства потерь мощности в действительной и приведенной по вторичной стороне цепи:

, (70)

откуда

, (71)

так как I₂/ I₁= k .

Таким образом, чтобы получить r'₁ , необходимо изменить сопротивление r₁ обратно пропорционально квадрату коэффициента

трансформации k.

Индуктивное сопротивление первичной обмотки однофазного

трансформатора прямо пропорционально квадрату числа витков обмотки. При постоянной магнитной проницаемости с увеличением числа витков обмотки в k раз магнитный поток также увеличивается в k раз и, следовательно,

х'₁ = (W2 /W1)² x₁ = 1/ (k ²x₁), (72)

т. е. для получения х'₁ необходимо х₁ изменить так же, как r₁, т. е. обратно пропорционально квадрату коэффициента трансформации.

Сопротивление обмотки реактора, приведенное ко вторичной стороне:

r'_p = r_p /k² ; х'_p = х_p /k ² , (73)

При расчете сопротивлений в трехфазных цепях необходимо учитывать группы соединений трехфазных трансформаторов.

Полное сопротивление цепи определяется из упрощенной схемы (рис. 2.77, б), полученной после соответствующих преобразований полной схемы.

Приведенный ко вторичной обмотке ток короткого замыкания х (R_д= 0):

I₂ = U_2ф /,

Мощность потерь в трех фазах:

, (74)

Полезная мощность печи при прохождении тока дуги I₂:

P_пол = 3 R_д = 3U_дI₂. (75)

Полная мощность цепи:

Р= P_пол+Р_тп=3 (Rд + r) , (76)

Электрический КПД:

η_э = Р_пол / Р, (77)

Кажущаяся мощность цепи S = 3U₂I₂ и коэффициент мощности

cosφ=P/S.

Рабочие характеристики дуговых печей определяют опытным путем при непосредственной нагрузке печи, аналитическим расчетом по формулам, графически по круговым диаграммам.

Аналитический расчет электрических характеристик и рабочих режимов печи производят следующим образом.

Потребляемая активная мощность Р складывается из активной мощности дуг и активных потерь в подводящей сети:

P = P_д + P_м,

где Р_д = I²R_д; Р_м = I²r (I – полный ток цепи):

I = U_ф / , (78)

где R_д – активное сопротивление дуги, Ом; х – индуктивное сопротивление подводящей сети, Ом.

Напряжение на дуге:

U _д = , (79)

где U_ф – фазное напряжение питающей сети.

Электрический КПД установки:

η_э = Р_д / Р = R_д /(R_д +r) =Uд / [I(R_д +r)] , (80)

Коэффициент мощности установки:

, (81)

Ток короткого замыкания установки

I_к = U_ф / , (82)

По этим формулам определяют параметры, необходимые для построения электрических характеристик печи, при значениях тока от нуля до тока короткого замыкания.

Технологические показатели определяют следующим образом.

Удельный расход электроэнергии:

N₁ = P / g ,

где g – часовая производительность печи:

g = P_пол / N₁ = (P_д + P_тп ) / N₁ , (83)

где Р_тп – мощность тепловых потерь; N₁ – теоретическое количество электроэнергии, необходимое для расплавления 1 т стали.

Полный КПД:

η = η_эη_т = N₁ / N , (84)

где N – действительное количество электроэнергии, необходимое для расплавления 1 т стали.

Электрические характеристики печи и ее технологические показатели приведены на рис. 2.78., из которого следует, что потери в подводящей сети растут пропорционально квадрату тока, а с ростом тока уменьшаются электрический КПД печи и коэффициент мощности. Мощность дуги Р_д и полная активная мощность печи Р_акт увеличиваются до максимума и затем снижаются. Удельный расход электроэнергии N имеет минимум при токе I' . Этому же значению тока соответствует максимум полного КПД печи. Ток I' определяет режим минимального удельного расхода электроэнергии. Ток I'' соответствует максимальной мощности дуг и минимальному времени расплавления. Он же определяет режим максимальной производительности. Значения токов I' и I'' неравны: обычно I'' > I' .

Оптимальный энергетический режим работы печи устанавливается при токе, меньшем, чем режим максимальной производительности. Таким образом, если предприятие работает в условиях дефицита электроэнергии, решающим является оптимальный энергетический режим, характерный для тока I₁. Если необходима максимальная производительность, то работают при токе I₃.

На основании этого определяют ступени напряжения и установки токов в различные периоды плавки, что обеспечивает высокие технико-экономические показатели работы печи.

Рис. 2.78. Электрические и рабочие характеристики печи

Так, для сверхмощной стотонной печи ДСП-100 И6 рекомендуется следующий энергетический режим:

1. Проплавление колодцев в шихте до удельного расхода

N=65 тВкч/т при токе дуги 57 кА, составляющем 51 % тока короткого замыкания.

2. Плавление основной массы шихты до удельного расхода энергии N = 280−310 кВт ⋅ ч/т при токе 62 кА на второй ступени трансформатора.

3. Подвалка шихты. Проплавление колодцев на режиме по п. 1, затем переход на вторую ступень напряжения и работа на токах 62 кА, до израсходования 300−320 кВт ⋅ ч/т для общей массы шихты, находящейся в печи.

4. Переход на третью ступень напряжения и ток в дугах 65 кА до израсходования 380 кВт⋅ч/т , далее до полного расплавления ванны работа на токе 62 кА.

5. После того как израсходовано 385−400 кВт ⋅ ч/т или после окончания режима расплавления шихты, в печь вводят удельную мощность (кВт⋅ч/т ):

Р =100 + (10 −13)dT / dτ, (85)

где dT / dτ – желаемая или нормированная скорость нагрева ванны жидкого металла для конкретной марки стали, K/мин.

Ток в дугах в этот период поддерживается на уровне 69–72 % тока короткого замыкания соответствующей ступени напряжения.

Себестоимость расплавления 1 т металла:

Ц = А + В / g + cN , (86)

где А – величина, не зависящая от тока (стоимость шихты, флюсов и др.); В – величина, зависящая от производительности (зарплата и т. д.);
с – величина, зависящая от тока.

Ток I_ц, при котором себестоимость плавления минимальна, больше, чем I₁ , но меньше, чем I₃ .

Таким образом, рабочие характеристики дуговой печи позволяют проанализировать ее работу, определить оптимальный режим и сделать выводы о правильности эксплуатации применяемого для ее питания электрического оборудования.