Дугові печі змінного та постійного струму

У всьому світі при будівництві металургійних міні-заводів, як правило, перевагу віддають дуговим електропечам трифазного змінного струму з високим повним електричним опором контуру, які працюють з вторинною напругою 1000 В (ДСП) і дуговим печам постійного струму (ДППТ) з одним катодом [45, 154 – 156]. У світі налічують близько 1200 дугових електропечей, їх близько 15% становлять ДППТ [155]. Як показує досвід промислової експлуатації, печі змінного та постійного струму створюються відповідно до єдиного принципу проектування та управління, тому технологія переплаву металошихти у цих печах та техніко-економічні показники плавки не мають принципових відмінностей в силу однакового принципу теплогенерації та перерозподілу тепла у робочому просторі.

Безперечно, деякі особливості застосування постійного струму для плавки стали позитивно впливають на технологічний процес. Так, наприклад, під впливом електродинамічних сил, що виникають при проходженні постійного струму через ванну рідкого металу відбувається досить ефективне її перемішування. Перемішування ванни прискорює плавлення, позитивно впливає на процеси окислення вуглецю, чад заліза та рафінування розплаву. Змінюючи положення катода, анода або використовуючи спеціальні засоби, можна регулювати характеристики руху металу та інтенсивність його перемішування [157]. З іншого боку, під час проходження постійного струму через провідник відсутня поверхневий ефект (скин-эффект), тобто. нерівномірний розподіл густини електричного струму за перерізом провідника. Така нерівномірність властива лише змінному струму, причому ступінь її зростає ззбільшенням площі перерізу провідника та його електропровідності, отже, провідники електричного струму (жорсткі шини, гнучкі кабелі, електроди) ДППТ можуть мати менший переріз за однакових теплових втрат порівняно з ДСП.

Разом з тим, коротка мережа ДППТ принаймні вдвічі довша за одну фазу ДСП, тому маса короткої мережі ДППТ зазвичай на 70-80 % вище. Наявність провідника, що з'єднує анод печі з трансформаторною підстанцією, визначає необхідність будівництва та обслуговування шинної галереї під ванною печі. Через введення в електричний ланцюг тиристорного або діодного перетворювача капітальні витрати на піч постійного струму збільшуються, і в цілому вартість ДППТ у півтора рази вища, ніж аналогічна ДСП.

Порівняльні дослідження властивостей електричної дуги постійного і змінного струму показали, що дуга постійного струму характеризується зниженим значенням градієнта потенціалу в стовпі, що забезпечення виділення необхідної потужності викликає необхідність збільшення її довжини до 0,8-1,0 м [158, 159]. В кінці плавлення шихти це призводить до зростання потоків випромінювання на стіни і склепіння печі та збільшення теплових втрат. Тому, незважаючи на більш високу, ніж у трифазних печах швидкість нагрівання та плавлення металу, дугова піч постійного струму не в змозі забезпечити суттєве підвищення продуктивності (табл. 2.2).

Таблиця 2.2. Показники роботи високопродуктивних ДСП № 1 Badiche Stahlwerke GmbH [160], ДСП № 2 Nucor Yamato Steel [147] та ДППТ «Peiner Trager GmbH» в 2000 році [84, 161]

Продовження табл. 2.2

Встановлено, що ККД дуги змінного та постійного струму в залежності від електричного та шлакового режимів змінюється в межах 0,55 – 0,85 та 0,40 – 0,75,відповідно, чим і пояснюється більша, у деяких випадках, питома витрата електроенергії в дугових печах постійного струму [159]. Крім того, при експлуатації дугової печі постійного струму необхідно вживати спеціальних заходів щодо запобігання відхилення дуги через явище магнітного «видування» дуги для попередження нерівномірності зносу футерування стін. З метою зниження витрати вогнетривів, використовують різні прийоми, наприклад: позацентрове розташування графітованого електрода, збільшення діаметра робочого простору печі та висоти стін тощо. [162, 163]. Дуга змінного струму, навпаки, через меншу довжину, при горінні в колодязях збільшує ймовірність експлуатаційних коротких замикань, але після закінчення плавлення шихти працює більш ефективно і легко піддається регулюванню.

На думку фахівців компанії «Danieli», концепцію постійного струму зазвичай вибирають з метою зменшення витрати графітованих електродів. Однак досвід показав, що одноелектродна дугова піч постійного струму має обмежену перевагу в порівнянні з дуговою піччю змінного струму з високим імпедансом. За розрахунками в одноелектродній ДППТ місткістю понад 80 т витрат електродів може бути навіть вищим, ніж у сучасній ДСП, внаслідок обмеженої провідності існуючих типорозмірів електродів [156]. Відомо, що у печах постійного струму місткістю понад 80 т застосовують графітовані електроди нестандартного діаметра – 700-800 мм [161]. У науковій літературі з'являється інформація, що одноелектродні печі вичерпали свої можливості за потужністю.

Як правило, у робочий простір ДСП вводять у півтора - двічі більше кисню, ніж у ДППТ (табл. 2.2). Це пояснюється тим, що останні мають обмеження вмісту кисню в розплаві та,як наслідок, інтенсивності вдування кисню у ванну через зниження стійкості подових електродів. Очевидно, підвищення концентрації кисню в розплаві викликає інтенсивне зародження бульбашок оксидів вуглецю на робочій поверхні подового електрода, при цьому їх вплив, що екранує, знижує електричну провідність подового електрода, що призводить до його перегріву.

Наявність подових електродів збільшує товщину і масу подини, ускладнює конструкцію, поточний ремонт і підвищує витрату подових вогнетривів, однак це компенсується зниженням витрати стінових вогнетривів. Тому прийнято вважати, що сумарна витрата вогнетривів для електропечей постійного струму нижча і становить у середньому близько 4 проти 6 кг/т великих трифазних печей [136].

Піонерами розробки ДППТ є компанії "АSЕА" (Швеція), "ВВС" і "GHH" (США), "CLECIM" (Франція), "Nippon Kokan", "Dai-Do" (Японія), "Voest-Alpine" ( Австрія), "Itaimpianti" (Італія) та ін.

Практично всі дугові печі постійного струму є одноелектродними та відрізняються між собою кількістю та конструктивним виконанням подового електрода (анода). Подовий електрод є ключовим елементом конструкції ДСППТ. Не вдаючись у технічні деталі, відзначимо, що різні печебудівні компанії в силу патентних обмежень, що склалися, встановлюють такі типи анодів:

"токопровідна подина", охолодження повітряне ("ABB Industrie AG");
багатострижневий металевий подовий електрод, повітряне охолодження («MAN GHH/Nippon Kokan»);
багатопластичний металевий подовий електрод, повітряне охолодження («Deutshe Voest Alpine Industrieanla-genbau»);
однострижневі металеві електроди, охолодження водяне («Clecim»).

особливихпереваг у якогось із наведених типів подових електродів не виявлено; гарантована стійкість їх зазвичай не перевищує 1000 плавок.

Спеціалісти компанії «Danieli» формулюють найважливіші вимоги до конструкції подового електрода наступним чином [156]:

довготривала компанія служби між ремонтами;
легке та швидке обслуговування;
швидкий запуск печі із холодного стану;
швидкий запуск печі із гарячого стану після огляду подини;
стійкість при інтенсивному кисневому продуванні розплаву;
здатність проводити електричний струм великої сили;
надійна, стійка та безпечна експлуатація;
можливість контролю умов проходження струму через подовий електрод;
можливість безперервного контролю за тепловими умовами роботи анода.

Вочевидь, що конструкція деяких елементів ДППТ, зокрема й електричних, є у час предметом дискусій і у стадії вдосконалення [165].

Визначити явну перевагу того чи іншого типу печі в даний час неможливо. Виробники стали самі вибирають тип печі виходячи з умов їх експлуатації, наявності або відсутності потужних електроживильних мереж, забезпеченості металошихою різного виду (брухт, твердий або рідкий чавун, залізо прямого відновлення тощо) та якості, забезпеченості паливом, киснем та інших факторів .

Наприклад, німецька акціонерна компанія Badische Stahlwerke GmbH перед встановленням нової електропечі провела власні дослідження, на підставі яких обрала традиційне технічне рішення, оскільки вважає, що:

у розпорядженні поки що немає нових технологій з очевидними суттєвимиперевагами;
застосування традиційної технології дозволяє обмежити ризик, наприклад, заборони експлуатації агрегату органами охорони навколишнього середовища;
зміна технологічних режимів процесу плавки, що впливають на викиди, має бути мінімальною;
необхідно звести до мінімуму будь-який ризик втрат у виробництві та поява додаткових витрат;
перевагу необхідно надавати тим технологіям, які вже освоєні персоналом заводу.

Одним з істотних факторів обмеження потужності пічного трансформатора електропечі, найчастіше є величина потужності короткого замикання електричних мереж, що живлять. Тому на сьогоднішній день відчутний суттєвий прогрес в електричній конструкції ДСП. Печі обладнані спеціальними електричними пристроями, які призначені для зниження впливу на електромережі, що живлять [165]. Ці пристрої можна розділити на дві основні групи: що дозволяють компенсувати електричні перешкоди, спричинені технологічним процесом плавки, та покращують динамічні характеристики пічного електроустаткування. Так, ДСП із високим електричним опором вторинного контуру дозволяє вводити у робочий простір більшу кількість тепла за рахунок стабілізації горіння дуги. При постійної потужності трансформатора підвищення напруги дуги дозволяє знизити величину сили струму, отже електродинамічні сили, які діють електроди, електродотримачі і гнучкі електричні кабелі, тобто. знижується ризик пробою їхньої ізоляції та зменшується механічне зношування. Робота зі зниженою величиною сили струму дуги зменшує витрати електродів та електричні втрати. Відомо, що коливання довжини дуги викликає перепади величини сили струму як у діапазоні низьких частот, так і в діапазонівисоких частот. Робота печі з довгою дугою і високим опором краща через менші відносні коливання її довжини, а, отже, і перепадів величини сили струму [166].