Дуговые сталеплавильные печи

В дуговых сталеплавильных печах (ДСП) используется дуговой разряд в газе. В печах прямого нагрева дуга горит между электродами и металлом, а в печах с независимой дугой дуга горит между электродами и нагрев металла осуществляется косвенным путем. Существуют также печи с закрытой дугой, в которых дуга горит в материале – руднотермические печи.

Дуга может быть постоянного тока или многофазного переменного тока; в последнем случае не требуется преобразователь напряжения, но усложняются проблемы стабилизации дуги. Тем не менее, в современных печах используются системы с питанием от переменного напряжения.

Пока напряжение на электродах не достигнет напряжения зажигания Uз, ток в цепи протекать не будет. Для угольных электродов Uз=45 – 55 В, для стальных Uз=30 – 35 В. С момента зажигания дуги в цепи появится ток. При увеличении тока усиливается ионизация и сопротивление дуги падает. При этом напряжение дуги уменьшается и на вольтамперной характеристике дуги появляется горизонтальный участок. Нелинейность характеристики приводит к мощным потокам высших гармоник, что снижает энергетические показатели установки и вызывает радиопомехи. Условие непрерывного горения дуги заключается в том, чтобы при переходе тока через нуль напряжение источника питания было больше Uз:

Это условие выдерживается, если а

Для стабилизации дуги переменного тока в цепь включают индуктивность – реактор. При мощности трансформатора питания свыше 10 МВ×А, а также при работе печи на жидкой завалке искусственного увеличения индуктивности не требуется.

Напряжение мощной дуги слабо зависит от тока дуги, но сильно зависит от ее длины. С увеличением длины дуги ток дуги снижается, а напряжение дуги растет. Тем самым можно регулировать режим ДСП путем изменения длины дуги в результате передвижения электрода.

Зажигание дуги в дуговых печах чаще всего осуществляют путем сближения подвижного электрода до контакта с метал­лом. При последующем размыкании этого контакта создаются условия для эмиссии.

Цикл работы дуговой сталеплавильной печи делят на три периода:

1) энергетический, в течение которого осуществляется на­грев шихты и плавление металла;

2) технологический, состоящий в свою очередь из окисли­тельного и восстановительного периодов;

3) вспомогательный, в течение которого происходят выпуск готового металла, очистка и загрузка печи.

В энергетический период печь потребляет наибольшую мощ­ность, необходимую для прогрева шихты и для покрытия скры­той теплоты ее плавления. Длительность этого периода состав­ляет 50—60 % общей длительности процесса плавки, а расход электроэнергии равен 60—80 % энергии, потребляемой на всю плавку. Под электродами в шихте образуются колодцы, в кото­рые опускаются электроды. Обвал стенок этих колодцев приво­дит к коротким замыканиям. Число коротких замыканий за период расплавления достигает 100 и более. Каждое короткое замыкание приводит к резкому уменьшению или прекращению полезного выделения мощности при максимальных потерях. Допустимая длительность одного короткого замыкания состав­ляет 2—8 с.

Сдвиг подплавленных кусков шихты может вызвать обрыв дуги, что является наиболее тяжелым случаем, так как при этом электрод должен опуститься вниз до короткого замыкания, остановиться и вновь подняться. Режим горения дуг в период расплавления крайне нестабилен; мощность дуги резко колеб­лется.

В окислительный период происходит обезуглероживание металла, удаление серы и фосфора. Металл энергично кипит. Потребляемая мощность идет на восполнение тепловых потерь. Длина дуги увеличивается, а потребляемая мощность уменьшается и составляет не более 60 % от номинальной. В этот период возможны короткие замыкания электродов кипящим металлом, так как электроды близки к металлу.

В восстановительный период происходит раскисление, окончательное удаление серы и легирование металла. Потребляемая мощность не более 50 % от номинальной.

Таким образом, по ходу плавки мощность печи должна изменяться в широком диапазоне. Схема электроснабжения должна обеспечивать широкое и плавное регулирование напряжения с целью регулирования мощности по периодам плави от Smin до Sном. Отношение Sном/Smin называется глубиной регулирования мощности, оно колеблется от 3 до 10. На рис. 8.1 представлена схема дуговой электропечи. Питание печи осуществляется от специальной подстанции напряжением 6 – 35 кВ при мощности печи до 50 МВ×А и напряжением 110 и 220 кВ при мощности свыше 50 МВ×А.

Рис. 8.1. Электрическая схема дуговой печи.

Разъединитель Р служит для создания видимого разрыва силовой цепи. Выключатель мощности ВВ1 совместно с аппаратурой защиты предохраняет печь от опасных коротких замыканий, осуществляет оперативные включения и выключения печи под нагрузкой. Реактор РР ограничивает броски тока при кратковременных эксплуатационных коротких замыканиях и стабилизирует горение дуги. После окончания плавки его шунтируют выключателем ВВ2. При мощности печи свыше 50 МВ×А реактора может не быть: роль его играют индуктивности цепи, в первую очередь – силового трансформатора.

Печной трансформатор ТП служит для понижения напряжения и регулирования его величины. С помощью выключателей ВВ3, ВВ4; первичная обмотка может переключаться со звезды на треугольник. Вторичная обмотка ТП через короткую сеть соединена с электродами печи. Глубина регулирования напряжения от 2 до 4. Регулирование напряжения осуществляется переключением обмотки со звезды на треугольник и обратно (грубое регулирование), а также переключением числа витков первичной обмотки (точное регулирование).

На первичной стороне трансформатора установлены максимальные реле, воздействующие на главный выключатель ВВ1 через реле времени. Уставка реле времени изменяется в зависимости от режима работы печи, поэтому рабочие кратковременные короткие замыкания не вызывают отключение печи.

Здесь же установлены контрольно-измерительные приборы: вольтметры, амперметры, счетчики энергии, фазометры и т. п.

На вторичной стороне трансформатора ТП установлены трансформаторы тока ТТ2, к которым подключены амперметры, реле максимального тока, автоматические регуляторы. Аппарат управления, контроля и защиты АУКЗ подключен к системе через измерительные трансформаторы тока ТТ1, ТТ2 и напряжения ТН.

Силовой печной трансформатор конструируют с учетом больших рабочих токов и возможных коротких замыканий в нагрузке. Трансформатор обладает высокой электрической и механической перегрузочной способностью. Используется искусственное дутьевое или водяное охлаждение.

Система проводников, передающих ток к рабочей зоне печи, называется короткой сетью. По этой сети проходит ток в десятки и сотни тысяч ампер. Потери мощности в короткой сети составляют 70 – 80 % всех электрических потерь в печи. Основные требования к вторичному токопроводу: минимальная длина, строго симметричное расположение (транспозиция) проводников фаз, малые потери при разумных капитальных затратах. Несимметрия геометрии фаз короткой сети приводит к неравномерному распределению мощности по фазам (появляются «резкие» и «мертвые» фазы). Чем больше мощность печи, тем больше электромагнитная несимметрия ее короткой сети. На рис. 8.2 показаны варианты схем коротких сетей. В мощных печах гибкую часть короткой сети выполняют водо-охлаждаемым кабелем.

Рис. 8.2. Схемы коротких сетей.

Все промышленные дуговые сталеплавильные печи оборудуют автоматическими регуляторами. Применение регуляторов позволяет сократить продолжительность плавки, повысить производительность печи, снизить удельный расход электроэнергии, уменьшить науглероживание металла и повысить его качество, уменьшить колебания мощности при плавке, улучшить условия труда и т.д.

Качество выплавляемого металла зависит от подводимой мощности и распределения теплового потока в ванне печи. Мощность теплового потока, а следовательно, и температура в ванне определяются электрической мощностью печи и ее КПД. Регулирование температуры в ванне можно осуществить изменением величины подводимой активности мощности. Регулирование активной мощности можно выполнить изменением напряжения силового печного трансформатора. Перемещение электрода изменяет длину дуги, величину тока и активную мощность.

Поскольку основной задачей регулятора электрического ре­жима является поддержание заданной активной мощности дуги, то принципиально возможно строить регуляторы, поддержи­вающие постоянным один из следующих параметров: силу тока дуги I_д; напряжение дуги u_д; отношение напряжения к току дуги или ее сопротивление z_д=u_д/I_д, а также активную мощ­ность дуги Р_д.

Наилучшим параметром регулирования оказалась разность сигналов тока и напряжения дуги

,

где а и b — постоянные коэффициенты, зависящие от коэффи­циентов трансформации измерительных трансформаторов тока и напряжения и регулировочных сопротивлений (величины а и b изменяют вручную при настройке); Z_Д - текущее значение полного сопротивления дуги.

Таким образом, регулятор в данном случае реагирует на от­клонение полного сопротивления фазы DZ_Д от заданного значе­ния. Использование этого параметра позволяет легко зажигать дугу, поддерживать на заданном уровне мощность, выделяе­мую в ванне печи, свести к минимуму взаимное влияние фаз и влияние колебаний питающего напряжения. Регулятор, пара­метром регулирования которого является разность сигналов тока и напряжения дуги, называется дифференциальным.

Основными функциями автоматического регулятора дуговой сталеплавильной печи являются: поддержание активной мощно­сти дуги на определенном уровне в соответствии с заданной программой и возможно более быстрая ликвидация всех нару­шений режима, вызванных происходящими в ванне процессами, в частности, подъем с максимальной скоростью электрода при коротких замыканиях, быстрое опускание электрода и зажига­ние дуги при ее обрыве и др.

К регулятору мощности предъявляются следующие основные требования:

- Высокая чувствительность.

- Высокое быстродействие, обеспечивающее устранение коротких замыканий (подъемом электрода) или обрывов дуги (опусканием электрода). Это исключает или резко уменьшает число срабатываний главного автомата и снижает науглероживание металла углеродом электрода.

- Автономность регулирования каждой фазы.

- Автоматическое зажигание дуги в начале плавки и после ее обрыва.

Наибольшее применение находят электромеханические приводы электродов с двигателем постоянного тока независимого возбуждения с тиристорным регулятором – рис. 8.3. Такие схемы могут применяться на любых печах емкостью до 200 т. Мощность двигателя 11 кВт, скорость перемещения электродов при реечной подвеске 5 м/мин и при троссовой подвеске 1,5 м/мин. Время разгона и торможения до 0,6 с. Сигнал тока дуги Id выдает датчик тока ТА, а сигнал напряжения дуги Ud снимается с электрода; эти сигналы через трансформаторы Т1, Т2 поступают на выпрямители UZ1, UZ2. Разбаланс между входными информационными сигналами поступает на вход усилителя А через узел зоны нечувствительности УЗН, выполненный на резисторах R5, R6 и диодах V1, V2. Одновременно на усилитель А поступают сигналы обратной связи по току и скорости двигателя М. Выход усилителя А через СИФУ меняет напряжение преобразователя UZ и скорость перемещения электрода двигателем.

Если электрический режим печи соответствует заданному, то выходной сигнал А отсутствует, двигатель М неподвижен. При отклонении электрического режима от заданного на выходе УЗН появится сигнал, полярность которого зависит от характера этого отклонения (увеличение Iд, например короткое замыкание, или увеличение u_д, например обрыв дуги). Если величина сигнала рассогласования на входе УЗН не превысит зоны нечувствительности регулятора, электрод останется неподвижным. Когда же сигнал на входе УЗН превысит зону нечувствительности, соответствующий блок тиристоров UZ откроется и двигатель начнет перемещать электрод. Если чрезмерно возросло напряжение дуги, полярность на якоре двигателя будет такой, что двигатель начнет опускать электрод. Закон регулирования при опускании электрода – пропорциональный во всем диапазоне входного сигнала вплоть до обрыва дуги.

Рис. 8.3. Регулятор мощности ДСП.

Если чрезмерно возрос ток дуги, двигатель начнет поднимать электрод. При подъеме электрода характеристика регулятора – релейно-пропорциональная с насыщением и зоной нечувствительности. При сравнительно небольших изменениях тока дуги скорость перемещения электрода пропорциональна приращению тока дуги. При дальнейшем увеличении тока скорость электрода скачком возрастает до максимальной.

Перспективы развития электрооборудования дуговых сталеплавильных печей:

- использование шестиэлектродных печей с питанием от трех однофазных трансформаторов, что позволит бифилировать токоподводы и снизить индуктивность короткой сети;

- перевод питания на пониженную частоту с целью уменьшения индуктивности цепей и потерь мощности;

- использование дуги постоянного тока;

- увеличение вместимости печей до 800 т и мощности трансформаторов питания до 400 МВ×А при вторичном напряжении до 1400 В.

Дуговые вакуумные печи.

Плавка в дуговых вакуумных печах (ДВП) исключает контакт жидкого металла с атмосферой и позволяет достичь глубокой дегазации металла.

Поэтому такие печи используют в основном для производства тугоплавких и химически активных материалов: циркония, титана, молибдена, вольфрама, а также высококачественных сталей с улучшенными свойствами. Находят применение в основном ДВП с расходуемым электродом. Материалом расходуемого электрода является сам переплавляемый металл (катод).

В состав ДВП входят электрооборудование, вакуумное оборудование, система водяного охлаждения печи и вакуумных насосов, а в случае, если предусмотрена плавка в атмосфере инертного газа, - система подачи инертного газа и др.

Дуга в вакуумных печах существует в основном в парах плавящихся металлов, в условиях вакуума. Наибольшее применение в ДВП получила дуга постоянного тока, что объясняется большой устойчивостью ее горения.

Регулировать электрический режим ДВП можно изменением длины дуги перемещением электрода. Особенностью дуги в вакууме является малое напряжение на дуге, поэтому для выделения заданной мощности необходима большая сила тока, достигающая 50 кА. Это требует соответствующих источников питания и мощных токопроводов. Для устойчивого горения дуги и обеспечения высокого качества металла необходимо стабилизировать ток дуги в широких пределах изменения напряжения.

Вольтамперная характеристика источника тока крутопадающая, в зоне рабочих токов приближающаяся к вертикальной. Такая стабилизация тока обеспечивается с помощью обратных связей по току нагрузки.

Для питания ДВП изготавливаются тиристорные преобразовательные агрегаты серии ТВ – рис. 8.4. Преобразователь выполнен по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором. Номинальные токи от 10 до 50 кА, номинальное выпрямленное напряжение от 48 до 825 В. В состав преобразовательного агрегата входят силовой трансформатор Т, сглаживающие реакторы L1, L2, тиристорный преобразователь UZ. В состав преобразователя входят силовые вентили, шкаф управления, защиты и сигнализации. Охлаждение вентилей водяное. Диапазон регулирования напряжения 0 – 100 %.

Для подвода тока к электроду печи используется гибкий водо-охлаждаемый кабель типа КВС. Электрод оборудован приводом, который должен обеспечивать рабочую скорость, соответствующую скорости переплава порядка 5 – 10 мм/мин и маршевую скорость для быстрой ликвидации коротких замыканий порядка 2000 – 4000 мм/мин. Таким образом, требуемый диапазон изменения скорости составляет не менее 1:200, в связи с чем используется привод постоянного тока.

Система автоматизации ДВП должна осуществлять следующие операции: зажигание дуги без короткого замыкания, установление заданной длины дуги, подачу расходуемого электрода со скоростью его сплавления, стабилизацию мощности дуги, быструю ликвидацию коротких замыканий, быстрое опускание электрода при перебросе дуги на стенку кристаллизатора и т. п.

Рис. 8.4. Схема электропитания ДВП.

Система автоматизации ДВП должна осуществлять следующие операции: зажигание дуги без короткого замыкания, установление заданной длины дуги, подачу расходуемого электрода со скоростью его сплавления, стабилизацию мощности дуги, быструю ликвидацию коротких замыканий, быстрое опускание электрода при перебросе дуги на стенку кристаллизатора и т. п.

В промышленности используют регуляторы тока дуги, регуляторы длины дугового промежутка и др. Широко применяют регуляторы, выполненные на бесконтактных логических элементах. Регулирование осуществляется перемещение электрода и изменением напряжения силового преобразователя.