Актуальность применения дуговых печей на постоянном токе в сталелитейном производстве

В настоящее время для литейного производства одной из проблем является снижение удельных расходов шихтовых материалов, энергии на единицу произведенной продукции. Производство отливок из сплавов на основе железа связано с окружающей средой. В литейных цехах машиностроительных предприятий в качестве плавильных агрегатов используются индукционные тигельные и электродуговые печи переменного тока (ДСП). В литейном производстве ДСП используют емкостью: 0,5; 1,5; 3; 5; 6; 12; 20; 25 тонн. Эти печи характерны большим выбросом газов и пыли; в период расплавления используются газокислородные горелки, подрезка шихты кислородом и другие дополнительные источники химического тепла, загрязняющие окружающую среду парниковыми газами и создающие в рабочем пространстве печи окислительную атмосферу. В настоящее время разработаны дуговые печи на постоянном токе. Разработка дуговой печи постоянного тока (ДППТ) позволила: десятикратное уменьшение пылегазовыбросов и не превышающий во все периоды плавки санитарные нормы уровень шума на рабочей площадке. Также достигаются снижение расхода графитированных электродов, уменьшение угара металла (<=1%), расхода ферросплавов (на 60…80%), уровня колебаний электрического режима (не выше 20% в начале плавки и 5% в последующие периоды плавления).

Дуговые печи как на переменном, так и на постоянном токе имеют аналогичные конструкторские элементы, одинаковые схемы загрузки шихты и разлива металла, используют одни и те же огнеупорные материалы, позволяют применять одни и те же технологические процессы плавления и доводки металла. Но также имеются и различия между ними в компоновке конструкции печей, характере ведения плавки и в составе оборудования, что вызвано различием в характере физических процессов в дугах постоянного и переменного тока, а также различием в характере взаимодействия электромагнитного поля постоянного и переменного тока с жидкометаллической ванной. Особенностью ДППТ является наличие одного установленного на оси печи графитированного электрода, подключенного к минусам источников электропитания, и нескольких электродов, расположенных в подине печи и подключенных к плюсу управляемого тиристорного преобразователя. Это позволяет выполнять печи ДППТ более газоплотными, чем ДСП, а также обеспечивает более равномерный прогрев шихты и футеровки по периметру ванны (без локальных перегревов футеровки напротив электродов и более низкой скорости плавления на откосах в промежутках между электродами, как это имеет место в ДСП).

Печь оборудована двумя автономными источниками электропитания, состоящими из силового трансформатора, сетевого реактора, тиристорного преобразователя, коммутатора для последовательно-параллельного переключения тиристорных преобразователей, сухих сглаживающих реакторов, установленных в цепи постоянного тока. Несмотря на большой набор специального оборудования, не потребовалось значительных дополнительных площадей в связи с компактной расстановкой и небольшими габаритами силовых модулей источника электропитания.

Дуговые печи постоянного тока структурно оптимизированы по быстродействию, так как преобразователь постоянного тока оснащен быстродействующим электронным регулятором с постоянной времени 6…10 мс, который обеспечивает высокую стабильность и независимую тонкую регулировку токового режима в широком диапазоне изменения напряжения печной дуги. Также в систему управления печью включен регулятор, обеспечивающий поддержание заданного уровня напряжения дуги путем осевого перемещения сводового электрода. В сталеплавильных печах постоянного тока используется «медленный» регулятор, который используется в качестве управляющего воздействия только перемещение электродов печи.
Для обеспечения более высокой стабильности электрического режима, по сравнению с печами ДСП, имеется два независимо работающих регуляторов тока и напряжения печной дуги на печах ДППТ.
Выбор оборудования в цепи постоянного и переменного тока в сочетании с параметрами трансформатора и преобразователя обеспечил высокую стабильность дуги, независимо от качества шихты и периода плавления, а также минимальный уровень помех, генерируемых в питающую сеть.

Силовые трансформаторы имеют два переключателя: один для ступеней напряжения под нагрузкой и второй с отключением трансформатора от сети при переключениях. В сочетании с устройством последовательно параллельного переключения тиристорных преобразователей источник электропитания имеет 94 ступени напряжения в интервале 100…1200 В. Тиристорный преобразователь, собранный по двенадцатипульсной схеме, позволяет плавно изменять и стабилизировать силу тока в пределах 0…20 и 0…10 кА при напряжении соответственно 100…600 и 100…1200 В. Охлаждение тиристорного преобразователя проводится дистиллированной водой, циркулирующей во внутреннем контуре теплообменника, который охлаждается технической водой.

Тиристорные преобразователи подключены к двум металлическим подовым электродам, водяные каналы охлаждения которых вынесены за пределы кожуха печи. Это в сочетании с системами непрерывного автоматического контроля за состоянием и тепловой нагрузкой подовых электродов обеспечивает надежность и безопасность эксплуатации печи. Подовый электрод состоит из стальной головки, контактирующей с жидким металлом, и медного водоохлаждаемого корпуса. Благодаря способности подовых электродов самовосстанавливаться в процессе плавки и возможности горячих межплавочных ремонтов подины, ресурс непрерывной работы подовых электродов составляет 2…3 тысячи плавок, после чего подовый электрод проходит техническое обслуживание и устанавливается на печь для повторной эксплуатации. Тепловые нагрузки и геометрия подового электрода рассчитываются по специальной методике, разработанной в компании. Автономное питание по довых электродов в сочетании с целенаправленной их расстановкой и специальными режимами ведения плавки позволило обеспечить управляемое трехмерное интенсивное перемешивание расплава без применения специальных устройств. Отказ любого из источников электропитания несколько увеличивает продолжительность плавления, но не приводит к остановке печи.

Печь имеет выкатную ванну с небольшим зазором между тележкой и люлькой, что привело к изменению конфигурации хвостовой части подовых электродов. Для улучшения газоплотности печи изготовили уплотненный экономайзер.
Футеровка подины выполняется, как и на ДСП, методом кирпичной кладки с набивными слоем толщиной 240 мм из хромомагнезитового порошка. В дуговой печи постоянного тока для установки подовых электродов в кирпичной кладке выполнены колодцы. Установка на печь водоохлаждаемых панелей и свода, а также отработка энергетического режима будут способствовать увеличению стойкости футеровки.

Важным технологическим преимуществом печей ДППТ является эффективное электромагнитное перемешивание ванны металла проходящим через нее постоянным током. В печах емкостью от 0,5 до 25 тонн скорость движения жидкого металла в центральной части ванны составляет величины порядка 0,12…0,35 м/с, т.е. реализуется режимы развитых турбулентных течений, при которых в ванне обеспечивается эффективное выравнивание полей температуры и концентрации вводимых в металл присадок. Использование электромагнитного перемешивания, наряду с созданием в печном пространстве восстановительной атмосферы, позволяет экономней расходовать ферросплавы. Выбранный диапазон скоростей и направления перемешивания позволяет быстро (в течение нескольких минут) растворять ферросплавы (включая тугоплавкие, например, ферровольфрам) и шлакообразующие; при этом получают шлаки с заданными свойствами.
Угар легирующих элементов в процессе плавки практически не происходит.

В процессе эксплуатации печи постоянного тока отмечается также резкое снижение угара графитированных электродов. В литейных цехах на печах ДСП удельный расход графитированных электродов составляет не менее 6 кг на тонну выплавленной стали, в печах ДППТ этот расход не превышает 1,5 кг на тонну.

Ряд факторов, ухудшающих эксплуатационные параметры печи постоянного тока, задает предельно возможный о минимальной продолжительности плавки цикл 3,5…4 ч. В этих условиях удельный расход электроэнергии на расплавление составляет 480 (кВт·ч)/т расплава.

Плавки на дуговой печи постоянного тока с максимальной нагрузкой до 12 МВт позволили проводить расплавление шихты за 60…70 мин; при этом расход энергии составил 420…435 (кВт·ч)/т расплава.
Работы по переплаву в ДППТ высоколегированного скрапа показали, что степень усвоения в ней легирующих элементов значительно выше, чем в печи переменного тока.
Перевод ДСП на печи ДППТ (питание постоянным током) экономия графитированных электродов достигла 4,5 кг на тонну расплава.

Измерение уровня шума в течение полного цикла плавки (от момента включения печей) на расстоянии 5 м от рабочего окна при работе рядом стоящих 25-т дуговой печи постоянного тока. Было отмечено снижение уровня звукового давления до санитарных норм во все периоды плавки. При хорошей герметизации и стабильности давления в печах ДППТ, кроме снижения шума, ликвидируется подсос воздуха в рабочее пространство, благодаря чему обеспечивается низкий по сравнению с печами ДСП угар шихты в период расплавления (не более 3% в печах ДППТ и не менее 9…10% в печах ДСП), снижаются пылегазовыбросы по сравнению с печами ДСП.

На основе литературных данных, использование ДППТ в литейном производстве гарантирует:

• снижение угара легирующих элементов;
• резкое улучшение экологии за счет снижения в 7…10 раз пылегазовыбросов;
• снижение уровня шума до санитарных норм;
• экономия шихты и графитированных электродов при работе этих печей позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы, причем дополнительные затраты на преобразователь постоянного тока окупаются в течение первого года эксплуатации;
• при установке дуговых печей постоянного тока существенно снижаются требования к питающей энергосистеме.

Литература:

1. Пат. 2216883 РФ, МПК H 02 M 7/162, H 05 B 7/144. Источник питания дуговой печи постоянного тока / С.М. Нехамин, Г.А. Фарнасов, А.К. Филиппов и др. – Опубл. 20.11.2003. – Бюл. №. 32.

2. Пат. 2324281 РФ, МПК H 02 M 7/02, H 05 B 7/144, H 02 M 7/162. Источник питания постоянного тока для дуговой печи (Его варианты) / С.М. Нехамин, Г.М. Мустафа и др. – Опубл. 22.12.2006. – Бюл. №. 32.

3. Гуткин В.Б. и др. Особенности построения силовой схемы и системы управления источника питания дуговой сталеплавильной печи постоянноготока / Дуговые сталеплавильные электропечи: Сб. научн. трудов ВНИИ ЭТО.– М.: Энергоатомиздат, 1991. – С. 116…125.

4. А.К. Филиппов, М.М. Крутянский, Г.А. Фарнасов. Использование электропечей постоянного тока в металлургии // Сталь. 2002.–№1.– С.33…41.

5. Сталь на рубеже столетий // Ю.С.Карабасок, Л.Н. Белянчиков, Д.И. Бородин и др. / Под ред. Ю.С. Карабасова.– М.: «МИСИС», 2001.–С.663.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №06 (154) 2013 г.