Навигация

Ссылки друзей

    Инерционные пылеуловители
Металлургия » Электрометаллургия стали » Перспективы применения электродуговых печей постоянного тока.

Перспективы применения электродуговых печей постоянного тока.

 (голосов: 0)
Перспективы применения электродуговых печей постоянного тока.В настоящее время основной объем электростали производится в дуговых печах переменного тока. Ряд недостатков этих печей затрудняет их эксплуатацию. Они являются источником интенсивных помех в питающих энергосистемах, имеют высокий уровень шума, доходящий до 120 дБ, вызывают сильную запыленность и загазованность окружающей среды, работают с Относительно низким коэффициентом мощности. С целью устранения указанных недостатков в последние годы значительное внимание уделяется созданию дуговых печей постоянного тока.
Дуговые печи постоянного тока (ДППТ) вобрали в себя накопленный опыт эксплуатации и конструирования дуговых сталеплавильных печей переменного тока (ДСП) и мощных преобразователей постоянного тока, разработанных ранее для других областей техники. Аналогичные конструктивные исполнения важнейших элементов печей ДСП и ДППТ-кожуха и свода, механизмов наклона печи и перемещения электрода, одинаковая схема загрузки шихты и разлива металла, использование одних и тех же огнеупорных материалов позволяют хорошо вписывать ДППТ в существующие технологические линии литейных и металлургических цехов, почти полностью использовать разработанные технологические процессы плавления и рафинирования металла.
В отличие от ДСП ДППТ имеет один вертикально расположенный сводовый электрод, который закреплен в корпусе электрододержателя и через отверстие в центре свода введен в плавильное пространство электропечи. Электропечь выполняется более газоплотной, чем ДСП; требования к качеству шихтовых и футеровочных материалов в печах ДППТ и ДСП идентичны.
Одним из основных элементов ДППТ является конструкция токоподвода к шихте. Для подвода тока к переплавляемому материалу в ДППТ используется либо токопроводящая подина с металлическими элементами, либо один или несколько стержневых подовых электродов.
Сталеплавильные печи с токопроводящей подиной созданы рядом зарубежных фирм на вместимость до 150 т. Принципиальным недостатком токопроводящей подины с металлическими элементами является отсутствие возможности горячих межплавочных ремонтов подины, что ограничивает ресурс ее работы несколькими сотнями плавок. Использование в подине углеродсодержащих материалов приводит к дополнительному науглероживанию жидкого металла.
В нашей стране ДППТ выполняются со стержневыми водоохлаждаемыми подовыми электродами. По конструкции подовый электрод состоит из стальной головки, контактирующей с расплавленным металлом и обеспечивающей способность электрода самовосстанавливаться, и медного водоохлаждаемого корпуса. Зона водяного охлаждения вынесена за пределы кожуха печи,а для контроля за тепловым состоянием подовый электрод снабжен термопарами. Геометрические размеры головки и корпуса подового электрода рассчитываются путем математического моделирования с учетом движения жидкого металла под действием электромагнитных сил.
На плазменных печах и ДППТ вместимостью до 30 т накоплен опыт эксплуатации подин с электродами описанной конструкции. Благодаря способности подовых электродов самовосстанавливаться в процессе плавки и возможности горячих межплавочных ремонтов подины ресурс непрерывной работы подовых электродов составляет 2—3 тысячи плавок и определяется сроком холодного ремонта подины, осуществляемого при капитальных ремонтах печи. При этом подовый электрод проходит ревизию, техническое обслуживание и устанавливается на печь для повторной эксплуатации.
Электропитание ДППТ производится от специализированного источника постоянного тока, отрицательный полюс которого соединяется со сводовым электродом (катодом), а положительный полюс соединяется с конструкцией токопровода к переплавляемому металлу (аноду). Источник питания представляет собой комплект электрооборудования, включающий силовой трансформатор, преобразователь, реакторы постоянного тока и теплообменник (в случае водяного охлаждения преобразователя).
Источник питания располагается в специальном помещении, которое может находиться на достаточно большом расстоянии от самой печи (при необходимости десятки и даже сотни метров).
Электрический режим ДППТ в нашей стране имеет особенности, обеспечивающие снижение уровня колебаний напряжения дуги в период расплавления. Это достигается путем удерживания сводового электрода над уровнем шихты без заглубления в колодец при более высоком по сравнению с ДСП напряжении источника электропитания в начале плавки. Напряжение дуги по ходу плавки самопроизвольно меняется в широких пределах от Максимального уровня вскоре после включения печи до величин в 2-3,5 раза меньших к моменту окончания расплавления. Анализ причин этого явления показывает, что напряжение дуги зависит не только от тока, состава печной атмосферы и величины межэлектродного промежутка, но также и от температуры в рабочем пространстве печи, которая однозначно связана с энтальпией шихты. При прочих равных условиях рост температуры шихты приводит к снижению напряжения дуги.
Для поддержания вводимой в печь мощности на постоянном уровне описанное снижение напряжения одновременно компенсируется соответствующим директивно задаваемым увеличением тока дуги, а в конструкцию источника электропитания заложены технические решения, обеспечивающие экономную реализацию указанных режимов.
Источник питания печи имеет два трехфазных выпрямителя, которые посредством дистанционно управляемой полупроводниковой коммутирующей аппаратуры могут быть включены либо последовательно, либо параллельно. Плавка начинается при последовательном соединении выпрямителей и напряжении U1 обеспечивающем нахождение электрода над уровнем шихты. Ток I1 в этот период составляет не более половины от его максимального значения I2 При таком режиме плавки обвалы шихты минимальны, металл относительно равномерно нагревается до температуры 800-1200°С, теряет механическую прочность и оседает. Вслед за этим выпрямители переключаются на параллельное соединение, и плавка продолжается при напряжении U2 в 2 раза меньшем и на токе I2 в 2 раза большем.
Еще одно техническое решение, позволяющее использовать установленную мощность источника, заключается в том, что печной трансформатор выполняется с несколькими ступенями постоянной мощности, когда по мере снижения напряжения отдельных ступеней вентильной обмотки пропорционально растет их номинальный ток.
В совокупности описанные технические решения позволяют в период расплавления наиболее близко согласовать параметры источника с требуемыми в каждый текущий момент уровнями напряжения и тока дуги при постоянстве вводимой в печь мощности и максимальной близости ее к установленной мощности источника.
В этих условиях поддерживается низкий уровень высших гармоник тока, генерируемых источником в питающую энергосистему, а также малы колебания мощности, что в сочетании с повышенной газоплотностью печи обеспечивает минимальные пылегазовыбросы и снижение окисления шихты и содержащихся в ней легирующих элементов.
На первой в нашей стране 12-т ДППТ, введенной в эксплуатацию в 1981 г., коэффициент Ки не превышал 0,25; на 25-т ПО «Ижсталь» он составляет 0,41-0,56; на 130-т ДППТ японской фирмы Токио cтал он равен 0,36-0,47, а на проектируемых сейчас в фирме «Арктерм» акционерного общества ВНИИЭТО ДППТ новой серии расчетное значение Кк составляет 0,63-0,67.
Межэлектродный промежуток (длина дуги) в каждый текущий момент плавки устанавливается так, чтобы процесс форсированного нагрева и плавления металла сочетался с допустимой тепловой нагрузкой на футеровку.
Для анализа тепловой работы ДППТ при их проектировании используется математическое моделирование на ЭВМ. В математической модели, созданной для этих печей, в качестве входных данных задаются геометрические размеры печи, теплофизические свойства загружаемой шихты и получаемого расплава, а также материала электрода и футеровки печи; закон изменения мощности, поступающей в печь, и связанное с ним изменение длины дуги. Выходные данные модели, рассчитываемые в динамике: температурное поле шихты, электрода, футеровки; распределение потоков энергии в печном пространстве, тепловые потери через футеровку, тепловой КПД, масса расплава; кроме того, интегральные показатели плавки: время распределения, удельный расход электроэнергии, КПД. Достоверность модели в количественном и качественном отношении была установлена путем сравнения с результатами экспериментов и опытных плавок.
В отличие от ДСП в ДППТ ток дуги проходит через расплав от подового электрода на дне ванны к дуговому пятну на ее поверхности, т. е. по всей глубине ванны. При взаимодействии тока с собственным магнитным полем в жидком металле возникают электромагнитные силы, вызывающие его направленное Движение и перемешивание.
Проведенные измерения и расчеты показывают, что в печах вместимостью 0,4—25 т скорость движения жидкого металла в центральной части ванны составляет ~ 0,12-0,35 м/с, что соответствует числам Рейнольдса 3,5-Ю4—105, т.е. реализуются режимы развитых турбулентных течений, при которых в ванне обеспечивается эффективное выравнивание полей температуры и концентрации вводимых в металл присадок.
Электрическая дуга в ДППТ питается от тиристорного преобразователя постоянного тока, обеспечивающего высокую стабильность токового режима, в результате чего в ДППТ по сравнению с ДСП обеспечивается снижение уровня шума в среднем на 15 ДБА.
В ДППТ расплавляемый металл контактирует только с анодным пятном электрической дуги, а в ДСП на металле попеременно располагаются анодное и катодное пятна. Поскольку плотность тока и удельный тепловой поток в анодном пятне на порядок ниже, чем в катодном, при плавке в ДППТ испаряется значительно меньше металла и шлака и образуется в 6-8 раз меньше пыли, чем при плавке в ДСП. По этой причине в ДППТ можно плавить металлы и сплавы, имеющие относительно низкую температуру плавления (например, алюминий), обеспечивая минимальные угары переплавляемых материалов, чего нельзя достигнуть при плавке в ДСП.
Таким образом, ДППТ обладают следующими преимуществами перед ДСП: уменьшается расход графитированных электродов до 0,8-1,5 кг на 1 т стали; увеличивается выход годного металла за счет снижения его угара на 3—4 %; снижается расход ферросплавов на 15-20 %; уменьшаются пылевыбросы в 6-8 раз и снижаются затраты на газоочистку; снижается уровень шума на 15 дБ; стабилизируется электрический режим, уменьшаются помехи и толчки тока в питающей энергосистеме (уменьшается фликкер в 2—3 раза); появляется возможность организовать электромагнитное перемешивание жидкого металла; источник электропитания печи при необходимости можно вынести за пределы цеха.
В 1989 г. в Японии впервые построили новую печь емкостью 130 т для выплавки стали. Начиная с этого времени, темпы разработок и строительства крупнотоннажных печей постоянного тока увеличились. К концу 1993 г. число ДППТ с мире достигло 46, а в 1994-1995 гг. намечено построить еще 23 крупные печи.
Емкость строящихся печей достигает -180 т. Имеется информация о разработках ДППТ емкостью > 200 т. Наряду с традиционными разработчиками ДППТ: европейскими фирмами Мак-Гкх, Клесим, АББ, японскими НКК, Дайдо — к созданию Печей постоянного тока в последние годы проявляют интерес Известные европейские фирмы: Маннесманн-Демаг (МОН) в Дойче ФёстАльпине (DVAL). Эти данные свидетельствуют о возрастании интереса к ДППТ в мире.
На заводе Юзин Густав Боэль (Бельгия) введена в эксплуатацию дуговая печь постоянного тока с массой плавки на выпуске 85 т и мощностью печного трансформатора 95 MB А. Продолжительность плавки от выпуска до выпуска составляет менее 60 мин. Расход электроэнергии в печи на 5 % меньше чем в традиционных трехфазных печах, а расход электродов не превышает! 1,4 кг/т стали.
Масса плавки дуговой печи постоянного тока составляет на выпуске 85 т при общей емкости ванны 115 т. Мощность трансформатора в системе выпрямления составляет 2 х47,5 = 95 МВА при максимальной активной мощности 70 МВт. Таким образом печь характеризуется самым высоким показателем активной мощности в мире. В результате на этой печи можно через каждые 60 мин выпускать плавку металла без шлака поскольку печь оборудована эксцентриковым донным выпуском, который хорошо зарекомендовал себя более чем на 110 аналогичных печах. Водоохлаждаемая футеровка (экраны из труб, уложенных вплотную) применена в верхней части печной емкости (тигля), в своде и отсасывающем трубопроводе. При единственном графитовом электроде диаметром 710 мм в печь подается максимальная активная мощность 70 МВт при силе тока 4 х 25 = 100 кА.
Подовый электрод новой конструкции фирмы Маннесманн Демаг представляет собой систему, удовлетворяющую при большом сроке службы тяжелым условиям работы в сталеплавильном цехе. Электрод был разработан проектно-конструкторским и технологическим отделом фирмы Маннесманн Демаг совместно с Рейнско-Вестфальским высшим техническим училищем в Аахене и опробован на опытной установке.
Благодаря контролируемому подводу тока и соответствующему исполнению биметаллического электрода (сталь-медь) в огнеупорном днище, противоположный полюс выполнен в виде графитового электрода. Биметаллические электроды имеют замкнутую систему охлаждения орошающей водой, благодаря чему обеспечивается их высокая стойкость.
Такая система охлаждения не только очень эффективна, но и весьма надежна, так как в случае неполадок подвод воды автоматически отключается и вместо нее подается сжатый воздух, чтобы можно было обеспечить сухое аварийное охлаждение подового электрода. Наличие четырех отдельно контролируемых и управляемых электродов обеспечивается перемещение дуги в холодные зоны для целенаправленного расплавления тяжелого лома и скопления губчатого железа. При таком расположении подовых электродов возможно также сокращение времени расплавления и создание направленного горизонтального и вертикального движения металла в ванне.
Кроме того, данная система подовых электродов оставляет достаточно места для размещения системы продувки инертным газом, что делает возможным дополнительное перемешивание расплава.
При температуре выпуска стали 1620°С и подаче кислорода всего 8 м3/т расход электрической энергии составил 470 кВт/т, что по сравнению с общим расходом электроэнергии 520 кВт/т) трехфазных печей примерно меньше на 5 %. Несмотря на то, что непрерывный режим работы не был организован, показатель удельного расхода электродов составил менее 1,4 кг/т стали, а продолжительность плавки — около 57 мин. В настоящее время к лому добавляют около 7 % чушек передельного чугуна и до 30% горячебрикетированного губчатого железа, что несмотря на новое для Европы решение и не очень благоприятную конъюнктуру рынка, позволяет выплавлять в месяц 40 тыс. т электростали, которая идет на производство листовой продукции.
Доля предварительного восстановления шихтового материала а соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству металла и его химическому составу, будет повышаться, что повлечет за собой некоторое повышение расхода энергии, но это может быть компенсировано применением жидкого передельного чугуна.
На 5-ом Европейском конгрессе по Электросталеплавильному производству (Париж, июль 1995 г.) было сделано сообщение о новой двухванной электропечи постоянного тока (2 х 150 т.) в Гандранже (Франция).
Каждая ванна имеет эркер с эксцентрично расположенным выпускным отверстием, при этом восстановление огнеупорного порошка в отверстии происходит автоматически. Известь фракции 5—15 мм инжектируется из трех точек, расположенных в своде кислород и углеродсодержащие вещества подаются через 2+1 форсунки, смонтированные на роботе типа BSE, через рабочее окно
Второй робот, расположенный рядом с первым позволяет контролировать температуру ванны и отбирать пробы под напряжением. Эти устройства для каждой ванны свои, но если еще два общих робота, работающие на сжатом воздухе, предназначенные для торкретирования трубы и выравнивания графитовое электрода.
Электроснабжение печи осуществляется от сети 255 кВ. Промежуточное напряжение равное 63 кВ создается трансформатором 170 МВА. Это напряжение поступает на компенсационные фильтры статических гармоник Н4, Н9 и Н12 обшей мощностью 75 МВА. При помощи двух печных трансформаторов, каждый из которых мощностью 75 МВА, с двумя вторичными обмотками, напряжение снижается с 63 кВдо757 В.
Питание 4-х подовых электродов каждой ванны независимо регулируемым током осуществляется с помощью инвертора от 4-х идентичных выпрямителей. Графитовый катод, в зависимости от периода плавки, может быть задействован для той или другой ванны.
При помощи системы регулирования можно обеспечить в дуге максимальное напряжение 800 В и силу тока 140 КА. Охлаждение печных трансформаторов, выпрямителей и кабелей осуществляется циркулирующей водой. И, наконец, не следует забывать о возможности повысить производительность и снизить эксплуатационные затраты, установив шахтную систему подогрева шихты над каждой плавильной ванной дуговой печи постоянного тока.
Эти печи спроектированы, построены и пущены в эксплуатацию фирмой «Fucns Systemtechnik» («Фукс Системтехник»), Германия, или фирмой «Fuchs Systems» («Фукс Системз»), США. На всех печах имеются токопроводящие рукава электрододержателей, эксцентричный донный выпуск, горелка у дверцы и четыре — восемь горелок в нижней части шахты, причем общая мощность горелок составляет 15—18 МВт. Лом, загружаемый в шахту, должен иметь размеры, соответствующие поперечному сечению шахты (около 2,4 х 6 м), т. е. весь стандартный европейский лом (длиной до 1,5 ми массой до 400 кг) можно загружать в шахту вместе с возможным заводским ломом.
Плотность лома изменяется в пределах 0,5—1,2 т/м3. Систематически в работе добавляют до 70 % дробленого очищенного лома, а также до 25 % чугуна в чушках. Можно добавлять до 60 % горячебрикетированного железа и до 30 % — жидкого чугуна. Для самой печи с шахтой требуются более высокие капитальные затраты по сравнению с обычной печью равной производительности. Однако эти затраты компенсируются за счет следующих показателей:
— экономии в расходах на установки для подачи электроэнергии и компенсационное оборудование, на очистку отходящего газа и водоохлаждаемую систему трубопроводов; —- снижения издержек производства за счет экономии энергии на 50—100 кВт-ч/т, экономии электродов на 0,15—0,30 кг/т, повышения выхода годного металла, меньшего образования пыли.
В случае, если основные расходы связаны с электроэнергией и существуют строгие ограничения на побочные эффекты в сетях от работы печи, капитальные затраты на шахтную печь будут соизмеримы с затратами на обычную печь. Если большая часть энергии получается за счет сжигания топлива (доля этой энергии может доходить до 60 % от всей энергии), то экономия обеспечивается за счет предварительного нагрева лома. Использование энергетических источников зависит от их доступности и цены.
Печать

РЕКЛАМА

Видео металлургия

Счетчики