Режимы работы дуговых сталеплавильных печей

ДСП относятся ко второй категории по надежности электроснабжения. Печи условно разделяются на три группы:

– печи малой емкости (0,5-6 т) с трансформаторами мощностью 1-3 МВА, подключаемыми к шинам 6-10 кВ заводских подстанций;

– печи средней емкости (10-50 т) с трансформаторами мощностью 3-15 МВА и напряжением первичной обмотки 6-10 кВ;

– печи большой емкости (80, 100 и 200 т) с трансформаторами мощностью 25-125 МВА на напряжения 35, 110, 220 кВ.

В мировой практике наблюдается тенденция увеличения емкости печей до 300-400 т с увеличением мощности печных трансформаторов до 150 МВА. Печи малой емкости применяются в основном в машиностроении, например в литейных цехах, и служат для производства фасонного литья.

В ДСП металлургических заводов выплавляются стали широкого сортамента: от углеродистых до высоколегированных и специальных сплавов. Углеродистые и низколегированные стали выплавляются, в основном, в печах большой емкости, высоколегированные стали – в печах средней и малой емкости.

Печи работают непрерывно. Длительные отключения печи происходят только при ее ремонтах. Число же кратковременных отключений в процессе одной плавки достигает нескольких десятков.

Нагрузка ДСП непрерывно-циклическая. Цикличность работы характеризуется чередованием плавок с остановками печи для слива металла, заправки печи и завалки шихты. Для плавки стали характерны три последовательно проходящих периода: расплавление, окисление, восстановление (рафинирование). Наибольшую мощность ДСП потребляет в период плавления шихты, который по времени длится от 1/3 до 2/3 времени плавки.

На рис. 4.5 показан график изменения средней мощности ДСП-100 с трансформаторами мощностью 25 МВА за один технологический цикл плавки продолжительностью 4,5 ч. На графике видно несколько отключений агрегата на 10-20 мин и указаны причины отключений. Технологические отключения на время от 1 до 10 мин не показаны (их число значительно больше, и они увеличивают переменный характер нагрузки). На графике показаны усредненные нагрузки. В действительности нагрузка имеет неустойчивый резкопеременный характер, неравномерный по фа-зам.

ДСП являются причиной возникновения колебаний напряжения, несимметрии токов и напряжений и несинусоидальности напряжения.

Колебания напряжения вызываются колебаниями нагрузки, которые очень значительны, особенно в период расплавления шихты. На рис. 4.6 представлены осциллограммы активной и реактивной мощности в фазах питающей сети при работе ДСП с трансформатором мощностью 63 МВА в период расплавления. Как видно из осциллограмм, изменение нагрузки печи происходит с частотой 1-12 Гц и носит характер нерегулярных коле-баний, связанных с неустойчивым горением дуг. В соответствии с особенностями характеристик ДСП колебания реактивной мощности значительно превышают колебания активной мощности. Особенно значительны колебания нагрузки при эксплуатационных КЗ, например при погружении электродов в расплавленный металл. Значения колебаний могут достигать – для печей большой емкости и – для печей малой и средней емкости.

Рис. 4.5. График изменения средней мощности печи ДСП-100

за один технологический цикл плавки:

Р – активная мощность;

Q – реактивная мощность

Колебания нагрузки ДСП, особенно колебания реактивной мощности, вызывают значительные колебания напряжения в питающей сети, которые тем больше, чем больше мощность печного трансформатора и меньше мощность короткого замыкания в точке присоединения дуговой печи.

Несимметрия токов и напряжений. По осциллограммам видно, что нагрузка по фазам сети неравномерна. Максимальное различие по фазам А и С составляет: по активной мощности – 9 МВт, по реактивной мощности – 8 Мвар (табл. 4.3).

РС, МВт

РА, МВт

QА, Мвар

QС, Мвар

а)

t, с

t, с

t, с

t, с

б)

Рис. 4.6. Графики мгновенных значений активной (а)

и реактивной (б) мощностей фаз А и С

печи ДСП-100 в период расплавления

Таблица 4.3

Временные характеристики активной и реактивной

мощностей печи по фазам А и С

Период времени, с	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9		1,6	1,7
Фаза С: Р, МВт		10,5			9,8						16, 5
Фаза А: Р, МВт		9,8	9,8	9,8
Фаза С: Q, Мвар
Фаза А: Q, Мвар					4,7							7,5

Несинусоидальность токов и напряжений. Дуга и печной трансформатор имеют нелинейные вольтамперные характеристики. По отношению к внешней сети ДСП является источником высших гармонических составляющих и генерирует в сеть 3, 5, 7, 11-ю и т. д. гармоники. На рис. 4.7 приведены кривые изменения токов гармоник для ДСП емкостью от 25 до 100 т.

Автоматизация управления электрическим режимом ДСП. К основным задачам автоматизированного управления процессом плавки в ДСП можно отнести следующие:

– централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигнализацией и регистрацией отклонений от заданных параметров;

– контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей и непредвиденных остановок;

– управление металлургическим процессом;

– управление энергетическим режимом;

– сбор и обработка информации с выдачей необходимой документации.

Рис. 4.7. Кривые изменения токов гармоник

для ДСП мощностью от 25 до 100 т

Задачи управления металлургическим процессом:

– расчет оптимального состава шихты;

– управление загрузкой печи; расчет кислорода, легирующих и шлакообразующих добавок;

– прогнозирование момента окончания технологических периодов.

Задачи управления энергетическим режимом:

– максимальное использование мощности печи;

– минимальные удельные расходы энергоносителей;

– нормальная эксплуатация электрического и другого печного оборудования.

В автоматическом режиме решаются задачи:

– поддержание мощности печи на уровне, определяемом программой;

– регулирование напряжения трансформатора;

– быстрое устранение всех отклонений от нормального режима.

Поставленные задачи решаются с помощью автоматических регуляторов мощности, автоматических регуляторов напряжения трансформаторов.

Недостатки ДСП переменного тока:

1. Высокий угар металла, большой расход графитированных электродов (10-16 кг на 1 т жидкой стали), сложность выплавки низкоуглеродистых сталей из-за науглероживания стали от электродов.

2. Уровень шума при расплавлении достигает 90 дБ.

3. Обильное пылевыделение, требующее мощных вентиляционных установок и систем пылегазоочистки.

4. При поломках углеродов происходит быстрое науглевоживание металла, что приводит к браку сталей по химическому составу.

5. Резкопеременный, несимметричный характер электрической нагрузки, что приводит к появлениям больших колебаний и несимметрии напряжения в электрической сети.

6. Печи являются источниками высших гармонических составляющих.

7. Высокий расход электроэнергии.