Энергетический режим технологического периода

Технологический период плавки состоит из ряда последовательных интервалов, характеризуемых различной длительностью, определенным физико-химическим состоянием металла и шлака, тепловым состоянием футеровки, т.е. в конечном счете, разным энергопотреблением и соответствующими ступенями мощности.

В окислительный период происходит:

1) нагрев и расплавление шлакообразующих материалов в количестве кг/т, для чего расходуют , где – удельный расход энергии для наведения шлака, кВт×ч/т; МДж/кг – изменение энтальпии шлака окислительного периода;

2) подогрев жидкого металла на К,для чего расходуют , где – удельный расход энергии на подогрев металла, кВт×ч/т; МДж/(т×К) – средняя для данного интервала температур удельная теплоемкость жидкой стали;

3) протекание химических реакций с удельным энергопотреблением , где кВт×ч/т – расход энергии на эндотермические реакции в случае применения твердого окислителя (руды, агломерата, окатышей); – удельное выделение энергии при экзотермических реакциях, кВт×ч/т.

Значение рассчитывают по тепловым эффектам реакций окисления элементов стали газообразным кислородом. , где – количество окислившегося элемента, определяемое по изменению химического состава металла, %; – тепловой эффект реакции, равный, по данным А.М. Бигеева, при окислении железа 4,2…4,5; кремния 24,5…26,5; марганца 6,8…7,4 и углерода 12,5…15,3 МДж/кг окисленного элемента; 2,78 – коэффициент, кг×кВт×ч/(МДж×%).

При выплавке коррозионно-стойких сталей принимают , где – удельный объемный расход кислорода, м³/т; 4 – коэффициент, кВт×ч/м³ (при расходе кислорода до 30 м³/т);

4) компенсация тепловых потерь с мощностью .

В окислительный период могут быть 1–2 ступени мощности. При проведении всего периода τ_ок на одной ступени для ДСП вместимостью т_ополная мощность

, (64)

где и – электрический КПД и коэффициент мощности, соответствующие электрическому режиму окислительного периода.

Сопоставление энергозатрат окислительного периода показывает:

а) если , то , т.е. в ДСП вводится необходимая электроэнергия на ступени мощности ;

б) если , то ; , т.е. трансформатор отключают от сети, и ДСП работает как теплогенератор аналогично конвертеру;

в) если , то .

Но ДСП не может работать как электрогенератор ( ). Поэтому весь избыток тепловой энергии реализуется в рабочем пространстве, вызывая чрезмерный перегрев жидкого металла , недопустимый перегрев футеровки , повышенные тепловые потери с отходящими газами, охлаждающей водой и т.д.

Большой эквивалентный коэффициент теплопроводности ванны ДСП в окислительный период позволяет эффективно нагревать металл. Поэтому в конце окислительного периода целесообразно иметь температуру металла выше температуры выпуска готовой стали из печи. При нормальном протекании процесса температура футеровки не превышает температуры металла , что облегчает условия тепловой работы футеровки в восстановительный период.

Технологические интервалы восстановительного периода (при двухшлаковой технологии) различны по энергопотреблению, что делает необходимым иметь 3–4 ступени мощности.

Для наведения шлака восстановительного периода за время τ_шл

, (65)

где кг/т – удельное количество шлакообразующих материалов, применяемых для наведения шлака восстановительного периода;

МДж/кг – изменение энтальпии шлака восстановительного периода;

– мощность тепловых потерь ДСП в восстановительный период;

и – электрический КПД и коэффициент мощности, соответствующие электрическому режиму этого периода.

Большие энергозатраты этого интервала могут быть частично компенсированы уменьшением энтальпии перегретого металла после окислительного периода. Нагрев шлакообразующих материалов происходит теплопроводностью от жидкого металла, а также излучением от нагретой футеровки, особенно на периферии ванны. Электрический режим этой ступени энергетического режима должен обеспечивать тепловые потоки от дуг, соответствующие тепловоспринимающей способности футеровки. После наведения шлака достаточной толщины условия тепловой работы футеровки становятся более благоприятными.

Для легирования металла за время τ_лгр

(66)

где – удельные энергозатраты на легирование, кВт×ч/т;
– удельное количество легирующих материалов (ферро- сплавов) и раскислителей, кг/т;
– изменение энтальпии материалов и тепловой эффект растворения легирующих элементов, МДж/кг.

Для ферросплавов марок ФС45, ФМн75, ФХ010 – ФХ050, ФСХ40 можно принять МДж/кг. Процесс легирования и раскисления стали ферротитаном, ферросилицием марок ФС65 и ФС75, а также алюминием – экзотермический.

При больших энергозатратах для легирования стали (при производстве коррозионно-стойких и инструментальных сталей) целесообразно обосновать длительность интервала τ_лгр. Для этого надо построить кривую

,

представляющую собой гиперболу. Увеличение на пологой ветви гиперболы следует считать нерациональным с точки зрения сокращения τ_лгр. Полученное значение мощности нагрева необходимо проверить по условиям тепловой работы футеровки.

С развитием внепечных способов получения стали легирование может быть перенесено в агрегаты типа «ковш–печь», оборудованные дуговым, плазменным или индукционным обогревом.

Для технологического интервала выдержки металлаперед выпуском из печи в течение τ_выд энергозатраты необходимы практически только на компенсацию тепловых потерь для сохранения заданной температуры металла. Поэтому минимальная мощность энергетического режима

(67)

Уровень тепловых потерь через футеровку в восстановительный период повышается на 20…35 %, так как футеровка имеет наиболее высокую температуру. Если в начале периода и К, то к концу периода и К. Скорость изменения температуры поверхности футеровки составляет 15…25 К/мин.

В результате расчета энергетического режима получают несколько значений мощности, необходимых для проведения плавки по данной технологии (рис. 30). Объединив близкие по величине значения, получают 5–8 ступеней мощности (и напряжения). Соотношение называют глубиной регулирования мощности, которая колеблется до 3 до 10. Большие значения характерны для более крупных и мощных ДСП по причине возрастания теплового КПД .

Рис. 30. График энергетического режима плавки

Учитывая тяжелые температурные условия тепловой работы футеровки при «открытом» горении дуг в конце периода расплавления и в технологический период плавки, необходимо сделать оценку условных тепловых нагрузок стены и свода, учитывая для упрощения расчетов только излучение дуг по формуле (57) и принимая коэффициент условно равным единице.

Электрические параметры

Общие сведения

Основными электрическими параметрами ДСП считают:

1) номинальное значение полной мощности электропечного трансформатора S_ном, определяемое технико-экономическим анализом по минимуму приведенных затрат (см. гл. I, § 3);

2) высшую ступень вторичного линейного напряжения и соответствующее значение фазного напряжения ;

3) номинальную силу тока , протекающего во вторичной цепи трансформатора, т.е. через дугу ;

4) эквивалентное активное сопротивление R электрической цепи одной фазы ДСП, определяемое из опыта КЗ;

5) эквивалентное индуктивное сопротивление X одной фазы ДСП, определяемое по результатам опыта КЗ.

Трехфазную ДСП можно представить как три однофазные цепи, а каждую фазу заменить эквивалентной схемой замещения (рис. 31). Поскольку мощность электрических потерь на активном сопротивлении участка электрода R_эд,расположенного ниже свода, участвует в теплообмене в «свободном» пространстве ДСП, эту часть R рассматривают как часть полезного сопротивления ДСП. По данным Н.В. Окорокова, в крупных ДСП мощность, выделяемая электродами, сравнима с мощностью тепловых потерь, т.е. .

Индуктивное сопротивление X создает сдвиг по фазе между током I_д и напряжением U_2ф на угол φ и влияет на соотношение

, (68а)

или

. (68б)

Для известного значения максимальной активной мощности Р при значение также зависит от X:

, (69)

где – в вольтах, Р – в киловаттах, X – в миллиомах.

Аналогично

, (70)

где I_д – в килоамперах, Р – в киловаттах, X – в миллиомах.

Промежуточное значение полной мощности одной фазы S_ф согласно энергетическому режиму обеспечивается соотношением

. (71)

С электротехнической точки зрения для обеспечения высоких значений коэффициента мощности λ и электрического КПД η_э целесообразно работать на более высоких напряжениях U_2ф (рис. 32):

; (72)

. (73)

Увеличение силы тока I_д усиливает электродинамическую конвекцию в зоне дуги, повышает эквивалентные (эффективные) коэффициенты теплопроводности и диффузии D_эф, способствуя теплопередаче и массообмену в ванне жидкого металла.

Поэтому выбор рациональных электрических параметров является важной задачей конструирования и эксплуатации ДСП. В частности, величины сопротивлений R и X зависят от конструкции токопровода.

Конструкция токопровода

Вторичным токопроводом или короткой сетью* называют совокупность проводников, соединяющих выводы низкого напряжения электропечного трансформатора для ДСП или выводы выпрямительного агрегата (преобразователя) для ДСП ПТ с электродами.

Вторичный токопровод ДСП состоит из следующих элементов:

1) компенсатор – короткая гибкая перемычка, соединяющая выводы НН трансформатора с неподвижной частью вторичного токопровода для компенсации возможных термических изменений линейных размеров проводников и облегчения монтажа жесткого токопровода при отклонении от проектных размеров;

2) шинный мост, или мост шихтовки (переход от схемы «треугольник» к схеме «звезда») – наиболее длинная неподвижная часть вторичного токопровода;

3) неподвижный «башмак» для соединения и передачи тока от шинного моста к гибкому токопроводу;

4) гибкий токопровод в виде кабельной гирлянды, соединяющей неподвижный «башмак» с подвижным «башмаком» на рукаве электрододержателя и обеспечивающей необходимый вертикальный ход электрода, наклон ДСП для слива металла и шлака, а также поворот свода для загрузки металлошихты;

5) подвижный «башмак» для соединения и передачи тока от гибкого токопровода к электрододержателю;

6) токопровод на рукаве и токоподводящие конструкции электрододержателя.

Необходимое сечение проводников рассчитывают по допустимой плотности тока: для неохлаждаемых проводников 1,0…1,5 А/мм², для водоохлаждаемых проводников 10…15 А/мм², но во избежание чрезмерных потерь принимают экономически оптимальное значение 3,0…3,5 А/мм².

Компенсатор представляет собой пакет полос медной фольги толщиной 0,3 мм и шириной до 150 мм. Шинный мост изготовляют из медных шин прямоугольного сечения толщиной 8…12 мм с естественным охлаждением или медных труб с водяным охлаждением (при рабочих токах свыше 50 кА). Расстояние между смежными шинами разной полярности составляет 20 мм, а между шинами одной полярности 40 мм. Неподвижный и подвижный «башмаки» представляют собой медные доски, имеющие водяное охлаждение за счет просверленных в них каналов. Вес неподвижного «башмака» и гибкого токопровода воспринимается подвесками на конце шинного моста, а боковые усилия от гибкого токопровода при наклоне ДСП – опорными металлоконструкциями из немагнитной стали, к которым крепят соответствующие сжимы шинного моста.

Для гибкого токопровода ДСП применяют медные водоохлаждаемые кабели типа КСВ сечением 1000…5000 мм² производства ЗАО «Фонд-металл» (г. Санкт-Петербург). Во избежание увеличения активного и особенно реактивного сопротивления гибкого токопровода при изменении взаимного расположения кабелей под действием знакопеременных электродинамических сил кабели фиксируют на заданном расстоянии клицами.

Токопровод на рукаве электрододержателя в условиях повышенного тепловыделения над сводом ДСП выполняют из медных водоохлаждаемых труб («трубошины»). Применение труб крупного сечения (диаметром до 200/170) обеспечивает повышенную жесткость рукава электрододержателя и механическую прочность токопровода в условиях мощного электродинамического воздействия протекающих токов.

На современных высокомощных ДСП для снижения индуктивного сопротивления нескольких трубошин на рукаве электрододержателя применяют токопроводящие рукава (консоли*) электрододержателей или стальные (из аустенитной стали), плакированные** медью на толщину, определяемую эквивалентной глубиной проникновения электромагнитного поля (при частоте 50 Гц 10 мм), или алюминиевые (из сплава алюминия) в виде коробчатой конструкции с меньшей на 50 % массой, что упрощает приводной механизм перемещения (передвижения) электродов, особенно большого диаметра на ДСП ПТ и большой массы соответственно; токопроводящие рукава имеют меньшее активное сопротивление, что способствует увеличению активной мощности печи на 5…10 %.

Вследствие большой силы тока во вторичном токопроводе (50…100 кА) токопровод каждой фазы состоит из значительного числа параллельных проводников, что требует их рациональной транспозиции.

Проводники вторичного токопровода ДСП могут быть соединены по схеме «звезда» или «треугольник». При схеме «звезда» по проводникам протекают линейные токи, равные ; при схеме «треугольник» по проводникам протекают фазные токи , разность которых образует токи в электродах . Наличие прямого и обратного проводов в фазе, которые называют «полуфазами», позволяет получить бифилярный токопровод, отличающийся пониженным индуктивным сопротивлением. При этом на 15 % увеличивается расход меди, так как соотношение сечений проводников по рассмотренным схемам соединения составляет .

В зависимости от места соединения проводников или обмоток трансформатора в нулевой точке различают схему: «звезда» на трансформаторе и «звезда» на ванне ДСП.

В зависимости от места соединения проводников в «треугольник» различают схемы: «треугольник» на шинном мосту, «треугольник» на кабельных гирляндах и «треугольник» на электродах, когда местом соединения проводников вторичного токопровода в «треугольник» являются электрододержатели.

Наиболее простой конструкцией вторичного токопровода отличается электрическая схема «звезда» на трансформаторе (рис. 33,а), применяющаяся на ДСП малой вместимости и мощности. По этой схеме обмотки вторичного (низкого) напряжения соединены в «звезду», а выводы А, В и С сгруппированы пофазно в ряд параллельных шин. Все участки вторичного токопровода обтекаются линейным током . При такой конструкции компланарного* токопровода возникает неодинаковая взаимная индукция по фазам, вызывающая неравномерное выделение мощности в дугах. Однако величина этой неравномерности незначительна (при малых токах) и не оказывает существенного влияния на показатели работы ДСП малой вместимости.

На средних ДСП применяют вторичный токопровод по схеме «треугольник» на шинном мосту (см. рис. 33,б). В этой схеме начала a, b, c и концы x, y, z обмоток трансформатора выводятся таким образом, чтобы начала и концы обмотки находились рядом, тремя группами пофазно, т.е. a и x, b и y, c и z. На шинном мосту шины, подсоединенные через гибкие компенсаторы к выводам трансформатора, располагают таким образом, чтобы проводники, несущие прямой и обратный токи, располагались рядом, обеспечивая за счет бифилярной схемы снижение индуктивного сопротивления. Проводники соединяют в «треугольник» на шинном мосту специальными перемычками, формируя узлы x + b для фазы B и y + c для фазы С. При компланарном токопроводе узел z + a для фазы А формируют длинной перемычкой, поскольку соединяемые полуфазы z и a расположены на противоположных сторонах шинного моста.

Рис. 33. Схемы соединения проводников вторичного токопровода ДСП:
а – «звезда» на трансформаторе; б – «треугольник» на шинном мосту;
в – «треугольник» на электродах; г – триангулированная «звезда»;
1 – обмотки НН электропечного трансформатора; 2 – шинный мост;
3 и 5 – неподвижные и подвижные «башмаки» соответственно;
4 – кабельные гирлянды; 6 – трубошины на рукавах; 7 – электрододержатели;
8 – графитированные электроды; 9 – перемычка

Остальная часть проводников от шинного моста до электродов, будучи соединена по схеме «звезда», обтекается линейным током и в компланарном варианте также создает неравномерное выделение мощности в дугах, хотя и при меньшем индуктивном сопротивлении (за счет шинного моста, соединенного по схеме «треугольник»).

На крупных ДСП обычной и повышенной мощности применяют вторичный токопровод по схеме «треугольник» на электродах (см. рис. 33, в). При этой схеме бифилярный токопровод для полуфаз b и y, c и z можно обеспечить на всем протяжении токопровода от выводов трансформатора через шинный мост, кабельные гирлянды и трубошины на рукавах до электрододержателей фаз B и C, т.е. создать двойной бифиляр. Для фазы А полуфазы a и x можно проложить бифилярно только на шинном мосту, а далее полуфазы расходятся на противоположные стороны компланарного токопровода, не позволяя снизить индуктивное сопротивление в фазе А до значения сопротивления в двух других фазах, что создает электрическую несимметрию трехфазной системы и неравномерное выделение мощности в дугах.

Для создания бифилярного токопровода во всех трех фазах с минимальной неравномерностью, т.е. для создания симметричного «треугольника», необходимо для полуфазы a иметь четвертый рукав, синхронно передвигающийся с рукавом фазы А, что позволит длинную шинную перемычку этой полуфазы перенести с шинного моста на уровень электрододержателей. В этом случае проводники полуфазы a на четвертом рукаве и полуфазы на рукаве фазы B будут расположены бифилярно, обеспечивая электрическую симметрию по фазам. Несмотря на свои достоинства, сложная конструкция токопровода с четвертым рукавом не нашла применения на ДСП высокой мощности.

На современных ДСП высокой и сверхвысокой мощности третьего и четвертого поколений применяют триангулированный* вторичный токопровод по схеме «треугольник» на шинном мосту и «звезда» на ванне ДСП (см. рис. 33, г). Расположение проводников трех фаз на всех участках токопровода по вершинам равностороннего треугольника создает условия для одинакового влияния переменных магнитных полей соседних проводников и вырывания взаимной индуктивности. Статическая неравномерность загрузки фаз такой симметричной трехфазной системы составляет не более 8 %.