Определение вторичного напряжения

В соответствии с вышеизложенными соображениями по выбору электрических параметров ДСП по данному значению мощности дуги , найденному при разработке энергетического режима плавки, целесообразно определить технологически необходимую силу тока дуги I_д с учетом влияния электродинамических явлений на массообмен в ванне жидкого металла и на теплообмен в рабочем пространстве ДСП.

Это позволило бы:

1) определить напряжение дуги ;

2) рассчитать диаметр электрода (см. § 3);

3) сконструировать вторичный токопровод;

4) рассчитать активное сопротивление электрода , вторичного токопровода и всей силовой цепи ;

5) рассчитать индуктивное сопротивление вторичного токопровода и всей силовой цепи Х;

6) составить эквивалентную схему замещения силовой цепи ДСП;

7) рассчитать вторичное фазное напряжение

. (87)

Однако практически такой способ не применяют, так как пока еще нет количественных зависимостей между , I_д, коэффициентом эквивалентной (эффективной) теплопроводности и т.п.

Если известны величины R и X при данной конструкции вторичного токопровода ДСП, можно определить U_2ф (или U_2л) для некоторых характерных режимов работы с учетом (69).

Высшую ступень вторичного линейного напряжения U_2лВ современных ДСП различной мощности (рис. 37) можно описать корреляционной зависимостью типа

, (88)

где – в вольтах, если – в мегавольтамперах.

Рис. 37. Зависимость высшей ступени вторичного линейного напряжения от номинального значения полной мощности ДСП второго (кривая 1), третьего (кривая 2) и четвертого (область 3) поколений и высокоимпедансных ДСП (область 4);
точки – фактические значения

Значения показателя степени n и коэффициента k в (88) зависят от типа ДСП и методики корреляции (табл. 6).

Таблица 6

Значения величин для корреляционной зависимости (88)
по данным разных авторов

n	k	Автор	Тип ДСП (поколение)
0,25	180…500	А.Н. Соколов	Первое, второе
0,25	210…260	Л.Е. Никольский	Второе
0,33	180…200	Ф.П. Еднерал	Малые печи
0,33	160…180	Н.В. Окороков	Крупные печи
0,33	200…240	Г.А. Лопухов	Четвертое
0,33	250…270	В.Д. Смоляренко	Высокоимпедансные

Электропечные трансформаторы современных ДСП имеют 4–10 ступеней вторичного напряжения с постоянной мощностью, что позволяет регулировать теплообмен в рабочем пространстве на разных этапах энергетического периода плавки (см. рис. 21). Применяя при использовании вспененных шлаков более высокое напряжение и соответственно более длинные дуги согласно уравнению (34), ДСП работает на меньших токах с более высокими электротехническими показателями.

По ходу плавки вторичное напряжение снижают для уменьшения мощности согласно энергетическому режиму (см. § 5).

Ступень можно изменить двояко:

1) пропорционально мощности

(89)

что обеспечивает заданную силу тока I_д. При этом для поддержания неизменными электротехнических коэффициентов и требуется соответствующее уменьшение индуктивного сопротивления X (например, при наличии регулируемого токоограничивающего реактора или вторичного токопровода с регулируемым );

2) с соответствующим изменением силы тока I_д, чтобы при X = const иметь неизменными соотношение и коэффициенты λи η_э. Если

, (90)

то для должно быть

и . (91)

Низшая ступень вторичного напряжения определяется глубиной регулирования напряжения в виде . При регулировании (при X = const)

, (92)

т.е. с учетом глубины регулирования мощности ДСП глубина регулирования вторичного напряжения на современных ДСП может составлять от 2 до 4.

Конечно, при определении вторичного напряжения следует учитывать не только чисто электро- и теплотехнические требования, но и требования технологического процесса, особенно в восстановительный период. По данным Ф.П. Еднерала, низшая ступень вторичного напряжения, используемая в конце восстановительного периода, должна составлять 120…150 В.

Рабочие характеристики

Эксплуатационные коэффициенты электропечной установки сильно зависят от электрического режима. Рациональный электрический режим для каждой ступени мощности и вторичного напряжения – важнейшее и необходимейшее условие ее эксплуатации.

Для определения таких режимов строят рабочие характеристики, изображающие зависимость между силой тока I_д и электрическими, теплотехническими и технико-экономическими показателями работы ДСП (рис. 38) при заданном значении вторичного напряжения U_2ф:

полная мощность ; (93)

реактивная мощность ; (94)

активная мощность, забираемая из электросети, ; (95)

коэффициент мощности [см. (72)] ;

мощность электрических потерь ; (96)

мощность, выделяемая в дугах, ; (97)

электрический КПД [см. (73)] ;

мощность тепловых потерь* ; (98)

полезная мощность ; (99)

общий КПД ; (100)

массовая скорость нагрева ; (101)

удельное время ; (102)

удельный расход электроэнергии . (103)

Рис. 38. Теоретические рабочие характеристики ДСП
на заданной ступени вторичного напряжения (U_2л = const)
и при R = const, Х = const, Р_т.п. = const

Из рис. 38 видно, что:

1) при силе тока в рабочем пространстве ДСП выделяется максимальная мощность нагрева и соответственно максимальная полезная мощность , обеспечивая максимальную массовую скорость нагрева (плавления) , т.е. минимальную продолжительность τ работы на данной ступени напряжения . При

, (104)

где – в вольтах; R и X – в миллиомах; – в килоамперах;

2) при силе тока обеспечивается максимальный общий КПД печи ,т.е. работа ДСП с минимальным удельным расходом электроэнергии на данной стадии технологического процесса с теоретически необходимым энергопотреблением . При = 0

, (105)

где – в вольтах; R и X – в миллиомах; – в киловаттах; – в килоамперах;

3) , т.е. наименьший удельный расход электроэнергии достигается при меньшей силе тока и меньшей мощности нагрева, чем наибольшая производительность ДСП. Поэтому для определения целесообразного режима работы ДСП требуется дополнительный технико-экономический анализ.

Поскольку производительность печи и удельный расход электроэнергии определяют расходы по переделу и в целом себестоимость выплавляемой электростали, можно построить кривую зависимости себестоимости от силы тока (см. рис. 38) и определить оптимальный электрический режим по минимуму .

При открытом горении дуг в конце расплавления и в технологические периоды плавки, помимо выше рассмотренных рабочих характеристик (см. рис. 38), параметры электрического режима необходимо определять с учетом влияния силы тока на тепловую работу ДСП. Увеличение силы тока дуги на данной ступени вторичного напряжения связано с понижением напряжения на дуге (см. рис. 38):

, (106)

уменьшением длины столба дуги согласно уравнению (34), длины открыто-излучающей части столба дуги , усилением экранирования излучения дуги на футеровку и уменьшением облученности q стены и свода (рис. 39). По данным В.А. Рулева, в диапазоне рабочих токов вблизи максимума активной мощности (см. рис. 38) происходит уменьшение износа и повышение стойкости футеровки стены ДСП-100.

В качестве количественной характеристики теплового действия электрических дуг на футеровку используют эмпирический комплекс, предложенный В. Швабе (W. Schwabe, США):

, (107)

где КИФ – коэффициент износа футеровки, МВт×В/м²;
– суммарная мощность дуг, МВт;
– напряжение на дуге, В;
– расстояние «дуга – стена», м.

Из рис. 39 видно, что:

1) максимумы облученности футеровки и коэффициента износа футеровки расположены левее максимума полезной мощности в области меньших рабочих токов и более длинных дуг;

2) при увеличении силы тока до и выше облученность футеровки снижается в результате усиления экранирования излучения более короткой дуги, заглубленной в вогнутый мениск зеркала ванны, что приводит к увеличению мощности, передаваемой нагреваемому металлу.

Для оценки скорости нагрева жидкого металла проф. В.Д. Смоляренко ввел эмпирический коэффициент интенсивности нагрева металла , где – суммарная мощность дуг, МВт; – сила тока дуги, кА. Таким образом, в конце периода расплавления следует считать теплотехнически целесообразным электрический режим, обеспечивающий максимальное значение при благоприятных условиях тепловой работы футеровки ДСП, несмотря на резкое ухудшение электротехнических коэффициентов λи η_э. Условием режима максимальной величины является

. (108)

Максимумы рассмотренных рабочих характеристик отечественных ДСП достигаются при следующих условиях (см. рис. 39) и табл. 7.

Таблица 7

Экстремальные значения рабочих характеристик (по данным ВНИИЭТО)

Рабочая характеристика	λ	Iд/Iк.з
КИФ	0,83…0,87	0,50…0,56
Pпол	0,73…0,78	0,63…0,68
КИН	0,61…0,66	0,75…0,79

В результате анализа рабочих характеристик ДСП параметры электропечного трансформатора (вторичное напряжение, номинальной ток) и электрического режима работы ДСП (рабочий ток) необходимо выбирать с учетом достижения их экстремальных значений.

Рабочие электрические режимы для конкретных ДСП должны устанавливаться для каждой ступени вторичного напряжения с учетом несимметрии нагрузок по фазам и несинусоидальности напряжения и тока дуги.

Футеровка

Футеровка ДСП состоит из подины, стены и свода.