Преимущества и недостатки дуговых печей постоянного и переменного тока
Первые дуговые сталеплавильные печи, появившиеся в конце XIX века, были печами постоянного тока. Позже в течение многих десятилетий в черной металлургии доминировали печи переменного тока. И несмотря на достигнутые успехи, дуговые печи переменного тока обладают целым рядом недостатков:
- они работают с относительно низким коэффициентом мощности,
- являются источниками мощных помех в питающих энергосистемах,
- вызывают сильную загазованность окружающей среды,
- имеют высокий уровень шума.
Для устранения указанных недостатков с начала 80-х годов все большее распространение начинают находить дуговые печи постоянного тока.
До 1990 г. число этих печей было единицы, к началу 1993 г. в мире в эксплуатации находилось 46 дуговых печей постоянного тока, а к концу 1998 г. - более 130 дуговых сталеплавильных печей постоянного тока.
В проектировании и эксплуатации ДСП постоянного тока было использовано множество новых разработок как электротехнических и конструкторских, так и технологических: новые конструкции трансформаторов, выпрямителей, фурм, горелок, новые системы автоматизации и управления, способы вдувания кислорода, углерода, шлакообразующих, подогрева и загрузки шихты, дожигания технологических газов, донный внецентренный выпуск плавок, вспенивание шлаков, донная продувка ванны газами и т.д.
Продолжительность плавки в новых крупных печах составляет менее 60 мин и ожидается доведение ее в ближайшее время до 30 - 40 мин.
Основными отличиями печей постоянного тока различных фирм является количество подовых электродов - катодов и конструкция токопроводящего узла - анода. Многоэлектродные печи постоянного тока распространения не получили. Практически все работающие дуговые печи постоянного тока являются одноэлектродными.
По конструкции используемые токопроводящие узлы подины в основном можно разделить на четыре типа (в скобках - фирма-разработчик):
- токопроводящая подина, охлаждение воздушное (АВВ Industrie AG);
- многостержневой металлический подовый электрод, охлаждение воздушное (МАN GHH / Nippon Коkan);
- многопластинчатый металлический подовый электрод, охлаждение воздушное (Deutshe Voest Alpine Industrieanlagenbau);
- одностержневой металлический электрод, иногда несколько электродов, охлаждение водяное (Clecim).
Особых преимуществ у какого-либо из этих подовых электродов не выявлено; стойкость их, как правило, превышает 1200 плавок.
Силовая линия дуговых печей постоянного тока в отличие от трехфазных печей включает выпрямительный блок и сглаживающий реактор, снижающий эффект мерцания. Для питания постоянным током используют тиристорные и диодные преобразователи. Однозначного мнения о том. какой из этих преобразователей лучше, в настоящее время нет. В мире освоено производство мощных и компактных выпрямителей для печей любой емкости. В случае недостаточной единичной мощности преобразователей их объединяют в блоки для получения необходимых параметров источников питания. Источники питания могут собираться по схемам последовательного, параллельного либо параллельно-последовательного подключения. Это повышает надежность, так как при выходе из строя одного трансформатора процесс плавки может быть продолжен с использованием оставшегося. Кроме того, может быть реализован режим с повышенным напряжением при последовательном включении и повышенным током дуги при параллельном включении тиристорных секций без увеличения установленной мощности источником электропитания. В подине дуговой печи можно размещать несколько изолированных от корпуса электродов и создавать печи большой мощности, подключая каждый источник электропитания к определенному подовому электроду.
Печи постоянного тока имеют следующие преимущества по сравнению с печами переменного тока:
- меньший удельный расход электродов на 50-60 %;
- снижение уровня фликера на 50 %;
- возможность подводить большую мощность;
- более высокую надежность электрооборудования;
- работа с длинными дугами;
- перемешивание ванны под воздействием электродинамических сил;
- упрощение технического обслуживания и сокращение трудозатрат;
- равномерная тепловая нагрузка на футеровку печи;
- снижение уровня шума на 15 дБ;
- стабилизация технологии;
- лучшее формирование колодцев при проплавлении шихты;
- снижение угара легирующих элементов;
- снижение содержания азота в стали:
- уменьшение газовыделения и пылеобразоаания;
- снижение расхода огнеупоров;
- повышение производительности.
Однако, несмотря на широко рекламируемые преимущества печей постоянного тока, некоторые фирмы предпочитают устанавливать трехфазные печи.
Это обусловлено следующим:
- капитальные затраты на печь переменного тока ниже;
- суммарный расход электроэнергии практически одинаков;
- торцовый расход электродов и воздействие на питающую сеть высокоимпедансных трехфазных печей и печей постоянного тока сближаются;
- печи переменного тока имеют большую гибкость регулирования температуры ванны.
Недостатки дуговых печей постоянного тока:
- работа на длинных дугах приводит к повышенным тепловым потерям (дуга постоянного тока характеризуется пониженным значением градиента потенциала в столбе дуги, что для обеспечения выделения в дуге требуемой мощности вызывает необходимость увеличения ее длины до 0,8 -1,0 м. После расплавления шихты это приводит к росту потоков излучения на стены и свод печи и увеличению тепловых потерь);
- в дуговой печи постоянного тока требуются специальные меры по предотвращению отклонения дуги из-за явления магнитного дутья;
- ввод в электрическую цепь полупроводникового источника снижает надежность установок и повышает их стоимость.
Аналогично не отвечает электротехнологическим требованиям и дуга переменного тока. В начальный период плавки дуга имеет небольшую длину, что повышает вероятность эксплуатационных коротких замыканий и увеличивает расход энергии, усиливает влияние на питающую сеть. В то же время дуга непрерывно перемещается, что расширяет колодцы и снижает остроту проблемы перегрева подины. По расплавлении шихты дуга переменного тока более эффективна (без учета расхода электродов).
Исследования показали, что КПД дуг переменного тока в зависимости от электрического и шлакового режимов изменяется в пределах 0,55 - 0,85, КПД дуг постоянного тока - в пределах 0.40 - 0,75, чем и объясняется больший, в некоторых случаях, удельный расход электроэнергии в дуговых печах постоянного тока.
Показатели работы современных дуговых печей постоянного и переменного тока близки, за исключением расхода электродов – на дуговых печах постоянного тока расход графитированных электродов примерно в два раза ниже чем на дуговых печах переменного тока.
В ближайшем будущем продолжится "соревнование" дуговых печей постоянного и переменного тока, будут строиться те и другие печи, но опережающими темпами будут строиться дуговые печи постоянного тока - примерно в два раза больше, чем новых дуговых печей переменного тока.
При определении типа строящейся печи в каждом конкретном случае проводится комплексный анализ проекта, где учитываются
- географическое расположение площадки, на которой будет установлена печь;
- вид используемой металлошихты;
- наличие мощных источников электроэнергии;
- обеспеченность топливом и кислородом;
- экологические требования;
- возможности рафинирования жидкого металла в агрегатах внепечной обработки и другие факторы.
При прочих равных условиях предпочтение отдается технологиям и агрегатам, характеризуемым меньшими издержками на сырьевые материалы и их транспортировку.