Преимущества и недостатки дуговых печей постоянного и переменного тока
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

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.