Дуговые печи постоянного тока

ДУГОВЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА -

ПРОРЫВ К  РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИМ ТЕХНОЛОГИЯМ В  МЕТАЛЛУРГИИ

 

Машьянов В.Г., Саньков С.А., Ковалев  Г.В.,

(ООО «Струмтех, ЛТД»), г. Запорожье;

 

Киселева Т.С., Бадулин А.И.,

(ООО «УкрНИИэлектротерм»), г. Запорожье;

 

+ 2 фотографии:

1. Вид на электропечь и электротехническое помещение со стороны выпуска.
2. Вид на электропечь со стороны рабочего окна и пультовой.

 

«УкрНИИЭлектротерм» совместно с НПКФ «Термо - Инжиниринг» представляет собой бывший Украинский филиал ВНИИЭТО (Всесоюзного НИИ электротермического оборудования) и работает на Украине с 1957г.

До 1980г. «УкрНИИЭлектротерм» занимался  только термическими и нагревательными  электропечами сопротивления, а  с 1980г. было добавлено новое направление  – дуговые, плазменные  и руднотермические электропечи.

На сегодняшний день «УкрНИИЭлектротерм»  разрабатывает, поставляет и внедряет весь комплекс электротермического оборудования - электропечи сопротивления, дуговые и руднотермические электропечи постоянного и переменного тока, электропечи спецметаллургии (плазменные, вакуумно-дуговые, электрошлакового переплава), а также печи на газовом и твёрдом топливе.

Особое место среди направлений  нашей работы занимают электропечи  постоянного тока. Дуговые электропечи постоянного тока ДСПТ находят все большее применение при реализации ряда технологических процессов: производстве стали, чугуна, ферросплавов, выплавке цветных металлов и сплавов, переработке шлаков.

Основными преимуществами и недостатками электропечей постоянного тока перед электропечами переменного тока являются:

Эксплуатация дуговых электропечей постоянного тока по сравнению с  дуговыми электропечами переменного тока такой же мощности и ёмкости без использования дополнительных технологических мероприятий позволяет снизить:

расход электродов - в 3...5 раз в зависимости от подготовки шихты;

суммарный (на процесс) расход электроэнергии - на 2 ...5 %;

расход огнеупорных материалов - на 20 ... 30 % при работе на твёрдой  завалке;

расход исходного сырья - на 1,5...3 % ;

расход дорогостоящих легирующих добавок – на 20…60%;

уровень шума - со 105 дБл до 85 дБл;

количество  пыле-газовыбросов - в 8 .... 10 раз, что  позволяет снизить затраты на газоочистку и природоохранные мероприятия.

Следует отметить, что снижение расхода электродов – одно из самых серьёзных преимуществ электропечей постоянного тока, может решаться и путём орошения электродов водой, но при этом следует рассчитывать на высококачественные импортные электроды, так как отечественные электроды для такого режима работы не предназначены.

В электропечах постоянного тока обратное влияние электропечи на сеть - минимальное, в частности, фликкер-эффект («мерцание») в 2... 5 раз ниже, чем в электропечах переменного тока, что позволяет повысить ресурс печных трансформаторов, гибких кабелей, короткой сети и электрододержателей.

 

Низкая  эрозия графитированных электродов позволяет выплавлять сталь с  низким содержанием С (уровень науглераживания не превышает 0,005 %).

В электропечи  постоянного тока отсутствует необходимость  в применении специальных устройств для перемешивания металла, так как ток дуги, проходящий от подового электрода на дне ванны по всей глубине расплава к анодному пятну на зеркале ванны, взаимодействует с собственным магнитным полем и создаёт в расплаве электромагнитные силы, вызывающие его активное турбулентное движение и перемешивание.

Наличие одного сводового электрода вместо трёх и уменьшение электродинамических  сил, воздействующих на электрод, позволяют  выполнить рабочее пространство электропечи постоянного тока гораздо более герметичным по сравнению с электропечами переменного тока.

За счёт возможности использования электрохимических  реакций на постоянном токе для удаления вредных примесей, улучшения перемешивания металла и более высокой стабильности процесса улучшается качество выплавляемого металла.

Электрическое функционирование электропечи постоянного  тока гораздо проще структурируется и гораздо более предсказуемо чем электропечи переменного тока, желательное напряжение можно поддерживать независимо от силы тока. Электропечь постоянного тока работает более стабильно, в ней проще настраиваются оптимальные условия эксплуатации.

Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока – восходящая по сравнению с нисходящей вольт-амперной характеристикой дуги переменного тока, что благоприятно сказывается на устойчивости и управляемости дуги.

Дуга постоянного  тока в первый период плавки должна работать на максимальном напряжении (длинная дуга), она прорезает в шихте колодец в виде перевёрнутого усечённого конуса, что обеспечивает устойчивое положение шихты и исключает её обвалы, а как следствие сводит к минимуму короткие замыкания, обрывы дуги, повышенный шум, пылегазовыбросы, фликкер-эффект  и т. д.. После проплавления колодца электрический режим должен измениться, электропечь должна работать на средней устойчивой дуге при среднем напряжении и максимальном токе, что обеспечивает высокий к.п.д. дуги и уменьшение влияния дуги на свод и стены электропечи. Используемая в электропечах постоянного тока система управления обеспечивает вышеуказанный режим работы, что в свою очередь обеспечивает оптимальные показатели работы электропечи.

Стабилизация  дуги при постоянном токе вызывает увеличение скорости нагрева и расплавления металла, что приводит к уменьшению периода расплавления на 15…25%.

Отрицательное воздействие дуговых электропечей на питающую электрическую сеть для электропечей постоянного тока гораздо меньше, чем для электропечей переменного тока, поэтому в случаях, когда на электрическая сеть выдерживает наличие минимального количества высоких гармоник, применение электропечи постоянного тока даёт возможность работы без дополнительной установки на высокой стороне дорогостоящего фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ). При необходимости установки ФКУ для электропечей постоянного тока ФКУ гораздо дешевле и менее громоздкое, чем для электропечей переменного тока

К недостаткам  электропечей постоянного тока по сравнению  с электропечами переменного  тока относятся прежде всего повышенные капитальные затраты на приобретение и установку преобразователя с теплообменником и реакторами, а также необходимость увеличенной площади под печную подстанцию. При этом, следует иметь ввиду, что повышенные капитальные затраты окупаются менее чем за год, а преимущества устойчивой и удобной работы, высокого качества выплавляемого металла и экономия эксплуатационных затрат останутся на долгие годы, тем более, эти недостатки перекрываются меньшей стоимостью и габаритами ФКУ.

 

Наличие в  электропечи постоянного тока подовых  электродов требует дополнительного  расхода воды на их охлаждение, более серьёзной системы контроля за системой водоохлаждения и более частого и тщательного контроля за состоянием подового электрода и околоэлектродного участка подины. Однако, эти недостатки для электропечей постоянного тока с лихвой окупаются резким снижением затрат на обслуживание, перепуск и наращивание сводовых электродов, а также снижением затрат по ремонту футеровки стен.

Для высокомощных электропечей с мощностью выше 30МВА  применение постоянного тока сомнительно, так как ограничено выпускаемыми диаметрами графитированных электродов при одном сводовом электроде. Кроме того, в высокомощных электропечах возникает необходимость в подвалке шихты, что существенно уменьшает преимущества печи постоянного тока, связанные с низким угаром и низкими пылегазовыбросами.

 

Основные недостатки индукционных электропечей по сравнению с дуговыми электропечами.

Удельный расход электроэнергии в  индукционных электропечах на 15…18% больше, чем в дуговых электропечах переменного тока и на 25…30% больше, чем в дуговых электропечах постоянного тока.

Угар  металла в индукционных электропечах на 1,5…2,0% больше, чем в дуговых электропечах постоянного тока.

Брак отливок в индукционных электропечах более чем в два  раза больше, чем в дуговых электропечах постоянного тока.

Стойкость футеровки в индукционных электропечах ниже в 5…7 раз, чем в дуговых электропечах переменного тока и ниже в 15…20 раз чем в электропечах постоянного тока.

Количество неметаллических включений  в дуговых электропечах значительно  меньше, чем в индукционных электропечах, при этом, крупные включения отсутствуют полностью.

Возможность неполной загрузки ванны электропечи:

- для индукционной - не менее 80% ёмкости, при меньшей загрузке  она не работает;

• для дуговой  - не менее 20% ёмкости.

В дуговых электропечах по сравнению с индукционными есть возможность включения/отключения электропечи в любой момент без потери завалки.

Относительно  холодные шлаки в индукционных электропечах, затрудняющие протекание реакций между металлами и шлаком и, следовательно, сильно затрудняющие процессы рафинирования. Довока расплава по составу в индукционных электропечах – проблематична.

Более низкий к.п.д. всей установки, включая  источник повышенной частоты, а также  конденсаторы.

Дорогостоящее и сложное оборудование, сопутствующее установке индукционных печей и большие эксплуатационные расходы на его обслуживание, необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала.

Индукционная электропечь имеет  повышенную угрозу взрывоопасности.

 

Основные недостатки дуговых электропечей по сравнению с индукционными электропечами.

Угар металла в индукционных электропечах на 1,5…2,0% меньше, чем в дуговых электропечах переменного тока.

Брак  отливок в индукционных электропечах в 1,3…1,5 раз меньше, чем в дуговых электропечах переменного тока.

Наличие подовых электродов в дуговой  электропечи постоянного тока требует  дополнительного расхода воды на их охлаждение и вызывает дополнительные затраты по их обслуживанию за счёт необходимости постоянного наблюдения и контроля за их состоянием.

Количество пыле-газовыбросов в  индукционной электропечи меньше, чем  в дуговых электропечах.

Наличие графитированных электродов в дуговых электропечах переменного  тока затрудняет выплавку сталей с низким содержанием углерода.

 

За последние 10 лет Украине и России совместными усилиями фирм «УкрНИИЭлектротерм», НПКФ «Термо-Инжиниринг» и «Струмтех, ЛТД» введены в эксплуатацию более пятнадцати дуговых электропечей постоянного тока емкостью от 0,5т. до 12,0т.

В 1997 г. на ОАО «ЗАлК» была введена  в эксплуатацию первая в Украине электропечь постоянного тока мощностью 9 МВА для выплавки кристаллического кремния, производительностью 12 т в сутки, которая была построена на базе однофазной печи переменного тока. Многолетняя эксплуатация электропечи подтвердила преимущество перевода электропечи на постоянный ток: расход кварцита снизился на 10%, древесного угля – на 20%, графитированных электродов – на 15-20%, реактивной энергии на 35-40%. Качество выплавляемого кремния улучшилось. Качество потребляемой электрической энергии улучшилось и соответствует требованиям стандартов.

В 1998г. На предприятии «Сплав», г. Бровары  была внедрена дуговая электропечь  постоянного тока для выплавки карбида  кальция. В процессе эксплуатации подтверждён низкий расход электродов и высокое качество полученного карбида кальция.

В 1999 г на ОАО «Запорожабразив» была проведена кампания по переводу однофазной электропечи переменного тока по выплавке карбида кремния на питание постоянным током от тиристорного источника мощностью 4000 кВА. В процессе эксплуатации электропечи подтверждено снижение расхода электроэнергии не менее чем на 5%.

С 2002г по 2005 г введены в эксплуатацию три электропечи постоянного тока емкостью 0,5т., 3,0т., 6,0т. на ОАО «Арселор Миттал Кривой Рог», которые успешно эксплуатируются при трехсменном режиме работы при выплавке различных марок чугуна и стали, где также подтверждены все преимущества электропечей постоянного тока:

• снижение расхода графитированных электродов в 3 раза;
• увеличение стойкости футеровки подины и стен;
• уменьшение угара металла и легирующих добавок;
• улучшение экологической обстановки в зоне работы электропечи.

Всё оборудование изготавливалось  на предприятиях г. Запорожья.

В 2004г. на ООО «Панком-ЮН» внедрена и успешно работает электропечь  ДСПТ-1,5, на которой кроме выплавки различных марок стали, выплавляется медь и медные сплавы, а также производились плавки на медно-никелевых и никель-кобальтовых концентратах с высоким эксплуатационными показателями.

В 2006 г на ООО «Ферротрейдинг»  г. Запорожье введены в эксплуатацию две электропечи постоянного тока емкостью 12 т с водоохлаждаемым сводом, предназначенные для переработки шлаков, отсевов ферросплавов, лома черных металлов. Удельный расход электроэнергии при переплаве нержавеющего лома достигает 600 кВт*ч/т. Отличительной особенностью печей является их способность адаптации к различным технологическим процессам. Кроме собственно внедрения электропечей «УкрНИИЭлектротерм совместно с ГП «ГИПРОСТАЛЬ» выполнял рабочий проект установки электропечей.