Электрический режим работы печи

Электрическая дуга является основным источником тепла в дуговой сталеплавильной печи. Электрическая дуга или дуговой чего кинетическая энергия электронов превращается в тепловую и световую, аналогичный процесс идет на катоде бомбардируемым положительно заряженными частицами; температура бомбардируемого пятна анода составляет 3600-4000 °С, катода 3200-3600 °С, а температура столба дуги достигает 6000 °С.

В дуговой сталеплавильной печи дуга горит между электродами и металлом (жидкая ванна, нерасплавившаяся шихта) и представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Поскольку дуговые печи питаются переменным током, в течение каждого полупериода меняются катод и анод, а напряжение и сила тока дуги достигают максимума и проходят через ноль. Эмиссия электронов с катода существенно облегчается при повышении температуры катода, поэтому в дуговой печи после расплавления шихты дуга горит более устойчиво, чем в начале плавки при холодной шихте. Длина дуги на больших высокомощных печах может достигать 150–200 мм, сила тока 60–100 кА.

Мощность печного трансформатора и дуги. В течение многих лет дуговые печи, работавшие по традиционной технологии с окислительным и восстановительным периодами, оснащали трансформаторами с невысокой удельной мощностью (от 130 до 200-400 кВА/т). В последние 10-15 лет, как правило, сооружают печи с высокомощными трансформаторами (до 1000 кВА/т). Требуемую мощность трансформатора определяют расчетом, задаваясь длительностью периода расплавления шихты, которую принимают в пределах 1,0 ч. Связь между этими параметрами следующая:

,

где S – номинальная мощность трансформатора, кВА; Т – масса металлической завалки, т; Q – удельный расход электроэнергии за период плавления (расплавление шихты и нагрев металла и шлака до ~ 1550 °С), кВт·ч/т; τ – длительность расплавления, ч; cosφ – коэффициент мощности печной установки; η_эл – электрический к.п.д. установки; К – коэффициент, учитывающий колебания электрического режима из-за неустойчивости горения электрических дуг (К ≈ 0,85).

Величина Q на высокомощных печах составляет 400-430 кВт·ч/т; значение τ_эл изменяется в пределах от 0,95-0,8 и определяется величиной электрических потерь в короткой сети, снижаясь при росте этих потерь; cosφизменяется в пределах от 0,9 до 0,7-0,6, его снижение означает ухудшение использования отбираемой трансформатором из сети электроэнергии.

Подводимая от трансформатора в печь мощность (активная мощность р_а) определяется по известному для трехфазной цепи соотношению:

,

где U - величина вторичного напряжения печного трансформатора, В; I - сила тока в короткой сети (сила тока дуги), А. Полезная мощность (суммарная мощность дуг) р_д меньше р_а и равна:

Таким образом, мощность дуг в основном определяется величиной питающего напряжения и силой тока дуги, а также значениями cosφи η_эл. Характер зависимости между этими величинами при постоянном значении вторичного напряжения трансформатора показан на рисунке 25.

Регулирование подводимой в печь мощности и мощности дуг осуществляют двумя способами: путем переключения ступеней вторичного напряжения печного трансформатора (в пределах от 110 до 600-900 В) и изменением силы тока дуги I. Регулирование I основано на следующей закономерности: при неизменном вторичном напряжении величина I зависит от активного и реактивного сопротивлений короткой сети (на данной печи относительно постоянных) и от сопротивления воздушного промежутка между электродом и металлом. Изменяя величину последнего, т.е. длину дуги, достигают изменения I (при увеличении дугового промежутка его сопротивление возрастает и поэтому I уменьшается и наоборот).

Электрический режим печей, работающих по традиционной технологии, основывается на том, что по потреблению электроэнергии процесс плавки делится на два этапа: первый включает период расплавления, в течение которого расходуется ~ 2/3 общего количества электроэнергии (430– 480 кВт∙ч/т), второй – окислительный и восстановительный периоды, когда после расплавления металла потребность в подводимой мощности резко снижается.

р_а – активная мощность; р_д – мощность дуг; р_эп – мощность электрических потерь; η_эд – электрический к.п.д.; cosφ – коэффициент мощности; I – сила тока

Рисунок 3.15 – Электрические характеристики 100-т дуговой электропечи

для ступени напряжения 486 В

На высокомощных печах технология плавки включает период плавления и короткий окислительный период, проводимый нагревом жидкого металла. Значительную часть периода плавления, когда излучение дуг поглощается стальным ломом, экранирующим стены печи, работают на высших ступенях напряжения и длинных дугах (при относительно небольших токах), что обеспечивает хорошую излучательную способность мощных дуг при высоких значениях cosφ (~ 0,9). После сформирования жидкой ванны, чтобы уменьшить облучение стен печи переходят на работу с короткими при больших токах и напряжении высокомощными дугами. Такие дуги в значительной мере заглублены в ванну, что увеличивает передачу тепла жидкому металлу, но из-за больших токов сильно снижается cosφ (до 0,7–0,6).

Для повышения экономичность электрического режима разработана технология работы с «пенистыми» шлаками: во время плавления и окислительного периода на шлак загружают порции мелкого кокса, это вызывает вспенивание шлака пузырями СО, образующимися при окислении углерода кокса. Электрические дуги оказываются погруженными во вспененный шлак, что позволяет несколько увеличить длину дуг, уменьшив силу тока; при этом cosφвозрастает до 0,8–0,85. По такому режиму работают большинство высокомощных печей.