Экономия материальных и энергоресурсов при выплавке стали в ДСП переменного и постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра МТ

КУРСОВАЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

На тему: «Экономия материальных и энергоресурсов при выплавке стали в ДСП переменного и постоянного тока»

Группа: МЧН -05-52з

Вариант: 5

Выполнил: Даниленко А.С.

Руководитель: Заводяный А.В.

Новотроицк 2010г.

Содержание

Введение

1. Устройство дуговых печей переменного и постоянного тока

1.1 Общее описание дуговой электропечи переменного тока

1.2 Шихтовые материалы для печей переменного тока

1.3 Дуговые печи постоянного тока (дппт)

1.4 Преимущество дуговых печей постоянного тока

2. Регуляторы электрического режима при плавке в ДСП и ДППТ

3. Тенденции развития дуговых печей

Заключение

Список используемой литературы

Ведение

Почти четыре десятилетия назад по инициативе профессоров А. А. Фёдорова и М. Я. Смелянского начаты и продолжаются в настоящее время работы по проблемам электроснабжения дуговых сталеплавильных печей (ДСП) как наиболее мощных электротермических установок (ЭТУ) с вероятностной природой нагрузки. За эти годы изменялись конструкции ДСП и технологические процессы плавки металла в них, электрические режимы их работы и системы питания.

В настоящее время, наряду с ДСП переменного тока, широко применяют дуговые печи постоянного тока (ДППТ), которые имеют определённые технологические и энергетические преимущества (например, снижение расхода графитированных электродов, угара металла и ферросплавов, выбросов пыли и уровня шума; на постоянном токе снижаются падение напряжения в токоподводах (короткой сети) и, соответственно, потери энергии).

Применение ДППТ привело к некоторой переоценке проблем электроснабжения дуговых печей. Печи отличаются существенно более спокойным электрическим режимом, что обеспечивает снижение уровня колебаний напряжения дуги и уменьшение фликкера в питающей энергосистеме. Наличие выпрямителя исключает прямое воздействие нелинейного сопротивления дуги на сеть и снижает уровень высших гармоник, т. е. улучшает форму кривой напряжения сети. Обычно в ходе работы коэффициент мощности ДППТ даже при использовании управляемого выпрямителя составляет 0,85-0,94 (что существенно выше, чем у ДСП переменного тока). В настоящее время число действующих печей постоянного тока примерно равно числу работающих ДСП переменного тока.

Однако при сравнении вариантов питания дуговых печей постоянным и переменным током необходимо учитывать усложнение конструкции печи из-за введения подового электрода, стоимость мощного выпрямителя, дополнительные задачи его обслуживания и другие факторы, т. е. в каждом конкретном случае требуется проведение технико-экономического расчёта . Для слабых сетей электроснабжения ДППТ имеют заметное преимущество перед ДСП. дуговой электропечь плавка переменный ток

1.Устройство дуговых печей переменного и постоянного тока

1.1 Общее описание дуговой электропечи переменного тока

Дуговая печь (рисунок 1) состоит из рабочего пространства (собственно печи) с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты.

Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из листового железа толщиной 16-50 мм в зависимости от размеров печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой электропечи. Наиболее распространенным в настоящее время является кожух конической формы. Нижняя часть кожуха имеет форму цилиндра, верхняя часть--конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает заправку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она дальше расположена от электрических дуг. Используют также кожухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми панелями. Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жесткости. Днище кожуха обычно выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и минимальную массу кладки. Днище выполняют из немагнитной стали для установки под печью электромагнитного перемешивающего устройства.

Сверху печь закрыта сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, которое выдерживает распирающие усилия арочного сферического свода В нижней части кольца имеется выступ - нож, который входит в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют три отверстия для электродов. Диаметр отверстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые разрушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения этого на своде устанавливают холодильники или экономайзеры, служащие для уплотнения электродных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газодинамические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы.

Для загрузки шихты в печи небольшой емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные, печи скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой рамой. К раме крепятся направляющие, по которым скользит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпичом. Для подъема заслонки используют пневматический, гидравлический или электромеханический привод.

С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диаметром 120--150 мм или квадратным 150 на 250 мм. Сливной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10--12° к горизонтали. Изнутри желоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составляет 1--2 м.

Электрододержатели служат для подвода тока к электродам и для зажима электродов. Головки электрододержателей делают из бронзы или стали и охлаждают водой, так как они сильно нагреваются как теплом из печи, так и контактными токами. Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-пневматический электрододержатель. Зажим электрода осуществляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Ог-жатие плиты от электрода и сжатие пружины происходят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве - консоли, который скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну жесткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую конструкцию, которая покоится на платформе опорной люльки печи. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противовесов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств. Механизмы перемещения электродов должны обеспечить быстрый подъем электродов в случае обвала шихты в процессе плавления, а также плавное опускание электродов во избежание их погружения в металл или ударов о нерасплавившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5--6,0 м/мин, скорость опускания 1,0-- 2,0 м/мин.

Механизм наклона печи должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40--45° для выпуска стали и на угол 10--15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на которой установлен корпус, опирается на два - четыре опорных сектора, которые перекатываются по горизонтальным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих - зубцы, при помощи которых предотвращается проскальзывание секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубчатого механизма или гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люльки печи.

Система загрузки печи бывает двух видов: через завалочное окно мульдозавалочной машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах.

При загрузке печи сверху в один-два приема в течение 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокращается время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки печи свод приподнимают на 150--200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полностью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен к раме. Она соединена с неподвижными стойками электрододержателей в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой сосредоточены все механизмы отворота свода. Башня вращается вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего пространства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольца тросом. Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимается краном и опускается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при подъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вываливается в печь в том порядке, в каком она была уложена в бадье.

При использовании в качестве шихты металлизован-ных окатышей загрузка может производиться непрерывно по трубопроводу, который проходит в отверстие в своде печи.

Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий металл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол в 80°. При этом электроды прорезают в шихте уже девять колодцев. Для поворота корпуса приподнимают свод, поднимают электроды выше уровня шихты и поворачивают корпус при помощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики.



Рисунок 1. Схема рабочего пространства дуговой электропечи:

1 - куполообразный свод; 2 - стенки; 3 - желоб; 4 - сталевыпускное отверстие; 5 - электрическая дуга; 6 - сферический под; 7 - рабочее окно; 8 - заслонка;9 - электроды

Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами мощностью до 125 тысяч киловатт. Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000^о С. Дуга, как известно, может возникать при постоянном и переменном токе. Дуговые печи работают на переменном токе. При горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки, когда катодом является электрод, дуга горит, так как пространство между электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта - металл, дуга гаснет, так как в начале плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит прерывисто, неспокойно. После расплавления шихты, когда ванна покрывает ровным слоем шлака, дуга стабилизируется и горит ровно.

1.2 Шихтовые материалы для печей переменного тока

Основной составляющей шихты (75-100%) электроплавки является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; желательно, чтобы содержание фосфора в ломе не превышало 0.05%. при более высоком содержании фосфора продолжительность плавки возрастает. Лом не должен быть сильно окисленным (ржавым). С ржавчиной (гидратом окиси железа) вносится в металл много водорода. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (одной бадьей). При легковесном ломе после частичного расплавления первой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки.

В последнее время расширяется применение металлизованных окатышей и губчатого железа - продуктов прямого восстановления обогащенных железных руд. Они содержат 85-93% Fe, основными примесями являются окислы железа, SiO2 и Al2O3. Отличительная особенность этого сырья - наличие углерода от 0.2-0.5 до 2% и очень низкое содержание серы, фосфора, никеля, меди и других примесей, обычно имеющихся в стальном ломе. Это позволяет выплавлять сталь, отличающуюся повышенной чистотой от примесей. Переплав отходов легированных сталей позволяет экономить дорогие ферросплавы. Эти отходы сортируют по химическому составу и используют при выплавке сталей, содержащих те же легирующие элементы, что и отходы.

Для повышения содержания углерода в шихте используют чугун, кокс и электродный бой. Основное требование к чугуну - минимальное содержание фосфора, поэтому чтобы не вносить много фосфора в шихту малых ((40 т) печей не более 10% чугуна, а в большегрузных не более 25%.

В качестве шлакообразующих в основных печах применяют известь, известняк, плавиковый шпат, боксит, шамотный бой; в кислых печах - кварцевый песок, шамотный бой, известь. В качестве окислителей используют железную руду, прокатную окалину, агломерат, железные окатыши, газообразный кислород. К шлакообразующим и окислителям предъявляются те же требования, что и при других сталеплавильных процессах: известь не должна содержать более 90% CaO, менее 2% SiO2, менее 0.1% S и быть свежеобоженной, чтобы не вносить в металл водород. Железная руда должна содержать менее 8% SiO2, поскольку он понижает основность шлака, менее 0.05% S и мене 0.2% P; желательно применять руду с размером кусков 40-100 мм, поскольку такие куски легко проходят через слой шлака и непосредственно реагирует с металлом. В плавиковом шпате, применяемом для разжижения шлака содержание CaF2 должно превышать 85%.

1.3 Дуговые печи постоянного тока (дппт)

Дуговые печи постоянного тока состоят из частей и механизмов, применяемых в дуговых печах переменного тока одинаковой с ней вместимости: стального футерованного кожуха; свода, который может быть водоохлаждаемым; стен печи, которые могут быть выполнены так же из водоохлаждаемых панелей; механизма наклона печи для слива металла и удаления шлака, механизма перемещения ГЭ; механизма подъема и поворота свода или выката ванны для завалки печи шихтой; рабочего окна с дверцей. Отличительная особенность ДППТ нового поколения от ДП переменного тока наличие только одного верхнего ГЭ (катода), расположенного вдоль вертикальной оси печи, и подовых электродов (ПЭ) анодов в подине печи или токопроводящей подины.

При использовании крупной плавильной печи по подовому электроду (ПЭ) протекает ток в десятки тысяч ампер, поэтому ПЭ испытывает большие тепловые нагрузки. Наибольшее распространение получил ПЭ, выполненный в виде медного водоохлаждаемого корпуса и стальной головной части. Основным недостатком такого ПЭ является его взрывоопасность в аварийной ситуации.

Подовые электроды можно классифицировать по материалу электрода (огнеупорная подина, проводящая ток в разогретом состоянии, графитовый электрод, металлический электрод, комбинированный электрод, состоящий из металла и графита) и по условиям безопасности (взрывоопасное охлаждение и взрывобезопасное охлаждение).

Исходя из условий работы ПЭ, можно сформулировать основные требования к ним.

Конструкция электрода должна обеспечивать:

надежность электрического контакта с шихтой при минимальных тепловых потерях (как в холодной, так и в горячей печи);

соблюдение условий взрывобезопасности;

простоту и технологичность изготовления;

отсутствие неконтролируемых сварных швов, по которым вода может попасть в подину печи;

удобство набивки, заправки и ремонта подины;

удобство и быстроту замены электрода в случае выхода его из строя.

Материал электрода должны выбирать, исходя из условий надежной работы при высоких тепловых и токовых нагрузках, стойкости к механическим и тепловым ударам, отсутствия загрязнения расплава и взаимодействия с футеровкой подины.

Срок службы ПЭ должен обеспечивать бесперебойную работу подины между ее плановыми ремонтами.

Печи футеруют огнеупорными материалами, применяемыми и на ДП переменного тока. Стойкость подины при обычных горячих ремонтах 3…5 лет или 5…7 тыс. плавок. Подина может быть наварена после срывов, подвергнута промежуточному ремонту и заменена (без замены ПЭ). Материалы могут быть многократно использованы при ремонтах подины печи. При плавке в такой печи можно использовать все известные технологические приемы: кипение ванны, обработку шлаком, продувку металла кислородом или инертным газом, легирование и процессы, усиленные и ускоренные применением электромагнитного перемешивания. Для работы современных печей постоянного тока требуется уровень тока до 130 к А и напряжение до 750 В, в большинстве случаев используется 12-импульсные выпрямители тока. Одним из основных элементов подины печь является подовый электрод или токопроводящий электрод или токонроводящий под, подсоединенный к аноду выпрямителя. При использовании подового электрода нижний торец его соединяется с токопроводом, выше которого расположены каналы охлаждения. Каналы охлаждения находятся вне кожуха печи, а основная часть электрода располагается в нижней трети футеровки подины. Сам электрод (рисунок 2)состоит из двух частей - активной (1), находящейся в контакте с расплавом и выполненной в виде стальных листов, приваренных к боковой поверхности основной части электрода, которая в свою очередь представляет собой стальную трубу, заполненную изнутри на установке электрошлакового литья медью (2). Основная часть подового электрода размещается внутри половины по высоте футеровки подины, а ее нижний торец выходит за пределы кожуха печи (4). Каналы охлаждения (5) и токопровод (6) размещены ниже кожуха печи. Такая конструкция подового электрода гарантирует взрывобезопасность печи, минимальные тепловые потери, высокую стойкость подины - 3-5 лет и многократное использование основной части подового электрода.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Установка подового электрода

1.4 Преимущество дуговых печей постоянного тока

Таблица №1 Показатели работы печей переменного и постоянного тока

Показатель	Углеродистая сталь	Легированная сталь	Сталь 5ХНМ
	ДСП	ДППТУ	ДСП	ДППТУ	ДСП	ДППТУ
Количество плавок	22	18	25	21	18	21
Масса металлозавалки,т	24,3	22,8	21,9	21,6	22,1	21,6
Продолжительность плавки,ч	5,1	3,1	4,7	3,1	4,3	3,1
Удельный расход электроэнергии	822	534	915	556	852	543
Производительность печи,т/ч	4,46	7,15	4,50	6,72	4,95	6,70

Таблица №2 Средний расход материалов на плавку, кг.

Тип печи	Руда	Известь	Шамот	ФС 45	ФМн78		Металлозавалка	Итого материалов
Углеродистая сталь
ДСП	380	1215	220	380	168	2370	24300	26670
ДППТУ	105	330	66	250	119	870	22800	23670
Легированная сталь, включая 5ХНМ
ДСП	-	1050	177	490	125	1840	21900	23740
ДППТУ	-	450	121	350	108	1030	21600	22630
Сталь 5ХНМ
ДСП	-	1060	265	340	155	1820	22100	23920
ДППТУ	-	430	95	250	115	880	21600	22480

Из таблиц 1 и 2 видно, что эксплуатация дуговых печей постоянного тока по сравнению с ДСП такой же мощности и ёмкости без использования дополнительных технологических мероприятий позволяет снизить:

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

· суммарный расход электроэнергии на процесс на 2 ...5 %;

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

· расход исходного сырья на 1,5...5 % ;

· расход дорогостоящих легирующих добавок на 20…60%;

· уровень шума до 85 дБл;

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

· обратное влияние электропечи на сеть, в частности фликкер-эффект ("мерцание") в 2... 5 раз, что позволяет повысить ресурс печных трансформаторов, гибких кабелей, короткой сети, электрододержателей и уменьшить затраты на фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ).

2. Регуляторы электрического режима при плавке в ДСП и ДППТ

В дуговых электросталеплавильных печах электроэнергия преобразуется в тепловую в электрической дуге. Явление электрической дуги было впервые открыто в 1802 г. известным русским академиком В.В. Петровым. В его работе "Известия о гальвани-вольтовских опытах" (1803 г.) описаны все важные свойства электрической дуги, используемые в технике для освещения, плавки металлов из их окислов.

Электрическая дуга, которая возникает в ДСП между электродами и шихтой обладает следующими свойствами:

1)дуга горит длительное время и должна быть максимально устойчивой;

2)для дуги характерна большая мощность при сравнительно низком напряжении и большой силе тока;

3)дуга горит в закрытом пространстве, поверхностями которого поглощается вся мощность, излучаемая ею.

Дуговые печи появились лишь в последней четверти XIX века, т.к. необходимые предпосылки для их создания были изобретены именно в этот период. Это и создание электромашин и изобретение трансформатора, а также открытие трёхфазного тока. Однако, промышленное использование ДСП оказалось возможным лишь при наличии большого количества дешёвой электроэнергии, при возможности трансформировать электроэнергию, так как процесс плавления стали требует затрат энергии с определёнными параметрами - значительной силой тока и относительно невысоким напряжением, и при возможности экономичной транспортировки энергии от электростанций потребителю. Первая ДСП в России вместимостью 3,5 т была построена в 1910 г. В начале развития ДСП были однофазными. Дальнейшее их совершенствование показало явное преимущество печей трёхфазных, питаемых переменным током.

Русские учёные и инженеры совершенствовали ДСП иностранного производства и создавали свои оригинальные конкуренции. Инженеры С.С. Штейнберг и А.Ф. Грамолин создали оригинальную печь с угольными нагревателями, которая применялась на уральских заводах для выплавки качественных сталей. Инженеры С.И. Тельный и В.Г. Евреинов предложили в 1916 г. дуговую печь с добавочным магнитным полем - печь с вращающейся электрической дугой. В дальнейшем идея внести в печь добавочное магнитное поле получила воплощение в виде электромагнитного перемешивания металла.

Большой вклад в развитие, исследование, совершенствование современных ДСП различной мощности и вместимости внесли Н.В. Окороков, А.И. Строганов, И.Ю. Зинуров, Л.Е. Никольский, Л.К. Кузнецов, В.М. Сойфер - авторы многочисленных книг по теории ДСП.

В комплекте ДСП согласно ГОСТ должно поставляться следующее основное оборудование и узлы: электропечной трансформаторный агрегат, регулятор мощности, щиты и пульты управления и контроля, вторичный токопровод с гибкими кабелями (короткая сеть), программирующее устройство для управления электрическим режимом, устройство для электромагнитного перемешивания жидкого металла совместно с источниками питания и станциями управления, комплектное распределительное устройство с печными выключателями, источники питания оперативного постоянного тока.

Электрическую схему печной установки разделяют на две части: трансформаторные цепи и вспомогательные механизмы. В свою очередь схема трансформаторной цепи разделяется на цепь главного и оперативного тока. Электрическая цепь главного тока ДСП содержит разъединитель, служащий для включения и выключения установки от сети высокого напряжения, выключатель мощности, служащий для оперативного выключения печи, реактор (лишь для печей малой и средней мощности) с шунтирующим (в конце периода расплавления) выключателем, печной трансформатор, короткая сеть, соединяющая вторичные выводы печного трансформатора с электродами, собственно электропечь, установку электромагнитного перемешивания, электродвигатели перемещения электродов, трансформаторы тока, которые включены на высокой и низкой сторонах для подключения защиты, измерительных приборов, приборов учёта, а также автоматических регуляторов мощности и САУ. К вспомогательным механизмам относят электроприводы подъёма дверцы, поворота свода, вращения ванны и подъёма свода, наклона печи, насоса охлаждения трансформатора.

Основная задача электропечного трансформатора заключается в преобразовании системы трёхфазного тока питающей сети в систему, соответствующую специальным требованиям для ДСП. В качестве электропечных используют специально изготавливаемые для этой цели трансформаторы, характерной особенностью которых является повышенная механическая прочность, определяющаяся ударной силой тока короткого замыкания и рассчитанная на толчковый характер нагрузки и частые эксплуатационные короткие замыкания, большой номинальный ток (десятки килоампер) при сравнительно низком вторичном напряжении (100 - 600 В); широкий диапазон регулирования вторичного напряжения при большом числе ступеней напряжения.

Регулирование мощности на электродах в электропечном трансформаторном агрегате сводится к изменениям схемы включения его первичной обмотки. Во вторичной обмотке, включенной как правило в треугольник, протекают значительные рабочие токи, и поэтому непосредственное переключение вторичной обмотки затруднено. Регулирование проводится тремя способами:

1)Изменением числа витков первичной обмотки трансформатора. Как известно, коэффициент трансформации K = U1/U2 = W1/W2, откуда U2 = U1(W2/W1), т.е. величина вторичного напряжения при неизменном количестве витков вторичной обмотки W2 обратно пропорциональна числу витков первичной обмотки. Подключение к сети выводов от наименьшего числа витков первичной обмотки соответствует наивысшему вторичному напряжению.

2)Включением первичной обмотки трансформатора звездой или треугольником. При включении первичной обмотки трансформатора треугольником на фазу приходит линейное напряжение питающей сети. При включении первичной обмотки трансформатора звездой на фазу приходится фазное напряжение питающей сети. Поэтому вторичное напряжение, соответствующее треугольнику первичной обмотки, в раз выше вторичного напряжения, соответствующего звезде первичной обмотки. Комбинируя оба способа регулирования напряжения, получают удвоенное число ступеней вторичного напряжения.

3)Изменением индуктивности реактора, путём отключения части витков его обмотки. Регулирование реактора позволяет вводить в печь различные реактивные мощности. Мощность трёхфазного реактора Q = 3·I2wL. Откуда следует, что при заданном токе регулирование мощности можно выполнить, меняя индуктивность L за счёт изменения числа витков обмотки. Переключение ступеней у электропечей малой вместимости производится при снятии напряжения питающей сети путём отключения высоковольтного выключателя. При большом числе ступеней вторичного напряжения мощных трансформаторов ДСП применяют так называемое "переключение ступеней напряжения под нагрузкой", т.е. трансформатор переключается в нормальном рабочем режиме - под напряжением и током. При этом исключаются значительные простои, неизбежные при переключении без нагрузки. Кроме того, переключение "под нагрузкой" необходимо для автоматического регулирования мощности печи. Комплексная автоматизация дуговых электропечей потребует возможности регулирования вторичного напряжения под нагрузкой и на небольших печах. Для подвода электричества в рабочее пространство печи применяют электроды. От физических свойств и качества изготовления электродов в значительной степени зависят процессы теплообмена в печи, производительность электропечной установки, себестоимость и качество металла. В настоящее время в ДСП преимущественно применяют графитированные электроды, которые обладают более высокой электропроводностью (в 4 - 5 раз) и теплопроводностью, чем угольные. Это улучшает их эксплуатационные характеристики. Хорошая обрабатываемость графитированных электродов позволяет улучшить качество соединительных ниппелей. Расход графитированных электродов примерно в два раза меньше, чем угольных. Поэтому, несмотря на более высокую их стоимость (в 2 - 5 раз), графитированные электроды предпочтительнее угольных. Механизм передвижения электродов имеет исключительно важное значение для работы печи, так как он в основном определяет качество автоматического регулирования электрического режима плавки, а следовательно, подаваемую в печь мощность РП, cosф и КПДэ. Тем самым качество механизма передвижения влияет на производительность печи, удельный расход электроэнергии, на науглероживание металла. Роль механизма передвижения электродов исключительно ответственна, так как отклонения электрического режима от заданного необходимо ликвидировать передвижением электродов за доли или единицы секунд. В то же время электрод надо установить при заданной длине дуги с точностью до одного или нескольких миллиметров, причём длина дуги может составлять всего 10 - 20 мм.

Механизмы перемещения электродов снабжены электромеханическим или гидравлическим приводами. Исполнительный механизм с электромеханическим приводом состоит из электродвигателя, редуктора (червячного или цилиндрического), механической передачи (канатно-барабанной, реечной или винтовой) и конструкций, несущих электрод. В электромеханическом приводе механизмов обычно применяют шунтовые двигатели постоянного тока с линейной зависимостью числа оборотов двигателя от силы тока нагрузки или двигатели переменного тока с использованием магнитных и полупроводниковых усилителей, а также электромагнитных муфт трения. Для быстрой ликвидации толчков тока в период расплавления шихты необходим подъём электродов с большой скоростью. Скорость подъёма зависит от скорости установившегося движения и от времени разбега механизма. Время разбега зависит от инерции подвижных частей механизма и от времени переходных электромагнитных процессов в электрической схеме регулятора, которое сравнительно мало и составляет сотые доли секунд.

Инерционность и запаздывание системы автоматического регулирования зависят от конструкции исполнительного механизма. Исполнительный механизм с тросово-барабанной передачей имеет время запаздывания 300 - 400 мс, в процессе эксплуатации вследствие увеличения зазоров время запаздывания возрастает до 800 - 1000 мс. Расчёты показывают, что запаздывание в системе ~100 мс заметно снижает допустимую скорость перемещения электродов. Высокие значения инерционности и запаздывания обусловлены наличием инерции двигателя, зазоров в передачах, сухого трения в механизмах системы. Наряду с этим быстродействие системы регулирования ограничено упругостью звеньев исполнительных механизмов, которая при высоких скоростях перемещения электродов приводит к механическим колебаниям, передающимся регулятору и ухудшающим его работу.[6] Однако при данном механизме обеспечивается наибольшая гарантия против поломок электродов при соприкосновении с твёрдой шихтой.

Также находят применение механизмы с жёсткой связью, в которых тросовую передачу заменяют реечной. Однако и в этом случае запаздывание значительно и составляет 75 - 150 мс. При этом наблюдается большая долговечность и меньший уход в эксплуатации по сравнению с тросом. Наименьшее запаздывание (не более 60 мс) имеет гидравлический привод. Гидравлические приводы ДСП выполняют с объёмным и дроссельным управлением. Гидравлический привод с объёмным управлением - это по сути электромеханический привод с гидравлической передачей, преимущество которого - большой КПД передачи, недостатки - сложность и громоздкость. Гидравлический привод с дроссельным управлением обладает малыми габаритами и весом, высоким быстродействием, обусловленным главным образом малой инерцией подвижных частей и высокой силовой напряжённостью, однако трудно создать плотное и долговечное уплотнение в цилиндре. Вопрос о преимущественном применении электро- или гидропривода в настоящее время ещё не решён, имеются сторонники и того и другого, так как оптимальная скорость движения электродов до 6 м/мин достижимы при обоих приводах.

Наряду с усовершенствованием оборудования и технологии выплавки стали в ДСП важным средством повышения производительности печи, снижения расхода электроэнергии и улучшения качества выплавляемой стали, а также улучшения условий труда обслуживающего персонала является система автоматического управления (САУ). Система предназначена для управления электрическим и технологическим режимами печи, представления информации о процессе плавки и состоянии оборудования в удобной форме и документирования необходимой информации. Функции системы состоят из стандартных функций, выполняемых регулятором мощности, и дополнительных функций, выполняемых контроллером.

Все современные дуговые электропечи ёмкостью 1,5 т и выше укомплектовываются автоматическими регуляторами мощности, которые обеспечивают поддержание мощности печи на определённом уровне, заданном программой; быструю ликвидацию всех нарушений режима, в частности технологических коротких замыканий, обрывов дуг и т.п. В процессе работы регулятор воздействует на привод механизма перемещения электродов, восстанавливая длину дугового промежутка, соответствующую заданной мощности печи. Переключение ступеней напряжения печного трансформатора в целях регулирования мощности печи по периодам плавки осуществляется либо вручную - оператором, либо с помощью автоматических устройств. Существуют два способа регулирования полезной мощности печи: изменением полезного сопротивления дуги или вторичного напряжения трансформатора. В процессе плавки обычно применяют регулирование путём изменения полезного сопротивления.

На практике широкое распространение получили токовые и дифференциальные регуляторы мощности. Параметром регулирования в первом случае выбрана сила тока печи. Регулятор в процессе работы поддерживает неизменной силу тока печи, её реактивную мощность и мощность электрических потерь. Дифференциальный регулятор поддерживает постоянным отношение напряжения к силе тока печи, т.е. сопротивление фазы. При одновременном изменении напряжения и силы тока печи положение электрода не меняется.

Дифференциальный регулятор, установленный на дуговой сталеплавильной печи, имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с токовым.

При исчезновении напряжения на печи (отключение главного выключателя) сигнал разбаланса в плечах тока и напряжения регулятора отсутствует и электроды неподвижны. Токовый регулятор при исчезновении напряжения срабатывает на опускание электродов, что обусловливает необходимость специального устройства, предотвращающего их опускание. При включении токового регулятора электроды трёх фаз опускаются. Дуги зажигаются только в том случае, когда два электрода (или три) одновременно касаются металла. В других случаях возможна поломка электрода или науглероживание металлической ванны. На печах, где установлен токовый регулятор, пуск печи производят вручную, а регулятор подключают в тот момент, когда горят все дуги. Дифференциальный регулятор позволяет осуществить автоматический пуск печи, поскольку в момент соприкосновения первого электрода с шихтой напряжение становится малым и регулятор останавливает электрод. При подходе второго электрода зажигаются дуги в двух фазах печи.

Недостатком токовой системы регулирования является то, что при отсутствии нулевого провода или при включении низкой стороны печного трансформатора в треугольник система работает неустойчиво. Возможные случайные изменения силы тока одной фазы вызывают изменения силы тока в двух других фазах, вследствие чего происходят ненужные перемещения электродов, неравномерное распределение нагрузки между отдельными фазами и устанавливаются дуги различных длин. Может произойти погружение в ванну того электрода, под которым была самая короткая дуга.

При дифференциальном регулировании с увеличением силы тока в одной из фаз перемещения электродов остальных фаз значительно меньше (или совсем отсутствуют), так как увеличение силы тока двух других фаз сопровождается одновременным повышением напряжений в них (вследствие "перекоса" звезды напряжений).

Чувствительность дифференциального регулятора выше при прочих равных условиях, так как одновременно с увеличением силы тока снижается напряжение соответствующей фазы, и наоборот.

Недостатком дифференциального регулятора является большая зависимость мощности печи от колебаний напряжения сети. При уменьшении напряжения сети регулятор, поддерживая постоянным отношение напряжения к силе тока, снизит соответственно значение последней, поэтому увеличение мощности печи будет значительнее, чем увеличение напряжения. Токовый регулятор снизит мощность печи пропорционально первой степени напряжения.

Наибольшее распространение дифференциальные регуляторы получили в сталеплавильных печах, характеризующихся резкими отклонениями режима (короткие замыкания, обрывы дуги), отключениями и пусками печи.

Необходимо также описать те возмущающие воздействия, влияние которых и должен устранять регулятор мощности:

1)медленное изменение режима, обусловленное изменениями как длины дугового промежутка (постепенное уменьшение длины электродов вследствие их обгорания, опускание электродов в шихту в период образования колодцев, подъём уровня жидкого металла в ванне по мере расплавления), так и его характеристики (изменения сопротивления дуги, вызываемые нестабильностью температуры в зоне разряда);

2)резкое отклонение режима в основном в период плавления, вызываемые обвалами шихты, часто переходящее в короткие замыкания и обрывы дуги;

3)кратковременные и преходящие нарушения режима могут быть вызваны кипением ванны жидкого металла и флуктуациями дуг под воздействием электромагнитных сил. В первом случае длительность нарушений режима составляет десятые доли секунды, поэтому регулятор вследствие инерционности привода не в состоянии успеть за этими колебаниями. Однако регулятор должен поддерживать на заданном значении среднюю силу тока в течение периода. Во втором случае изменения режима составляют сотые доли секунды и систематически повторяются каждый период. Эти колебания из-за кратковременности автоматический регулятор не отрабатывает;

4)изменения мощности, подводимой к печи, вызванные колебаниями напряжения питающей сети. В условиях работы большинства заводов напряжение сети в течение суток отклоняется от номинального на 5 -10 %. При этом в зависимости от выбранного параметра регулирования мощность изменяется по-разному;

5)в промышленных печах дуги образуют звезду без нулевого провода, поэтому ток любой дуги может возвращаться к трансформатору через две другие фазы. Изменение силы тока в одной из фаз вызывает однозначное изменение силы тока в двух других фазах. При коротком замыкании электрода данной фазы последовательно с короткозамкнутой фазой оказываются включёнными две (или одна) другие фазы, поэтому бросок тока уменьшается, но одновременно вызывает заметное увеличение тока в двух других фазах;

6)на условия горения дуг влияет неравномерное распределение мощностей по фазам. Основной причиной переноса мощности является асимметричность значительной части короткой сети печи - обычно на участках токопровода от выводов низкого напряжения печного трансформатора до контактных поверхностей между щекой и электродом. В этом случае у одного из крайних электродов выделяемая мощность оказывается наибольшей ("дикая" фаза), у другого крайнего - наименьшей ("мёртвая" фаза) и у среднего - промежуточной, часто близкой к наибольшей. Для выравнивая "дикой" и "мёртвой" фаз рекомендуется: a)раздельное регулирование вторичных напряжений отдельных фаз трансформатора; b)установку вокруг ошиновки крайних фаз железных замкнутых магнитопроводов со вторичными обмотками, соединёнными между собой таким образом, чтобы взаимоиндуктивность между крайними фазами усиливалась; c)расположение токопроводов по вершинам равностороннего треугольника или шихтовку разных фаз;

d)увеличение силы тока у "мёртвой" фазы и одновременно уменьшение силы тока у "дикой" фазы.

7)скоростное изменение мощности по сравнению с заданным из-за ошибки "слежения", наблюдаемое в период проплавления дугами колодцев в шихте. Эта ошибка будет тем выше, чем больше зона нечувствительности регулятора (при опускании электрода регулятор поддерживает мощность на уровне нижней границы зоны нечувствительности, при подъёме - на уровне верхней границы зоны нечувствительности);

8)неодинаковая скорость проплавления колодцев под отдельными электродами, обусловленная разной плотностью шихты под дугами. Она усиливает асимметрию индуктивных сопротивлений отдельных фаз и снижает общую мощность, подаваемую в печь.

Перечисленные возмущающие воздействия свидетельствуют о том, что печи работают в асимметричных режимах, т.е. выделение мощности в отдельных дугах в процессе плавки неравномерно. Для получения высоких технико-экономических показателей необходимо создать условия для стабильного и равномерного выделения полезной мощности в дугах, что в определённой мере выполняет регулятор электрического режима.

К регуляторам предъявляются следующие основные требования:

1)достаточная чувствительность по регулируемому параметрами, необходимая для обеспечения заданного режима работы печи с допустимыми пределами отклонений (зона нечувствительности ±3 - 6 % в период плавления и ±2 - 4 % в другие периоды плавки);

2)быстродействие системы, обеспечивающее устранение максимальных возмущений (короткое замыкание и обрыв дуги) в течение 1,5 - 3,0 сек, желательно при апериодическом характере регулирования; 3)уменьшение ненужных перемещений электродов при асимметричных изменениях режима при кратковременных (доли секунд) преходящих возмущениях; 4)возможность достаточно плавного изменения задаваемой мощности печи в пределах 20 - 125 % от номинальной с точностью 5 %; 5)возможность быстрого лёгкого перехода с автоматического управления на ручное и наоборот;

6)автоматическое зажигания дуг печи;

7)остановка всех электродов печи при исчезновении напряжения питания; 8)надёжность и простота обслуживания.

Элементное исполнение регуляторов может быть различным. В измерительном звене для установки задания применяют автотрансформаторы, трансформаторы с переменным коэффициентом трансформации, потенциометры, а для формирования регулируемого параметра - специальные реле, резисторы, электронные и магнитные усилители и т.д. В качестве силовых усилителей могут быть использованы контактные реле и контакторы, электромашинные, электронные, полупроводниковые, магнитные усилители, гидроусилители и золотники. Различные комбинации перечисленных элементов позволяют получать большое число принципиальных схем регуляторов, реализующих заданный закон регулирования. Выбор соответствующей комбинации основных средств автоматизации определяется в первую очередь качеством регулирования и надёжностью системы. Эти показатели в значительной мере зависят от особенностей силового усилителя и привода механизма перемещения электрода.

По типу усилителя системы автоматического регулирования электрического режима дуговой сталеплавильной печи можно классифицировать на следующие группы:

1)реле - контактор - двигатель;

2)вращающийся усилитель (генератор, электромашинный усилитель (ЭМУ)) - двигатель;

3)статический усилитель (магнитный, ионный, полупроводниковый и т.д.) - двигатель;

4)статический усилитель - муфта трения или скольжения;

5)электрогидравлика. Наилучшие показатели имеет гидравлический дроссельный регулятор. Неплохими свойствами обладают регуляторы с электромагнитными муфтами и транзисторным усилителем, с усилителем на управляемых вентилях и электромашинный. Регуляторы с магнитными усилителями и с гидравлическим объёмным приводом существенно им уступают. Однако наиболее надёжными в работе являются схемы с магнитными усилителями. Также нужно заметить, что в настоящее время в основном применяются регуляторы на управляемых вентилях и гидравлические регуляторы. Широкое распространение получила система автоматического управления на базе программируемых логических контроллеров и промышленных компьютеров, которые осуществляют следующие режимы ведения плавки:

1)информационно-советующий;

2)полуавтоматический с реализацией управления уставками токов дуг в автоматическом режиме, переключения ступеней напряжения - в ручном;

3)автоматический - с реализацией управления уставками токов дуг и ступеней напряжения в автоматическом режиме.

Для решения перечисленных функций использованы следующие средства вычислительной техники:

1)устройство сопряжения, предназначенное для программируемого ввода-вывода цифровых двухпозиционных сигналов;

2)устройство сопряжения, обеспечивающее приём-выдачу аналоговых сигналов;

3)микро-ЭВМ, содержащая микропроцессор, параллельный и последовательный интерфейсы, контроллер прерываний, управление межмашинной магистралью и интервальный таймер;

4)пульт оператора с клавиатурой и дисплеем. Для построения высококачественной системы автоматического регулирования электрического режима ДСП можно применить многоуровневую адаптивную систему управления, которая включает четыре основные уровни. Первый уровень обеспечивает требуемые характеристики перемещения электродов печи. Второй - необходимое качество работы регулятора первого уровня путём формирования соответствующего закона управления. Третий - определяет параметры требуемого электрического режима печи путём формирования управляющих воздействий на первые два. Чётвертый - содержащий управляющую микро-ЭВМ - повышает качество работы регулятора третьего уровня, обеспечивает автоматизацию статического управления и оптимизацию процесса управления плавкой в целом. Алгоритм адаптивного управления электрическим режимом ДСП способен удовлетворить следующие требования и условия: автоматическое зажигание дуг; автоматическое адаптивное задание требуемого электрического режима в статике и динамике; использование в качестве параметра динамического управления адаптивно вычисляемого падения напряжения на дуге; адаптация задания к колебаниям напряжения в системе электроснабжения печи и устройства управления к изменению коэффициента передачи объекта управления, задания и коэффициента передачи устройства к изменению уровня вторичного напряжения печного трансформатора; инвариантность относительно возмущений режима в соседних фазах; защита от ввода системы в автоколебательный режим, от опасных коротких замыканий, от упора электрода в непроводящие участки шихты; наличие статической и динамической характеристик регулятора, обеспечивающих необходимые чувствительность, точность и быстродействие системы с использованием гидравлического исполнительного механизма перемещения электродов; возможность автоматического задания электрического режима в автономном варианте (без микро-ЭВМ) с коррекцией по уровню постоянной составляющей напряжения дуги, применения генератора инфранизких частот, быстрого перехода с автоматического управления на ручное и наоборот. Разработанное автоматическое устройство адаптивного управления электрическим режимом испытывалось на печи ДСП-100 Н3А Донецкого металлургического завода.

Использование автоматизированной системы управления в сталелитейном производстве является прогрессивным направлением, позволяющим не только повысить производительность, но и освободить обслуживающий персонал от тяжёлых, опасных и утомительных работ, а также обеспечить экономию материалов и топливно-энергетических ресурсов. Срок окупаемости незначителен. Этому в значительной мере способствует освоение серийного производства микро-ЭВМ, которые по своим техническим характеристикам находятся на уровне управляющих ЭВМ, но имеют большие преимущества по стоимости, габаритам и надёжности. В результате применения САУ улучшены следующие показатели работы ДСП: расход электроэнергии сократился на 5 %, производительность возросла на 5 %, расход электродов снизился на 4 %, огнеупорных материалов - на 10 %. Несмотря на то, что САУ одной печи обеспечивает высокие технико-экономические показатели, целесообразно использование САУ в цехе с несколькими печами и общей автоматизированной системой. В этом случае будет обеспечиваться оптимальное распределение электроэнергии между печами, будут исключаться пиковые нагрузки на сеть и достигаться другие преимущества. Постоянное совершенствование средств вычислительной техники создаёт предпосылки для более широкого использования САУ в литейных цехах.

3. Тенденции развития дуговых печей

Современные сверхмощные дуговые печи переменного и постоянного тока характеризуются высокими коэффициентами использования установленной энергетической мощности (не ниже 0,9), долей токового времени плавки (не ниже 0,75) и производительностью (не ниже 100 т/ч). Они используются в основном как высокопроизводительные агрегаты для выплавки полупродукта. Обеспечение заданного состава и температуры стали выделяется в самостоятельное звено и реализуется средствами внепечной обработки. Подобное разделение оправдано с энергетической точки зрения, поскольку обеспеченная высшим энергетическим потенциалом дуговая печь не имеет права использовать этот потенциал только в течение примерно половины цикла плавки, как это происходит на печах, работающих по устаревшим технологиям. Более того, современный набор технологий внепечной обработки позволяет выполнить эти операции в ковше более эффективно, чем в дуговой печи. Поэтому разработки конструкции современных дуговых печей и технологий плавки стали в них нацелены на повышение производительности агрегатов и оптимизацию энергопотребления при выполнении неизменно ужесточающихся требований по охране окружающей среды.

В настоящее время наиболее распространены дуговые печи переменного тока. За последние десятилетия резко возросли технико-экономические показатели их работы, тенденция чего прослеживается по приведенным в таблице №3 данным:

Таблица №3 - Данные изменения технико-экономических показателей работы дуговых печей

	1965 г.	1995 г.
Цикл плавки, мин	180	60
Расход электроэнергии, кВт·ч/т	630	330
Расход электродов, кг/т	6,5	2,3

Мировой опыт показывает, что рациональной ёмкостью печи является от 100 до 150 т.

В настоящее время в мире выделилось несколько фирм-лидеров в конструировании и изготовлении современных электропечей: "Danieli" (Италия), "Clesim" до 1996 г., "Kvaerner Metals" (Франция), "Mannesman Demag Huttertechnik MDI" до 1997 г., сейчас "Mannesman Metallurgic" (Германия), "Nippon Steel" (NSC) (Япония), "Fucks" (Германия) и др. Дуговые печи переменного тока последнего поколения характеризуются огромной производительностью (более 1 млн. т в год), инженерными решениями многих элементов конструкции и электрооборудования. Тем не менее следует отметить, что по сравнению с печами постоянного тока они работают с несколько более низким коэффициентом мощности, являются источником мощных помех в питающих энергосистемах, вызывают сильную загазованность окружающей среды, имеют высокий уровень шума. С целью устранения указанных недостатков с начала 80-х годов всё большее распространение получают дуговые печи постоянного тока. Их промышленное использование позволило уменьшить расход электродов, энергии, огнеупоров, снизить шумовыделение и воздействие на питающую сеть (фликер). До 1990 г. их число измерялось единицами, к началу 1993 г. в мире в эксплуатации находилось 46 дуговых печей постоянного тока, а к концу 1998 г. более 130.