Современные способы выплавки стали в дуговых печах
Рябов А.В., Чуманов И.В., Шишимиров М.В.
Теплотехник, 2007 г.
3.1. ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОПЛАВКИ СТАЛИ С НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАГРУЗКОЙ ШИХТЫ
3.1.1. Энергетические преимущества
Плавка в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с непрерывной загрузкой металлошихты в расплавленный металл по типу процесса Consteel, когда дуга в течение всей плавки горит на «плоском» зеркале жидкой ванн, имеет значительные энергетические преимущества перед традиционной плавкой с бадьевой загрузкой, когда плавится холодный скрап. Эти преимущества связаны со стабилизацией работы печи и особенностями физических процессов горения дуги на холодном скрапе и на жидком металле и проявляются в более высокой доле активной мощности, отбираемой печью от питающего трансформатора, снижении уровня шума во время плавки, меньшем воздействии работающей ДСП на других потребителей питающей электросети (например, устраняется фликер-эффект «мерцания» электроосвещения).
Теоретическое обоснование этих преимуществ следующее.
Электрическая дуга имеет двойной характер теплообмена: внешний, с турбулентными струями газа, обдувающими дугу, и внутренний, по длине столба дуги между различными частями термической плазмы. Первая двухслойная теплообменная структура отражает процесс обмена ламинарной плазмы с турбулентным газом на поверхности дуги и характеризуется переходом кондуктивных потоков тепла в объеме ламинарной плазмы в конвективные тепловые потоки в турбулентном газе, окружающем плазму дуги. Вторая двухслойная структура теплообмена электрической дуги делит объем термической плазмы на две части с различными механизмами переноса тепла: турбулентным в прикатодной области столба и ламинарным в удалении от катода. В прикатодной части столба дуги происходит интенсивная турбулизация плазмы вблизи эмиссионной поверхности катода, что обусловливает преобладание конвективного процесса теплообмена между дугой и окружающей средой, в удалении от катода плазма остается ламинарной, и в этой части столба сильноточной дуги с током в десятки килоампер преобладает излучение плазмы.
Процесс интенсивной турбулизации плазмы вблизи катода дуги является причиной неустойчивости электрических и тепловых процессов в плазме и источником значительных возмущений в режиме горения дуги. В свою очередь, эти возмущения являются основным источником генерируемых дугой высокочастотных гармоник в токе, вызывающих потерю потребляемой печью активной мощности и возмущение в питающей электросети.
Во время горения электрической дуги в ДСП переменного тока периодически изменяются ее электрические, геометрические и тепловые параметры; при этом аккумулирование теплоты плазмой дуги в прикатодной области столба вносит инерционность в процесс изменения параметров. Чем выше температура в зоне горения дуги и ионизация дугового промежутка, тем стабильнее движение плазмы от электрода под отрицательным электрическим потенциалом (катода) к электроду, который в данный период тока является анодом. Такие условия создаются при горении дуги на зеркале жидкой ванны, когда меняющие полярность металл и графитированный электрод находятся в горячем состоянии. При плавке холодного скрапа, когда дуговой промежуток недостаточно прогрет, дуга часто обрывается, при обвале кусков скрапа возникают короткие замыкания между металлом и электродами и броски рабочего тока. Эти возмущения - обрыв и зажигание дуги -вызывают резкое увеличение и «схлопывание» объема газовой фазы вокруг дуги и появление колебаний звуковой частоты с амплитудой до 100 дБ, что существенно превышает санитарно допустимый уровень шума.
Именно стремление защитить персонал от вредного воздействия шума ДСП привело изобретателя технологии ConsteelДж. Валломи (JohnVallomy) к решению вести всю электроплавку в режиме стабильного и малонгумного горения дуг на жидкий металл и загружать конвейером скрап в расплавленную ванну, где он растворяется и плавится, оставляя поверхность ванны жидкой.
Периодическое изменение в пространстве положения катода и анода в дуге переменного тока с частотой 50 Гц влияет на процесс образования дуговых пятен на катоде и аноде. Когда катодом является графитированный электрод, превалирующим видом эмиссии электронов является термоэмиссия, когда катодом является расплавленный металл, возрастает роль автоэлектронной эмиссии. Эта несимметрия в динамическом процессе горения дуги приводит к появлению постоянной составляющей тока и высокочастотных гармоник в токе, повышающих значение эксплуатационной реактивности электропечного контура (Хэкс) против значения реактивности в режиме короткого замыкания (Хкз). При нестабильной дуге это превышение может составлять 20% и более, и его уменьшение является основным резервом для роста активной мощности, отбираемой печью от печного трансформатора. Такой рост может происходить за счет снижения Хэкс при стабилизации дуги в режиме горения на жидкую ванну.
В зависимости от стадии плавки и выбранного энерготехнологического режима ввода мощности меняются параметры дуги: продольный градиент напряжения; температура плазмы дуги; радиус столба дуги. От ламинарной части столба сильноточной дуги, в котором преобладает излучение плазмы, в значительной мере зависят скорость плавления металла, устойчивость горения дуги, устойчивость и качество регулирования мощности дуги. Каждая стадия плавки характеризуется плазмообразующей средой и ее температурой. Энергетические условия горения дуги в ДСП рассматривали для следующих стадий плавки:
FS1 - плавление холодного скрапа после загрузки в печь. Дуги нестабильно горят в проплавленных в шихте «колодцах» в условиях частых обрывов дуги и коротких замыканий электродов на холодный скрап, дуговой промежуток не прогрет, эмиссия электронов затруднена.
FS2 - плавление шихты после очередной подвалки в печь холодного скрапа. Горение дуг стабилизируется, дуговой промежуток прогрет, однако обрывы дуги и короткие замыкания продолжаются.
FS3 - конец плавления. Дуги горят на зеркало жидкой ванны, поведение дуги стабильное, дуговой промежуток прогрет, процесс эмиссии электронов развит, обрывы дуги и короткие замыкания не происходят. Такой режим отвечает условиям технологии с непрерывной загрузкой скрапа в жидкий металл.