Современные способы выплавки стали в дуговых печах

 

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 (Х_экс) против зна­чения реактивности в режиме короткого замыкания (Х_кз). 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 Х_экс 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.