Характеристика робочого простору дугових сталеплавильних печей

Параметри, м	Розрахунок	Найближчий аналог – піч садкою ____ т
Відношення діаметру ванни до її глибини
Глибина ванни по металу
Висота сферичної частими
Висота конічної частини
Діаметр сферичної частини
Діаметр дзеркала металу
Діаметр ванни на рівні укосів
Висота ванни від рівня порогів (шлаку)
Діаметр ванни на рівні порогів
Висота стін від рівня укосів до п'ят склепіння
Глибина ванни від рівня укосів
Висота конічної частини робочого простору
Діаметр циліндричної частини робочого простору
Ширина робочого вікна
Висота робочого вікна
Діаметр розпаду електродів
Діаметр склепіння
Стріла опуклості склепіння
Висота центральної частини склепіння над рівнем укосів

Таблиця 6.2

Параметри футерівки ДСП*

Шар	Матеріал	Товщина шару, мм
Розрахунок	Найближчий аналог – піч садкою ____ т
Склепіння
	Динас
Циліндрична частина
	Периклазошпінелід
	Периклаз
	Шамот
Конічна частина
	Периклаз
	Шамот
	немає
Подина
	Шамот
	немає
	немає

6.5. Розрахунок енергетичних параметрів дугової сталеплавильної печі

Цикл плавки в ДСІІ включає період плавки і період міжплавильного простою. Чим менше час міжплавильного простою, тим менше теплові втрати і, отже, більше ефективність роботи ДСП. Питома потужність теплових втрат визначається садкою печі, її геометричними параметрами. Зі збільшенням місткості печі величина її питомої поверхневої тепловіддачі зменшується по гіперболі, і, відповідно, зменшуються теплові втрати.

6.5.1. Розрахунок теплових втрат

Питомі витрати електроенергії на розплавлення або перегрів металу і шлаку (Q_р) звичайно змінюються в нешироких межах. Якщо прийняти температуру плавлення сталі рівною 1500°С, а величину її перегріву ~ 100"С, кратність і температуру шлаку, відповідно, 0,04 та 1650°С, то

Q_р =414 кВт×год/т. (6.23)

Для приблизної оцінки питомої потужності теплових втрат в період плавлення можна скористатися співвідношенням, отриманим В.Н.Соколовим (обробка фактичних даних по печам):

, кВт/т, (6.24)

де С складає 225 кВт/т для малих печей і 360 для печей середніх і великих.

Питому потужність теплових втрат під час міжплавильного простою в першому наближенні можна прийняти у 1,5 рази більшою питомої потужності теплових втрат в період розплавлення:

, кВт/т. (6.25)

6.5.2. Розрахунок потужності пічного трансформатора

Для зменшення видатку міді, втрат енергії і падіння напруги в дротах електрична енергія, яка виробляється електростанціями, трансформується до споживачів струмом порівняно невеликої сили (порядку сотень ампер) і високої напруги - десятків, а в останні роки і сотень кВ.

Дугові сталеплавильні печі живляться струмом порівняно низької напруги 100-850 В, але силою в десятки тисяч А (до 80-100 кА). Електропічна установка (ЕПУ) складається з двох частин: самої печі та електричної підстанції, основним елементом якої є трансформатор, що забезпечує живлення печі електричною енергією.

Окрім цього, в приміщенні підстанції міститься пускова, розподільна, сигнальна, захисна, контрольно-вимірювальна і регулююча апаратура.

Однією з основних тенденцій розвитку ЕПУ є підвищення питомої потужності (кВА/т). При цьому скорочується час розплавлення, зростає продуктивність, знижуються питомі капітальні витрати, видаток енергії, електродів і вартість переробки, збільшується продуктивність праці. Більша потужність має не тільки техніко-економічні, але і технологічні переваги: зі зменшенням часу плавлення знижуються втрати металу та легуючих, газопроникність, збільшується температура і вплив рафінування окислювального періоду (це особливо важливо при одношлаковому процесі).

При раціональному електричному режимі збільшується стійкість футерівки, покращуються якість шлаку, умови проведення періоду відновлення.

Повна потужність трансформатора використовується тільки у періоді плавлення. В окислювальному періоді використовується 60-70 %, у періоді відновлення – 40-50 % повної потужності трансформатора. Тому велика потужність тим більш ефективна, чим менше час міжплавильного простою і тривалість технологічних періодів. Тривалість цих періодів плавки скорочується з 2,5-3,0 годин до 1,5-2,0 годин за рахунок механізації, впровадження різноманітних засобів інтенсифікації плавки, тощо.

Потужність трансформатора визначається з рівняння енергетичного балансу періоду плавлення шихти. Це рівняння, яке дає аналітичне вираження зв'язку між його тривалістю та уведеною в піч електричною потужністю, з деякими спрощеннями може бути представлене у вигляді:

(6.26)

де т - номінальна місткість печі, т;

Р_ел - електрична потужність, яка уводиться в піч, кВт;

t_п t_р – тривалість, відповідно, міжплавильного простою і технологічних періодів, год.;

Q_екз - питома теплова енергія окислення домішок і залізашихти, кВт×год/т;

Q_р — питомий видаток енергії на розплавлення і перегрів металу і шлаку, кВт×год/т;

q_п і q_р - питома потужність теплових втрат в періоди міжплавильного простою і розплавлення, кВт/т.

Аналіз фактичних даних показав, що частка тепла екзотермічних реакцій (Q_екз × m) в частині приходу у енергобалансі практично не залежить від місткості печі. Її величина при звичайній практиці застосування О ₂ для інтенсифікації заключної стадії періоду плавлення змінюється в порівняно нешироких межах і може бути прийнята рівною 0,2 від загального надходження енергії, тобто

(6.27)

Підставивши значення Q_екз×m, знайдене з (6.27), у ліву частину рівняння (6.26), отримаємо, МВт:

. (6.28)

Отримавши з (6.28) електричну потужність, яку необхідно увести в піч, можна визначити номінальну потужність пічного трансформатора, яка з урахуванням ступеня її використання та реактивних втрат потужності в ЕПУ дорівнює, кВА:

(6.29)

де К - коефіцієнт використання номінальної потужності трансформатора в період плавлення; cosj - коефіцієнт потужності; h_ел - електричний ККД.

Коефіцієнт К враховує нестійкість горіння дуг на початку розплавлення, неповне використання номінальної потужності на початку і, особливо, у кінці плавки (коли для збереження футерівки працюють на пониженій напрузі), а також відхилення фактичних параметрів роботи печі від заданих. Його величина для ДСП, що працюють на твердій завалці, рівна 0,8.

При визначенні q_ел у всьому діапазоні місткостей печей можна скористатися кореляційним рівнянням [8]:

. (6.30)

Підставивши значення в (6.29), отримаємо

, МВА (6.31)

Для печей середньої місткості, які обладнані трансформаторами потужністю до 25 МВА (по ДЕСТ 7207-54) [8]

. (6.32)

При внесенні (6.32) у (6.31) знайдемо, що величину S_н для печей місткістю 6-50 т можна визначити за формулою:

, МВА. (6.33)

Для печей місткістю до 6 т cosj =0,9.

Для великопотужних великовантажних ДСП місткістю 100-200 т, які обладнуються трансформаторами на 60 та 125 МВА, створена раціональна конструкція струмопроводів, що дозволяє знизити реактивну потужність і несиметричність розподілу навантаження між електродами.

Окрім цього, вдосконалюється система автоматичного регулювання потужності і оптимізації електричних режимів. В цьому зв'язку трансформатор потужністю 50-60 МВА буде мати cosj =0,82, а трансформатор потужністю 100-125 МВА – 0,68. Тому в розрахунках для печей місткістю від 50 до 200 т значення cosj можна брати в межах 0,8-0,75, а для печей місткістю 200 т і більше - рівним 0,7.

Зі збільшенням місткості і потужності ДСП cosj ЕПУ зменшується. В останні роки з метою його підвищення, особливо для великопотужних великовантажних ДСП, зменшують реактивну потужність пічного контуру, знаходять оптимум у електричному режимі, збільшують вторинну напругу трансформатора, застосовують пристрої для штучної компенсації реактивної потужності (конденсаторні батареї). Тому в розрахунках для печей від 50 до 200 т, які обладнані трансформаторами по ДЕСТ 7207-70, значення cosj можна брати 0,8, а для печей місткістю більше 200 т – 0,7.

Трансформатори, які зараз споруджуються для великопотужних великовантажних ДСП, мають cos j:

Тип печі	ДСП-100	ДСП-200
Номінальна потужність, МВА
cos j (попередня оцінка)	0,82	0,68

Тому в розрахунках при S_н в межах25-60 МВА - cos j =0,8; 60-125 МВА - cos j =0,8-0,7; більше - 125 МВА cos j =0,7.

Використання і управління потужністю трансформатора. Припускаємо, що електродугова піч працює на змінному струму. Після завалки шихти і приведення всіх механізмів агрегату в готовність до плавки опускають електроди і вмикають пічний трансформатор. Під час плавки потужність пічного трансформатора регулюється таким чином: в період плавлення пічний трансформатор для прискорення процесу вмикається на 100 % потужності; в окислювальний період працює на 70 % потужності, у період відновлення потужність складає 50 % від максимальної. Потужність пічного трансформатора регулюють переключенням схеми сполучення первинних обмоток трансформатора (з «зірки» на «трикутник»), або вмиканням і вимиканням частини витків його первинних обмоток зі зміною коефіцієнта трансформації. При перемиканні з «зірки» на «трикутник» вторинна напруга знижується у рази. Якщо загальний опір постійний, то у рази знижується і сила струму. Таким чином, потужність зменшується у 3 рази. Під навантаженням вторинну напругу регулюють тільки зміною числа витків первинної обмотки. Регулювати можна також зміною сили струму. Сила струму, яку підводять у піч, визначається напругою і повним опором електричного ланцюга. Щоб збільшити силу струму при постійній напрузі та індуктивності ланцюга необхідно зменшити активний опір, тобто довжину дуги. Для цього електроди дещо опускають. В початковий період роботи пічного трансформатора, а саме, в період плавлення, в електричний ланцюг мало- і середньопотужних печей включають дросель. В великопотужних дугових печах роль дроселя виконує пічний трансформатор, який має високу індуктивність. Дросель дозволяє зменшити поштовхи по струму, які викликані коротким замиканням між електродами і шматками металобрухту. По закінченні періоду плавленим дросель вимикають.

6.5.3. Визначення ступенів вторинної напруги, номінального струму і діаметру електродів

Ступені вторинної напруги. Для нормального перебігу плавки потрібно мати в різні періоди різні потужності і довжину дуги. Це досягається перемиканням високовольтної обмотки пічного трансформатора. Плавлення ведуть на повній потужності трансформатора і довгих дугах (на найвищому ступені напруги), рафінування – на малій потужності і коротких дугах (на нижньому ступені). Підвищення робочої напруги дозволяє зменшити силу струму, знизити втрати в шинах і електродах, підвищити електричний ККД і cosj.

Введення в піч енергії більшої потужності облегшується шляхом підвищення вторинної напруги, яка досягає на діючих печах 600 В.

При виборі верхнього ступеня вторинної напруги для малих печей можна рекомендувати такі емпіричні формули (S_н в КВА):

- для основних печей

, В; (6.34)

- для кислих печей

, В, (6.35)

а для крупних печей напругу вибирають, виходячи з параметрів активного і реактивного опору і заданого часу розплавлення. Можна користуватися також емпіричною формулою:

, В. (6.36)

Найбільш великі закордонні печі мають вищий ступінь напруги 450-840 В.

Нижній ступінь напруги у період відновлення не повинен перевищувати 120-163 В (верхні значення – для найбільш великих печей). Більш висока напруга, а значить, більш довгі дуги, викликають перегрів футерівки склепіння і стін.

Число ступенів напруги залежить від напруги верхнього ступеня:

Напруга верхнього ступеня, В	200-250	260-300	320-400	400-500
Число ступенів напруги	2-4	4-6	6-8	8-12	до 23

Нижче наведені діапазони напруги в залежності від місткості печі, які рекомендовані ДЕСТ 7207-69:

Діапазон напруги, В	104-225	116-242	115-280	120-320	132-390	146-430	163-480
Місткість печі, т	1,5

Половина ступенів виконується при з¢єднанні обмоток високої напруги по схемі “трикутник”, інша половина – по схемі “зірка”.

Наприклад, потужність трансформатора крупної 100 т печі складає 35000 кВА. Тоді вища робоча напруга, розрахована по (6.36), складає 490 В. Проміжні ступені вибираємо таким чином. Приймаємо число ступенів рівним 10 (5 по схемі “зірка”, 5 – “трикутник”). Найнижчу ступінь напруги вибираємо рівною 163 В при включенні обмоток по схемі “зірка”, тоді найнижча ступінь при ввімкненні цих же обмоток по схемі “трикутник” дорівнюватиме 282 В. При рівномірній зміні напруги на п¢яти ступенях, які ввімкнені по схемі “трикутник”, коефіцієнт переходу від ступеня до ступеня складе 1,15.

Коефіцієнт переходу знаходиться з рівняння геометричної прогресії (a_i=a₁×q^i-1). У нашому випадку 490=282×q⁴. Звідси q»1,15.

Отже, при ввімкненні обмоток на високій стороні по схемі “трикутник” маємо ступені напруги 460, 429, 373, 324, 282 В, а по схемі “зірка” – 284, 247, 215, 187, 163 В.

Діаметр електродів. Електроди мають значний електричний опір. При проходженні через електроди струм нагріває їх. При цьому губиться до 8 % електроенергії. Для зменшення електричних втрат потрібно було б використовувати електроди великого діаметру та зменшувати цим щільність струму. Але при збільшенні діаметра електрода з печі виноситься більша кількість тепла. Крім цього, більша кількість тепла віддається повітрю розпеченими електродами, які піднімаються з печі під час випуску плавки і завантаження шихти. Для зменшення втрат необхідно, щоб температура електродів над самим склепінням не перевищувала 500°С. Для цього щільність струму не повинна перевищувати певного значення для кожного розміру і сорту електрода.

Діаметр електрода знаходиться по формулі, см:

, (6.37)

де I – лінійна сила струму, А ; r - питомий опір електрода при 500°С (для графітованих електродів r =8-15 Ом×мм²/м, для вугільних 30-80 Ом×мм²/м); К_е – коефіцієнт (для графітованих електродів К_е =2,0-2,1 Вт/см²).

Також можна розрахувати діаметр електрода по граничній щільності струму, А/см².

Наприклад, для трансформатора потужністю 35000 кВА і вторинної напруги 490 В

А; мм.

Вибираємо електрод діаметром 610 мм.

Перевіряємо щільність струму:

А/см².

Ця величина знаходиться у необхідних межах:

Діаметр електрода, мм
Гранична щільність струму, А/см2

Розрахунки по вищенаведеним рівнянням не завжди приводять до вірного рішення. В цьому випадку можна скористатися даними ДЕСТ 4426-74:

dел., мм	Щільність струму, А/см2	І, кА
		1,3
		2,5
		4,6
		7,2
		10,3
		13,4
		17,3
		20,1
		25,4
		29,4
		36,2

З тим, щоб забезпечити електродами великовантажні ДСП, в останній час проводиться комплекс робіт, направлений на істотне поліпшення якості великих електродів. Електрометалургійна промисловість повинна отримати електроди з більш щільною, направлено-орієнтованою, тобто "волокнистою" кристалічною структурою зерен графіту.

6.5.4. Порівняння вибраних енергетичних параметрів з параметрами діючих печей

Як і в попередніх розділах, необхідно звести в таблицю дані, отримані розрахунковим шляхом і дані роботи промислових агрегатів. Зразок наведений в табл. 6.3. Після заповнення цієї таблиці необхідно зробити висновок відносно відповідності розрахункових даних параметрам діючих ЕПУ.

Таблиця 6.3

Енергетичні параметри роботи дуговоїпечі