Преимущества и недостатки дуговых печей постоянного и переменного тока

Первые дуговые сталеплавильные печи, появившиеся в конце XIX века, были печами постоянного тока. Позже в течение многих десятилетий в черной металлургии доминировали печи переменного тока. И несмотря на достигнутые успехи, дуговые печи переменного тока обладают целым рядом недостатков:

• они работают с относительно низким коэффициентом мощности,
• являются источниками мощных помех в питающих энергосистемах,
• вызывают сильную загазованность окружающей среды,
• имеют высокий уровень шума.

Для устранения указанных недостатков с начала 80-х годов все большее распространение начинают находить дуговые печи постоянного тока.

До 1990 г. число этих печей было единицы, к началу 1993 г. в мире в эксплуатации находилось 46 дуговых печей постоянного тока, а к концу 1998 г. - более 130 дуговых сталеплавильных печей постоянного тока.

В проектировании и эксплуатации ДСП постоянного тока было использовано множество новых разработок как электротехнических и конструкторских, так и технологических: новые конструкции трансформаторов, выпрямителей, фурм, горелок, новые системы автоматизации и управления, способы вдувания кислорода, углерода, шлакообразующих, подогрева и загрузки шихты, дожигания технологических газов, донный внецентренный выпуск плавок, вспенивание шлаков, донная продувка ванны газами и т.д.

Продолжительность плавки в новых крупных печах составляет менее 60 мин и ожидается доведение ее в ближайшее время до 30 - 40 мин.

Основными отличиями печей постоянного тока различных фирм является количество подовых электродов - катодов и конструкция токопроводящего узла - анода. Многоэлектродные печи постоянного тока распространения не получили. Практически все работающие дуговые печи постоянного тока являются одноэлектродными.

По конструкции используемые токопроводящие узлы подины в основном можно разделить на четыре типа (в скобках - фирма-разработчик):

• токопроводящая подина, охлаждение воздушное (АВВ Industrie AG);
• многостержневой металлический подовый электрод, охлаждение воздушное (МАN GHH / Nippon Коkan);
• многопластинчатый металлический подовый электрод, охлаждение воздушное (Deutshe Voest Alpine Industrieanlagenbau);
• одностержневой металлический электрод, иногда несколько электродов, охлаждение водяное (Clecim).

Особых преимуществ у какого-либо из этих подовых электродов не выявлено; стойкость их, как правило, превышает 1200 плавок.

Силовая линия дуговых печей постоянного тока в отличие от трехфазных печей включает выпрямительный блок и сглаживающий реактор, снижающий эффект мерцания. Для питания постоянным током используют тиристорные и диодные преобразователи. Однозначного мнения о том. какой из этих преобразователей лучше, в настоящее время нет. В мире освоено производство мощных и компактных выпрямителей для печей любой емкости. В случае недостаточной единичной мощности преобразователей их объединяют в блоки для получения необходимых параметров источников питания. Источники питания могут собираться по схемам последовательного, параллельного либо параллельно-последовательного подключения. Это повышает надежность, так как при выходе из строя одного трансформатора процесс плавки может быть продолжен с использованием оставшегося. Кроме того, может быть реализован режим с повышенным напряжением при последовательном включении и повышенным током дуги при параллельном включении тиристорных секций без увеличения установленной мощности источником электропитания. В подине дуговой печи можно размещать несколько изолированных от корпуса электродов и создавать печи большой мощности, подключая каждый источник электропитания к определенному подовому электроду.

Печи постоянного тока имеют следующие преимущества по сравнению с печами переменного тока:

• меньший удельный расход электродов на 50-60 %;
• снижение уровня фликера на 50 %;
• возможность подводить большую мощность;
• более высокую надежность электрооборудования;
• работа с длинными дугами;
• перемешивание ванны под воздействием электродинамических сил;
• упрощение технического обслуживания и сокращение трудозатрат;
• равномерная тепловая нагрузка на футеровку печи;
• снижение уровня шума на 15 дБ;
• стабилизация технологии;
• лучшее формирование колодцев при проплавлении шихты;
• снижение угара легирующих элементов;
• снижение содержания азота в стали:
• уменьшение газовыделения и пылеобразоаания;
• снижение расхода огнеупоров;
• повышение производительности.

Однако, несмотря на широко рекламируемые преимущества печей постоянного тока, некоторые фирмы предпочитают устанавливать трехфазные печи.

Это обусловлено следующим:

• капитальные затраты на печь переменного тока ниже;
• суммарный расход электроэнергии практически одинаков;
• торцовый расход электродов и воздействие на питающую сеть высокоимпедансных трехфазных печей и печей постоянного тока сближаются;
• печи переменного тока имеют большую гибкость регулирования температуры ванны.

Недостатки дуговых печей постоянного тока:

• работа на длинных дугах приводит к повышенным тепловым потерям (дуга постоянного тока характеризуется пониженным значением градиента потенциала в столбе дуги, что для обеспечения выделения в дуге требуемой мощности вызывает необходимость увеличения ее длины до 0,8 -1,0 м. После расплавления шихты это приводит к росту потоков излучения на стены и свод печи и увеличению тепловых потерь);
• в дуговой печи постоянного тока требуются специальные меры по предотвращению отклонения дуги из-за явления магнитного дутья;
• ввод в электрическую цепь полупроводникового источника снижает надежность установок и повышает их стоимость.

Аналогично не отвечает электротехнологическим требованиям и дуга переменного тока. В начальный период плавки дуга имеет небольшую длину, что повышает вероятность эксплуатационных коротких замыканий и увеличивает расход энергии, усиливает влияние на питающую сеть. В то же время дуга непрерывно перемещается, что расширяет колодцы и снижает остроту проблемы перегрева подины. По расплавлении шихты дуга переменного тока более эффективна (без учета расхода электродов).

Исследования показали, что КПД дуг переменного тока в зависимости от электрического и шлакового режимов изменяется в пределах 0,55 - 0,85, КПД дуг постоянного тока - в пределах 0.40 - 0,75, чем и объясняется больший, в некоторых случаях, удельный расход электроэнергии в дуговых печах постоянного тока.

Показатели работы современных дуговых печей постоянного и переменного тока близки, за исключением расхода электродов – на дуговых печах постоянного тока расход графитированных электродов примерно в два раза ниже чем на дуговых печах переменного тока.

В ближайшем будущем продолжится "соревнование" дуговых печей постоянного и переменного тока, будут строиться те и другие печи, но опережающими темпами будут строиться дуговые печи постоянного тока - примерно в два раза больше, чем новых дуговых печей переменного тока.

При определении типа строящейся печи в каждом конкретном случае проводится комплексный анализ проекта, где учитываются

• географическое расположение площадки, на которой будет установлена печь;
• вид используемой металлошихты;
• наличие мощных источников электроэнергии;
• обеспеченность топливом и кислородом;
• экологические требования;
• возможности рафинирования жидкого металла в агрегатах внепечной обработки и другие факторы.

При прочих равных условиях предпочтение отдается технологиям и агрегатам, характеризуемым меньшими издержками на сырьевые материалы и их транспортировку.