УДК 621.745.34
ЗОННАЯ СТРУКТУРА ВАННЫ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ И ТОКЕ ПОНИЖЕННОЙ ЧАСТОТЫ
© Нехамин Сергей Маркович, канд. техн. наук
ООО «НПФ КОМТЕРМ». Россия, Москва. Статья поступила 23.07.2013 г.
Рассмотрена структура потоков мощности в ваннах руднотермических, дуговых и электрошлаковых печей, работающих на постоянном токе и токе пониженной частоты. Представлены результаты исследований энергетических процессов в трех основных зонах рабочего пространства: в зоне шихтовых материалов и шлаков, в дуге и в зоне материалов, имеющих металлическую электропроводность. Приведены данные по промышленному применению предлагаемого обобщенного подхода к созданию высокоэффективных электродных плавильных печей.
Ключевые слова: плавильная печь; ток; частота; энергия; дуга.
Применение полупроводниковых преобразователей энергии открыло новые возможности управления пространственным распределением мощности в рабочем пространстве печи с целью повышения эффективности использования энергии и исходных материалов, уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду и улучшения качества выпускаемой продукции. Сотни дуговых сталеплавильных печей (ДСП) во всем мире работают на постоянном токе, их единичная мощность достигла 260 МВА. Для руднотермических печей (РТП) использование постоянного тока также является быстроразвивающимся направлением. Примером может служить строительство четырех РТП постоянного тока мощностью по 72 МВт для выплавки феррохрома в Казахстане на Актюбинском заводе ферросплавов [1].
С целью исследования обобщенных характеристик энергетических потоков, циркулирующих в плавильных печах с различным строением рабочего пространства, целесообразно выделить три технологические зоны, отличающиеся характером происходящих в них энергетических процессов. Первая - зона шихтовых материалов, имеющих относительно низкую электропроводность, вторая - зона дугового разряда и третья зона, в которой расположены твердые и жидкие материалы с высокой электропроводно-
стью. Эти три энергетические зоны в различных сочетаниях существуют в печах разнообразных типов при осуществлении многочисленных технологических процессов. Распределение энергии между зонами - это своего рода энергетический «портрет» конкретного технологического процесса.
В дуговых и электрошлаковых печах (ЭШП) различного типа, а также для разных технологических процессов соотношение между выделяющейся в первой и второй зонах мощностью (р и q соответственно) варьируется от 0 до 100% и принято в качестве классификационного признака (рис. 1), аналогично печам, работающим на токе промышленной частоты [2].
Электродные плавильные печи прямого дугового нагрева
С открытой излучающей дугой q = 0
I
Л Ьн О
< ч> ^
гам. ~ Н . ^
2 ^ с? Я
Н га •
еер
И ю Щ
^ "с ^
(р ~
С закрытой дугой р * 0, q * 0
Т
§ я % ^ «
I £ $
е т
о нд
(Р
5 и з л
Й и
I
Вспомогательный характер или отсутствие дуги р = 0
£ У
и ел е,
Г -5 3 ^ ь,
* ? у
щ щ сл
Г! Л
ов но
док
уа
Рч <
а
^ с
2 N
щ
§ С ^
" 5 -
<и Из Рч £ ^ -5 2 £
р, А ы %р ИИ. то,
я 2 <
£
* 2 с
3 ел
е
ф ы
ы н
в н
о е и к в о т
к в
а т
л н с е ч
о ча о
р т к к кок га з
е о
л с
Э ы
в
Постоянный ток
Постоянный ток, низкая частота
Низкая частота
Рис. 1. Классификация электродных плавильных печей с питанием от полупроводниковых преобразователей
Рис. 2. Структура потоков энергии в печи: 1 - гарнисаж; 2 - исходная шихта; 3 - горячая шихта; 4 - размягченная шихта; 5 - зона восстановления; 6 - металлокарбидная настыль; 7 - подэлектродная полость; 8 - расплав кремния; 9 - электропроводная часть подины; 10 - электрод
В структуре энергетических потоков (рис. 2) особую роль играет оборудование Е печи, обеспечивающее поступление энергии (электрической А, тепловой Q, скрытой химической и физической энергии материалов С) в рабочее пространство печи WS. Механические воздействия исполнительных механизмов G регулируют обмен энергией рабочего пространства печи с внешней средой, а также участвуют в перераспределении потоков энергии внутри рабочего пространства. Оборудование, которое замыкает энергетическую систему печи, будем считать четвертой энергетической зоной установки. На примере внутренней структуры печной ванны (см. рис. 2) для печи, выплавляющей металлургический кремний, видно, что участки 1-6 относятся к первой зоне, участок 7 - ко второй, 8 - к третьей. Индексами обозначена направленность потоков: бб - внешние потоки из системы снабжения, I - входные, о - выходные потоки. Потоки могут быть направлены в одну сторону или иметь разнонаправленный характер. Как правило, электромагнитный поток рассматривается как двунаправленный. Электродуговая печь потребляет из питающей сети активную мощность и генерирует мощности реактивную, * искажения и несимметрии. Процесс обмена энер-
о
гией между печью, источником питания и сетью отображает внутренние процессы, происходящие в печи, и несет информацию о параметрах состо-^ яния технологического процесса.
Объем первой зоны печной ванны занят твердой либо оплавленной шихтой, в одних пе-
чах - это смесь руды с углеродистым восстановителем, а в других - расплавленный шлак. При протекании тока через материалы первой зоны в них выделяется тепло. Нелинейный характер зависимости электрического сопротивления материалов первой зоны от температуры и других параметров, необходимость трехмерного рассмотрения задачи обусловливают ряд ограничений при постановке задачи исследования распределения мощности в низкоэлектропроводной зоне. Отметим также, что в многоэлектродных печах имеются две составляющие потока энергии первой зоны. Обычно в печах трехфазного переменного тока их связывают с токами «треугольника», замыкающимися непосредственно между электродами, и токами «звезды», замыкающимися через металлическую ванну. По эффективности использования мощности эти составляющие неравноценны. Составляющая мощности «звезды» выделяется в высокотемпературной зоне и расходуется там же на эндотермические реакции восстановления. Составляющая мощности «треугольника» используется менее эффективно, так как значительная ее часть расходуется на тепловые потери через колошник печи.
Электромагнитное поле в первой зоне печи, которое описывается в общем случае волновым уравнением, учитывая, что глубина проникновения электромагнитной волны превышает линейные размеры реакционной зоны, с достаточной для практики точностью рассчитывали в соответствии с уравнением Лапласа для электрического
потенциала поля. Решение осуществляли с помощью специально разработанной математической модели [3], исходя из кусочно-однородного представления среды с учетом условий сопряжения на поверхностях раздела сред с различной электропроводностью. Получена зависимость потенциала и электрического поля от координат и рассчитаны напряженность электрического поля E, плотность тока б, удельная объемная мощность PV и мощность P, расходуемая в технологической зоне рабочего пространства объемом V E = ^гаС и б = YE;
Pv = yE2; (1)
Р = \Ру ¿V.
V
Рассчитано также электрическое сопротивление печной ванны Rсх как обобщенная характеристика схемы подключения печи. Полученные зависимости (рис. 3) показывают, насколько велико влияние схемы подключения печи к источнику питания на распределение мощности в ванне и на параметры печи.
Анализ результатов моделирования распределения мощности в ванне РТП показывает, что наилучшие характеристики имеет схема «электрод-подина», обеспечивающая наибольшую концентрацию мощности под электродами; наибольшую эффективность для энергоемких процессов рудной термии (выплавки кремнистых сплавов); более высокую равномерность распределения мощности на поверхности раздела шлак-металл, что важно для многошлаковых процессов (получение БеМп, Б1Мп, штейнов); наибольшее электросопротивление ванны печи; рост электросопротивления при сближении электро-
б
Т 5 Л
-2 -1,5-1-0,5 0 0,5 1,01,5 2,0 X
Рис. 3. Распределение удельной объемной мощности (а) при различных схемах подключения печи (б) и электрическое сопротивление ванны в функции от расстояния между электродами я, отнесенного к диаметру электрода Л (в)
дов ванны (в то время как при других схемах оно снижается). Кроме того, такая схема позволяет уменьшить размеры ванны печи (сократив ее массу и габариты) и соответственно повысить концентрацию мощности, снизить удельный расход электроэнергии, а также создает условия для применения более чистых восстановителей и повышения качества конечных продуктов.
Повышение сопротивления ванны с проводящей подиной объясняется исключением токов, замыкающихся непосредственно между электродами (в традиционных печах, называемых токами треугольника), что благоприятно сказывается на всех параметрах печи и технологического процесса.
Использование эффективного распределения мощности прежде всего в первой зоне ванны при подводе постоянного тока через проводящую подину позволило создать ресурсосберегающую РТП мощностью 6,4 МВт для выплавки кремния [4]. Перевод с питания током промышленной частоты 50 Гц позволил: снизить расход электродов на 20-40%, а также уменьшить расход минерального сырья (БЮ2) и дорогих сортов восстановителя (древесного угля) на 8%, повысить качество выплавляемого кремния вследствие снижения содержания в нем примесей, снизить потребляемую реактивную мощность, увеличить вдвое срок службы футеровки и кожуха.
Печная дуга, отнесенная ко второй зоне печной ванны, формирует большую часть процессов, протекающих в ДСП и РТП. От параметров ее работы на постоянном токе и токе пониженной частоты и характера теплообмена с окружающим внутрипечным пространством зависят основные характеристики печи.
Теплообмен открытой дуги постоянного тока с рабочим пространством печи исследовали с использованием модели печной дуги [5], в которой отдельно рассмотрен баланс энергии внутри электропроводной зоны дугового столба и сопряженный с ним конвективный теплообмен столба дуги с окружающей неэлектропроводной атмосферой печи.
В соответствии с принятыми допущениями внутри столба дуги, облада
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.