Разработка дуговой печи постоянного тока

Содержание

Введение

В данной работе  рассмотрены все положительные и отрицательные моменты дуговых сталеплавильных печей. Эти печи характерны большим выбросом газов и пыли; в период расплавления используются газокислородные горелки, подрезка шихты кислородом и другие дополнительные источники химического тепла, загрязняющие окружающую среду парниковыми газами и создающие в рабочем пространстве печи окислительную атмосферу. В настоящее время разработаны дуговые печи на постоянном токе. Разработка дуговой печи постоянного тока (ДППТ) позволила: десятикратное уменьшение пылегазовыбросов и не превышающий во все периоды плавки санитарные нормы уровень шума на рабочей площадке. Также достигаются снижение расхода графитированных электродов, уменьшение угара металла (≤1%), расхода ферросплавов (на 60…80%), уровня колебаний электрического режима (не выше 20% в начале плавки и 5% в последующие периоды плавления) [1].

Дуговые печи как на переменном, так и на постоянном токе имеют аналогичные конструкторские элементы, одинаковые схемы загрузки шихты и разлива металла, используют одни и те же огнеупорные материалы, позволяют применять одни и те же технологические процессы плавления и доводки металла. Но также имеются и различия между ними в компоновке конструкции печей, характере ведения плавки и в составе оборудования, что вызвано различием в характере физических процессов в дугах постоянного и переменного тока, а также различием в характере взаимодействия электромагнитного поля постоянного и переменного тока с жидкометаллической ванной. Особенностью ДППТ является наличие одного установленного на оси печи графитированного электрода, подключенного к минусам источников электропитания, и нескольких электродов, расположенных в подине печи и подключенных к плюсу управляемого тиристорного преобразователя. Это позволяет выполнять печи ДППТ более газоплотными, чем ДСП, а также обеспечивает более равномерный прогрев шихты и футеровки по периметру ванны (без локальных перегревов футеровки напротив электродов и более низкой скорости плавления на откосах в промежутках между электродами, как это имеет место в ДСП) [2].

В сталеплавильном цехе АО «ССГПО» Металлопрокатного цеха при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах возникают множество  проблем, таких как низкое качество стали, и  различные дефекты связанные с быстрым сгоранием электродов.

Для решения этих проблем мною предлагается модернизация дуговой сталеплавильной печи.

В дальнейшем эти вопросы будут более тщательно рассматриваться для решения этих проблем в моей дипломной работе.

1 Модернизация ДСП с целью уменьшения отходов при выплавке стали

1.1 Анализ состояния развития конструкций, механизмов перемещения электродов, систем электропитания и управления

Конструктивно-технологические особенности дуговой электропечи делают ее чрезвычайно мобильным плавильным агрегатом, позволяющим использовать разнообразные графики работы. Благодаря этому дуговые печи очень удобны для работы в фасонно-сталелитейных цехах.

Дуговая печь имеет ряд экологических преимуществ по сравнению с другими плавильными агрегатами:

1) легче и дешевле осуществить улавливание и очистку печных газов в связи с их меньшим количеством и меньшими размерами печи;

2) в процессе электроплавки  используется и подлежит утилизации или складированию в отвалах меньшее количество шлака.

С момента начала применения дуговых печей для выплавки стали довольно быстро оформились основные направления или основные области применения дуговых печей[3].

В производственной программе дуговых печей по выплавки стали, идущей на изготовление стального фасонного литья, преобладают углеродистые марки сталей. Успешное использование дуговых печей в данном направлении стало возможным благодаря их высокой маневренности (возможности работы по любому графику) и сравнительной легкости получения перегретого металла, необходимого для производства стальных фасонных отливок сложной конфигурации. В плавильных отделениях современных фасоннолитейных цехах применяют обычно печи небольшой емкости с относительно небольшой удельной мощностью печного трансформатора. Технология плавки стали, как правило, проста и заключается ведении одношлакового процесса. Постепенно в сортаменте таких цехов появились и легированные стали, правда, в небольшом объеме [4].

Применение дуговых печей в направлении получения преимущественно низко- и среднелегированных сталей, в том числе, подшипниковых и идущих на изготовление проката, вызвано возможностью регулировать состав атмосферы печи, переплавлять без больших потерь высоколегированные отходы нержавеющих, быстрорежущих и прочих сталей, а при необходимости, осуществлять легирование расплава в ванне дуговой печи с высокой степенно усвоения легирующих элементов.

С начала 1960-х годов оформилось и быстро развивается еще одно направление использования дуговых сталеплавильных печей- производство рядовых углеродистых сталей для изготовления проката, в том числе и листового проката. В настоящее время это направление по объему производимого металла существенно превосходит все остальные. Благодаря этому во всем мире объем производства электростали постоянно увеличивается, а доля электростали в общем объеме производства стали в таких наиболее экономически развитых странах, как Япония и США, превышает 40%. Около 40% в общем производстве стали составляет производство электростали в Китае, вышедшем на первое место по объему выплавляемой стали[5].

Благодаря описанным выше преимуществам дуговой печи электросталеплавильное производство имеет хорошие перспективы применения в обозримом будущем[6].

В нашей стране также имеется потенциальная возможность интенсивного развития (и модернизация) электросталеплавильного производства. Необходимыми условиями для этого являются: инвестиции в отрасль в нужном объеме; развитие и реформа энергетики; бережное отношение к имеющимся запасам лома; помощь правительства отечественной металлургии[7].

Существующие в настоящее время дуговые сталеплавильные печи можно классифицировать по следующим признакам.

1. По виду используемого тока дуговые печи подразделяются на печи переменного и постоянного тока.
2. По емкости ДСП можно разделить на печи малой емкости (до 20т), средней (21т÷75т) и большой (более 75т) емкости.

3) В зависимости от удельной мощности источника питания дуговые печи подразделяются на маломощные (менее 400кВА/т), средней мощности (400÷600кВА/т), высокомощные(600÷800кВА/т), сверхмощные (более 800кВА/т).

4) В зависимости от вида используемых огнеупоров различают основные и кислые печи.

5. Наличие или отсутствие водоохлаждаемых элементов позволяет выделить дуговые печи с огнеупорной футеровкой и водоохлаждаемые печи (обычно применяют водоохлаждаемые панели стен и свода).
6. В зависимости от способа выпуска различают печи с выпуском стали по желобу (классический или сифонный выпуск) и печи с донным выпуском (центральный донный, эксцентрический и эркерный).
7. В зависимости от конструкции дуговые печи бывают портальные и беспортальные.
8. Существуют двухванные печи.
9. Есть дуговые печи, оснащенные устройствами для нагрева шихты (с шахтным подогревателем, системы Констилл, Брус и др.)[8].

Общий вид современной дуговой сталеплавильной печи показан на рисунке 1.1 Она оснащена следующими основными элементами:

- корпус печи;

- футеровка;

- свод;

-водоохлаждаемые элементы и система охлаждения;

-вторичный токоподвод;

-электродержатели с механизмом перемещения;

-портал (или безпортальная конструкция) с системой подъема и поворота свода;

-механизм наклона печи;

-фундамент печи.

Рисунок 1.1 общий вид ДСП

Кроме того, в комплекс ДСП входит:

- регулятор мощности;

-печной трансформатор;

-АСУТП;

-завалочные бадьи;

-система бункеров, весодозирования и подачи шлакообразующих и легирующих компонентов в печь;

-устройство для вдувания порошкообразных материалов в ванну;

-система отбора и очистки образующихся при электроплавке газов;

-система электроснабжения.

Основное назначение дуговых печей-плавка металлов и сплавов. Дуговая печь представляет собой футерованный кожух, закрытый сводом, сквозь отверстие в своде внутрь опущены электроды, которые зажаты в электродержателях. Плавление шихты и обработка металла ведется за счет тепла электрических дуг, горящих между шихтой и электродами [9].

Конструкция печи предусматривает слив металла через сливной носок.

Скачивание шлака осуществляется через рабочее окно, вырезанное в кожухе[10].

Технологический процесс плавки металла в дуговой печи.

На всех современных печах загрузку шихты осуществляют сверху при помощи загрузочной бадьи. Старые печи загружают, пользуясь мульдами.

При загрузке печи бадьями всю шихту загружают в один – два приема и независимо от емкости печи длительность загрузки составляет 5-10мин. Длительность завалки мульдами зависит от насыпной плотности шихты и емкости печи.

Быстрая завалка позволяет сохранить тепло, аккумулированное кладкой печи, в результате чего сокращается продолжительность плавления, уменьшается расход электроэнергии и электродов и увеличивается стойкость футеровки.

При завалке сверху порядок укладки шихты в бадьи предопределяет расположение ее в печи. Оптимальный порядок загрузки бадьи:

-на дно бадьи загружают небольшое количество легковесного мелкого лома, стружку для предохранения подины от ударов крупных падающих кусков;

-наиболее крупную шихту догружают вперемежку с шихтой средних размеров в центральную часть бадьи так, чтобы в печи крупные куски оказались непосредственно под электродами;

-по периферии бадьи распределяют куски средних размеров;

-сверху засыпают легковесный и мелкий лом для быстрого погружения электродов в начале плавления и исключения прямого воздействия дуг на футеровку стен.

Такая последовательность загрузки бадьи обеспечивает наиболее плотную укладку шихты в печи, что важно для стабильного горения дуг.

С одной стороны – присутствие в шихте под электродами крупных кусков замедляет  проплавление колодцев и исключает возможность погружения электродов до подины раньше, чем накопится слой жидкого металла, защищающий подину от прямого воздействия дуг. Но с другой стороны возрастает вероятность поломки электрода.

Для достижения оптимальной укладки шихта должна составлять:

-35÷40%-крупный лом;

-40÷45%-средний лом;

-15÷20%-мелкий лом.

Причем примерно половину мелочи нужно загружать вниз, а вторую половину - поверх остальной завалки[11].

Легирующие элементы надо располагать таким образом, чтобы обеспечилась максимальная скорость их плавления и минимальный угар.

Тугоплавкие металлы, такие как ферромолибден или ферровольфрам, следует загружать в центральную часть бадьи; легкоплавкие металлы, например никель, которые в зоне дуг интенсивно испаряются - ближе к откосам [12].

Обработка загруженной в дуговую печь твердой шихты начинается со стадии расплавления, на этой стадии в печи зажигается дуга и начинается расплавление шихты под электродами. По мере расплавления шихты электрод опускается, вниз образуя колодцы. Особенностью стадии расплавления является неспокойное горение электрической дуги. Низкая устойчивость дуги объясняется низкой температурой в печи.

Переход дуги с одной шихты на другие, а также многочисленное обрывание дуги называется эксплуатационными короткими замыканиями, которые вызываются обвалами и перемещениями проводящих кусков шихты. Другие стадии обработки металла находятся в жидком состоянии и характеризуются спокойным горением дуг. Однако требуется широкий диапазон оперативного регулирование и высокая точность поддержания мощности, вводимой в печь. Регулирование мощности обеспечивает требуемый ход металлургической реакции [13].

Рассмотренные особенности технологического процесса требуют от дуговой печи:

- способности быстро реагировать на эксплуатационные короткие замыкания и обрывы дуги, быстро восстанавливать нормальный электрический режим, ограничивать до допустимых пределов токи эксплуатационных замыканий;

-гибкость управления мощностью, вводимой в печь.

В электроприводах механизмов печи применяют обычно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором напряжением 380В на мощности от 1-2 кВт в небольших печах до 20-30кВт в более крупных печах. Двигатели приводов перемещения электродов - переменного тока с  питанием от электромашинных или магнитных усилителей, а также от тиристорных преобразователей. Эти приводы входят в состав самостоятельного агрегата-регулятора мощности печи [14].

Двигатели, обслуживающие механизмы дуговых печей, работают в тяжелых условиях (пыльная среда, близкое расположение сильно нагретых конструкций печи), поэтому они имеют закрытое исполнение с теплостойкой  изоляцией (краново-металлургических серий).

Рассмотрение конструкций позволяет выявить возможные способы регулирования ее электрического режима:

-изменение подводимого напряжения;

-изменение сопротивления дуги, т.е. изменение ее длины.

В современных установках используются  оба способа. Грубая регулировка режима осуществляется переключением ступеней вторичного напряжения трансформатора, точная – с помощью механизма перемещения электродов. Управление механизмами перемещения осуществляется с помощью использования автоматических регуляторов мощности (АРМ) [15].

Автоматические регуляторы мощности должны обеспечивать:

- автоматическое зажигание дуг;

-автоматическое устранение обрывов дуги и эксплуатационного короткого замыкания;

-быстродействие около 3секунд при устранении обрывов дуги эксплуатационного короткого замыкания;

-апериодический характер процесса регулирования;

-возможность плавно изменять мощность, вводимую, а печь, в пределах от 20-125% от номинальной и поддерживать ее с точностью до 5%;

-остановку электродов при исчезновении напряжения питания.

Апериодический характер процесса регулирования необходим, чтобы исключить опускание электродов жидкий металл, что может науглеродить его и испортить плавку, а также исключить поломку электродов при контакте их с твердой шихтой. Выполнение этого требования обеспечивает защиту от перечисленных выше режимов при аварийном или рабочем отключении печи [16] .

2. Электроды дуговой сталеплавильной печи

Электроды предназначены для подачи электрического тока в рабочее пространство печи к электрической дуге. Электроды дуговой сталеплавильной печи работают в крайне тяжелых условиях. Поэтому к материалу для изготовления электродов предъявляют ряд специфических требований. Они должны иметь достаточную механическую прочность при низких и высоких температурах; иметь высокую электропроводность; обладать стойкостью против окисления в рабочем пространстве печи и вне ее, обеспечивать надежный контакт в головках электродержателей и местах соединения секций электрода, иметь невысокую стоимость. Удовлетворяют таким требованиям в настоящее время только электроды из углеродистого материала.

В подавляющем большинстве случаев на дуговых сталеплавильных печах применяют графитированные электроды круглого сечения. Качество графитированных электродов и способ подвода к ним электрического тока определяют в значительной степени величину электрических потерь печной установки, часто достигающую 10% от подводимой к печи мощности [18].

Первые дуговые электропечи имели монолитные электроды, при работе с ними образовывалось большое количество огарков, которые не использовались металлургами. Очень быстро электропечи перешли на сборные наращиваемые электроды, которые можно использовать практически целиком.современные непрерывно наращиваемые электроды имеют обработанные на токарных станках торцы, в которых по оси электрода выполнены отверстия с резьбой. В отверстие ввинчивают ниппель (на половину его длины), изготовленный из такого же материала, как и электроды. На выступающую из торца электрода другую половину ниппеля навинчивают следующий электрод. В результате получается свинченный электрод, или «электродная свеча». Ниппели и отверстия для них могут быть цилиндрическими или коническими.

Для удобства транспортировки и эксплуатации электроды изготавливают длиной 1000…2700мм, поэтому работающая электродная «свеча» состоит из двух и более секций, соединенных ниппелями [19].

а)                                                              б)                   

Рисунок 1.2 Графитированный электрод

Электроды небольшого диаметра обычно делают с цилиндрическими отверстиями и ниппелями, среднего и большого диаметра-с коническими отверстиями и ниппелями. По ТУ 1911-109-052-2003 отечественные электроды диаметром до 200 мм включительно и ниппели к ним изготовляют с цилиндрической резьбой (рисунок 1.2 а) и б)); электроды диаметром 200мм и более и ниппели к ним-с конической резьбой.

На электропечах малой емкости России в качестве механизма перемещения электрода обычно  использовались электромеханические приводы с канатной передачей. В процессе усовершенствования конструкции дуговых печей и улучшения их технических характеристик при проектировании большинства ДСП стали использовать механизмы перемещения с реечной передачей. Схемы перемещения электрода аналогичны канатным механизмам: с перемещающейся стойкой и с перемещающимся электродержателем [19].

Реечные и канатные механизмы перемещения электродов до сих пор эксплуатируются на заводах на старом оборудовании. Но при проектировании новых механизмов отдают предпочтение гидравлическим механизмам, использующих в качестве механической передачи-передачу «винт-гайка» [20].

Гидравлические механизмы перемещения получили широкое распространение. Они являются наиболее быстродействующими и в них полностью решена проблема поломок электрода в результате упора в шихту за счет использования датчиков давления. Особенности использования гидравлики позволяют безошибочно определить момент упора по повышению давления в системе. Кроме того гидравлические регуляторы имеют малую инерцию и просты в эксплуатации и ремонте.

Недостатком гидравлических механизмов до сих пор остаются его стоимость и использование горючей жидкости (гидравлического масла) в качестве рабочей среды [21].

Для улучшения технико-экономических показателей производства электростали большое значение имеют мероприятия по снижению расхода электродов. Расход их зависит от многих факторов: качества электродов; конструкции печи, применения газокислородных горелок и других средств интенсификации плавления шихты; технологии плавки; качества применяемого лома; параметров газоулавливающих устройств и т.д. Поэтому в настоящее время величина расхода электродов на 1т выплавляемой стали колеблется в широких пределах: от 1,6÷2,8кг в современных сверхмощных печах и до 4÷6кг в небольших печах отечественных фасонно-литейных цехов [22].

Суммарный расход электродов на плавку обычно определяется тремя статьями:

1) расход рабочих концов электрода или эрозии торцов электродов, т.е. испарение (сублимация) графита в зоне горения дуги и растворение графита в шлаке (или металле);

2) расход боковой электродной поверхности (окисление графита с боковой поверхности электродов);

3) так называемый промежуточный расход электродов (потери в виде неиспользуемых огарков и вследствие поломок).

Следует отметить, что распределение общего расхода электродов по статьям также существенно зависит от факторов, перечисленных выше. При работе печей малой мощности расход рабочих концов электродов составляет 30% общего расхода, окисление с боковой поверхности-55÷60, промежуточный расход-10÷15% [23].

 По данным, в сверхмощной печи начала 1980-х годов при большом расходе электродов 4кг на 1т стали расход рабочих концов составлял 50%, окисление с боковой поверхности-40 и промежуточный расход-10% общего расхода. В современных сверхмощных дуговых печах, широко использующих альтернативные источники тепла для ускорения расплавления шихты и подготовленную шихту, распределение общего расхода электродов по статьям выглядит следующим образом: расход рабочих концов-65÷70%,окисление с боковой поверхности-25÷30,промежуточный расход-5÷10%(оценочно)[24].

Практика эксплуатации дуговых сталеплавильных печей показала, что общий расход электродов хорошо коррелируется с общим расходом электроэнергии: с увеличением расхода электроэнергии возрастает и расход электродов. Поэтому любые организационно-технические мероприятия, способствующие снижению общего расхода электроэнергии на плавку, уменьшают и расход электродов (уменьшение продолжительности заправки, завалки, выпуска, использование альтернативных источников тепла, отказ от рафинирования металла в печи, совмещение плавления и окислительного периода и т.д.)[25].

1.3 Методы снижения вероятности поломок электродов

При выявлении причин поломок электродов и в процессе разработки комплексной системы по предотвращению поломок электродов были изучены существующие способы решения поставленных задач  и был проведен патентный поиск работ в этой области.

В 1998году в Сибирской государственной горно-металлургической академии был разработан способ управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи. Авторы этого изобретения: Буторин В.К.; Веревкин В.И.; Штайгер А.Ф. В своей работе авторы описывают проблему поломки электродов вследствие упора и механического взаимодействия с токонепроводящей шихтой.[26].

При упоре электрода в токонепроводящую шихту ввиду наличия явления блуждания дуги происходит ее перемещение в направлении токопроводящей среды с расплавлением этого участка электропроводной шихты. Наблюдается постепенное удлинение дуги. Режимная точка на зависимости напряжения дуги от силы тока дуги устанавливается как точка пересечения вольтамперной характеристики дуги с внешней характеристикой источника питания [27].

Поскольку положение режимной точки стабилизируется автоматическим регулятором, то при удлинении дуги и увеличении напряжения дуги регулятор дает команду на дальнейшее опускание электрода.

Упираясь в токонепроводящее препятствие, электрод нажимает на него, заставляя смещаться в направлении наименьшего сопротивления. В процессе движения вероятность установки контактной поверхности непроводящего препятствия эквидистантно поверхности рабочего конца электрода, особенно с учетом овальной формы разгара рабочего конца, является минимальной. Поэтому, испытывая осевое сопротивление наклонно расположенной контактной поверхности токонепроводящего препятствия, электрод одновременно начинает испытывать значительные радиальные усилия реакции со стороны  препятствия. В условиях защемления второго конца электрода в электродержателе происходит изгиб. Вследствие явлений частичного радиального смещения токонепроводящей шихты, а также проскальзывания электрода относительно ее контактной поверхности, степень изгиба электрода может возрастать. Процесс продолжается до тех пор, пока возникающие в сечении электрода напряжение не превысят их предельно допустимых значений. Поскольку площадь поперечного сечения ниппельного соединения электрода существенно меньше его сплошного сечения, то поломка электрода возникает в основном по ниппельному соединению [28].

Частичное ограничение ранее свободных электромеханических колебаний электрода приводит к снижению амплитуды колебаний. Поскольку скорости движения электрода и развития процессов в его контакте с токонепроводящей шихтой достаточно низкие, то по полученным данным поломка чаще всего происходит по прошествии 70÷80с с момента образования кон

такта. В течение первых 40÷60с наблюдается устойчивое монотонное снижение амплитуды горизонтальных колебаний, что служит информативным признаком утыкания электрода в токонепроводящую шихту. В процессе проплавления колодца в некоторых случаях наблюдается обвал подплавленной шихты таким образом, что находящаяся вблизи границ колодца и ранее не оказывающая существенного влияния на процесс проплавления токонепроводящая шихта смещается под электрод. Иногда токонепроводящая шихта обваливается на боковую поверхность электрода, приводя к его радиальному нагружению и снижению амплитуды колебаний. В этом случае развитие процесса в контакте «электрод - токонепроводящая шихта» может происходить в одном их двух направлений [29].

Во-первых, по пути увеличения опасных радиальных нагрузок, что приводит к устойчивому снижению амплитуды горизонтальных колебаний электрода. В этом случае возникает опасность скорого разрушения электрода.

Во-вторых, по мере плавления по пути смещения токонепроводящей шихты в направлении от электрод, что обуславливает рост амплитуды его колебаний.

В качестве решения проблемы авторы предлагают способ своевременного распознавания ситуации, прекращения плавления и подъема электродов на время устранения токонепроводящей шихты [30]..

В процессе поднятия электрода, предпринимаемого из-за упора в токонепроводящую шихту, степень искривления, а значит и радиальные усилия на электрод снижаются. Условия его работы улучшаются. В процессе поднятия электрода, предпринимаемого из-за обрушения токонепроводящей шихты на его боковую поверхность, длина плеча, на котором на электрод действует усилие реакции со стороны шихты, практически не меняется. Условия работы электрода вплоть до его выхода из контакта с шихтой не ухудшаются, а после выхода улучшаются. Способ позволяет осуществить идентификацию наличия устойчивого контакта в системе «электрод - токонепроводящая шихта»  и избежать поломки электрода из-за его механического взаимодействия во время плавления с токонепроводящей средой путем прерывания плавления, поднятия электрода и устранения токонепроводящей среды [31].

Принятие решения на прерывание плавления, поднятие электродов и устранение токонепроводящей среды представляет собой формирование сигналов управлений, позволяющих избежать поломки электрода из-за его механического взаимодействия с токонепроводящей средой. Прерывание операции плавления, поднятие электродов и устранение токонепроводящей среды позволяет избежать возможной поломки электрода [32].

В настоящей работе предполагается решение по снижению вероятности поломок электродов в ДСП. Однако такой способ имеет ряд недостатков. Наиболее важным из них - необходимость проведения достаточно сложного математического анализа и наличие фильтрации снимаемого сигнала. Время, затрачиваемое на эти операции в сочетании с фильтрами, установленными на

выходе датчиков. Может достигать 1-2сек, что в совокупности с большой постоянной времени привода не позволяет вовремя остановить электрод [33].

Задача поломки электродов в ДСП может быть решена не только за счет предотвращения упора электрода токонепроводящую или крупнокусковую шихту, но и правильной шихтовкой плавки. Обычно шихтовку корзины выполняют таким образом, что бы после ее выгрузки в верхних слоях в зоне горения дуг находилась мелкая токопроводящая шихта. Соблюдение этого условия улучшает работу электродов и снижает вероятность его поломки.

Однако при выгрузке из завалочной бадьи в печь шихта перераспределяется, и очень часто происходит попадание крупных кусков лома в зону горения дуги. В таком случае вероятность поломки электродов резко возрастает.