Дуговые печи постоянного тока: мифы и реальность

Дуговые печи постоянного тока (ДППТ) известны под разными названиями уже 140 лет. Отличительные черты дуговой сталеплавильной печи постоянного тока включают:

1. Один вертикальный графитовый электрод в качестве катода. Есть модели с большим количеством электродов, но чаще он всего один.
2. Проводящий элемент, анод, встроенный в подину.
3. Наличие тиристорного или диодного преобразователя и реактора в цепи питания.

ДППТ обладают рядом достоинств, благодаря которым количество подобных установок в металлургии постоянно увеличивается. Однако, до сих пор существует множество недопониманий и предрассудков относительно технологии. Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных стереотипов.

Миф №1: ДППТ новы и ненадежны

Дуговая печь постоянного тока впервые была использована для массовой плавки металла в 1878 году. Сэр Вильгельм Сименс воспользовался для этого печью с вертикальным графитовым катодом, с которого дуга поступала в металл, находящийся в контакте с водоохлаждаемым анодом подины.

Первая успешная плавка в печи переменного тока, в свою очередь, была произведена инженером Полем Эру в 1900, в городке Ле Пра, что во Франции. С тех пор печи переменного тока использовались чаще из-за применения переменного тока для передачи энергии с центральных электростанций. На месте использовались понижающие трансформаторы, которые обеспечивали требуемые параметры тока.

Заметное увеличение количества печей постоянного тока произошло только в 1990-х. В этот период значительно выросла потребность в переработке лома и появились мощные твердотельные выпрямители.

К 90 годам ХХ века в Северном Полушарии работало около 80 дуговых сталеплавильных печей постоянного тока.

За прошедшие несколько десятилетий увеличилось использование ДППТ не только в производстве и переработке стали. Подобные печи начали активно использоваться и в процессах выплавки с преимущественно неметаллическим сырьем, сопровождаемых бурными химическими реакциями.

Таким образом, дуговые сталеплавильные печи постоянного тока не только появились раньше установок, работающих на переменном токе, но и обладают более широкой областью применения.

Миф №2: Дуга ДППТ — это стабильная колонна горячего газа

В специализированной литературе дуга в сталеплавильной печи постоянного тока часто изображается имеющей цилиндрическую форму, стабильной и симметричной. Она, как правило, проходит по кратчайшему пути между торцевой поверхностью электрода и поверхностью ванны.

Многие математические и числовые методы моделирования, используемые в изучении плазменных дуг, укрепляют это впечатление. В основных уравнениях опускаются параметры, зависимые от времени, и используется цилиндрическая система координат, которая подразумевает симметрию.

Некоторые работы в этой области (например, эта) описывают модели дуг, построенных в прямоугольной системе координат с учетом временной зависимости. Такие модели демонстрируют значительные колебания в пространстве и ассиметричное поведение. В очень коротких отрезках времени (миллисекунды и меньше) дуги изгибаются в сложные ассиметричные фигуры.

На рисунках 1 и 2 показывают температурное поле модели (диапазон 2000 — 15000 К) в различные периоды времени. Длина дуги – 5 см, сила тока дуги – 500 А. Изменения температурного поля во времени показаны на рисунке 3.

В динамических моделях природа зависимого от времени поведения дуги также показала зависимость от рабочих параметров (сила тока, длина). Стабильные дуги чаще формируются при низкой силе тока и небольшой длине дуги.

С увеличением длины или силы тока дуга начинает осциллировать из-за прецессии вокруг точки соприкосновения с поверхностью электрода. Из-за прецессии дуга приобретает динамическую спиральную форму. Дальнейшее увеличение расстояния или силы тока приводит к очередному изменению поведения дуги. Осцилляция сменяется хаотическим и непредсказуемым движением.

Подобное поведение дуги зарегистрировано во время высокоскоростной съемки движений дуги. При небольшой силе тока и длине дуга становится «типичным» цилиндром, как показано на рисунке 4.

С повышением силы тока до 1000 А дуга демонстрирует обычную осцилляцию. Последовательные кадры высокоскоростной съемки дуги длиной 5 см при 1000 А приведены на рисунке 5.

При повышении силы тока до 1500 А и выше обычная осцилляция сменяется хаотическим движением. Дуга приобретает сложные геометрические формы. Два кадра высокоскоростной съемки дуги при 2000 А и 5 см длины приведены на рисунках 6 и 7.

Работы в области теоретического и экспериментального изучения дуг постоянного тока показали, что краткосрочные переходные эффекты очень важны для понимания дуговых систем.

Небольшие исследования, например, связанные с дуговой сваркой или лабораторными печами переменного тока, часто представляют дугу в качестве стабильного симметричного цилиндра. Однако, с увеличением масштабов системы, параметров тока и размеров дуги, поведение последней меняется. Дуга становится динамичных, зависимым от времени, явлением.

Миф №3: ДППТ излучает огромное количество тепла

Распространено представление о том, что тепловое излучение абсолютно доминирует над другими путями передачи энергии в свободном пространстве сталеплавильной печи постоянного тока. Такое представление обусловлено значительной температурой плазмы постоянного тока (до 20000 К).

Хотя тепловое излучение плазмы действительно значительно, необходимо прояснить, что происходит с большей его частью после выхода.

Результаты вычислений при рассмотрении плазмы как излучающего черного тела могут привести к обманчивым результатам. Такое вычисление не сложно, и выражает отношение объемного излучения энергии к температуре и радиусу излучающего объема по формуле:

[1]

Где:

• Q/V = Объемная скорость потерь энергии, Вт/м³;
• r = Радиус излучающего объема плазмы, м;
• σ = Постоянная Стефана — Больцмана, 5,58×10^—8Вт/м²К⁴;
• T = Температура плазмы, К.

В работах Махера Булоса (Maher I. Boulos) с коллегами приведены вычисления фактического выделения энергии из плазмы путем излучения с учетом основ физики плазмы, поглощения и других эффектов. Результаты этих вычислений сравнимы с данными, полученными экспериментальным путем в подобных газовых системах.

Для сравнения на рисунке 8 приведена диаграмма, полученная с применением формулы излучения черного тела, а на рисунке 9 — диаграмма для азотной плазмы, полученная Булосом.

Принимая во внимание невидимую плазму (нет поглощения, R=0), тепловое излучение дуги в десятки раз ниже наименьших показателей, предсказываемых уравнением излучения черного тела.

Если вдобавок принять во внимание явления реабсорбции для расстояний между 10 и 20 мм (типичных для экспериментальных установок и более масштабного применения дуги), тепловое излучение снижается еще на 2-3 порядка.

Значительная часть теплового излучения (более 99%) теплового излучения плазмы поглощается непосредственного телом дуги до попадания в рабочее пространство печи. Плазменная струя направляет эту энергию вниз, к ванной. Дальше энергия прямо в обрабатываемый материал за счет излучения в непосредственной близости, конвекции и проводимости.

Благодаря таким свойствам дуга эффективно преобразует электрическую энергию в тепловую, и доставляет ее в ванну. Потери на нагрев стенок и свода печи в таком случае минимальны. Результаты экспериментов показывают, что основное тепло, за счет которого нагреваются стенки и свод, излучает расплавленный металл.

На рисунке 10 приведена диаграмма показаний медного охлаждающего элемента, погруженного в рабочее пространство экспериментальной печи. Благодаря высокой теплопроводимости меди элемент должен быстро реагировать на изменение потока тепла с поверхностей рабочего пространства печи.

Выключение на 600 секунде практически не влияет на показания медного элемента. Существенных изменений показаний не наблюдается и в последующие 25 минут. Такая динамика подтверждает предположение о том, что тепло в рабочее пространство печи излучает расплавленный металл, а не плазма дуги.

Миф №4: Дуга ДППТ пробивает слой шлака

Струя сжатого воздуха способна вытеснять некий объем воды, так что предположение о способности дуги вытеснять шлак, с которым она сталкивается, кажется справедливым. Сомнение вызывает только количество вытесняемого шлака.

Б. Боуман (B. Bowman) цитирует работы Маэкера (H. Maecker), в которых сила дуги пропорциональна квадрату силы тока, как показано в уравнении 2:

[2]

Где: T = сила давления дуги, Н; I = сила тока дуги, кА.

Предполагая, что образующаяся полость имеет форму параболоида с радиусом r и глубиной (или высотой) h, объем вытесненного шлака V может быть выражен как:

[3]

Сила давления дуги может быть приравнённой к силе плавучести, которая обусловлена отсутствием шлака в полости. То есть, объем, умноженный на плотность шлака и ускорение свободного падения.

[4]

Где: ρ = плотность шлака, кг/м³; g = стандартное ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

Форма углубления в месте контакта с дугой определяется формулами для диаметра и глубины в уравнениях 5 и 6 соответственно, где ψ — это отношения диаметра к глубине.

[5]

[6]

На рисунке 11 показаны размеры углубления, образуемого дугой, при различных предположениях о соотношении глубины и диаметра. Соотношение 6:1 основано на фотографиях дуг, а 1:1 — лимит стабильности для струй газа, контактирующих с жидкими поверхностями.

Рис. 11: Размеры углубления, формируемого электрической дугой при различных соотношениях диаметра и глубины, при силе тока в 40 кА (пунктирные линии) и 80 кА (сплошные линии). Плотность шлака 3500 кг/м³, толщина слоя — 60 см.

Соотношение 1:1 маловероятно. Более распространено соотношение 6:1. Шлаки существенной плотности и умеренной глубины вряд ли будут вытеснены дугой, даже при значительном токе.

Миф №5: ДППТ — это устройство с постоянным сопротивлением

Электрические характеристики дуговой печи постоянного тока могут быть смоделированы посредством дуги в системе со слоем шлака. Дуга обладает определенным сопротивлением в зависимости от состава газа и температуры. Например, при температуре в 1600⁰С богатая угарным газом атмосфера в рабочем пространстве печи обычно имеет сопротивление порядка 0,015-0,020 ом-сантиметра.

Напряжение в дуге моделируется как функция длины и силы тока. Напряжение в шлаке вычисляется посредством уравнений Лапласа для предполагаемой геометрии (с учетом углубления, образуемого дугой) и предполагаемым распространением тока по поверхности. Напряжение в шлаке прямо пропорционально его сопротивлению. Важно отметить, что напряжения в дуге и шлаке не линейны по отношению к силе тока.

Рисунок 12 показывает отношение напряжения (V) к силе тока (I) для гипотетической печи мощностью в 70 мВт при постоянной глубине шлака и длине дуги. Из-за соотношения P=VI кривая постоянной мощности приобретает гиперболическую форму.

Линии постоянного сопротивления показаны в диаграмме для иллюстрации контраста с формой графиков вычислений фактических отношений между напряжением и силой тока.

Самый нижний нелинейный график отображает поведение дуги самой по себе (в случае нулевого сопротивления шлака), а остальные две показывают дополнительное напряжение, обусловленное шлаками с различным сопротивлением (1 и 2 ом-сантиметра соответственно).

В конструкции источника питания для дуговых печей постоянного тока должны быть учтены возможные колебания длины дуги, глубины и сопротивления шлака (которая зависит от его состава и температуры).

Различные соотношения напряжения и силы тока должны быть предусмотрены с учетом переменных параметров. После этого может быть определено подходящее рабочее окно.

Приведенная выше теоретическая модель часто используется для более глубокого понимания принципов работы экспериментальных печей. Конечно, исходный вопрос о том, является ли ДППТ устройством с постоянным сопротивлением, нашел бы ответ в построении графиков напряжения и силы тока промышленной печи, работающей при постепенном повышении силы тока.

Также следует помнить, что печи постоянного тока питаются через тиристорные выпрямители, которые обеспечивают очень быструю автоматическую подстройку под изменяющиеся условия работы печи. Они же позволяют работать с определенными уставками по сопротивлению, если выбран соответствующий режим управления.

Материал основан на этой публикации.