Сравнение дуговых печей постоянного и переменного тока

Электродуговые сталеплавильные печи появились в конце XIX века, но широкое применение в промышленности получили только к 90 годам ХХ века.

Печи постоянного тока (ДППТ) использовались для массовой плавки металла раньше ДСП переменного тока. В 1878 году Карл Вильгельм Сименс впервые использовал подобную установку с вертикальным графитовым катодом и проводящими элементами подины в качестве анода для плавки металла.

Дуговая печь постоянного тока конструкции К. В. Сименса

Дуговая печь переменного тока конструкции П. Эру

В 1900 году французский инженер Поль Эру запатентовал технологию плавки металла в электродуговых печах переменного тока (ДСП). Первая плавка произошла в 1905 году. Его технология стала коммерчески успешной, потому для передачи в сетях электроснабжения использовался именно переменный ток. Местные понижающие трансформаторы обеспечивали требуемые параметры тока.

Таким образом, сталеплавильные печи постоянного тока появились раньше ДСП. Но последние использовались гораздо шире. Подобная тенденция сохраняется до сих пор, даже несмотря на дальнейшее развитие технологий обоих типов.

Дуговые сталеплавильные печи переменного и постоянного тока имеют много общего:

1. Исполнение основных конструктивных элементов.
2. Схемы завалки шихты и разлива расплавленного металла.
3. Тип используемых огнеупорных материалов для футеровки.
4. Технологические процессы плавления и доводки стали.

ДСП и ДППТ настолько схожи по конструкции и эксплуатации, что печи переменного тока могут быть переоборудованы для работы с постоянным.

В некоторых областях выбор типа печей четко обусловлен условиями работы оборудования. В других для определения подходящего типа установки понадобится провести тщательный технико-экономический анализ.

ДСП — дуговая печь переменного тока

ДСП или дуговая сталеплавильная печь переменного тока отличается от ДППТ количеством и расположением электродов. В установках такого типа ток течет между электродами и шихтой или расплавленным металлом, который выступает в роли анода.

Достоинства

Главное достоинство дуговых печей переменного тока в том, что они обходятся дешевле. Отсутствие в печной цепи сложных тиристорных или диодных преобразователей, а также реакторов снижает капитальные затраты в среднем на 30%.

ДСП обходятся дешевле ДППТ, и имеют ряд преимуществ:

1. Сопоставимая производительность при низкой стоимости.
2. Более высокий КПД дуги, который в некоторых случаях обеспечивает сниженный в сравнении с ДППТ удельный расход электроэнергии.
3. Дуга переменного тока короче, но постоянно перемещается. Это снижает вероятность перегрева и размыва подины.
4. Печь переменного тока продолжает работать, даже если между электродами и расплавом оказывается изолирующая прослойка (холодный шлак после предыдущей плавки, известь, известняк).

Постоянное совершенствование технологии плавления стали и чугуна в печах переменного тока сглаживает их недостатки. Но окончательно от них избавиться еще не получилось.

Недостатки

Наиболее заметные недостатки печей переменного тока касаются повышенного расхода электродов, шумности, значительному выделению пыли и газов, а также фликеру.

Повышенный расход графитовых электродов связан с тем, что их больше. Дуга переменного тока короче, что тоже увеличивает расход. С расходом углеродов происходит дополнительное науглероживание расплавленной стали.

Более высокий уровень шума ДСП обусловлен рядом факторов:

• Движение (осцилляция) дуги переменного тока (1).
• Ударная волна во время повторного разжигания дуги (1).
• Работа кислородных фурм (5).

Дуга ДППТ тоже шумит, но уровень шума ниже. Разница обусловлена отличиями дуг переменного и постоянного тока.

Степень шумности печи также зависит от особенностей ее конструкции и стадии плавления. Завалка шихты (4), подача легирующих элементов (3) и углерода (2) также сопровождаются шумом. Но при прочих равных в случае измерения шума по стандартной процедуре ДСП оказываются шумнее ДППТ.

Базисная точка для измерения уровня шума располагается на расстоянии 5 метров от корпуса печи со стороны, противоположной трансформатору. Высота — 2 метра над уровнем рабочей площадки, наклон — 45⁰.

В трехфазных печах металл контактирует с катодным пятном дуги, которое отличается более высоким удельным тепловым потоком и плотностью дуги. В таких условиях выделяется до 8 раз больше пыли, а угар шихты на 7% выше.

Фликером называется мерцание приборов освещения во время работы установок с переменным режимом работы. Особенно выражено мерцание на начальных стадиях плавки в трехфазных сталеплавильных печах. Чередование активной и реактивной нагрузки, которая приводит к мерцанию осветительных приборов, также отрицательно сказывается на сроке службы трансформатора, электрододержателей и элементов короткой цепи.

ДППТ — дуговая печь постоянного тока

ДППТ или дуговые сталеплавильные печи постоянного тока оснащаются более сложным электротехническим оборудованием, одним-двумя вертикальными графитовыми электродами и токопроводящей подиной.

Токопроводящие узлы, расположенные в подине, имеют несколько конструктивных исполнений:

• проводящая футеровка;
• стержневые электроды;
• пластинчатые электроды;
• игольчатые электроды.

Таким образом ток в ДППТ течет не между электродами и шихтой. Характер такой дуги и более сложное устройство цепи питания печи обусловливают как достоинства, так и недостатки ДППТ.

Достоинства

На современной стадии развития технологий электротермической обработки металлов качество работы дуговых печей ДСП и ДППТ сопоставимо.

Если же сравнивать современные ДППТ с трехфазными печами, которые эксплуатируются более 20 лет, то первые обладают рядом преимуществ:

1. Меньший расход электродов. В частности, благодаря значительному сроку службы проводящих элементов подины. Аноды дуговых печей постоянного тока выдерживают 1200 и более плавок (в случае соблюдения технологического процесса).
2. Дуга постоянного тока может быть длиннее.
3. Наличие мощных выпрямителей и реактора в цепи питания вполовину сокращает эффект фликера, что положительно отражается на сроке службы оборудования.
4. Электродинамические силы перемешивают расплавленный металл, что обеспечивает более равномерное распределение легирующих добавок.
5. Сниженное образование пыли, газов и менее выраженный угар шихты.
6. Минимальное науглероживание расплава электродом. Количество углерода повышается не более чем на 0,0005%.

Но, несмотря на массу достоинств ДППТ, печи переменного тока все еще более распространены. Это обусловлено условиями эксплуатации и рядом недостатков печей постоянного тока.

Недостатки

Более высокая стоимость, обусловленная сложным электротехническим оборудованием цепи питания печи, удерживает многие предприятия от приобретения печей переменного тока. В процессе эксплуатации исходные капитальные затраты окупаются за счет:

• сниженного удельного расхода электродов;
• меньшего процента угара металлов;
• уменьшенного расхода ферросплавов для раскисления расплава.

Дополнительные элементы цепи питания (тиристорные или диодные преобразователи, выравнивающие реакторы, удлиненная короткая цепь) влияют не только на капитальные затраты. Они также усложняют контур охлаждения, и увеличивают расход теплоносителя.

Проводящие элементы подины обладают увеличенным сроком эксплуатации в сравнении с любыми графитовоми электродами. Но они же требуют дополнительного технического обслуживания под печью. Замена проводящих элементов подины также намного сложнее установки нового графитового электрода.

Особенности применения ДСП и ДППТ

Таким образом, современная ДСП сопоставима с современной ДППТ по экономическим и техническим параметрам. Расход электроэнергии, производительность и другие параметры обоих типов печей практически одинаковы.

Для определения подходящего типа печи понадобится провести тщательный технико-экономический анализ условий эксплуатации. Во время анализа следует учитывать:

• особенности инфраструктуры в месте установки печи;
• тип и количество материала, который будет обрабатывать установкой;
• параметры электросети в месте установки печи;
• требования к экологической безопасности в регионе;
• использование агрегатов внепечной обработки.

Для обработки сравнительно небольших партий подготовленной шихты при небольшом напряжении в центральной электросети больше подойдет печь переменного тока. То же касается и небольших литейных производств. В случае массовой переработки лома конструкционной стали в промышленном регионе лучше подойдет ДСП.

Устаревшие печи переменного тока могут быть модернизированы для работы с современными системами управления или постоянным током. В ряде условий модернизация или переоборудование печи — экономически и технически оправданная альтернатива установке новой.

Таким образом, различия в производительности или экономности между дуговыми сталеплавильными печами минимальны, а для определения подходящего типа для конкретных условий эксплуатации необходим технико-экономический анализ условий эксплуатации. Сотрудники ООО «Завод Термолитмаш» предоставят полный комплекс услуг от проектирования до установки и обслуживания дуговых сталеплавильных печей.