книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

Вследствие более высокой тепловой нагрузки на печах меньшей мощности футеровка изнашивается быстрее, что приводит к более быстрому росту тепловых потерь.

По данным, представленным на рис. 49, определены эмпирические зависимости тепловых потерь с поверхности печей от емкости печи на различных этапах кампании по футеровке.

где К — коэффициент, зависящий от числа плавок N, проведенных после ремонта футеровки печи:

К............................... 33—34 43 49

Средние значения суммарной мощности тепловых потерь и мощ­ ности, аккумулированной кладкой, для ДСП емкостью от 5 до 100 т могут быть подсчитаны по формулам:

для шарикоподшипниковой стали

Чтобы ориентировочно оценить суммарную мощность тепловых потерь для указанных выше марок стали в отдельные периоды плавки, можно принимать, что в период плавления эта величина составляет около 0,8Ps, а в периоды окисления и восстановления 1,1— 1,2Ръ, указанной на рис. 49.

Для печей емкостью 5— 100 т (рис. 50) соотношение удельного расхода электроэнергии Ц?уд и энергетического к. п. д. (тіэн) при выплавке шарикоподшипниковой (/) и нержавеющей (II) сталей практически одинаково. На этом основании можно приблизительно оценить энергетические показатели при выплавке любой иной стали (III) в любой из однотипных печей рассматриваемой серии (верхний

Отсюда следует, что для печей однотипной конструкции, но раз­ личной емкости X должна существовать приближенная эмпирическая зависимость, по которой можно определить их энергетические пока­ затели (если известны соответствующие значения для печи емкостью G = 100 т) при выплавке той же стали:

^УД

110

мощность дуг, выделяемая ниже уровня металла

При неизменной электрической мощности влияние электрического режима на условия нагрева металла и футеровки определяется следующими основными явлениями. Чем больше сила тока, тем больше диаметр анодно-катодного пятна и мениска на поверхности жидкого металла, тем больше тепла передается металлу через эту поверхность, нагреваемую до температуры его кипения, тем больше должна быть подъемная сила, вызывающая турбулентное движение металла под дугой. Такой же эффект движения металла вызывают электромагнитные силы, пропорциональные квадрату силы тока и обусловленные взаимодействием токов растекания и магнитных полей в металле. Раскаленные газы и пары металла и шлака, которые с большой скоростью выносятся из дуги и движутся к близлежащей части стены печи, вызывают интенсивное движение и нагрев шлака. Этот вид теплопередачи зависит от силы тока и мощности дуги. При увеличении силы тока в результате сближения нижнего торца элек­ трода с ванной усиливается его экранирующее действие и умень­ шается количество тепла, излучаемого дугой на футеровку.

Таким образом, в результате всех упомянутых выше явлений с увеличением силы тока количество тепла, передаваемого ванне от дуги, увеличивается, а количество тепла, излучаемого ею на футе-

температуры футеровки; т)т — тепловой к. п. д.;

мощность, передаваемая ванне

Р и с. 52. Характеристика электрического и теплового режимов печи

ровку, уменьшается. При неизменном напряжении U2 по мере уве­ личения силы тока скорость нагрева металла непрерывно возрастает и достигает максимума кривой мощности Рд (/).

Для каждой печи существует диапазон сил токов h < I < /хехн в пределах которых, увеличивая силу тока и мощность, можно одно­ временно достигнуть как сокращения длительности нагрева металла до заданной температуры, так и уменьшения степени нагрева футе­ ровки.

На рис. 52 для ряда 20-т печей, на которых поддерживаются равные значения мощности Рпол = 3000 кВт = const, построены зависимости силы тока /, длины дуги Ад, скорости нагрева металла ѵыеі (°С/мин), коэффициента мощности cos ф и электрических потерь Рп.а от вторичного напряжения. На рисунке показан качествен­ ный характер зависимостей Рх = Рп_т + Ракк (U2) и температуры /ф (U2), а также даны вычисленные значения теплового г)т и энерге­ тического к. п. д. т]эн.

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 52, показывает, что при неизменной полезной мощности и уменьшении вторичного напря­ жения приблизительно на 35% скорость нагрева металла ѵм и тепло­ вой к. п. д. т]т увеличиваются более чем на 40%, а энергетический к. п. д. т]Эн более, чем на 35%.

Таким образом, по мере снижения напряжения и увеличения силы тока на футеровку излучается меньшая часть энергии дуг, а боль­

осуществлялся подогрев примерно на 80° С жидкого металла, зали­

На разных плавках, используя вычислительное устройство, поддерживали неизменной заданную мощность. При исследованиях измеряли температуру нагрева металла tMи футеровки /ф, а также длительность нагрева ін. При одном и том же напряжении (мощности) дуги увеличение толщины слоя шлака сопровождается уменьшением длины открытой части дуги, расположенной выше уровня шлака; при этом снижается излучение дуг на футеровку печи, увеличивается аэродинамическое сопротивление зазора для потока паров и газов, покидающих мениск, растет скорость движения шлака к близлежа­ щей стенке печи и соответственно повышается скорость его нагрева (рис. 53, а).

При постоянных вторичном напряжении и мощности увеличение основности шлака приводит к снижению его сопротивления, вслед­ ствие чего градиент напряжения в столбе дуги уменьшается; в итоге длина дуги увеличивается и соответственно повышается облучение футеровки шлака (рис. 53, б).

и основности (б) шлака при постоянных мощности (3500 кВт) и вторичном напряжении (179 В)

J14

Р и с . 54. Совмещенные характеристики электрического и теплового режимов печи

Таким образом, увеличение толщины слоя шлака и уменьшение его основности позволяют снизить тепловые потери, уменьшить коли­ чества тепла, передаваемого футеровке, ускорить нагрев металла и увеличить время работы печи при высоких значениях мощно­ сти, соответственно сократив длительность периода подогрева ме­ талла.

На рис. 54 приведены характеристики электрического и теплового режимов печи.

В результате исследования установлено, что при увеличении силы тока и мощности более чем в два раза, тепловой к. п. д. возрастает на

Таким образом, при неизменном значении вторичного напряже­ ния и прочих равных условиях, увеличение в широких пределах силы тока и мощности приводит к росту теплового к. п. д. печи. По мере увеличения мощности дуг скорость роста температуры футе­

Дуг.

Можно полагать, что качественная сторона закономерностей, представленных на рис. 54, справедлива для любых ступеней напря­ жения и для различных интервалов плавки.

3. Разработка методики и определение рациональных электрических и тепловых режимов

Методы выбора электрического режима из условий минимизации расхода электроэнергии и длительности плавки впервые были сфор­ мулированы в работе [58] и развиты в работах [4, 59]. Задача и алгоритмы минимизации себестоимости сформулированы и развиты в исследованиях [60, 61].

Качественная картина теплового режима печи

иучет случайного характера электрических процессов

впериод плавления

Период плавления шихты в ряде случаев составляет свыше половины продолжительности всей плавки, и в этот период расхо­ дуется 60—80% энергии, потребляемой на плавку. Поэтому выбор, электрического режима существенно влияет на себестоимость стали.

Статистическая обработка экспериментальных данных, полу­ ченных в результате исследования большого числа плавок, позволила установить, что процесс плавления в дуговой печи можно пред­ ставить состоящим из четырех последовательных интервалов: про­ плавления дугами так называемых, колодцев в металлической шихте; горения дуг под слоем шихты при жидком металле под электродом; обвалов металлической шихты, в результате которых дуги начинают облучать футеровку, быстро нагревая ее; открытого горения дуг, направленных на жидкий металл, при постепенном снижении напря­

жения и мощности.

В течение каждой плавки к моменту слива металла в футеровке печи на­ капливается дополнительное количество АWaKK, составляющее примерно 20% от общего расхода электроэнергии за цикл плавки. К концу второго интервала плавления (возникновения обвала ших­ ты) эта энергия почти полностью рас­ ходуется.

На рис. 55 показан примерный вид типовых графиков изменения во вре­ мени

р __ d W aKK

116

горят под слоем шихты, поэтому практически вся вводимая в печь электрическая мощность Рпол (до 95%) расходуется на плавление шихты и нагрев жидкого металла. Одновременно с этим тепло, запасенное футеровкой, расходуется на покрытие большей части тепловых потерь и на нагрев внешних слоев шихты.

Мощность Ракк быстро уменьшается во времени, а мощность тепло­ вых потерь, которая в рассматриваемые интервалы плавки весьма мала (примерно 6% от Рпол), медленно возрастает; в первом прибли­ жении эти потери не зависят от выбираемого электрического режима.

Третий интервал плавления является непродолжительным и характеризуется тем, что металлическая шихта, подплавленная снизу жидким металлом и мощными дугами, начинает обваливаться, открывая при этом дуги, которые интенсивно облучают футеровку печи. Опасность недопустимого перегрева футеровки и весьма низ­ кий тепловой к. п. д. приводят к необходимости снижения мощности дуг. Начинается четвертый последний интервал периода плавления.

В течение данного интервала плавки жидкий шлак, покрываю­ щий металл, имеет относительно низкую теплопроводность и при открытых дугах отражает значительное количество тепла на свод и стены печи. Уменьшая напряжения дуг и работая при значительных

дуг. Однако при этом ухудшается средневзвешенный коэффициент мощности (cos cp) за плавку, определяемый, в основном условиями работы печи в период плавления металла.

Втечение плавки происходят непрерывные изменения активных

(г)и реактивных сопротивлений (х) токоподвода, напряжения сети и сопротивлений дуг, которые вносят в процесс случайный характер. Вариации этих величин вызывают изменения полезных мощностей фаз, коэффициента мощности и других показателей электрического

режима.

Выполненные исследования Г62] показали, что из упомянутых выше величин наиболее существенное влияние на вариации мощности оказывают изменения сопротивлений дуг и напряжения сети.

На рис. 56 показан типовой характер изменений средних значе­ ний активной мощности Ра., суммы мощности, аккумулированной

футеровкой печи, тепловых потерь P-zt и коэффициента мощности

cos ф в зависимости от среднего значения силы тока, полученных на печах емкостью 20— 100 т для первых трех интервалов плавления ши­ хты (і = 1, 2, 3). Тонкими линиями показаны расчетные значения электрической мощности — активной Ра и полезной РпоЛ, учитываю­ щие несинусоидальный характер напряжения дуг, жирными — фактические значения с учетом колебания силы тока.

Штриховыми линиями нанесены активная электрическая мощ­ ность Ра и потери Рп э, а также коэффициент мощности cos ф, рас­ считанные для случая синусоидальных напряжений дуг.

Для любого і-того интервала плавки при любом значении силы тока РаІРа р асч <С 1- В реальных условиях протекания процесса

117

Р и с . 56. Зависимость электрических характеристик печи от силы тока

средние фактические значения Ра заметно меньше расчетных Рарасч,

выше случайных величин, а также от объемной плотности и состава шихты, конструкции автоматического регулятора, силы тока задан­ ного автоматического регулятора.

Величину Ра = / (/) при / = /зад = const для одного и ряда интервалов плавки можно измерять счетчиком активной мощности при наличии вычислительного устройства, позволяющего для любой

118

Осуществляя такие измерения на ряде плавок и учитывая сред­ ние значения напряжения сети, можно экспериментально определить среднее значение PJPa Такой приближенный метод учета слу­

чайного характера процесса целесообразен для уточнения сущест­ вующих методов исследования, расчета и выбора режимов выплавки стали каждой марки. Зная расчетное значение Ра = / (/), соответ­ ствующее фактическому значению напряжения сети, и определяя РаІРарасч = / (/), можно построить фактические электрические ха­

рактеристики печи.

Уточненный метод расчета производительности и удельного расхода электроэнергии от выбираемой силы тока

Процесс расплавления связан с передачей металлу и шлаку та­ кого количества энергии, которое обеспечивает их расплавление и перегрев до требуемой температуры выше точки плавления. Эта энергия накапливается в металле и шлаке во времени, поэтому целесообразно рассмотреть технико-экономические и технологичес­ кие условия с точки зрения передачи металлу и шлаку каждой эле­ ментарной порции этой энергии WTexH [4].

Как известно

W = W G 4- W G

где WM и Wm— количество энергии, переданное 1 т металла и шлака, обеспечивающей соответствующее повыше­ ние их температуры, скрытой теплоты плавления;

GH и бш— масса металлической шихты (стали и легирующих) и шлакообразующих.

Исходное уравнение, определяющее баланс энергии для любого интервала плавки, можно приближенно представить как

^эл + ^угл + ^хи„ = ^Техн 4 ' ( Л ,, э + Т р , (ІѴ-18)

119