Особенности управления дуговыми печами

 

Цель управления сталеплавильным процессом в дуговой печи (как и в других сталеплавильных агрегатах) состоит в получении стали заданного состава и качества при обеспечении максимальной производительности и экономичности работы печи.

Весь процесс управления подразделяется на управление технологическим процессом (режимом) и управление тепловым режимом. Поскольку в электросталеплавильном процессе в дуговых печах практически все тепло получается из электрической энергии, то возникает необходимость управлять поступлением тепла, т.е. электрическим режимом печи. Все указанные режимы тесно связаны между собой. Упрощенная структурная схема сталеплавильного процесса в дуговой печи показана на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема сталеплавильного процесса в ДСП:

U_п (t) – напряжение фазы (положение переключателя ступеней напряжения – ПСН); l_д (t) – длина дуги; Р (t) – электрическая мощность; Q (t) – тепловая мощность газокислородных горелок; t_м (t), t_ш (t) – температура металла и шлака; t_ф (t) – температура футеровки; t_м^к – конечная температура металла; [С], [S], [Р], [Me] – концентрации в готовой стали углерода, серы, фосфора и легирующих элементов; U_техн – технологические управляющие воздействия.

 

Тепловой режим

Выплавка стали из стального лома требует больших затрат тепла на расплавление лома и нагрев жидкого металла до необходимой температуры. Поэтому тепловой режим является ведущим звеном, определяющим как скорость процесса плавления и нагрева металла, так и, в определенной степени, протекание металлургических процессов рафинирования, т.е. в конечном итоге, определяющим производительность и экономичность работы ДСП.

Тепловой режим характеризуется величиной необходимой (или возможной) электрической мощности, вводимой в печь. С точки зрения обеспечения максимальной производительности печи мощность также должна поддерживаться на максимально возможном по характеристикам печного трансформатора уровне. Однако величина мощности ограничивается максимально допустимой температурой футеровки – свода и стен, определяемой условиями стойкости футеровки.

В начальный период плавления – на стадии заглубления электродов – мощность относительно невелика, поскольку есть опасность перегрева свода. После заглубления электродов в шихту в процессе проплавления колодцев мощность увеличивается, хотя и не достигается максимального уровня из-за опасности проплавления узких колодцев. При создании достаточного уровня жидкого металла, который защищает подину от прожога дугой, наступает основная стадия периода плавления – стадия закрытых дуг (самая продолжительная стадия), во время которой подается максимальная мощность. По мере расплавления основной массы шихты уменьшается экранирование дуг шихтой и возрастает тепловой поток на футеровку. Мощность во время четвертой и пятой стадий процесса плавления снижается. Еще более должна быть снижена мощность во время окислительного и восстановительного периодов плавки. Потребность в тепле в эти периоды в значительной степени сводится к покрытию тепловых потерь ДСП. Все сказанное иллюстрируется графиком вводимой мощности в ДСП (рис. 5). При использовании на крупных ДСП в период плавления топливокислородных горелок, электрическая мощность Р_Д (t), выделяемая в дуге, дополняется тепловой мощностью горелок Q_Т (t).

Рис. 5. График изменения вводимой мощности и температуры внутренней поверхности футеровки по ходу плавки в ДСП: I – заправка и загрузка: II – период расплавления шихты; III – окислительный период; IV – восстановительный период; V – скачивание шлака после расплавления; VI – скачивание окислительного шлака

 

Другой важной характеристикой теплового режима является температура футеровки. Обычно это температура стен, поскольку она, как правило, превышает температуру свода. Температура футеровки не должна превосходить некоторого допустимого значения по условиям службы огнеупоров.

Температура футеровки существенно изменяется по ходу плавки. Сразу после выпуска металла предыдущей плавки футеровка начинает остывать. Скорость остывания, например, для 50 т ДСП составляет около 20 °С/мин. Применение водоохлаждаемых сводов увеличивает скорость остывания стен до 30...40 °С/мин. Максимальные тепловые потери рабочего пространства проявляются после открытия свода для подачи корзины с шихтой. По окончанию завалки и в начале плавления остывание футеровки продолжается за счет отдачи тепла холодной шихте. После расплавления основной массы шихты и открытия дуг температура внутренней поверхности стен начинает быстро увеличиваться. При этом возникает задача ограничения температуры футеровки и с этого момента температура футеровки в значительной степени определяет величину подводимой мощности.

В окислительный и восстановительный периоды тепловой режим характеризуется еще одной величиной – температурой металла (иногда и температурой шлака). Эта температура должна обеспечить необходимую скорость и полноту протекания физико-механических процессов в ванне и быстрое расплавление шлакообразующих и легирующих материалов. К концу периода плавления температура металла составляет 1510...1530 °С. Во время окислительного периода она повышается до значений, соответствующих выпуску стали (на 120...130 °С выше температуры ликвидуса), и в течение восстановительного периода практически не изменяется.

Если рассматривать тепловой режим как объект управления (рис. 4), то основной управляемой величиной можно считать результирующий тепловой поток на металл. Но с одной стороны его величина не поддается прямому измерению, а с другой стороны влияние теплового потока проявляется в изменении температуры металла и поэтому в качестве основной управляемой величины целесообразно рассматривать температуру металла t_м (t) и в некоторых случаях температуру шлака t_ш (t). Вспомогательная управляемая величина – температура футеровки t_ф (t) характеризует условия тепловой работы футеровки. Основным управляющим воздействием служит вводимая электрическая мощность Р_Д (t) и дополнительным воздействием – тепловая мощность топливо-кислородных горелок Q_Т (t).

Задача управления тепловым режимом сводится к определению изменения величины необходимой (заданной) электрической мощности по ходу плавки Р₀ (t), обеспечивающей скорейшее расплавление шихты, получение необходимой температуры металла и поддерживание ее в дальнейшем на этом уровне при ограничении на температуру футеровки t_ф (безусловно существует ограничение по электрической мощности Р, определяемой мощностью печного трансформатора).

Управление тепловым режимом, как правило, осуществляется на основании так называемых директивных графиков, которые представляют собой заранее разработанную для каждой марки стали и данной ДСП программу изменения по времени (или по периодам плавки) подводимой к печи электрической мощности Р_Д (t). Директивные графики включают также и программу изменения температуры металла t_м (t).

 

Электрический режим

Основным источником тепла в ДСП является электрическая энергия, которая преобразуется в тепловую в электрических дугах. В трехфазной ДСП электрические дуги представляют собой активную нагрузку, соединенную по схеме «звезда», нулевая точка которой расположена в твердой шихте или в ванне жидкого металла. Номинальная мощность трансформатора зависит от емкости печи и возрастает с ее увеличением. Удельная мощность (кВА/т) имеет обратную тенденцию и составляет у печей емкостью менее 20 т 600...650, а у печей емкостью более 50 т 250...300 кВА/т. Вторичное напряжение трансформаторов печей разной емкости изменяется в пределах 600…100 В. Максимальная сила тока электрода составляет единицы кА у малых печей и десятки кА у печей большой емкости.

В начале периода расплавления дуги горят очень нестабильно и неустойчиво. Хаотичное расположение холодных кусков шихты приводят к частому перебрасыванию дуг с одного куска на другой, обрывам дуг при быстром расплавлении небольших кусков и коротким замыканиям при обвалах шихты. Длина дуг не превышает нескольких миллиметров, а средняя величина напряженности электрического поля равна 10...12 В/мм. В моменты коротких замыканий выделяемая мощность падает практически до нуля и поэтому одной из задач автоматического управления является быстрое устранение коротких замыканий путем подъема электродов с большой скоростью, что позволяет увеличивать среднее значение вводимой мощности.

После появления на подине достаточного количества расплавленного металла дуги горят между электродами и жидкой ванной. Электрический режим стабилизируется, длина дуг увеличивается, а напряженность электрического поля уменьшается до 3...4 В/мм. Во время окислительного и восстановительного периодов стабильность дуг еще более увеличивается; напряженность электрического поля уменьшается до 1...1,5 В/мм.

В дуговом разряде выделяют три области: катодную, столб дуги и анодную. Падение напряжения на дуге определяется суммой падения напряжения в каждой области

,

где – сумма анодного и катодного падения напряжения, В; – градиент напряжения в столбе, В/мм; – длина дуги, мм.

Напряжение фазы печи определяется выражением

,

где I – ток фазы, А; r и x – активное и реактивное сопротивления фазы, включающие соответствующие сопротивления трансформатора, шинопроводов высокого и низкого напряжения и электродов, Ом.

Из вышеприведенных выражений находим формулу для длины дуги

.

С удлинением дуги напряжение повышается до фазного, а сила тока уменьшается от величины короткого замыкания до нуля в момент обрыва дуги. Длина дуги изменяется от нуля до максимальной. Этот диапазон является зоной регулирования, так как изменению длины дуги соответствует изменение выделяемой дугой тепловой мощности.

 

Технологический режим

Выходными (управляемыми) величинами технологического режима (рис. 4) являются конечный состав металла, характеризуемый содержанием углерода, серы, фосфора и легирующих элементов и температура металла на выпуске. Управляющими воздействиями служат текущая температура металла t_м (t) и ряд технологических воздействий U_техн, к которым относятся: количество и состав шихтовых материалов, расход кислорода на продувку ванны, количество шлакообразующих и легирующих материалов, слив шлака и некоторые другие.