Обзор и анализ технических решений в дуговых сталеплавильных электропечах малой емкости

Введение

Дуговая электросталеплавильная печь является мощным трехфазным агрегатом с соответствующим силовым электрическим оборудованием. Высокотемпературные дуги обеспечивают расплавление шихты и нагрев ванны до нужной температуры. Каждая плавка может быть подразделена на три основных периода:

1. расплавление загруженной в печь твердой шихты;
2. окисление (кипение) жидкой ванны;
3. раскисление ванны (восстановительный период).

Периоды плавки обуславливаются особенностями протекания физико-химических процессов и определяют различия задач системы автоматического контроля.

ДСП состоит из рабочей ванны (плавильного пространства), регулятора мощности дуги и вспомогательных технологических механизмов, позволяющих открыть (закрыть) свод печи, скачать шлак и слить металл. Регулятор мощности дуги представляет собой механизм перемещения электродов с приводом, управляемый программно-адаптивным регулятором электрического режима.

Ранее существовали регуляторы дуги с электромеханическими приводами, которые в силу своей большой инерционности не получают дальнейшего распространения и практически полностью вытеснены регуляторами электрогидравлическими.

Как правило, ДСП имеет индивидуальное электроснабжение через печной трансформатор, подключенный к высоковольтной линии. Вторичное напряжение регулируется при помощи переключателя ступеней напряжения (ПСН), который может быть как переключаемым при отключенной печи (ПБВ), так и под напряжением (РПН).

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен снаружи заключена в металлический кожух. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, а может быть из водоохлаждаемых панелей, как и стенки. Современная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводят до нужного состава и степени чистоты внепечной обработкой в ковше.

Современные тенденции развития дуговых электропечей малой емкости

С усложнением технологии и сокращением длительности плавки обслуживающему персоналу труднее своевременно и адекватно реагировать на текущую информацию о ходе процесса и состоянии оборудования. Комплексная автоматизация и оптимизированное управление, включающие регулирование электрических параметров дуги и перемещение электродов (пофазно), расчёт оптимальных расходов кислорода, топлива, шлако- и пенообразующих присадок, режим использования горелок, вдувание кислорода, водяного охлаждения, давления под сводом, ввода материалов в печь и др., должна быть направлена на сокращение потерь времени для принятия оперативных решений, как неотъемлемое условие максимальной производительности и минимальных энергозатрат.

Мгновенные расчёты энергетического и материального балансов возможны лишь на базе современной вычислительной техники. Поэтому дуговые печи оснащают способным к самообучению компьютерным регулятором, программа работы которого основана на принципах нейронной сети. Главная особенность новых систем автоматизации состоит в том, что она не стремится приводить электрический и технологический режимы печи к каким-либо стандартным параметрам, заранее заложенным в систему, а учитывая особенности выплавляемой стали, шихты и хода плавки, выдвигают по ходу плавки новые оптимумы, к которым, используя все технологические системы, приводятся электрический и технологический режимы дуговой печи. Использование таких систем позволяет сократить длительность плавки на 5 - 10 мин, повысить производительность печи на 5…7 %.

За последние годы существенно изменились методы и технические средства при управлении работой ДСП. Это в первую очередь, связано с широким использованием средств вычислительной техники. В обычной практике в принятой иерархической структуре управления нижний уровень занимают микроконтроллерные системы. Эти системы управляют электрическим режимом печи, механизмами подачи добавок, подачей кислорода и газа в печь и выполняют некоторые другие функции.

Регуляторы электрического режима, созданные на основе использования микроконтроллеров (Siemens и др.), имеют возможность гибкого изменения коэффициентов усиления, форсированной отработки коротких замыканий и разрывов дуг, уменьшения взаимовлияния фаз, управления процессом при нестандартных ситуациях. Некоторые фирмы для управления электрическим режимом используют стандартные персональные компьютеры ("ABB Industrial Systems", "Фукс Системтехник"). В этих системах предусмотрено пофазное изменение заданий (уставок) регуляторам, ступеней напряжения, что приводит к равномерному расплавлению шихты. При управлении ДСП может быть использовано двух- или трёхуровневое управление. На втором уровне решаются, как правило, задачи управления тепловым, технологическим и электрическим режимами - формирование заданий нижнему уровню. На третьем иерархическом уровне решают задачи оптимизации ввода электроэнергии в печь. Общая цепь оптимизации состоит в поддержании максимального уровня активной мощности в любой момент плавки. В основу концентрации оптимального управления электрическим режимом ДСП положена динамическая модель электропечного контура, непрерывно адаптирующаяся к меняющимся условиям в процессе плавки. С использованием методов искусственного интеллекта (теории нейронных сетей) находят такие значения заданий (уставок) регулятору электрического режима, которые в каждый момент оптимизируют вводимую мощность, в отличие от традиционного управления, когда используются, в основном, три значения уставок, обеспечивающих длинную, среднюю и короткую дуги. В подобных системах уставки меняются очень часто, в общем случае в каждый такт управления и в широких пределах.

Дальнейшим развитием системы оптимизации плавки являются интегрированные компьютерные системы управления всеми объектами электросталеплавильного цеха, обеспечивающие ход всего технологического процесса и его контроль из различных точек цеха. Ставится задача перевести работу дуговых печей в полностью автоматизированный режим без участия оператора. На первый план выходит разработка "думающих печей".

Несомненными преимуществами современных дуговых электропечей является возможность проведения в них практически любых металлургических процессов, связанных с обработкой металлов горячими шлаками, с целью десульфурации, дефосфорации, рафинирования металла, удаления углерода и многих других нежелательных примесей путем кислородной продувки или рудного кипа, проведение окислительно-восстановительных процессов с использованием независимого источника нагрева – электрических дуг, легирование металла.

В настоящее время в мире выделилось несколько фирм-лидеров в конструировании и изготовлении современных электропечей: Siemens VAI, Danieli, SMS Siemag и др.

И тем не менее и на территории бывшего Советского Союза успешно развиваются, разрабатывают и внедряют электродуговые печи  как постоянного так и переменного тока, с различным (заказанным) уровнем автоматизации и т.д.

В таблице 1 приведены технические характеристики дуговых электропечей малой емкости производства «УкрНИИЭлектротерм», Украина.

Таблица 1

Приемник знаменитого ВНИИЭТО – украинская фирма «УкрНИИЭлектротерм» - одной из первых занялась модернизацией существующих дуговых электропечей переменного тока с переводом их на питание постоянным током.

Специалисты «УкрНИИЭлектротерм» сформулировали основные преимущества дуговых электропечей постоянного тока по сравнению с дуговыми электропечами переменного тока.

Эксплуатация дуговых электропечей постоянного тока по сравнению с дуговыми электропечами переменного тока позволяет снизить:

• расход электродов в 2...5 раз в зависимости от подготовки шихты;
• расход электроэнергии на 10 ... 15 %;
• расход огнеупорных материалов на 20 ... 30 %;
• расход исходного сырья на 1,5...2 %;
• расход дорогостоящих легирующих добавок на 20…60%;
• уровень шума со 105 дБл до 85 дБл;
• количество пыле-газовыбросов в 8 .... 10 раз.

Низкая эрозия графитированных электродов позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода (уровень науглераживания не превышает 0,005 %). За счёт резкого (в 2... 5 раз) снижения фликкер-эффекта повышается ресурс печных трансформаторов, гибких кабелей, короткой сети и электрододержателей. Дуговые электропечи постоянного тока имеют наиболее высокий энергетический к.п.д., самый низкий процент угара металла, самую высокую стойкость футеровки, улучшенные условия труда и пониженное количество пыле-газовыбросов. Дуговые электропечи постоянного тока могут работать с полным сливом металла, допускают его частичный слив, а также могут работать в качестве миксера. За счёт возможности использования электрохимических реакций на постоянном токе для удаления вредных примесей, улучшения перемешивания металла и более высокой стабильности процесса улучшается качество выплавляемого металла.

В электропечи постоянного тока отсутствует необходимость в применении специальных устройств для перемешивания металла, так как ток дуги, проходящий от подового электрода на дне ванны по всей глубине расплава к анодному пятну на зеркале ванны, взаимодействует с собственным магнитным полем и создаёт в расплаве электромагнитные силы, вызывающие его активное турбулентное движение и перемешивание.

Наличие одного сводового электрода вместо трёх и уменьшение электродинамических сил, воздействующих на электрод, позволяют выполнить рабочее пространство электропечи постоянного тока гораздо более герметичным по сравнению с электропечами переменного тока.

За счёт возможности использования электрохимических реакций на постоянном токе для удаления вредных примесей, улучшения перемешивания металла и более высокой стабильности процесса улучшается качество выплавляемого металла.

Электрическое функционирование электропечи постоянного тока гораздо проще структурируется и гораздо более предсказуемо чем электропечи переменного тока, желательное напряжение можно поддерживать независимо от силы тока. Электропечь постоянного тока работает более стабильно, в ней проще настраиваются оптимальные условия эксплуатации.

Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока – восходящая по сравнению с нисходящей вольт-амперной характеристикой дуги переменного тока, что благоприятно сказывается на устойчивости и управляемости дуги.

Дуга постоянного тока в первый период плавки должна работать на максимальном напряжении (длинная дуга), она прорезает в шихте колодец в виде перевёрнутого усечённого конуса, что обеспечивает устойчивое положение шихты и исключает её обвалы, а как следствие сводит к минимуму короткие замыкания, обрывы дуги, повышенный шум, пылегазовыбросы, фликкер-эффект  и т. д.. После проплавления колодца электрический режим должен измениться, электропечь должна работать на средней устойчивой дуге при среднем напряжении и максимальном токе, что обеспечивает высокий к.п.д. дуги и уменьшение влияния дуги на свод и стены электропечи. Используемая в электропечах постоянного тока система управления обеспечивает вышеуказанный режим работы, что в свою очередь обеспечивает оптимальные показатели работы электропечи.

Стабилизация дуги при постоянном токе вызывает увеличение скорости нагрева и расплавления металла, что приводит к уменьшению периода расплавления на 15…25%.

Ориентировочная эффективность использования дуговых электропечей постоянного тока ёмкостью от 1,5 до 6,0т по сравнению с аналогичными электропечами переменного тока (основываясь на опыте внедрения), представлена в таблице 2

Таблица 2

Примечания.

1. Экономический эффект приведен при выплавке рядовой стали. При выплавке легированных марок стали экономический эффект увеличивается в 1,2…1,5 раза (соответственно уменьшается срок окупаемости).
2. В экономии не учтены:
   а) экономия от уменьшения угара дорогостоящих легирующих компонентов;
   б) уменьшение затрат на газоочистку, а также на природоохранные мероприятия;
   в) увеличение ресурса электрооборудования, кабельной продукции, ошиновки и т. д.;
   г) уменьшение затрат на футеровочные и ремонтные работы;
   д) улучшение качества выплавляемого металла.

К недостаткам электропечей постоянного тока по сравнению с электропечами переменного тока относятся прежде всего повышенные капитальные затраты на приобретение и установку преобразователя с теплообменником и реакторами, а также необходимость увеличенной площади под печную подстанцию. При этом, следует иметь ввиду, что повышенные капитальные затраты окупаются менее чем за год, а преимущества устойчивой и удобной работы, высокого качества выплавляемого металла и экономия эксплуатационных затрат останутся на долгие годы, тем более, эти недостатки перекрываются меньшей стоимостью и габаритами ФКУ.

Наличие в электропечи постоянного тока подовых электродов требует дополнительного расхода воды на их охлаждение, более серьёзной системы контроля за системой водоохлаждения и более частого и тщательного контроля за состоянием подового электрода и околоэлектродного участка подины. Однако, эти недостатки для электропечей постоянного тока с лихвой окупаются резким снижением затрат на обслуживание, перепуск и наращивание сводовых электродов, а также снижением затрат по ремонту футеровки стен.

Автоматизированная система управления

Автоматизированная система управления комплексом состоит из  программируемых контроллеров производства  фирмы Siemens (Германия) станций  распределенного  ввода-вывода  для  сбора информации с датчиков и управления механизмами на местах, и силовых шкафов управления электроприводами с использованием частотных преобразователей Danfoss. В силовых шкафах используется коммутационная аппаратура производства ведущих западных фирм (Siemens, Moeller и др.). Данная система оптимизирует работу всех комплексов печи, производит мониторинг  и архивацию всех необходимых параметров, создает электронный паспорт плавки.

Для управления и визуализации, диагностики и слежения за процессом на централизованном пункте управления, обеспечивающем быстрый доступ ко всем данным и позволяющем производить глобальные настройки используется система WinCC.

Система WinCC представляет собой безопасное капиталовложение, поскольку предоставляет возможности легкого расширения и масштабирования: то есть индивидуальное решение автоматизации может адаптироваться к возникающим в будущем требованиям компании. Для достижения универсальности потока информации, т.е. вертикальной и горизонтальной интеграции, WinCC позволяет вкладывать средства в стандартизированное хранение данных, встроенные стандартные интерфейсы и универсальную обработку всех данных. В этом случае WinCC из простой системы визуализации процесса превращается в платформу для ИТ(информационных технологий) и бизнес интеграции.

Цеховой сервер, объединив все существующие в СПЦ подсистемы  автоматизации, позволяет контролировать весь ход технологического процесса в цеху, получать данные с каждой печи, с общецеховой системы взвешивания, оптимизировать транспортные потоки, сравнивать текущие показатели на разных печах, получать информацию об аварийных  ситуациях, а так же прогнозировать и исключать их появление в  будущем. Так же сервер обеспечивает хранение всей необходимой информации о каждой плавке на необходимый срок.

Предлагаемая система, построенная на базе WinCC позволит создать единую  общецеховую систему управления технологическим  процессом. На рисунке приведены решения по модернизации одной из печей ДСП-25 и состоит  из  нескольких  локальных и самостоятельных подсистем, являющихся самостоятельными частями.

В системе предусматривается контроль состояния переключателя ступеней трансформатора, а также возможность визуального наблюдения оператором за состоянием  переключателя.

Температурный контроль металлургических процессов
При эксплуатации дуговых электропечей как переменного, так и постоянного тока температурный контроль является одним из основных параметров, определяющим качество производства.

Технико-экономические показатели применения температурного контроля на дуговых электропечах приведены в таблице 3.

Таблица 3

Выводы

Таким образом, в Украине разработан с использованием новых технических решений и современных комплектующих и введен в эксплуатацию полный комплект оборудования дуговых электропечей постоянного и переменного тока емкостью от 0,5т. до 25,0т., которые по своим техническим характеристикам не уступают зарубежным аналогам. Весь комплект оборудования может быть изготовлен на заводах г. Запорожья в тесном контакте между поставщиками. К преимуществам наших электропечей следует отнести, кроме комплектной поставки, их меньшую стоимость, а также разработку проекта установки оборудования, шеф-монтажные и пуско-наладочные работы, гарантийное и постгарантийное обслуживание.