Ключевые конструктивные особенности Электродуговой печи переменного тока для эффективного сталеварения

Электродуговая печь (ЭДП) переменного тока (AC) для сталеплавки применяет большой ток и низкое напряжение электрической энергии к зарядным материалам, плавит и очищает их. ЭДП — периодическая печь, состоящая из огнеупорно облицованного сосуда, покрытого съемной крышей, через которую в печь входят электроды. Общие особенности типичной ЭДП переменного тока показаны на рис. 1.

Рис. 1 Общие особенности ЭДП переменного тока

ЭДП имеет большую мисообразную корпус с блюдцеватым дном. Оболочка имеет огнеупорную облицовку внутри. Реакционная камера печи закрыта сверху съемной крышей из огнеупорных кирпичей, удерживаемой крышным кольцом. Она питается трехфазным переменным током (AC) и имеет три графитовых электрода, соединенных гибкими кабелями и водоохлаждаемыми медными трубами.

Конструкция электродуговых печей значительно изменилась в последние годы. Акцент делался на увеличении размеров печей, повышении удельной мощности, вводимой в печь, и увеличении скорости движений печи для минимизации времени без мощности в операциях печи.

Механические конструкции печи

Современные сталеплавные мастерские с ЭДП обычно используют мезонинную установку печи. В этом типе установки печь находится на верхнем уровне над полом мастерской. Печь поддерживается на платформе, которая может принимать несколько конфигураций. В конфигурации полуплатформы, опора колонны электродов и портал подъема крыши зашарнированы на наклоняемой платформе во время работы и выкладки. При зарядке печи вся сборка поднимается и поворачивается. Этот дизайн позволяет кратчайшую конфигурацию руки электрода. В полноплатформенном дизайне опора колонны электродов и сборка подъема крыши полностью поддерживаются на платформе.

Различные компоненты ЭДП делятся на функциональные группы: (1) печные конструкции для содержания лома и жидкой стали, (2) компоненты, позволяющие движение печи и ее основных структурных элементов, (3) компоненты, обеспечивающие подачу электрической мощности в ЭДП, (4) вспомогательное процессное оборудование, которое может находиться на печи или по ее периферии.

Печные конструкции

ЭДП цилиндрична по форме. Ее дно состоит из сферически образованной дно-блюдца. Оболочка, сидящая на вершине этого, цилиндрична, а печная крыша — сплюснутая сфера. Печное дно сидит на крадовой руке, которая имеет изогнутый сегмент с зубчатыми зубами. Этот сегмент сидит на рельсе. По мере вытягивания наклонного цилиндра печь качается вперед для выкладки печи. Для удаления шлака из печи печь наклоняется назад, для чего наклонный цилиндр полностью сжимается.

ЭДП в наши дни имеют конструкцию с раздельными оболочками (split shell). В этой конструкции верхняя часть печной оболочки может быть быстро разъединена и удалена от нижней. Это значительно минимизирует простой при замене верхней оболочки. После удаления верхней оболочки печное дно также можно заменить довольно быстро.

Печная стенка выше шлаковой линии обычно состоит из водоохлаждаемых панелей. Эти панели висят на водоохлаждаемой клетке, которая их поддерживает. Водоохлаждаемые панели позволяют очень большие тепловые вводы в печь без повреждения печной конструкции. Параметры, сильно влияющие на срок службы панелей: количество и качество воды, расход и скорость воды, входное водяное давление и перепад давления через панель, материал конструкции трубы/панели, диаметр трубы. Водоохлаждаемые панели должны выдерживать высокие тепловые и механические нагрузки.

Печная крыша либо куполообразна, либо напоминает мелкий конус, что более распространено для водоохлаждаемых крыш в современной практике. Крыша состоит из водоохлаждаемого крышного кольца, образующего внешний периметр крышной клетки. Эта клетка выступает частью подъемной структуры для крыши. Водоохлаждаемые панели вставляются в эту клетку и имеют цилиндрическое отверстие в центре. Огнеупорная дельта-секция вставляется для заполнения этого отверстия. Эта дельта-секция имеет минимальное отверстие вокруг электродов без риска дугового разряда между электродами и водоохлаждаемыми панелями. Вся печная крыша консольно закреплена на колонне подъема крыши. Обычно опоры крыши и электродов могут вращаться вместе или независимо. Ход электрода позволяет вращать электроды с крышей, стоящей на печной оболочке, что позволяет демонтировать и заменять дельта-секцию без снятия крыши. Обычно для полноплатформенного дизайна используют вращающуюся опору с опорным подшипником, беговым колесом и портальной рукой. Для более крупных печей используют портал подъема крыши.

Печное дно состоит из стальной оболочки с несколькими слоями огнеупоров. Печное дно состоит из сферической пластинчатой секции. Эта секция облицована огнеупором, обычно состоящим из защитной облицовки с набивной рабочей облицовкой сверху. В печах, где газоразмешивающие элементы установлены в дне печи, специальные карманные блоки устанавливают при укладке защитной кирпичной облицовки. Альтернативно, размешивающие элементы опускают на место и набивают вокруг них огнеупор. Печная донная секция также содержит выкладной механизм.

Обычно предусматривают несколько отверстий для печных операций. Самые очевидные — три электродных порта, позволяющие электродам входить в печь через крышу. Кроме того, четвертое отверстие в печной крыше предусмотрено для удаления печных газов. Пятое отверстие может быть предусмотрено по нескольким причинам: непрерывная загрузка DRI/HBI, впрыск угля или извести. Эти отверстия высоко в печи и поэтому не влияют на инфильтрацию воздуха в печь так сильно, как нижние отверстия. Нижние отверстия в печи включают выкладное отверстие, заполненное песком, и шлаковую дверь. Шлаковая дверь изначально предусмотрена для слива шлака из печи. В современных печах она также используется для доступа к печи для кислородно-топливных горелок и кислородных копий. Несколько портов также обычно предусматривают вокруг окружности печной оболочки для горелок. Иногда отверстие может быть предусмотрено высоко на печной стенке для доступа водоохлаждаемой декарбуризационной копии к печи. Другие отверстия могут быть предусмотрены низко на печной стенке или фактически в печном дне для инертных газов, кислорода, извести или углерода.

Движения печи

Для операций ЭДП необходимо, чтобы несколько печных компонентов двигались. Типичные требования к движению включают подъем/вращение крыши для зарядки лома, подъем/опускание и качание электродов для зарядки лома, подъем/опускание электродов для регулировки дуги, наклон печи вперед для выкладки, шлаг-дверь вверх/вниз для дешлакирования, наклон печи назад для удаления шлака, зажим/разжим электродов для регулировки рабочей длины электрода, движение любых вспомогательных систем, таких как горелка-копие.

ЭДП наклоняют как для выкладки, так и для удаления шлака. При выкладке печи максимальный прямой угол наклона зависит от типа печного дна. Для обычной выкладки через выносной желоб необходимо наклонить под углом 45° для полной выкладки печи. Для печей с нижней выкладкой максимальный угол наклона обычно 15–20°. Важное требование шлакосвободной выкладки — печь может быть быстро наклонена назад, как только шлак начинает переноситься в лыжу. Типичная максимальная скорость прямого наклона 1°/с, а скорость обратного наклона 3–4°/с.

Обычно движения печи осуществляют центральной гидравлической системой, обеспечивающей двигательную силу. Гидравлическая система состоит из центрального резервуара, фильтров, аккумулятора, гидравлических клапанов и гидравлической трубопроводки. По мере прохождения гидравлической жидкости через клапаны в одном из двух направлений в данной цепи, гидравлические цилиндры вытягиваются или сжимаются для обеспечения движения различных механических компонентов. Без достаточного расхода и давления жидкости в цепи движение невозможно. Таким образом, проблемы: низкий уровень жидкости, низкое давление аккумулятора, утечки системы, деградация жидкости из-за перегрева, накопление твердых частиц в клапанах или гидравлических линиях и износ механических компонентов могут привести к плохой производительности системы и в некоторых случаях к ее отказу.

Система охлаждающей воды печи

Система охлаждающей воды важна и неотъемлема для операции ЭДП. Существует несколько систем охлаждения. Некоторые операции, такие как охлаждение трансформатора, дельта-замыкания, шинных труб, держателя электродов, требуют чрезвычайно чистой, высококачественной охлаждающей воды. Эти системы обычно состоят из замкнутого контура, проводящего воду через эти чувствительные единицы оборудования. Вода в замкнутом контуре проходит через теплообменник для удаления тепла. Контур на стороне открытого контура теплообменника обычно течет к охлаждающей башне для рассеяния энергии. Другие водоохлаждаемые элементы, такие как печные боковые панели, крышные панели, воздуховоды отходящих газов, печная клетка и т.д. обычно получают охлаждающую воду от охлаждающей башни.

Охлаждающий контур обычно состоит из насосов подачи, насосов возврата, фильтров, ячеек охлаждающей башни и приборов контроля расхода. Чувствительные единицы оборудования обычно имеют приборы для измерения и мониторинга расхода и температуры охлаждающей воды. В случае водоохлаждаемого оборудования прерывание потока или неадекватные количества воды могут привести к тяжелому тепловому перегрузу и в некоторых случаях к катастрофическому отказу.

Смазочная система

Обычно ЭДП имеет автоматическую смазочную систему, обеспечивающую смазку различных движущихся частей на основе различных операций в процессе плавки. Например, некоторые части смазывают каждые три качания крыши после выкладки. Некоторые компоненты, такие как роликоподшипники, критичны для операции печи и периодически смазываются вручную. Труднодоступные места обслуживаются с помощью трубок и удаленных блоков.

Вспомогательные системы

ЭДП имеет несколько вспомогательных систем, неотъемлемых для операции и производительности печи. Эти системы описаны ниже.

• Система кислородного копия — Использование кислорода в ЭДП значительно выросло в недавнем прошлом. В прошлом, когда потребление кислорода менее 10 м³/т стали было обычным, операция копия выполнялась вручную с использованием расходного трубного копия. Современные ЭДП используют автоматические копия и многие объекты теперь используют нерасходное водоохлаждаемое копие для впрыска кислорода в сталь. Многие из этих копий также имеют возможность впрыска углерода.
• Система впрыска углерода — Современные ЭДП обычно имеют возможности впрыска углерода. Углерод критичен для операции пенообразования шлака, необходимой для высокомощных печных операций.
• Система кислородно-топливных горелок — Кислородно-топливные горелки теперь почти стандартное оборудование на крупных высокомощных печах. Они выполняют важную функцию, обеспечивая быстрое плавление лома в холодных зонах и гарантируя, что обвалы лома держатся на минимуме, чтобы минимизировать поломку электродов. В печах большого диаметра кислородно-топливные горелки необходимы для обеспечения равномерного плавления. Главная проблема обслуживания горелок — гарантировать, что они не забиваются металлом или шлаком. Чем ближе горелки смонтированы к ванне, тем выше риск забивания в режиме низкого огня. Некоторые горелки смонтированы прямо в водоохлаждаемой панели, другие в медном блоке. Если горелки работают на высоких режимах против крупных кусков лома, пламя может отдуть назад на печную оболочку, повреждая водоохлаждаемую панель. Таким образом, площадь панели должна инспектироваться на износ вокруг порта горелки.
• Система распылительного охлаждения электродов — Обычно электроды имеют систему распылительного охлаждения для снижения окисления электродов. Распылительные кольца направляют водяные распыли на электрод ниже зажима электрода и вода течет вниз по электроду, охлаждая его. Распылительные кольца могут снизить общий расход электродов на 10–20%. Распылительное охлаждение также улучшает срок службы держателя электрода и окружающей изоляции. Благодаря снижению излучения от электрода улучшается срок службы кабеля питания, воздушного шланга и гидравлического шланга.
• Система пробоотбора температуры — Одноразовая термопара для измерения температуры — неотъемлемая часть отслеживания прогресса в течение плавки. Расходные зонды также используют для отслеживания содержания углерода в ванне и растворенного кислорода в стали. Расходные зонды обычно монтируют в картонных втулках, надеваемых на стальной зонд (шест), имеющий внутренние электрические контакты. Расходной зонд передает электрический сигнал на стальной шест, который передает сигнал в электронный блок для интерпретации. Почти все зонды полагаются на точное измерение температуры для точного расчета уровней углерода или кислорода.
• Система эвакуации отходящих газов — Ранние системы эвакуации отходящих газов устанавливали для помощи операторам печи видеть, что происходит в и вокруг печи. С тех пор система отходящих газов значительно эволюционировала и многие современные ЭДП мастерские теперь используют четвертое отверстие для прямой эвакуации оболочки печи (DES). Системы DES состоят из водоохлаждаемого воздуховода, распылительного охлаждения, сухого воздуховода и обычно выделенного бустерного вентилятора. Достаточная тяга необходима для обеспечения адекватного газоочищения. Избыточные мастерские эмиссии создают трудности для крановщика при зарядке печи. Избыточные эмиссии вокруг электродных портов могут привести к повреждению шлангов, кабелей, держателя электрода, печной дельты, крышного огнеупора и распылительного охладителя электродов, кроме ускорения износа электродов. Избыточное накопление пыли также может вызывать дуговые разряды между фазами электродов. Эмиссии у крышного кольца могут привести к деформации структуры крышного кольца. Избыточные выбросы угарного газа во второстепенную навесную систему могут приводить к взрывам в воздуховодах вниз по течению.

Электрические системы

Электрические системы в мастерской ЭДП обычно состоят из первичной системы, состоящей из дворового понижающего трансформатора, который получает энергию от сети для подачи после понижения к трансформатору ЭДП. Главный выключатель на первичной системе изолирует электрические системы у ЭДП от сети. На вторичной стороне первичной электрической системы обычно предусматривают вакуумный выключатель и моторизованный разъединитель для изоляции вторичного печного трансформатора от первичного источника питания.

Вакуумный выключатель — долговечный выключатель, позволяющий разрывать вторичную электрическую цепь либо под нагрузкой, либо без нагрузки. Вакуумные выключатели обычно рассчитаны на 40 000 операций или четыре года, но обычно такие выключатели достигают жизни 200 000 операций без обслуживания. Первичная причина отказа вакуумного выключателя — металлический фольга, заключенный в вакуум и используемый для обеспечения герметичности для движущегося контакта. Как только эта герметичность начинает изнашиваться, происходит утечка вакуума, и становится трудно адекватно изолировать первичную мощность от вторичной.

Моторизованный разъединитель — обычно моторизованный ножевой затворной выключатель, способный физически изолировать ЭДП от первичного источника питания. Ножевые выключатели оттягивают, когда печь не под нагрузкой (вакуумный выключатель открыт, электроды подняты), чтобы дуговый разряд не происходил между лезвиями по обе стороны выключателя.

Трансформатор ЭДП

Трансформатор ЭДП принимает первичный низкий ток, высокое напряжение и преобразует это в высокий ток, низкое напряжение для использования в ЭДП. Надежная операция ЭДП полностью зависит от надежной операции трансформатора ЭДП.

Преобразование мощности с уровня кВ от сети до уровня напряжения, необходимого в ЭДП, обычно делается в две стадии. Первый трансформатор (иногда два параллельно) понижает напряжение с высоковольтной линии до среднего напряжения (обычно 33 кВ). От шины 33 кВ дуговая печь питается специальным тяжелым печным трансформатором. Вторичное напряжение этого печного трансформатора спроектировано для обеспечения работы дуг в желаемом диапазоне дуговых напряжений и токов. Поскольку существуют меняющиеся требования комбинаций дугового напряжения/тока через плавку, необходимо иметь выбор вторичных напряжений. Печный трансформатор оснащен переключателем шагов для этой цели.

Цель переключателя шагов — позволить выбор различных комбинаций напряжений и токов для разных стадий плавки. Это достигается изменением числа витков первичной катушки (первичная берет меньший ток, поэтому проще изменить число витков на этой катушке, а не на высокоточной вторичной). По сути переключатель шагов принимает форму моторизованной коробки контактов, которые коммутируют первичный ток на разные части катушки вокруг железада. Большинство переключателей шагов спроектированы для работы «под нагрузкой». Движение контактов типа «make-before-break» обычно используется для избежания прерывания тока. Эти контакты подвергаются сильной эрозии из-за дуги и поэтому требуют предупредительного обслуживания.

Вторичная электрическая цепь

Вторичная цепь электрической системы ЭДП состоит из следующих пяти основных компонентов.

• Дельта-замыкание (Delta closure) — Вторичная цепь трансформатора ЭДП заканчивается низковольтными втулками, которые присоединены к дельта-замыканию, состоящему из серии медных пластин, труб или обоих. Они расположены так, чтобы вторичные обмотки трансформатора были соединены в замкнутую цепь. Большинство этого оборудования расположено в трансформаторной комнате для обеспечения безопасной, чистой среды. Дельта-замыкание проходит через стену комнаты, смежной с ЭДП, и разъемы предусмотрены для присоединения к одному концу печных кабелей питания; другой конец присоединен либо к токоносящим рукам печи, либо к шине. Шинные системы обычно поддерживаются у стены трансформаторной комнаты и нержавеющими стальными подвесками, подвешенными от потолка комнаты. Подвесные системы для вторичных шин или дельта-замыканий часто поддерживаются у стены комнаты с сушеной древесиной. Вторичные шинные системы и дельта-замыкания изолированы для предотвращения дугового разряда фаза-фаза и фаза-земля, особенно на опорных элементах.
• Кабели питания (Power cables) — Водоохлаждаемые печные кабели питания обеспечивают единственное гибкое соединение во вторичной цепи. Эти кабели должны быть гибкими для допущения движения электродных рук вверх и вниз и качания электродных рук и крыши при зарядке печи. Соединения от дельта-замыкания, находящиеся снаружи трансформаторной комнаты, посеребрены для обеспечения чистого контакта для кабелей питания. Кабели питания состоят из медных пролоков, образующих цилиндрическую конструкцию, которая паяна к медным клеммам на обоих концах кабеля. Резиновая оболочка снаружи кабеля позволяет охлаждающую воду для кабеля. Резиновый шланг крепится на обоих концах кабеля с помощью нержавеющих хомутов, вулканизированных бамперов или антитерки шланга. Охлаждающий водяной шланг покрыт защитной рукавом, который может быть изготовлен из стекловолокна, вулканизированного материала, силикона или алюминиостекловолоконных рукавов. По мере развития дизайна кабеля отметили, что из-за «кожного эффекта», типичного для операций переменного тока, ток переносится преимущественно внешней частью медных пролоков. Поэтому центральные пролоки заменили на полый резиновый шланг, что снизило вес кабеля, реактивность и стоимость кабеля. В более поздней дате некоторые операции использовали этот внутренний канал для водяного охлаждения также.
• Шина / Токопроводящая рука (Bus bar / Current conducting arm) — Существует несколько дизайнов для сборки электродной руки и шины. Многие старые печи используют конструкцию руки, поддерживающую электрически изолированную шину. Шина обеспечивает электрическое соединение между кабелями питания и держателем электрода и обычно состоит из жесткого круглого медного трубопровода. Обычно шинная труба поддерживается болтовыми соединениями. Хорошая изоляция нужна между шинной трубой и поддерживающими элементами для обеспечения отсутствия дугового разряда. Шинные трубы обычно присоединяются к кабелям питания с помощью съемных изготовленных медных терминальных пластин и прокладок. Несколько конфигураций доступны для терминации шинной трубы у держателя электрода и контактной площадки. Включают фланцевое соединение с контактной площадкой, плоский лезвие, соединенное с трубой для параллельного соединения с держателем и круглая медная трубная контактная точка с разъемом. Шинные трубы могут быть заboltены к держателю или контактной площадке или использован сплавленный постоянный шов. Многие современные печи используют токоносящие руки, в которых сама рука передает электричество к держателю электрода и контактной площадке. Токоносящие руки обычно изготавливают из меднобронированной стали или алюминиевых сплавов.
• Головы электродов / Контактные площадки (Electrode heads/contact pads) — Головы электродов и контактные площадки обеспечивают конечное соединение между источником питания и графитовым электродом. Они подвергаются экстремальным механическим условиям (вибрация, кручение и т.д.) и термическим циклам и в результате являются самым слабым звеном во вторичной цепи. Держатели электродов либо литые, либо изготовленные из медных пластин. Контактные площадки меньше и включают только область контакта электрода. Правильное зажимание необходимо для предотвращения дугового разряда между электродом и контактной областью. Любое накопление грязи в этой области вызывает сопротивление току и перегрев и повреждение держателя электрода/контактной площадки.
• Регулировка электродов (Electrode regulation) — Сборка электрод/рука/мачта/кабель довольно тяжела и движется вертикально для целей управления обычно гидравлическим цилиндром, включенным в мачту. Поскольку длина дуги зависит, среди прочего, от постоянно меняющегося уровня лома или жидкости под электродом, необходимо иметь автоматический контроль положения электрода, известный как система регулировки. Система регулировки влияет на многие важные аспекты производительности печи: энергоподача, средний ток, стабильность дуги, схема плавления лома, потери энергии на водоохлаждаемые панели, расходы энергии, электродов и огнеупоров. Все эти параметры взаимосвязаны сложным образом. Принятый стандарт обработки электрических сигналов — формирование «импедансного контроля». Этот метод пытается удерживать отношение напряжения к электрическому току постоянным. Напряженный сигнал, взятый от фазы к заземлению, и сигнал тока каждый отдельно выпрямляются и их постоянные значения сравниваются «спиной к спине». Если напряжение и ток каждое на желаемом уровне (уставка, выбранная оператором ЭДП), то выход от этого сравнения сигналов устраивается быть нулем. Если однако ток превышает этот уровень, его сигнал увеличивается и одновременно напряжение уменьшается. Тогда два спинки-на-спину напряжения не балансируются и генерируется выходное напряжение. Этот сигнал идет к регулирующему клапану таким образом, чтобы приказать электроду подняться, направленное на снижение тока.
• Электроды (Electrodes) — Электроды — самые важные элементы в электрической цепи ЭДП. Электроды подают мощность в печь в виде электрической дуги между электродом и печным зарядом. Сама дуга — плазма горячих ионных газов с температурой более 3300 °C. Графитовые электроды состоят из смеси тонкоразделенного, выожженного нефтяного кокса, смешанного с ~30% угольной смолы в качестве связующего, плюс проприетарные добавки, уникальные для каждого производителя. Эта смесь экструдируют при ~105 °C для формирования цилиндрического стержня, известного как «зеленый электрод». Зеленый электрод затем дают контролируемую запекку в восстановительной атмосфере при температурах ~1000 °C и снова пропитывают смолой для повышения прочности и плотности и снижения электрического сопротивления. Электрод затем графитизируют преобразованием аморфного углерода в кристаллический графит прохождением электрического тока через него и нагревом до температуры ~2750 °C. Графитизация потребляет энергию ~3000–5000 кВт·ч/т электрода. Конечный продукт сильный и плотный с низким электрическим сопротивлением. В конце электрод механически обрабатывают до конечной формы. В каждый конец электрода делают впадину с нарезкой резьбы. Эти используются для приема нарезной ниппеля, изготовленного тем же способом, чтобы электродная колонна могла удлиняться по мере износа. Нормальный расход электродов — окисление и сублимация кончика, с небольшими потерями вокруг соединительного стыка. Значительная часть также теряется из-за механической поломки, вызванной обвалами лома в печи или давлением электрода в заряд.