Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Дробление токопровода  фазы на ряд параллельных проводников, т. е. шихтовка и расшихтовка проводников  при подходе к электроду, приводит к некоторой асимметрии фаз и  к различной длине шин фаз, что в свою очередь вызывает неодинаковое активное сопротивление отдельных  фаз. В результате разность полного, активного и индуктивного сопротивлений  различных фаз при шихтованных  пакетах достигает 20—25%.

Если не применять  шихтовки, эта разность может достичь 60—80%, что обусловит перегрузку током  наиболее загруженной «дикой» фазы на 60—80%.

Электроды печи передвигаются в вертикальной плоскости, наклоняются при наклоне печи для слива металла и шлака  и отворачиваются вместе со сводом для загрузки шихты сверху (на печах  ДСП), что вызывает необходимость  выполнения гибкого участка короткой сети.

Размеры и конструкция  гибкой части зависят от конструкции  и характера работы печи и общей  ее компоновки. Общая длина гибкой части короткой сети может быть соизмерима и даже превышать длину шихтованного пакета шин. Она выполняется из специальных  медных гибких полых неизолированных  многожильных кабелей.

Применение полых  кабелей обусловлено поверхностным  эффектом. При частоте 50 Гц глубина  проникновения тока составляет примерно 10 мм. Внутренняя часть кабелей типа МГЭ имеет джутовую сердцевину. Допустимая нагрузка кабеля типа М1Э-500 (500 мм2) должна быть не более 800 А. В печах большой мощности, где необходимо пропускать токи силой в несколько десятков тысяч ампер, приходится выполнять целые гирлянды параллельных кабелей.

В современных  печах гибкую часть короткой сети выполняют из водоохлаждаемых изолированных  резиновым шлангом кабелей, что  дает возможность сблизить между  собой пакеты фаз, а в системах, работающих по схеме «треугольник на электродах», соединять в одну гирлянду провода с прямой и обратной полярностью  одной и той же фазы. Это приводит к значительному уменьшению индуктивного сопротивления гибкой части короткой сети. Применение гибких водоохлаждаемых  кабелей особенно целесообразно  при одновременном применении медных водоохлаждаемых труб токопровода  по печи к электродам с водоохлаждаемым  электрододержателем, поскольку при этом достигается удобство выполнения цепи водоохлаждения короткой сети и электрододержателей.

Однако гибкий водоохлаждаемый токопровод требует более тщательного ухода, частного осмотра и устранения утечки воды в местах соединения. Увеличение массы заполненного водой кабеля требует специальных приспособлений для монтажа и демонтажа кабелей. На заводах, расположенных в зонах с суровыми климатическими условиями, в обычно не отапливаемых электросталеплавильных цехах при остановке печи на ремонт или длительный осмотр, а также при вынужденных остановках печи во избежание замерзания приходится сливать воду из водоохлаждаемых труб и кабелей. Для слива воды с провисающей части водоохлаждаемых кабелей их необходимо отсоединять от пакета шин и опускать на пол. Так как узел крепления кабелей находится на уровне 5—8 м от рабочей площадки и сложен по конструктивному исполнению, то такой демонтаж с последующим монтажом выполнить достаточно трудно.

Элементы конструкции  печи, расположенные вблизи токоведущих  проводников, оказываются в области  переменного магнитного поля. Это  приводит к дополнительным потерям  энергии на перемагничивание конструкций, составляющим 20—30% от общих потерь в короткой сети, в связи с чем близко расположенные к токоведущим элементам металлические конструкции изготовляют из немагнитных материалов. 

Виды, свойства, производство электродов

На всех дуговых электропечах применяют  электроды круглого сечения, диаметр  которых определяется емкостью плавильного  агрегата, а следовательно, подводимой электрической мощностью

От качества электродов к способа подвода к ним электрического тока значительно зависят потери электроэнергии, составляющие до 10% и более всей подводимой к печи мощности.

Учитывая исключительно тяжелые  условия, в которых находятся  электроды в процессе плавки, к  ним предъявляют особые требования. Материал электродов должен выдерживать  высокие температуры, быть достаточно механически прочным, обладать высокой  электропроводностью и необходимой  стойкостью против окисления, обеспечивать в местах сочленения плотность контакта.

Удовлетворять этим требованиям могут  только изделия из углерода. Сырьем для изготовления электродов служат графит, лучшие сорта антрацита и  термоантрацита, каменноугольный, пековый  и нефтяной коксы, естественный графит, бой электродных огарков. Для  дуговых электропечей применяют  угольные, графитированные и самоспекающиеся  электроды. Угольные и самоспекающиеся  электроды применяют главным  образом при осуществлении рудовосстановительных  процессов в ферросплавных печах. Для  сталеплавильных процессов применяют преимущественно графитированные электроды, обладающие более высокими физико-механическими и электротехническими свойствами по сравнению с угольными электродами. 

Графитированные электроды характеризуются  низким удельным сопротивлением (8—13 Ом-мм2/м), высокой термостойкостью, содержат мало золы. Допустимая плотность тока в этих электродах составляет 28, 16 и 14 А/см2 при диаметрах 150, 400 и 550 мм соответственно. В специальных графитированных электродах она достигает 50 А/см2.

Сырьем для производства электродов служат природные и искусственные  углеродистые материалы, содержащие около 90% углерода: графит, антрацит, термоантрацит, каменноугольный, пековый и нефтяной коксы, а также возвраты электродного производства. Для электродной продукции  всех видов в качестве связующего вещества применяют каменноугольный  электродный пек.

Рис.1 Схема производства электродов

Все твердые кусковые материалы  предварительно измельчают в дробилках (щековых или валковых) до кусков размером 40—70 мм, после чего поступают  на прокаливание — термическую обработку  без доступа воздуха.

Прокаливанию с целью уменьшения содержания влаги и летучих веществ  подвергают все виды углеродистого  сырья, кроме натуральных графитов. Прокаливание при 1150—1350° С обеспечивает высокую механическую прочность, плотность, термостойкость и высокую электропроводность электродов.

Из прокалочного отделения твердые  углеродистые материалы поступают  на измельчение в молотковых или  валковых дробилках и шаровых  мельницах, а затем на рассев. Размолотый материал разделяется на фракции  при помощи вибрационных сит или  барабанных грохотов и поступает  на хранение в сортовые бункера.

Порошковый материал отвешивается в соответствии с дозировочным рецептом из сортовых бункеров, и подготовленная шихта подается в смесительные машины с паровым обогревом для тщательного  перемешивания с расплавленным  каменноугольным пеком до получения  однородной массы.

Приготовленную углеродистую массу  после охлаждения до определенной температуры  направляют в прессовое отделение. Заготовки прессуют в специальных  горизонтальных прессах выдавливанием  через мундштук круглого сечения. После выпрессовки заготовки охлаждают в воде и подвергают контролю по форме и длине.

Обжиг отпрессованных заготовок осуществляют в течение 15— 30 суток по графику, который подбирают в зависимости  от вида и размеров изделий. При обжиге происходит коксование связующего, и обжигаемые заготовки переводятся в новое качественное состояние, характеризуемое определенными теплофизическими и электротехническими свойствами.

После обжига электроды подвергают графитизации в электрических печах сопротивления при температуре 2600—2800° С. Сопротивлением служат сами изделия и материал засыпки. В процессе графитизации изделия приобретают высокую электрическую проводимость, увеличивается их теплопроводность, повышается термостойкость, снижается окисляемость, улучшаются механические свойства и обрабатываемость.

После графитизации и охлаждения электроды  поступают в механическое отделение  для придания им на токарных станках  необходимой формы и чистоты  поверхности и для нарезки  резьбы под ниппель. У электродов с двух сторон имеются ниппельные гнезда с цилиндрической или конической резьбой (предпочитается коническая резьба).

Для фиксации биконического ниппельного  соединения применяют контактную прессованную пасту, вставляемую в виде пластин  между ниппелем и дном ниппельного  гнезда в процессе наращивания электродов.

Расход электродов зависит от правильного  выбора поперечного сечения, качества, условий транспортировки и хранения их, строгого соблюдения условий эксплуатации, главным образом, электрического режима. При выборе поперечного сечения  электродов следует учитывать в  первую очередь предельно допустимую удельную плотность тока.

Электроды необходимо хранить в  чистом сухом закрытом помещении  в штабелях высотой не более 1,5 м  с деревянными прокладками между  рядами, обращая особое внимание на сохранение в исправном состоянии  торцов и ниппельных гнезд.

Электроды поглощают влагу из воздуха, поэтому перед установкой на электропечь  их необходимо просушивать в специальных  камерных печах. При свинчивании (наращивании) электродов необходимо принимать меры по предупреждению излишнего перенапряжения в местах ниппельного соединения. Свинчивать электроды нужно либо на специальных стендах, либо на печи. Перед свинчиванием ниппельные гнезда необходимо тщательно обдувать сжатым воздухом.

Наращивать свечи на печи с помощью мостового крана  надо плавно, без рывков, вращая верхний  электрод вокруг своей оси с помощью  специального ключа. 

Оптимальный электрический  режим работы

Современные дуговые электрические  печи представляют собой очень мощные потребители электроэнергии, характеризуемые  сложным характером работы. Процесс  плавки обычно складывается из трех периодов, отличающихся друг от друга величиной  потребляемой мощности. Мощность трансформатора используется полностью в период плавления, примерно на 70% — в окислительной и на 50% и менее — в восстановительный периоды.

Для определения оптимального электрического режима работы на каждой ступени строят так называемые «рабочие» электрические  характеристики печи. Для этого опытным  путем определяют электрические  параметры на печи в режиме холостого  хода и короткого замыкания.

Оптимальным является режим, обеспечивающий большое значение мощности дуги (полезной мощности) при достаточно высоких  значениях электрического коэффициента полезного действия и коэффициента использования мощности.

Поддержание электрического режима на каждой ступени напряжения в пределах, близких к оптимальному, осуществляется автоматическими регуляторами.

На электропечах применяют релейно-контакторные регуляторы типа РРТ, регуляторы с электромашинными усилителями типа РМД, электрогидравлические  регуляторы типа АРРГ, бесконтактные  регуляторы с электромагнитными  усилителями типа РБС, регуляторы на тиристорах типа СТУ-022 и др.

У регулятора релейно-контакторного  типа предусмотрена одна ступень  скорости на подъем и одна на спуск  электрода. Скорость подъема и опускания  не увязывается с величиной отклонения регулируемого параметра от заданного, поэтому разработано несколько  конструкций регуляторов, реагирующих  на величину рассогласования параметров. Для них характерна переменная скорость перемещения электродов, пропорциональная величине отклонения параметров от заданного  режима.

Такие регуляторы отличаются повышенной чувствительностью и меньшей  инерционностью. Так, чувствительность релейно-контакторного регулятора составляет примерно ±30% от заданного  режима, гидравлического регулятора ±10%, а применяемого в последнее  время бесконтакторного электронного регулятора с магнитными усилителями типа РБС ±3%.

Регулятор мощности на тиристорах типа СТУ-022 работает следующим образом. При номинальном электрическом  режиме на выходе схемы сравнения  напряжение равно нулю. Падения напряжения на сопротивлениях Rx и равны и противоположны по знаку. При этом фазосдвигающее устройство не формирует импульсов управления, тиристоры УВХ—УВ% заперты и ток в цепи якоря двигателя перемещения электрода отсутствует. При отклонении силы тока дуги от заданного на выходе схемы сравнения появляется напряжение разбаланса U. Усилитель мощности УМ выдает сигнал ФСУ на формирование импульсов управления соответствующей выпрямительной группой УВ3 или УВ4—УВ6 тиристорного преобразователя. В цепи якоря двигателя М возникает ток определенной полярности, и двигатель перемещает электрод в нужном направлении. По мере перемещения электрода величина напряжения U уменьшается до нуля, и двигатель останавливается.

Предусмотрено также ручное дистанционное  управление. Регулятор можно применять  на печах емкостью от 3 до 200 т. Зона чувствительности регулятора может быть доведена до 1%. Время разгона и торможения двигателя не превышает 0,3—0,5 с. Скорость перемещения электрода составляет 3—4 м/мин, т. е. заметно больше, чем в случае применения широко распространенных регуляторов с электромашинными усилителями.

Применение регулятора СТУ-022 вместо регуляторов с машинным усилителем обеспечило повышение производительности печи и снижение удельного расхода  электроэнергии. В результате сокращения длительности контакта электродов с  металлом уменьшается науглероживание  металла и улучшается качество выплавленной стали.

Исполнительные механизмы регуляторов  мощности дуговых электропечей по типу привода подразделяют на электромеханические, объемно-гидравлические и дроссельно-гидравлические. Исполнительные механизмы должны быть надежными в работе, удобными для ремонта и обслуживания, исключать поломки электродов при упоре в шихту в ручном режиме управления и в нетокопроводящий скрап — при автоматическом регулировании. Кинематическая связь двигателя с электродом должна быть максимально жесткой, без зазоров. Привод должен исключать возможность опускания электродов под действием собственной силы тяжести, обеспечивать быстрый разгон, быстрое торможение механизма и максимально возможную скорость перемещения электродов.