Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
4.2.5.3 Подвижная часть вторичного токопровода Электрододержатель является одним из важных элементов дуговых печей, к которому предъявляются следующие требования: 1 подведение с минимальными потерями к электроду тока, сила которого на большегрузных печах составляет десятки килоампер; 2 сопротивление тепловым нагрузкам, обусловленным действием тока и теплопередачей от расплава, выделяемых из печи газов и графитированных электродов; Так как электрододержатели обычной конструкции с медными токоведущими трубошинами, изолированными от несущих рукавов (рис. 4.13) не в полной мере отвечают этим требованиям, в последние годы все большее применение в зарубежных и отечественных печах получают электрододержатели с токопроводящими рукавами (рис. 4.14). Особенностью этой конструкции является совмещение электрических, механических и теплообменных функций в одном узле - водоохлаждаемом рукаве с развитой токоведущей наружной поверхностью. Рис. 4.13 Электрододержатель обычного типа: 1 - гибкий кабель, 2 - трубошина, 3 - кронштейн, 4 - головка электрододержателя, 5 - хомут, 6 - электрод, 7 - электрическая изоляция Рис. 4.14 Электрододержатель с токопроводящим рукавом: 1 - гибкий кабель, 2 - токопроводящий рукав; 3 - головка электрододержателя. 4 - хомут; 5 - электрод; 6 - электрическая изоляция Идея применения в дуговых печах электрододержателей с токопроводящими рукавами принадлежит сотрудникам ВНИИЭТО, получившим авторское свидетельство в 1976 г. Однако первая практическая реализация этой идеи была осуществлена только в середине восьмидесятых годов за рубежом. 4.2.5.3 Анализ и сравнение основных характеристик электрододержателей Преимущества электрододержателей с токопроводящими рукавами по сравнению с электрододержателями обычной конструкции показывает анализ 325 их электрических, тепловых и механических характеристик в реальных условиях работы печи. Активное фазное сопротивление токоведущих элементов на участке "рукав" для обоих электрододержателей, пренебрегая эффектом близости, может быть рассчитано по формуле [8] δ δ ρ ) ( 1 k П n l r p − ⋅ = , (4.1) где ρ - удельное сопротивление токоведущих элементов электрододержателя на участке "рукав"; l - длина токоведущих элементов (трубошин или токопроводящего рукава); п - число параллельных элементов в фазе; П - наружный периметр токоведущего элемента; k 1t - коэффициент, равный для проводников круглого сечения 3,14 и для проводников прямоугольного сечения 4; δ - глубина проникновения электромагнитной волны в проводник Индуктивное фазное сопротивление токоведущих элементов для п > 1 и п = 1 на участке "рукав" определяют по формулам для п > 1 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ = − l d d l Пd k l n l x p 3 2 2 1 2 2 7 4 ln 5 , 0 4 ln 10 628 (4.2) для п = 1- ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ = − 3 2 2 2 7 4 ln 5 , 0 2 ln 10 628 d d l П k l l x p (4.2') где k 2 — коэффициент, равный 0,16 для проводников круглого сечения и 0,11 для проводников прямоугольного сечения; d 1 - среднее расстояние между осями параллельных проводников в одной фазе; d 2 и d 3 - средние расстояния между проводниками данной фазы и проводниками двух других фаз. Из формул (4.1), (4.2) и (4.2') следует, что активное и индуктивное сопротивления токоведущих элементов электрододержателя на участке "рукав" при прочих равных условиях уменьшаются с увеличением суммы наружных периметров их токоведущих сечений. Поэтому для токопроводящих рукавов с развитым периметром, существенно превышающим периметр трубошин обычного электрододержателя, их значения будут соответственно ниже. В результате значения активного и индуктивного электрического сопротивления короткой сети дуговой печи с токопроводящим электрододержателем будут меньше, чем печи с обычным электрододержателем, что обеспечивает для заданного значения ступени 326 напряжения U тр трансформатора увеличение мощности дуги каждой фазы на величину ΔP дф , 1 ( ) ( ) ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + + − − − − − = Δ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 2 1 2 1 2 2 2 1 1 2 2 p p кс тр p p кс тр дф r r x I U x x x I U I P где индекс 1 относится к печи с обычным электрододержателем, а индекс 2 - к печи с токопроводящим электрододержателем, при этом электрододержателю с большим периметром токоведущих элементов будет соответствовать меньшая токовая нагрузка, определяемая плотностью тока j : ( ) δ δ − = 1 1 k П j Исследования и расчеты, выполненные в НПО "ЭЛОТЕРМ"[8], показывают, что тепловые нагрузки рукавов электрододержателей обоих типов, определяемые внешними факторами (теплопередачей конвекцией от потоков газа, выходящего через зазоры между электродом и электродными отверстиями в своде, излучением с поверхности электрода, теплопроводностью от головки электрододержателя), сосредоточены в их головной части и примерно одинаковы. В то же время тепловыделения в токоведущих элементах, обусловленные прохождением через них электрического тока и равные активным потерям. будут выше для трубошин обычного электрододержателя, имеющих меньший периметр сечения: Следует также учитывать нагрев несущих рукавов обычных электрододержателей в результате действия вихревых токов. Механические нагрузки электрододержателей обоих типов — это статические и динамические нагрузки. Статические нагрузки, определяемые гравитационными силами, пропорциональными массе электродов и рукавов, включая массу закрепленных на них токоведущих элементов, а также динамические нагрузки, возникающие при наклоне печи, перемещении электродов, упоре электродов в твердую шихту и т. п., в первом приближении для обоих электрододержателей при использовании в них медных токонесущих элементов могут быть приняты одинаковыми. Однако электродинамические усилия, возникающие в токоведущих элементах электрододержателей на участке "рукав", даже при равенстве их 327 абсолютных значений оказывают различное воздействие на механическую прочность несущих элементов. Это объясняется следующим: • трубошины обычного рукава, характеризуемые меньшими значениями периметра, площади поперечного сечения и момента инерции, имеют меньшую жесткость и сопротивление деформации; • несущие рукава обычных электрододержателей подвергаются дополнительному воздействию момента сил. являющегося результатом консольного расположения трубошин на рукаве (рис. 3) и равному • M = f эд l h где f эд - электродинамическое усилие, приходящееся на 1 м длины трубошины; l - длина трубошины; h - расстояние между трубошиной и рукавом. Максимальное (удельное) электродинамическое усилие, приходящееся на 1 м длины токоведущих элементов трубошин или токопроводящего рукава для средней фазы, равно ф у эд(макс) k а I f 2 7 10 73 , 1 − ⋅ = где а - среднее расстояние между проводниками соседних фаз; I у - ударный ток трехфазного короткого замыкания; k ф - коэффициент формы проводника, равный 1-1.5. Действие этих усилий вызывает вибрацию трубошин и разрушение электрической изоляции, расположенной между ними и несущим рукавом. 4.2.5.4 Материалы токопроводящих рукавов Из анализа физических свойств и стоимости различных материалов и сплавов, удовлетворяющих условиям эксплуатации токопроводящих рукавов (высокой электропроводности и теплопроводности, достаточной механической прочности и относительно невысокой стоимости), следует, что к наиболее приемлемым материалам для изготовления токопроводящих рукавов относятся медь и алюминий, а также сплавы на их основе. В табл. 4.3приведены сопоставимые свойства меди и алюминия. Сравнение свойств и цены меди и алюминия показывает, что несмотря на более высокое удельное сопротивление алюминий является материалом, перспективным для изготовления токопроводящих рукавов в связи с существенно меньшей плотностью и большей глубиной проникновения электрического поля. 328 Таблица 4.3 Физические свойства ( t =20 o C) и стоимость меди и алюминия Металл Плотность, кг/м 3 Теплоемкос ть, кДж/(кг· о С) Теплопро водность, Вт/(м· о С) Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 -8 Предел прочности, Н/м 2 ·10 7 Стоимость, ус. ед./т Медь 8700- 8900 0,39 390 1,6-1,8 20-50 4300- 4500 Алюмини й 2700- 2750 0,95 200 2,50-2,75 8-13 2900- 3000 Механические свойства алюминия могут быть значительно улучшены путем его легирования различными упрочняющими элементами или усиления посредством стальной арматуры. При этом большое значение в условиях интенсивного теплового излучения в печах имеет свойственное алюминию низкое значение степени черноты. Одним из важных показателей материалов в условиях металлургического производства, характеризуемого значительным уровнем газовыделения, является стойкость в атмосфере, содержащей химические примеси. При оценке по десятибалльной шкале (табл. 4.4) коррозионная стойкость алюминия во многих средах выше стойкости меди. 4.2.5.5 Конструкции и эксплуатационные характеристики токопроводящих рукавов Наиболее распространенная конструкция токопроводящего рукава, применяемая с середины 80-х годов западными печестроительными фирмами (Fuchs Systemtechnik, Krupp, Danieli. Voest-Alpine и др.), представляет собой трубу прямоугольного сечения, полученную сваркой биметаллических (медь— сталь) листов. Толщина наружного токопроводящего слоя составляет обычно 8 — 10 мм. Внутри биметаллическая труба имеет многоканальное или полостное водяное охлаждение, обеспечивающее требуемый теплосъем и нормальные температурные условия работы токоведущей части рукава и расположенного внутри него пружинно-гидравлического механизма зажима электрода, а также электрической изоляции, находящейся между нижней "гранью" рукава и его опорной стойкой. К контуру водяного охлаждения рукава подключены элементы головки электрододержателя (контактная Таблица 4.4. Стойкость проводниковых материалов (балл*) в атмосфере, содержащей химические примеси Химические примеси в атмосфере Алюминий Медь Окислы азота 4,5 6 Окись углерода 1 6 Серный ангидрид 1 1 Сероводород 1 6 Фтористый водород 6 6 Балл1 - совершенно стойкий, балл 10 - нестойкий 329 плита и хомут) и плита стойки, на которой размещена электроизоляционная прокладка Биметаллический лист для токопроводящего рукава может быть изготовлен различными методами: сваркой взрывом, наплавкой, прокаткой в вакууме, электрошлаковым методом (метод разработан в АО "ВНИИЭТО") Опыт эксплуатации электрододержателей с токопроводящими биметаллическими рукавами подтверждает их преимущества перед обычными электрододержателями. 0ни имеют меньшие активное и индуктивное сопротивления, обеспечивая лучшие электрические показатели печи и увеличение полезной мощности дуг, и большую механическую жесткость, что позволяет значительно уменьшить диаметр распада электродов и увеличить стойкость стен (футеровки) печи (или ковша). Одновременно устраняется нагрев стальных элементов рукава под воздействием электромагнитных полей в результате экранирования их наружным токопроводящим слоем, повышается срок службы механизма зажима электрода и электрической изоляции, снижаются затраты на ремонт и обслуживание электрододержателя. Фирма Badishe Stahl Werke (Германия) с 1988 эксплуатирует на дуговых сталеплавильных печах емкостью 80 и 85 т. электрододержатели со сварными алюминиевыми рукавами конструкции фирмы BSE и Klark и отмечает их следующие преимущества: уменьшение массы на 50%, увеличение скорости перемещения электродов, повышение полезной мощности на 8,5% и увеличение среднего коэффициента мощности с 0,81 до 0,84, снижение себестоимости стали. Таким образом, анализ характеристик и опыт эксплуатации электрододержателей обычной конструкции и с токопроводящими рукавами свидетельствует о значительных преимуществах последних. Эффективность применения электрододержателей с токопроводящими рукавами возрастает с увеличением емкости печи, так как сокращение активных потерь и увеличение мощности дуг пропорциональны квадрату силы тока. Это показывает целесообразность их применения также в дуговых печах постоянного тока, сила рабочего тока которых в 2 раза превышает силу тока трехфазных печей идентичной емкости. 4.2.6 Энергетический баланс дуговой сталеплавильной печи В дуговых сталеплавильных печах сочетаются особенности электро- и теплотехнических установок. Поэтому анализ вопросов оптимизации энерготехнологических процессов и режимов печей невозможен без подробного рассмотрения их энергетических балансов. Балансовые уравнения составляют для всего цикла плавки или для ее отдельных периодов. В этом случае в них фигурируют количества электрической или тепловой энергии, израсходованной за рассматриваемые 330 интервалы времени. В так называемых мгновенных балансах, относящихся к определенному моменту плавки, используют мощности соответствующих энергетических потоков. В связи с тем, что энерготехнологические процессы в дуговых печах переменного и постоянного тока близки, общий вид энергетических балансов для ДСП и ДСППТ одинаков. В простейшем случае при работе дуговой печи с топливно- кислородными горелками (ТКГ), но без утилизации тепла отходящих газов и охлаждающей воды уравнение энергетического баланса всей печи для полного цикла плавки т ц или ее отдельных периодов τ, имеет вид [9] W э +W ш +W х +W г =W м +W эп +W тп ±W ак (4.3) где W эл - электроэнергия, потребляемая электропечной установкой из энергосистемы; W ш - энтальпия шихты и газов, поступающих в рабочее пространство ДСП; W x - химическая энергия экзо- и эндотермических реакций окисления, восстановления и шлакообразования; W, - количество тепловой энергии, вводимой в рабочее пространство ДСП с помощью ТКГ'; W м - энтальпия сливаемого жидкого металла и шлака (полезный расход энергии); W эл - электрические потери в источнике питания и вторичном токоподводе (до рабочего пространства печи); W тп - тепловые потери из рабочего пространства печи; W ак - изменение энтальпии футеровки (плюс - при нагреве, минус - при остывании). Рассмотрим отдельные статьи энергетического баланса (4.3) более подробно. В левой, приходной, части баланса наибольшей является величина W э , которая в зависимости от особенностей технологического процесса может изменяться в широких пределах. В переплавных процессах она может приближаться к 100%. В процессах с использованием предварительно подогретой шихты, ТКГ и больших количеств кислорода это значение может снижаться до 60% общего прихода энергии за цикл. Величина W ш практически целиком определяется энтальпией загружаемых в печь шихтовых материалов. При получившем довольно широкое распространение предварительном подогреве шихты в загрузочных корзинах до средне-массовой температуры 450-550 °С значение W ш составляет 10-12%. На дуговых печах, работающих без предварительного подогрева шихты, величиной W ш можно пренебречь. Для определения W x необходимо предварительно составить материальный баланс, с помощью которого устанавливают состав и количество исходных материалов и продуктов плавки. Энергия экзотермических реакций окисления компонентов шихты - углерода, кремния, марганца, железа и других, а также окисления графитированных электродов 331 выделяется в различных зонах рабочего пространства ДСП: на поверхности кусков шихты, в жидкой ванне и в газовой фазе, что предопределяет и различную степень полезного использования выделяющегося тепла. В современных печах, работающих с применением кислорода и ТКГ, тепловыделение W x может достигать 30-35 %, а в отдельные периоды плавки и более высоких значений. Поэтому эффективное использование W x во многом определяет энергетическую эффективность печей, особенно крупных, для которых характерно возрастание доли W x в общем приходе тепла. Определение W x вызывает известные трудности. В балансовых расчетах электроплавки при вычислениях W x получило распространение использование стандартных значений удельных энтальпий химических реакций при 298 К ∆Н°298. Приход тепла W r зависит от мощности и длительности работы ТКГ и может достигать значений, сопоставимых с W э Изменение энтальпии футеровки (аккумулированного тепла) ±W ак может входить как в приходную, так и в расходную правую часть энергетического баланса (4.1). При рассмотрении баланса всего цикла плавки или достаточно длительных ее периодов величиной W ак можно пренебречь. Это объясняется тем, что усредненная по массе и по времени цикла плавки температура футеровки остается практически постоянной. Однако в отдельные относительно короткие отрезки времени изменение энтальпии футеровки оказывает существенное влияние на энергетический баланс печи и W ак необходимо учитывать. Это относится, в частности, к началу периода плавления, когда значительное количество тепла передается загруженной шихте от нагретой футеровки подины, откосов и стен печи. Отметим, что на современных печах с водоохлаждаемыми стенами и сводом, заменяющими значительную часть футеровки, роль W ак значительно снизилась. Полезное тепло W м определяется конечной температурой металла на выпуске из печи и удельным количеством шлака на 1 т стали (кратностью шлака). В зависимости от этих факторов W м колеблется в пределах 400 - 500 кВт·ч/т и составляет 55-65 % общего расхода энергии. Электрические потери ∑W эп зависят от конструкции вторичного токоподвода, параметров электрического режима и стабильности горения электрических дуг. Значения этих потерь составляют 6-13% W э Потери тепла из рабочего пространства W тп на современных печах достигают 30 - 35 %. По сравнению с ДСП, работающими по классической технологии без водоохлаждения стен и свода и без принудительного газоотсоса из рабочего пространства, эти потери значительно возросли. Они складываются из потерь теплопроводностью через футеровку W тпф , с охлаждающей водой W тпв , потерь излучением и конвекцией открытым рабочим пространством (при отведенном своде) и через открытое окно W тпо , потерь с отходящими газами W тпг |