15.07.1998

Руднотермические печи выпрямленного тока как ресурсосберегающие агрегаты. Попов А.Н., Нехамин С.М., Фридман М.А., Щербинин В.И., Котюк А.В. Артеменко С.А., Лебедев В.Н., Саньков С.А., Шевченко Е.В.

Существующие в настоящее время электродуговые (ЭДП) и руднотермические (РТП) печи используют переменный трехфазный ток, обладающий при его передаче и преобразовании значительными преимуществами перед другими видами электрической энергии. Технологические процессы электрометаллургии, схема и конструкция трехфазных агрегатов, мощность которых достигает 80 МВА, приспособлены к параметрам электрического режима, характеризующимся низкими рабочими напряжениями (от 100 до 600 В) и большими токами в электродах (от нескольких десятков до двух сотен килоампер).
Использование трехфазной системы больших переменных токов связано с рядом специфических эффектов [1 - 4], таких как:
- большое значение собственного и взаимного индуктивного сопротивления отдельных проводников и всего электропечного контура относительно активного сопротивления нагрузки, в связи с чем естественный коэффициент мощности средних по величине печей равен 0,80 - 0,85, а для крупных агрегатов снижается до 0,6 - 0,7;
- поверхностный эффект и эффект близости снижают эффективность использования проводников короткой сети, включая печные электроды, ухудшают режим их эксплуатации и вызывают дополнительные потери энергии, достигающие 30 - 40 % потерь в короткой сети;
- эффект переноса мощности между фазами (известный как явление “мертвой” и “дикой” фазы) ухудшает энергетические, теплотехнические и эксплуатационные показатели;
- электромагнитные потери энергии в металлоконструкциях, окружающих проводники переменного тока, составляют для крупных агрегатов несколько процентов от их мощности;
- несимметрия, неравномерность и нелинейность нагрузки приводит к отрицательному воздействию на питающую сеть, снижают эффективность использования энергетического оборудования,
- токи шихтовой проводимости, замыкающиеся между электродами различных фаз в верхних горизонтах печной ванны руднотермических печей, вызывают перегрев колошника, нарушение его газопроницаемости, повышенное спекание шихты и дополнительные потери тепла, восстановителя и минеральных компонентов шихты;
- распределение тока между параллельными цепями внутри печной ванны, а именно по цепям, замыкающимся непосредственно между электродами (токи треугольника) и проходящим через расплавленный металл (токи звезды) носит неустойчивый характер. Указанное распределение токов в процессе эксплуатации печи постоянно меняется из-за отклонений количества, качества и состава шихтовых материалов, изменения электрического режима и положения электродов, применения разнообразных технологических операций при обслуживании агрегатов. Отсутствие инструмента эффективного управления распределением токов и мощности между различными зонами рабочего пространства отрицательно сказывается на основных эксплуатационных и технико-экономических характеристиках руднотермических печей, особенно для процессов, требующих высокой концентрации энергии в реакционных зонах под электродами;
- печная дуга, характерная для ряда процессов электрометаллургии, при использовании переменного тока дважды за период гаснет и вновь зажигается, из-за частой смены полярности электродов работает в динамическом режиме, что снижает устойчивость дугового разряда, требует уменьшения длины дуги, приводит к колебаниям электрической и тепловой мощности, повышенному пылеуносу, уменьшению эффективности использования дуги для целевого технологического процесса;
- настил тока промышленной частоты в ванне расплавленного металла как правило значительно меньше глубины ванны, что не обеспечивает эффективного перемешивания металла, не позволяет в необходимой степени проводить усреднение его температуры и химического состава.
Для каждого конкретного агрегата и технологического процесса складывается определенное сочетание названных выше факторов, что накладывает существенные ограничения на используемые схемно-конструктивные решения и технологические методы. Для компенсации большинства ограничений, связанных с упомянутыми факторами используются разнообразные решения, часто достаточно дорогостоящие (например специальные схемы и конструкции коротких сетей и всего агрегата в целом, установки продольной или поперечной компенсации реактивной мощности, применение восстановителей с повышенным активным сопротивлением и брикетированной шихты, специальные способы управления процессом и т.д.), некоторые другие эффекты органически присущи природе переменного тока и устранить их не представляется возможным. В связи с этим ВНИИЭТО, начиная с семидесятых годов [5], проводились работы по использованию различных схем выпрямителей для питания РТП, открывающие принципиально новые возможности для решения указанных проблем.
Данная статья посвящена некоторым аспектам создания руднотермических печей выпрямленного тока и рассмотрению практических результатов промышленной эксплуатации печи кремния мощностью 6,4 МВт, работающей на выпрямленном токе с мая 1997 г.
Рассмотрим наиболее общие аспекты применения выпрямленного тока в руднотермических печах.
Одним из основных факторов, определяющих параметры технологического процесса в РТП является характер распределения мощности в печной ванне. Проведенные исследования и результаты расчетов на цифровых математических моделях [6] позволили установить основные закономерности, связывающие силовую схему питания печи с характером распределения мощности. На рис.1 показано распределение мощности по продольной оси на поверхности металла в ванне двухэлектродной печи при разных схемах ее подключения, а на рис. 2 - влияние расстояния между электродами и схемы их подключения на фазные сопротивления ванны (1, 2 - соответственно схемам “электрод - электрод” и “электроды - подина” на рис. 3, где x - продольная координата ванны, l - высота слабопроводящего слоя ванны, s - расстояние между электродами, d - диаметр электродов, P* - безразмерная обобщенная функция).
Из приведенных зависимостей видно, что при схеме “электроды - подина” наблюдается более равномерное выделение мощности вблизи поверхности металла, чем в схеме “электрод - электрод”. Соответственно в верхних горизонтах ванны в схеме с проводящей подиной выделяется меньшая доля мощности и она сосредоточена вблизи электродов. В средней части ванны между электродами на поверхности слабо проводящего слоя (колошника) при схеме “электроды - подина” электрическая мощность не выделяется. Изменение расстояния между электродами оказывает различное влияние на характер распределения мощности. Если при схеме “электрод - электрод” сближение электродов приводит к увеличению токов треугольника (условно назовем их так по анологии с трехфазной печью), уменьшению мощности в нижних горизонтах и снижению сопротивления ванны, то в схеме “электроды - подина” токи треугольника отсутствуют. Сближение электродов в этой схеме приводит к вытеснению линий тока вглубь печи, в результате чего в нижней части концентрация энергии увеличивается, а сопротивление ванны возрастает.
Качественно, полученные закономерности справедливы не только для шлаковой ванны, для которой они рассчитаны, но, предположительно, и для бесшлакового процесса, при котором колошник играет роль слабопроводящей среды с сильно выраженной нелинейностью зависимости удельного электрического сопротивления шихты от температуры.
Выполним далее анализ наиболее перспективных схем выпрямления, которые могли бы использоваться для руднотермических печей.
Прежде всего ограничим выбор схем индивидуальными преобразователями электрической энергии. Это позволяет полностью использовать существующие сети электроснабжения промышленных предприятий и не требует разработки специального сетевого электрооборудования. Подтверждением данного тезиса является известный опыт эксплуатации в течении нескольких десятилетий руднотермических печей, питающихся от специально созданных систем электроснабжения на частоте 25 Гц, (например на первом в России Статкинском электрометаллургическом заводе [7], в Норвегии [8], на заводе фирмы Ниагара Фоллз). Развития и распространения этот опыт не получил из-за высоких затрат на специальное сетевое оборудование. Кроме того, практически реализовать питание нескольких РТП от одного группового источника вряд ли возможно из-за необходимости индивидуального регулирования электрического режима каждой печи (как правило и отдельно каждого электрода).
Из числа разнообразных схем индивидуальных преобразователей предпочтительными для руднотермических печей являются две наиболее широко используемые в промышленности схемы: “две звезды с Уравнительным Реактором” и “трехфазная мостовая”, выполненные на кремниевых тиристорах. В силу своих энергетических и эксплуатационных преимуществ, названные две схемы уверенно лидируют в области источников питания мощных электрометаллургических агрегатов на протяжении многих лет [9]. На основе двух указанных шестипульсных схем разработаны реверсивные и нереверсивные схемы с кратным шести числом пульсаций питающего напряжения, что удовлетворяет все практические требования к качеству потребляемой источниками питания электроэнергии. Освоенное промышленностью применение “таблеточных” тиристоров на ток 3200 А и соответствующих им по параметрам плоских предохранителей, позволяет с использованием указанных двух базовых схем оснастить выпрямителями весь существующий спектр мощностей и параметров РТП.
Выбор той или иной схемы зависит от конкретных параметров РТП и требований, предъявляемых технологией к схеме питания печи. При этом важно правильно учесть энергетические характеристики агрегата, которые в практике расчета руднотермических печей [1] принято приводить к активной мощности печи P и полезному напряжению на электроде Uп:
Коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора Sт по сравнению с активной мощностью электропечи Р:
Кп = Sт/ Р.
Среднее действующее значение расчетного тока тиристоров:
Iр.ср.= nв* I в.ср.* Uп/ P;
Iр.д.= nв* Uп/ P;
где: nв - число тиристоров в силовой схеме;
I в.ср.; I в.д. - среднее и действующее значение тока в вентиле.
Расчетное обратное напряжение на вентиле:
Uр.обр.= Uобр.м./ Uп;
где: Uобр.м. - максимальное обратное напряжение на вентиле.
Расчетный ток вентильных обмоток трансформатора, характеризующий потери, связанные с канализацией больших токов, а также сложность выполнения трансформатора:
Iр.обм.= Iобм. * Uп * nобм./ P;
где: nобм. и Iобм. - число вентильных обмоток трансформатора и действующее значение тока в каждой из них.
Коэффициент мощности и другие энергетические характеристики источников питания при заданном законе управления могут быть определены по величине угла коммутации ? тиристоров [10]. Угол коммутации тиристоров можно определить из следующих соотношений:
cos a - cos (a + j) = g;
g = (eк / 100) * I2 / I2н;
где: a - угол фазового управления тиристоров (равен нулю для неуправляемого выпрямителя);
g - относительная реактивность анодной цепи выпрямителя;
eк- э.д.с. короткого замыкания анодной цепи, включая питающую сеть, токоподвод, трансформатор и ошиновку выпрямителя (%);
I2; I2н - рабочее и номинальное значение тока нагрузки выпрямителя.
В таблице 1 даны значения критериев сравнения силовых схем питания РТП, рассчитанные по приведенным выше соотношениям для реверсивных и нереверсивных схем: “две звезды с УР” (ДЗ) и “трехфазная мостовая” (ТМ). Номера строк совпадают с номерами силовых схем на рис. 3. Из таблицы видно, что минимальная расчетная мощность трансформатора (при одинаковой активной мощности и полезном напряжении) обеспечивается для мостовых схем 1, 3, 5, 7, а наименьший расчетный ток тиристоров - в схемах с уравнительным реактором. Для печей с проводящей подиной, особенно реверсивных, предпочтительной является схема “две звезды с УР”, ввиду значительно меньшего, чем в вариантах 3 и 7 расчетного тока комплекта вентилей. При этом более высокое расчетное обратное напряжение на тиристорах не играет здесь решающей роли, так как в связи с относительно низким напряжением на электродах РТП увеличения числа вентилей (последовательного включения приборов) можно избежать, выбрав соответствующий класс напряжения тиристоров.

Сравнительная характеристика схем питания РТП

Тип печи	Схема источника	Кп	Iр.ср.	Iр.д.	Uр.обр.	Iр.обм.
Без под. эл-да	ТМ-реверсив.	1,05	1	2,45	2,1	0,707
Без под. эл-да	ДЗ-реверсив.	1,26 (1,33)*	0,5	1,22	4,19(4,84)**	0,866
С под. эл-дом	ТМ-реверсив.	1,05	2	4,9	1,05	1,41
С под. эл-дом	ДЗ-реверсив.	1,26 (1,33)*	1	2,45	2,09(2,42)**	1,73
Без под. эл-да	ТМ-нереверсив.	1,05	1	1,73	2,1	0,707
Без под. эл-да	ДЗ-нереверсив.	1,26 (1,33)*	0,5	0,866	4,19(4,84)**	0,866
С под. эл-дом	ТМ-нереверсив.	1,05	2	3,46	1,05	1,41
С под. эл-дом	ДЗ-нереверсив.	1,26 (1,33)*	1	1,73	2,09(2,42)**	1,73

*) - с учетом типовой мощности уравнительного реактора;
**) - соответствует обратному напряжению на вентиле при холостом ходе выпрямителя.
При практической реализации полученных результатов путем реконструкции промышленной двухэлектродной руднотермической электропечи, выплавляющей кремний, удалось более, чем на двадцать процентов сократить установленную мощность трансформаторов, сохранив без изменений активную мощность печи. Реализована схема, состоящая из двух выпрямительных агрегатов, каждый из которых состоит из трансформаторного агрегата и конструктивно совмещенного с ним реверсивного выпрямителя. Высокая компактность принятых конструктивных решений, в том числе специально разработанный источник питания совмещенной конструкции типа “тиристоформер”, позволили разместить электропечной агрегат на тех же производственных площадях, что и обычную печь. Выпрямитель выполнен по схеме “две звезды с УР”. Предусмотрена возможность работы как по схеме с подачей напряжения между электродами, так и по схеме независимого питания каждого электрода от своего выпрямителя. Сетевые обмотки трансформаторов соединены в зигзаг таким образом, что образуют эквивалентную двенадцатипульсную схему выпрямления.
В печи создана проводящая подина, выполненная из углеродистых материалов. Электрические выводы подины с помощью медного токоподвода соединены с выводами выпрямителя.
Агрегат оснащен системой автоматизированного управления (САУ) “Кремний”, выполненной на базе промышленного персонального компьютера, обеспечивающего удобный для обслуживающего персонала интерфейс с объектом управления. САУ “Кремний” обеспечивает наглядный обзор, анимацию и сигнализацию текущего состояния более двухсот параметров процесса, автоматическое управление электродами и источником питания, архивирование режимов и автоматическую печать сменных рапортов, инженерную поддержку, позволяющую эффективно анализировать ход технологического процесса. Для обеспечения неразрушающего теплового контроля футеровки агрегат оснащен комплектом специально разработанных тепловых датчиков, измеряющих тепловой поток и температуру на кожухе печи без нарушения его целостности.
Техническая характеристика печи приведена в таблице 2.

ПАРАМЕТРЫ ПЕЧИ КРЕМНИЯ РПО-9-КрВТ

Параметр	Единица измерения	Значение
Активная мощность	МВт	6,4
Питающее напряжение	кВ	10
Диаметр электродов	мм	710
Тип электродов	-	графитированные
Годовая производительность	т/год	4000

Печь на выпрямленном токе пущена в эксплуатацию в мае 1997 г.*) Агрегат достаточно быстро вышел на проектную производительность. В то же время освоение новых схемно-конструктивных решений, рациональных электротехнологических режимов работы печи и режимов управления на выпрямленном токе заметно повышают трудоемкость обслуживания агрегата на стадии его освоения.
Питание печи по схеме “электроды - подина” придает большую эффективность распределению мощности в ванне печи по сравнению с переменным током. Электрическая мощность в большей степени концентрируется в средних и нижних горизонтах ванны. На колошнике снижаются потери тепла, минеральных компонентов шихты и восстановителя. Экономия кварцита составила 10 %, древесного угля - 20 %.
В силу большей устойчивости дуги постоянного тока, отсутствия ее циклических погасаний и повторных зажиганий, которые с частотой 100 Гц происходят при переменном токе, энергия дуги более эффективно используется в печи, питаемой от выпрямителя. Это обстоятельство, наряду с протеканием электрохимических реакций, интенсифицирует процессы восстановления целевого продукта и снижает содержание в нем примесей. Создаются условия для использования более дешевых видов восстановителя, чем при переменном токе. В большей мере, чем до перехода на выпрямленный ток стали использо-вать древесную щепу (в качестве рыхлителя колошника), частично заменяя дорогой древес-ный уголь более дешевым нефтяным коксом.
Повышается качество выплавляемого кремния. По данным *) одного из потребителей кремния при кремнийорганическом синтезе выход годного по диметилдихлорсилану (после перехода на кремний выплавленный на выпрямленном токе) устойчиво увеличился более чем на 3,5 %, что позволяет сэкономить до 10 % закупаемого кремния и соответственно сократить у потребителя расходы по переделу
В печи выпрямленного тока уменьшается эрозия электродов дугой, что позволило уменьшить расход электродов на 15-20 %.
Печь выпрямленного тока более экономичный потребитель не только сырьевых ресурсов, но и электроэнергии: как за счет снижения ее удельного расхода, так и благодаря улучшению качества - уменьшению реактивной мощности и несимметрии по фазам. Наиболее заметно снизился расход реактивной энергии (на 35-40 %).
На выпрямленном токе печь работает практически бесшумно, что создает условия для улучшения условий труда обслуживающего персонала.
Принципиально новые виды управления технологическим процессом: раздельное плавное и ступенчатое регулирование напряжения на электродах, переключение их полярности позволяют более активно воздействовать на ход плавки, дополнительно повысить ее эффективность.
Полученный автором проекта - фирмой “Арктерм” (АО ВНИИЭТО), и другими участниками работы опыт разработки, создания и эксплуатации новой руднотермической печи с проводящей углеродистой подиной*) , а также имеющийся многолетний опыт создания печей с керамической футеровкой, оснащенной подовыми электродами, открывает принципиально новый путь снижения себестоимости продукции, получаемой в руднотермических печах, путем реконструкции и технического перевооружения действующих установок за счет перевода их на питание выпрямленным током, а также создания новых агрегатов и технологий на выпрямленном токе.
Особый интерес с нашей точки зрения представляет создание следующих технологий с использованием печей выпрямленного тока:
- выплавка силикоалюминия, силикокальция и других продуктов требующих повышенной концентрации мощности в нижних горизонтах печи, что позволит существенно повысить коэффициент извлечения по целевому продукту;
- силикотермические процессы получения безуглеродистого марганца и феррохрома, а также рафинировка различных продуктов. За счет снижения расхода электродов можно добиваться пониженного содержания углерода в сплаве, а благодаря изменению режима горения дуги и интенсификации перемешивания металла при протекании по нему постоянного тока - обеспечить снижение угара металла;
- извлечение различных металлов из отвальных шлаков, например алюминия, никеля, меди, кобальта, ванадия и других металлов за счет интенсификации восстановительных процессов в печи постоянного тока;
- экономия энергетических и сырьевых ресурсов при интенсификации традиционных руднотермических, рафинировочных и переплавных процессов.


Литература
1. Промышленные установки электродугового нагрева и их параметры. Под общ. ред. Л.Н. Никольского. - М., “Энергия”, 1991. 272 с.
2. Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей. Справочник. /Данцис Я..Б., Кацевич Л.С., Жилов Г.М. и др. 2-е изд.,- М., “Металлургия”,1987. 320 с.
3. Струнский Б.М. Короткие сети электрической печи. М.,”Металлургия”, 1962. 335 с.
4. Энергетические параметры и конструкции рудовосстановительных электропечей./В.И Жучков, В.Л.Розенберг, К.С.Елкин, Б.И.Зильберг, - Челябинск, “Металл”, 1994. 192 с.
5. Исследование по применению токов пониженной частоты./Розенберг В.Л., Бруковский И.П., Нехамин С.М. и др. - Тезисы докладов VII Всесоюзного научнотехнического совещания по электротермии и электротермическому оборудованию (Новосибирск, 1979) - М., “Информэлектро”, 1979, с. 44-45.
6. Основные закономерности распределения мощности плавления многошлаковой рудовосстановительной печи./Миронов Ю.М., Тарасов В.А., Розенберг В.Л., Попов А.Н., - в кн.: Специальные вопросы электротермии. - Чебоксары: ЧГУ, 1976, с. 14-24.
7. Кадарметов Х.Н., Максимов Ю.С. Первый электрометаллургический завод России Производство ферросплавов. 2. - М., “Металлургия”, 1973, с. 51-55.
8. Kiflseth A.O. De elektrotekniske forhold ved Tysland-Hole-Ovnen irelasjon tie clens met-allurgiske funksjon. Tidsskrift for Kjemi, Bergvesen of Mettallurgi, 1961, 21, № 2, p. 27-33.
9. Богданов М.А., Сыров В.В. Полупроводниковые преобразовательные агрегаты зарубежных фирм для электролиза цветных металлов. М., ЦНИИТЭИ цветной металлургии, 1972. 125 с.
10. Баханов Л.Е., Левитан И.И. Анализ воздействия управляемых выпрямителей на величину степени искажения и коэффициента сдвига питающей сети. - Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника, 1979, вып. 3, с. 14-17.
11. Российский патент № 2089803.

С настоящей статьей можно также ознакомиться в журнале "Электрометаллургия",1998, № 3, с.39-47.