CC BY
39
УДК 669.187.2.036.046.001.57 Агапитов Е.Б.
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ СТРУЙНО-ПЛАЗМЕННОЙ КОВШОВОЙ ОБРАБОТКЕ РАСПЛАВА СТАЛИ
Обзор современных ковшовых технологий, связанных с электродуговым нагревом стали в агрегатах типа печь-ковш (АПК) и вакууматор, показал, что скорость протекания технологических операций, характер и эффективность нагрева расплава полностью определяются режимом работы применяемых электродуговых устройств (ЭДУ). В свою очередь, на их работу влияет группа факторов, которые можно классифицировать как внутрисистемные и внесистемные. К внутрисистемным относятся: характеристики электродов, источника питания, аппаратные возможности управления его электрическим режимом, а к внесистемным - организация шлакового режима и барботажа расплава, газодинамика зоны горения дуг, давление в рабочем пространстве агрегата. В реализованных и разрабатываемых в этом направлении установках связь ме^ду этими факторами жестко определена. Однако для удовлетворения новых технологических требований к ковшовой обработке желательно снизить роль внесистемных факторов на работу ЭДУ, что повысит эффективность их применения. Опыт работы со струйно-плазменными устройствами показывает, что эта задача может быть решена с их помощью.
Активное использование плазменной техники в ковшовых технологиях сдерживается недостаточной изученностью процессов взаимодействия высокотемпературных струй с расплавом стали и отсутствием новых технологических идей для реализации в крупнотоннажном производстве.
Привлекательность внепечной обработки заключается в возможности использования устройств небольшой мощности, позволяющих лишь компенсировать тепловые потери ковша в ходе обработки. Применение незагрязняющего струйно-плазменного нагрева стали при RH-обработке в вакууматоре, когда снижение температуры металла находится в пределах 60-80°С, создает возможность получения сталей с содержанием C и N на уровне тысячных долей процента, минуя АПК, при вводе в агрегат удельной электрической мощности на уровне 0,05-0,087 МВт/т. Перспективность этого направления подтверждена работами таких фирм, как Финкл Mop, Brymbo Steel Works, ABB, CLECIM, IRSID, USINOR, Daiwa, Voest-Alpine и др.
Скорость ковшовой обработки определяется интенсивностью массообмена ме^ду шлаком и расплавом стали. Ускорение плавления шлака при струйноплазменном нагреве улучшает рафинировочные процессы (в том числе за счет использования механизма электрохимической обработки). Эксперименты по плавлению шлака показали, что максимальная скорость плавления достигалась при выносе электрического потенциала на шлак. После появления ванны жидкого шлака оказалось возможным осуществлять
его дальнейший нагрев путем включения в цепь элек-тродугового устройства (ЭДУ) в качестве дополнительного электрического сопротивления. При этом создавались условия для рассредоточения (диссипации) дугового пятна на расплаве, увеличения зоны нагрева, что повышало эффективность использования электроэнергии на 10-15%.
При использовании в качестве плазмообразующего газа воздуха с подмешиванием к нему пропана характер токоподвода к шлаку мог быть как диссипиро-ванным (размытым), так и дуговым. Переход из одного режима в другой определялся не только характеристиками струи, но и полярностью электродов. Эффективный плазменно-джоулевый нагрев осуществлялся при токах 1>100 А. При напряжении холостого хода ихх=670В максимальная длина дуги за срезом сопла плазматрона достигала 0,1-0,2 м, что превышало длину дуги на азоте на 70-80%. По длине плазменной струи её диаметр вначале увеличивался, а затем резко уменьшался, что объяснялось процессами смешения струи с окружающим воздухом, а также явлениями переноса и рекомбинации. Температура струи с удалением от сопла плазматрона снижалась и, начиная с 0,15 м, среда становилась неэлектропроводной.
Характер выделения тепла Джоуля (тепла сопротивления) в шлаке определялся соотношением сопротивлений в объеме шлака и в зоне контакта его с дугой. Если сопротивление дуги (или двух дуг) значительно превышало сопротивление шлака, то основная доля тепловыделения приходилась на границу раздела дуга-шлак. Эксперименты показали, что для повышения устойчивости горения дуги на шлаке необходимо, чтобы напряжение источника питания без нагрузки (ихх) приблизительно вдвое (1,5-2,5) превышало напряжение под нагрузкой.
Плазматрон, системы его энергообеспечения и источник питания образовывали сложную техногенную структуру, формирующую плазменную струю. Плазменной дуге присуща неустойчивость, подтвержденная теоретическими и экспериментальными исследованиями, которая приводила к непрерывным изменениям геометрических и электрических характеристик дуги в широкополосном спектре частот от 100 до 50-103 Гц и влияла на весь процесс ковшовой обработки.
Для ковшовых агрегатов была предложена конструкция, включающая плазматрон и фурменный блок для заглубления в расплав, выполненный на основе графита с защитным покрытием из огнеупорного материала.
Исследования тепловой работы фурмы на математической модели показали, что при коротких нагревах (до 3 мин) тепловое состояние фурмы может сказы-
Энергосбережение при струйно-плазменной ковшовой обработке расплава стали
Агапитов Е.Б.
ваться на энтальпии струи. Расчеты проводили для графитовой втулки толщиной ДКВТ=0,02 м при варьировании толщины внешней огнеупорной футеровки из шамота и магнезита в диапазоне ДЯ=0,02-0,04 м. Температура плазменной струи принималась равной ТЖ1=300°С, коэффициент теплоотдачи со стороны струи а2=200 Вт/(м2-К). Несмотря на высокую осевую теплопроводность графита, сглаживание профиля температур по длине втулки завершалось лишь через 150-180 с после начала работы плазмотрона. Увеличение мощности плазмотрона (с 37,5 до 40 кВт) приводило к более равномерному нагреву футеровки по длине при повышении скорости нагрева. Измерения энтальпии струи, проведенные при помощи плавящегося датчика тепловых потоков, показали, что в период прогрева фурмы (первые 2-3 мин) энтальпия понижалась на 40-50% за счет потерь тепла на аккумуляцию. Затем потери стабилизировались на уровне 13-16%. Наличие фурмы в среднем на 3-5% ухудшало показатели тепловой работы плазмотрона за счет увеличения теплоотдачи в анод от нагретой графитовой втулки.
Для условий погружения прогретой фурмы в расплав стали тепловой режим, близкий к стационарному, наступал через 20-40 с продувки, что далее обеспечивало стабильность тепловых характеристик плазменной струи. Уменьшение толщины огнеупорной футеровки с 0,04 до 0,02 м ускоряло выход фурмы в стационарный режим, но приводило к перегреву огнеупорного слоя со стороны графитовой втулки.
Для продувки расплава стали в опытно-промышленных условиях была разработана фурма из сплошных цилиндрических элементов с водоохлаждаемым узлом крепления к плазмотрону, которая была испытана на Восточно-Казахстанском машиностроительном заводе в режиме обработки расплава стали 110Г13Л в ковше азотной плазмой. Использовался плазмотрон типа ПРС-75, расход газа составлял 2-2,5-10-3кг/с. Серия из 15 нагревов показала удовлетворительную работоспособность фурмы, при этом энергозатраты на плавку в печи уменьшились за счет сокращения общей длительности обработки на 10%.
Проведенные исследования показали, что применять огнеупорную защиту перспективно лишь для маломощных продувочных устройств (до 200 кВт) при организации коротких нагревов. В современной технике к плазменным относят различные электроду-говые устройства, где дуга принудительно омывается газом. Так как для крупнотоннажных установок специализированные плазматроны до сих пор серийно не производятся, было предложено перевести штатную электродуговую установку переменного тока в плазменно-струйный режим. Для этого на двухпозиционной электродуговой установке переменного тока АКП емкостью 370 т ОАО «ММК» со сборкой из двух электродов Ь=3 м диаметром Б=0,46 м электроды выполнили полыми, с подачей аргона от специальной системы газоснабжения. Влияние изменения теплового состояния электродов на нагрев расплава в условиях периодических нагревов провели путем сопоставительных расчетов тепловых полей сплошных и полых
электродов путем трехмерного моделирования в пакете прикладных программ ППП Flow Vision, основанном на классических законах гидрогазодинамики и теплопередачи.*
На рис. 1 представлена динамика изменения степени аккумуляции тепла электродом во время работы электродуговой установки (длительность нагревов -по 3 минуты через каждые 7 мин работы). Поверхности расчетной области представляли собой совокупность плоских многоугольников - фасеток, на которых были определены граничные условия. В работе использовалась прямоугольная адаптивная локально измельченная сетка (АЛИС).
Расчетная суммарная продолжительность нагрева для двухпозиционной установки составляла 5-12 мин за цикл обработки (40-50 мин), что соответствовало средней продолжительности «штатного» нагрева металла на АКП. Степень аккумуляции тепла электродом оценивалась
% * — *100%, (1)
в О,.
где Qeud тепловыделение от дуги, МВт; Qa - тепло, аккумулированное электродом, МВт
Степень аккумуляции тепла,%
' ' Сплошной электрод
о -|-----------------i----------------i-----------------i----------------i----------
О 50 100 150 200
Бремя нагрева
Степень аккумуляции тепла,%
Полый электрод <1=20мм
! ! !
4 1 г 1
О 50 100 150 200
Время нагрева
Рис. 1. Динамика изменения степени аккумуляции тепла сплошным и полым электродами. Для всех графиков: 1,2,3,4 - серии из одного, пяти, двадцати и тридцати нагревов соответственно. Время нагрева во всех сериях 3 мин, время между нагревами - 7 мин
* Тепломассообменные процессы в расплаве стали при использовании электр о дуговых устройств с полыми электродами: монография / Агапитов Е.Б., Бигеев В.А., Ерофеев М.М., Покатаева М.А., Бигеев A.B. Магнитогорск, 2009. 189 с.
Потери тепла на аккумулирование электродами штатной установки оказались существенными и составили 2-9% от вкладываемой энергии.
Степень аккумуляции тепла у полого электрода оказалась на 30-80% ниже, чем сплошного и изменялась от 5,5% в начале эксплуатации до 1,5% после 20 нагревов. Удельные потери тепла электродами, включающие потери тепла с поверхности электродов и аккумулированное тепло, у полых электродов диаметром 500 мм снижались на 0,5-3%. (рис. 2).
Удельные потери на нагрев электрода, %
1 5 20
Количество нагревов
Рис. 2. Гистограмма удельных потерь тепла для различных электродов в зависимости от количества
нагревов:
сплошной электрод:
полые электроды с диаметром отверстия 10, 20 и 30 мм соответственно
Разработанная конструкция полых электродов и система управляемой подачи аргона в них была реализована в опытно-промышленном варианте в ККЦ ОАО «ММК».
Анализ электрических характеристик штатной электродуговой установки АПК при помощи специальной системы визуализации, архивации и обработки энергетических характеристик позволил обнаружить, что устойчивость дуги определяет её мощность. Было обнаружено снижение КПД нагрева при возрастании несимметричности работы ЭДУ, под которой понималось различие фазных токов установки более чем на 10%, сопровождающееся резким, скачкообразным изменением электрических параметров ЭДУ. Изменение электрических потерь при этом оценивали по величине изменения значений мгновенной и средней мощности на вторичной стороне трансформатора, которые рассчитывали с помощью специальной программы. Неэффективный дуговой нагрев приводил к тому, что несоответствие заявленного темпа нагрева реальному находилось в пределах от -47,4 до +20%.
Устойчивость горения электрических дуг оценивали по величине дисперсии тока для каждой фазы:
я, =
|( I (г) -I„ )2 А
(2)
где I - действительное значение тока за период г; 1ср -среднее значение тока на интервале измерений ти.
Максимальный темп нагрева 5°С наблюдался при минимальном изменении электрических параметров, когда значение дисперсии токов находилось на уровне 30-50-10-5кА2. Работа на нестабильных дугах характеризовалась дисперсией токов на уровне 200-400-10-5кА2 и приводила к снижению КПД нагрева при повышении удельного расхода электроэнергии.
Для оценки эффективности работы установки с полыми электродами проведен статистический анализ работы агрегата ковш печь. Были отобраны данные по 100 плавкам стали марки 08 как наиболее часто встречающейся в штатном режиме работы и 100 плавок в режиме работы с полыми электродами. Для анализа выбирались плавки, которые проходили сходную между собой типовую обработку.
Рис. 3. Сравнение среднего удельного расхода электроэнергии на различных ступенях печного трансформатора при работе на полых (темные столбцы) и сплошных (белые столбцы) электродах
Дисперсия тока при плазменно-струйном режиме не превышала 90- 10-5кА2, и проведенное сравнение среднего расхода электроэнергии на различных ступенях печного трансформатора при работе на сплошных и полых электродах (рис. 3) показало снижение расходана 1,75-6,63%.
Таким образом, стабилизация горения электрических дуг позволяет снизить влияние внесистемных факторов на их работу, что благоприятно сказывается на энергетике процесса внепечной обработки.
1
