CC BY
34Я1,мт =3' (4 ■ *„ ■ А + 1\у • Ну ■ А) (30)
ллз 'иНОМ
Суммарные колебания напряжения на шинах питания ДСП в ряде случает целесообразно определять с помощью значений реактивной мощности каждой из параллельных ДСП №1
Оу.ЦК) и ДСП №2 Яу^(0 (9) по выражению:
„ Ь- V игу • 100% { \
—------\QyMH) ’Р\ + б>,лг(£)'Рг) (31)
лКЗ'иИОМ .
Для частного случая двух одинаковых ДСП, работающих в одинаковых условиях при одном и том же значении тока уставки 1у, с одинаковыми отклонениями от значения тока уставки I , из (27) получим результат, совпадающий с выражением (7), при учете двух печей в рассматриваемом варианте:
(32)
КЗ * ном
где 1у =1\у =1гу— значение токов уставки для двух одинаковых ДСП; ху = Л; = х2 - значение индуктивных сопротивлений печей при соответствующем значении тока уставки 1у;
= <х\ = ОС} - отклонение тока от тока уставки 1у в меньшую сторону; а” = =а2- отклонение тока от тока уставки 1у в большую сторону; /? = а2 • ~а\ V*?- обозначен-
ный ранее (8) коэффициент колебательности тока дуги одиночной ДСП.
Таким образом, с помощью полученных выражений можно определить колебания напряжения на шинах питания как одиночных, так и параллельных ДСП, а при известных коэффициентах колебательности токов, в частности, определяемых характеристиками автоматических регуляторов мощности ДСП, также использовать их для разработки условий электромагнитной совместимости ДСП с СЭС по колебаниям напряжения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1, В. М. Салтыков, О. А. Салтыкова. Электромагнитная совместимость луговых сталеплавильных печей в системах электроснабжения промышленных предприятий: Учеб. пособие. Самара. Изд-во СамГТУ, 2005. 107 с.
Статья поступила в редакцию 15 сентября 2006 г.
УДК 621.365.5; 621.745 А.В. Сидоров
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАВКИ МЕТАЛЛА ИНДУКЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Рассматривается эффективность шавки металла индукционным методом в сравнении с другими альтернативными видами плавки, использование индукционного нагрева в «дуплекс-процессах».
Плавка металла является одним из важнейших звеньев производственного процесса в металлургии и машиностроении, влияющая на производительность, энергоемкость и материалоемкость производства, себестоимость и качество продукции. Выбор же метода плавки существенным образом отражается на технико-экономических показателях продукции. Здесь необходимо учитывать технологичность и мобильность производства, его объемы, стоимость сырья и энергоносителей, качественные показатели продукции и другие факторы. Наиболее распространены для плавки чугуна и стали плавильные агрегаты, использующие огневые методы - печи-вагранки и электронагрев - индукционные и дуговые печи. Индукционные печи средней частоты (ИПСЧ) обладают несомненными техническими и экономическими преимуществами, обусловленными эффектом внутреннего нагрева шихты вихревыми токами й потерями на перемагничивание ферромагнетиков в сильных электромагнитных полях по-
к
вышенной частоты. Метод индукционного нагрева обеспечивает выделение теплоты непосредственно в металле без теплопередачи излучением или конвекцией, сопровождаемых значительными потерями, поэтому индукционные печи имеют значительно более высокий технологический КПД, чем агрегаты, работающие на топливе. Однако с учетом потерь при выработке и распределении энергии в системе энергоснабжения, индукционные печи расходуют первичной энергии 1500-1700 кВтхч на тонну выплавляемого чугуна, при потреблении электроэнергии 520-560 кВт*ч/т, По этому показателю ИПСЧ приближаются к вагранкам с холодным и горячим дутьем, которые потребляют 1250-1700 кВт*ч/т, причем, наименьший расход энергии достигается в газовьсх вагранках (ГВ) и составляет 60% от потребления первичной энергии ИПСЧ. При плавке металлов на токах средней частоты существенно повышаются технико-экономические показатели ИПСЧ за счет сокращения циклов плавки и снижения удельного расхода электроэнергии (520-560 кВт ч/т). В сравнении с индукционными печами промышленной частоты (ИППЧ) плавка чугуна на средней частоте также имеет преимущества, состоящие в следующем:
- садочный режим плавки, т.е. без использования переходящего от плавки к плавке остатка жидкого металла («болота») позволяет исключить предварительную сушку шихты и связанные с ней затраты, кроме этого, сократить расходы на футеровку, т.к. долговечность футеровки при садочном режиме плавки возрастает, и, наконец, исключить непроизводительные затраты труда, электроэнергии и материалов, связанные с невозможностью отключения ИППЧ на время перерывов в работе литейного производства;
- расход электроэнергии вдвое меньше, чем в ИППЧ, работающих в непрерывном цикле плавки с частичным сливом металла и периодической дозагрузки шихты;
- допустимая удельная мощность, подводимая к металлу, в 3 раза выше, чем в ИППЧ, Для ИПСЧ допустимая удельная мощность составляет 1000 кВт*ч/т, в свою очередь для ИППЧ - 300 кВтх ч/т. Это обеспечивает короткие циклы плавки (40-45 минут), повышает теплотехнический КПД и позволяет оптимизировать процесс образования центров кристаллизации, благодаря одноразовому нагреву металла и меньшей средней температуре в течение плавки, чем у ИППЧ, работающим с «болотом»;
- возможность работы в режиме стабилизации активной мощности на всем цикле плавки, начиная с «холодного» состояния шихты, при котором передача активной мощности на средних частотах происходит за счет ферромагнитных свойств шихты, и заканчивая расплавом металла, когда активная мощность подводится за счет протекания вихревых токов в узком слое ванны расплава, что позволяет повысить эффективность использования установленной мощности электрооборудования при высоких показателях качества потребляемой электроэнергии;
- индукционные тигельные печи промышленной частоты (ИТППЧ) имеют низкую технологическую эффективность, что связанно с малой интенсивностью процесса плавки при удельных мощностях 350-400 кВт на одну тонну металла и с большим расходом электроэнергии на тонну выплавляемого металла (более 600 кВт час/т) [4],
По сравнению с дуговыми печами переменного тока (ДСП) и дуговыми печами постоянного тока (ДППТ) индукционная плавка на средней частоте имеет более высокие показатели технико-экономической эффективности. Потребление электроэнергии на тонну выплавляемого чугуна в ДСП несколько выше, чем в ИПСЧ и составляет 600-800 кВт* ч/т, В ДППТ этот показатель лучше - 475-550 кВтхч/т, Однако широко известные недостатки электродуговой плавки значительно снижают эффективность этого метода. К ним относятся:
- интенсивные пылевыбросы и газовыбросы, что требует дополнительных затрат на устройство газоочистки, особенно в густонаселенных регионах;
- угар металла и легирующих элементов;
~ значительный расход графитовых электродов;
- интенсивное воздействие на питающие энергосистемы, связанное с резконеравномерным характером нагрузки в цикле плавки, возникновением эксплуатационных коротких замыканий, низким качеством потребления электроэнергии, что требует значительных затрат на фильтро-компенсирующие устройства и устройства быстродействующей динамической компенсации фликеров.
В целом, технико-экономическая эффективность того или иного метода плавки может быть оценена относительной себестоимостью одной тонны жидкого чугуна, которая учитыва-
ет такие статьи затрат, как стоимость шихтового материала, стоимость огнеупоров и электродов, стоимость энергозатрат, стоимость содержания и эксплуатации оборудования, удельные капиталовложения. В таблице приведена себестоимость 1 т жидкого чугуна для различных плавильных агрегатов относительно себестоимости плавки в газовой вагранке, а также расход энергии на тонну выплавляемого чугуна.
ТИП ПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ 1т ЧУГУНА РАСХОД электроэнергии, кВт*ч/т
ГВ 1,0 ' 50-70
Дсп 2,0 600-800
ДППТ 1,8 475-550
ИППЧ 2,0 1200-1300
ИПСЧ 1,4 500-600
Индукционные печи средней частоты получили широкое распространение не только в технологических процессах плавки, но и выдержки, а также разливки металла. Стремительно расширяется применение среднечастотных в производстве жаропрочных и высоколегированных сталей, прецизионных сплавов, в производстве цветных и драгоценных металлов. Эго объясняется технологическими особенностями, которые делают применение ИПСЧ особенно эффективными. Еще в большей степени технико-экономическая эффективность индукционной плавки на средней частоте проявляется при использовании ИПСЧ в «дуплекс-процессах» [2]. Особенность дуплексной плавки в том, что ИПСЧ служит в качестве печи ожидания, в которой производится выдержка металла и доведение его до нужных параметров, а плавка металла может осуществляться в печах другого типа. На рисунке ! показана теплоэнергетическая эффективность печей разного типа на стадии плавки и выдержки чугуна в печах разного типа.
Плавка Выдержка
ДППТ;
Рис. 1. Теплоэнергетическая эффективность печей на стадии плавки и выдержки
НРазогрев итахка Я До грех и выдержка
100 30 5? 60 40 20 0
Р и с. 2. Гистограмма энергетических расходов различных видов плавильных агрегатов относительно энергозатрат коксовой вагранки
Как видно из приведенной гистограммы, на этапе плавки эффективность коксовой вагранки и индукционной печи (ИПСЧ) примерно одинакова и несколько ниже, чем в электро-дуговой печи постоянного тока (ДППТ). На этапе выдержки металла эффективность ИПСЧ
намного выше, чем в вагранках и дуговых печах, поэтому в дуплексных процессах наиболее экономичным является использование в качестве второго плавильного агрегата индукционных печей. Дуплекс-процесс плавки чугуна может быть организован комбинацией плавильных агрегатов различного типа.
Как видно из рис. 2, самой дешевой плавкой по энергозатратам является одиночная плавка в индукционной печи средней частоты со средним расходом электроэнергии 560 кВт*ч/т. Далее идет дуплексная плавка КВ + ИПСЧ. В коксовой вагранке производится разогрев и плавка чугуна до температуры 1370 °С с удельным расходом кокса 13,3%, а затем металл переливается в ИПСЧ и догревается в температурном диапазоне 1300 - 1550 °С с удельным расходом 106 кВтхч/т, Энергозатраты при такой комбинации оборудования на 25% ниже, чем при одиночной плавке в КВ. Примерно на том же уровне по энергозатратам находится дуплексная плавка ДППТ + ИПСЧ. При этом дуговая печь расходует 544 кВт*ч/т для получения расплава чугуна с температурой 1370 °С, а в индукционной печи производится догрев и выдержка металла (1300 ,1500 °С) с расходом энергии 106 кВтхч/т. В ли-
тейном производстве сегодня наиболее распространены коксовые вагранки, однако по экономическим соображениям, техническим возможностям и экологической безопасности КВ не отвечают современным требованиям. Альтернативой КВ является газовая вагранка. Современные тенденции по ценам на газ и кокс во всем мире в пользу газа. Следовательно, ГВ по затратам на энергоносители более экономичны, чем КВ, К тому же, газ используется полностью, а кокс сгорает при образовании 10% СО и имеет меньшую теплотворную способность. Поэтому затраты на получение равного количества теплоты из газа почти вдвое ниже. Однако затраты на огнеупоры выше в ГВ, чем в КВ примерно в 1,6 раза, а приведенная себестоимость чугуна лишь на 10% ниже по сравнению с КВ. В связи с этим, совершенно очевидно, что наибольшую технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность для организации дуплекс-процесса плавки и выдержки чугуна имеет комбинация плавильных агрегатов «ГВ + ИПСЧ». Комплекс плавильных агрегатов «дуговая печь, индукционная печь» реализует технологию дуплексной плавки металла, в котором дуговая печь используется в качестве плавильной, а индукционная печь - в качестве теплосохраняющей. Электродуговая печь позволяет плавить шихту низкого качества, плохо отсортированную, содержащую в больших количествах ржавый стальной лом большими кусками. Однако в электродуговой печи трудно регулировать химический состав металла и сочетать теплосодержание и непрерывную плавку. В дуплексной плавке при использовании индукционной печи в качестве второго агрегата решается задача уравновешивания противоречия между количеством производимого металла и потребляемого литейными цехами, а также завершается процесс рафинирования и модификации чугуна. Следовательно, при организации дуплексной плавки любой комбинацией плавильных агрегатов самым экономичным является использование в качестве второго плавильного агрегата для догрева и теплосохранения металла индукционной печи средней частоты.
Также при определении технико-экономической эффективности не следует забывать о возможности оптимизации управления индукционных печей, решающего следующие задачи: быстродействие, наилучшее приближение к заданной температуре, обеспечение плавки при минимально возможном расходе энергии. Оптимизация управления позволяет эффективно снизить затраты на производство готовой продукции[5]. Из всего вышеизложенного следует, применение индукционных плавильных печей средней частоты эффективно как в случае плавки металла, так и при использовании их в дуплексных процессах. Эта эффективность проявляется в увеличении производительности, изменении в лучшую сторону показателей энергоемкости, себестоимости и качества продукции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
1. Аяътгаузен А. П., Смелянский М, Я., Шевцов М. С. Электротермическое оборудование, справочник, М: Энергия, 1967.
2. Сяухоцкий А.Е.. Немков B.C., Павлов Н. А . Банутр А Н. Установки индукционного ншрева: Учеб, пособ. для вузов, Л.: Энергоатом издат, 1981.
3. Четверухин С.И., Юдкин А.К,, Унифицированные закрытые вагранки/Л ктейное производство. 1967. № 5.
4. Лузгин В.И., Петров А,Ю., Рачков С.А., Якушев К.В. Индукционные среднечастотные плавильные комплексы с печами вместимостью 1-16 тонн для литейного производства/Литьё Украины. 2006. №5(69)
5. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л,: Энергоатомиздат. 1988.
Статья поступила в редакцию 15 сентября 2006 г,
