CC BY
25
УДК 53.03.15
А. В. Афонаскин1, Л. М. Савиных2, В. С. Малиновский3, В. Д. Малиновский3, И. Б. Власова3
ВОЗМОЖНОСТИ И РЕЗУЛЬТАТЫ УВЕЛИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ НА ДУГОВЫХ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ЮТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «УРАЛЬСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ», ЕКАТЕРИНБУРГ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 3 ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИРМА «ЭКТА», МОСКВА
A.V. Afonaskin1, L. M. Savinykh2, V. S. Malinovskiy3, V. D. Malinovskiy3, I. B. Vlasova3 THE OPPORTUNITIES AND THE RESULTS OF INCREASING OF POWER-SUPPLY SOURCE ON ARC MELTING FURNACE OF DIRECT CURRENT AND ALTERNATING CURRENT 1OPEN JOINT-STOCK COMPANY «URAL RESEARCH TECHNOLOGICAL INSTITUTE», EKATERINBURG 2FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION
«KURGAN STATE UNIVERSITY» 3LIMITED LIABILITY COMPANY SCIENTIFIC AND TECHNICAL FIRM «EKTA», MOSCOW
Аннотация: Рассмотрены преимущества и недостатки дуговых печей переменного тока и предложены новые установки, позволяющие получать гораздо лучшие результаты за счёт применения магнитогидродинамического перемешивания. Такое перемешивание позволяет более эффективно взаимодействовать металлу и шлаку и получать более качественный металл при большей производительности установки.
Ключевые слова: сталь; шихта; шлак; окисление; удельная мощность источников питания; миксеры; индукционные печи.
Александр Васильевич Афонаскин
Aleksander Vasilyevich Afonaskin доктор технических наук, профессор
a.v.afonaskin@uralniti.ru
Владимир Сергеевич Малиновский
Vladimir Sergeevich Malinovskiy кандидат технических наук fts@kgsu.ru
С начала прошлого века в металлургии получили широкое развитие дуговые плавильные печи переменного тока (ДСП). Для ДСП, с целью гарантированного производства металла высокого качества, была разработана классическая теория металлургических процессов, и печи действительно обеспечили выплавку широкого сортамента сталей и сплавов. ДСП получили широкое распространение, хотя имели ряд недостатков: высокий уровень пылегазовы-бросов и шума, резко переменную нагрузку на пита-
Abstract: The advantages and disadvantages of arc furnaces of the alternating current are covered in the article and new installations which allow to obtain better results through the use of magne-to-hydrodynamic agitation were proposed. Such agitation lets metal and slag to cooperate more effectively and get a higher quality metal at higher productivity of installation.
Key words: steel; batch; slag; oxidation; power density of power supplies; mixers; induction furnace.
Леонид Михайлович Савиных
Leonid Mikhailovich Savinykh кандидат технических наук, доцент fts@kgsu.ru
Ирина Борисовна Власова
Irina Borisovna Vlasova fts@kgsu.ru
ющую энергосистему. К недостаткам дуговых печей переменного тока также относили их низкую производительность, которая определялась мощностью источника питания: удельная мощность классических ДСП не превышала 360 кВт-ч/т. Это объяснялось условиями тепломассообмена в ванне расплава. При мощности 360 кВт-ч/т наступал предел, за которым следовал перегрев поверхности расплава, снижение тепловой эффективности плавки и, главное, тепловое разрушение футеровки печи. Использование наклон-
Вячеслав Дмитриевич Малиновский
Vyacheslav Dmitrievch Malinovskiy fts@kgsu.ru
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2015 Теаш^ские науки 37
ных стенок печей, применение водоохлаждаемых элементов, снижение распада электродов, использование вспененного шлака позволило увеличить удельную мощность ДСП до 640 кВт-ч/т. При этом несколько увеличился удельный расход электроэнергии, однако в этих ДСП было также возможно проведение плавок с выполнением требований классических металлургических процессов [1].
В плавильных цехах обычно устанавливалось большое количество печей ДСП, например, для обеспечения ритмичной работы МНЛЗ. Простое увеличение мощности источников питания печей переменного тока не приводило к успеху и было осуществлено «революционным» путем - компиляцией с другими методами плавки, в основном, за счет применения кислорода при плавке. Применение кислородного дутья, как и в конвертерах, позволило обеспечить интенсивное перемешивание расплава и увеличить мощность источника питания, которую, в некоторых случаях, довели до 1200 кВт-ч/т. Такая плавка металла требовала использования «болота» (обязательного остатка металла на подине печи), использования вспененного шлака и пр. Таким образом, скорость расплавления в ДСП действительно многократно увеличена, но такие печи потеряли все свои технологические возможности, и производство сплавов с их технологической обработкой было «перенесено» в установки печь-ковш (УПК), в которых выполнять требования классической теории металлургических процессов невозможно, что резко негативно сказалось на качестве металла.
Другим перспективным направлением в развитии плавильного оборудования явилось создание дуговых печей постоянного тока.
патент
ПО1'!, Д
Организация МГД-перемешивания в ДППТУ-НП была осуществлена путем размещения двух и более подовых электродов в подине печи, а также ведением специального режима управления источником питания, что позволило развивать в ванне расплава тороидальное вращение расплавов металла и шлака, при котором расплав с большой скоростью подтекает под дугу и уходит вглубь, что предотвращает перегрев металла под дугой и обеспечивает интенсивную теплопе-
Предполагалось, что плазменные печи должны были явиться основой реконструкции советских предприятий путем замены ДСП на это новое оборудование. Внедрение плазменных печей могло позволить предприятиям обеспечить высокий экологический уровень и производить металлы по качеству, превышающие мировой уровень. В частности, на ЧМЗ были успешно внедрены плазменные печи, на которых поставленные цели были реализованы.
Для сохранения и развития потенциала новых типов дугового нагрева ведущими специалистами ВНИ-ИЭТО была организована «Научно-техническая фирма «ЭКТА». НТФ «ЭКТА» разработала дуговые печи постоянного тока нового поколения (ДППТУ-НП) [2; 3], которые полностью соответствуют идеологии усовершенствования методов дугового нагрева при создании плазменных печей. ДППТУ-НП позволили освоить и развить новые технологии производства различных металлов и сплавов, опирающиеся на классическую теорию металлургических процессов, и создать принципиально новое универсальное плавильное оборудование, по всем основным показателям превышающее мировой уровень. Например, в ДППТУ-НП угар металла снижен до 1,5 %, выбросы в атмосферу не менее чем в 100 раз ниже, чем в классических ДСП.
В ДППТУ-НП разработки «НТФ «ЭКТА» снято ограничение по удельной мощности источников электропитания. Можно создавать печи с любым темпом плавления шихты и нагрева расплава без привлечения дополнительных источников нагрева. Это достигается за счет системы инновационных технических решений, в том числе, связанных с магнитогид-родинамическим (МГД) перемешиванием (рисунок).
редачу из дуги в расплав, тепломассоперенос в расплавах металла и шлака. Система МГД-перемешивания позволяет увеличить эффективную поверхность взаимодействия металла и шлака, глубокую дефосфо-рацию, и, в дальнейшем, десульфурацию расплава классическими шлаковыми процессами. Эффективно используя возможности постоянного тока, МГД-перемешивание гарантирует гомогенность температуры и химсостава расплава, позволяет идеально прово-
а) тороидальное МГД перемешивание расплава (схема в поперечном сечении);
б) система МГД перемешивания включена (активное перемешивание расплава);
в) система МГД перемешивания отключена
Рисунок - Система МГД перемешивания в ДППТУ-НП и ДМПТУ
дить окислительный процесс при температурах наивысшего сродства кислорода с углеродом, что предотвращает окисление других составляющих шихты. Окисление углерода кислородом можно проводить методом рудного кипа, при этом обезуглероживание проходит с высокой скоростью порядка 0,1 % за 4 минуты, или продувкой металла кислородом.
Одним из главных преимуществ новой системы перемешивания явилось снятие ограничения в выборе удельной мощности источников питания (ИП). В ДППТУ-НП возможно выбирать мощность ИП, исходя только из требования производительности печей, без привлечения других видов нагрева. Эта мощность может достигать нескольких тысяч киловатт на тонну металла, доводя время его расплавления до нескольких минут. То есть, время плавки может определяться только его технологической целесообразностью. С нашей точки зрения смысл в создании сверхмощных плавильных печей отсутствует, т. к. они требуют высокой мощности системы энергоснабжения с большими интервалами их загрузки в процессе технологической остановки печей. Было бы целесообразнее устанавливать несколько печей оптимальной мощности, что позволяет снизить мощность системы энергоснабжения и повысить равномерность ее загрузки. Для организации производства крупных отливок нами разработаны дуговые миксеры постоянного тока ДМПТУ вместимостью до 150 тонн.
В этих миксерах длительность выдержки расплава практически не влияет на его качество. ДМПТУ - это практически те же печи ДППТУ-НП, только с жидкой завалкой; в них внедрена та же система технических решений, позволяющая (в отличие от УПК) проводить все известные классические металлургические технологические процессы, качественную гомогенизацию расплава. (В отличие от УПК, в ДМПТУ проходят диффузионные, а не объемные технологические процессы, в конечном счете, влияющие на качество производимого металла.) Заливку расплава одного миксера ДМПТУ можно производить из нескольких печей ДППТУ-НП малой вместимости, одновременно проводя сортировку заливаемого в ДМПТУ расплава, отбраковывая металл с большим количеством недопустимых примесей. При этом мощность ИП ДМПТУ в несколько раз меньше мощности ИП плавильной печи соответствующей емкости. Например, для ДМПТУ-12 вместимостью 12 тонн мощность ИП равна 2,3 МВт, что соответствует мощности плавильной печи ДППТУ-3 номинальной вместимостью 3 тонны.
Важным преимуществом ДППТУ-НП перед различными типами плавильных печей является отсутствие необходимости очистки шихты перед плавкой от влаги и органических примесей. Для утилизации органических примесей шихты в ДППТУ-НП в начале плавки организована электрическая дуга постоянного тока в виде колонного разряда [1], которая является мощным насосом, прокачивающим через себя печные газы. При этом температура печных газов внутри печи достигает высоких значений, превышающих 1000 °С практически сразу после начала плавки. При таких температурах невозможно образование диоксинов, фуранов, цианидов,
других вредных соединений. В первый период плавки органические и другие, загрязняющие шихту материалы, испаряются, нагреваются внутри печи до высокой температуры, а при выходе из печи воспламеняются и окисляются до простых соединений. Небольшое количество образующихся газов и организованный интенсивный поток воздуха в отходящий из печи поток печных газов обеспечивает высокую скорость горения печных газов и быстрое их охлаждение до температуры, как правило, ниже 100 °С, т. е. обеспечиваются наилучшие условия для предотвращения образования вредных химических соединений. Система организации плавки гарантирует удаление вредных соединений из шихты, позволяет не вести подготовку загрязненной шихты перед плавкой. Эти условия невозможно выполнить в других печах.
Выплавка металла в ДППТУ-НП позволяет получать оптимальную структуру для дальнейшей его прокатки, глубокая дегазация металла при плавке позволяет отказаться от его вакуумирования. Технология производства стали в печах-ковшах (УПК) при этом исключается.
ДППТУ-НП эффективно заменили индукционные и вакуумно-индукционные печи, в них можно выплавлять всю номенклатуру сталей и сплавов, выплавляемых в индукционных и вакуумно-индукционных печах без предварительной подготовки шихты, включая ее осветление, вести глубокое удаление фосфора, серы и других вредных примесей, в любых пределах управлять содержанием углерода. Плавка сплавов и переплав отходов не сопровождается угаром легирующих элементов даже при переплаве стружки металлов.
В ДППТУ-НП намного эффективнее, чем в индукционных печах, можно вести производство алюминиевых сплавов и различного вида лигатур. Печи обычно футеруются хромо-магнезитовыми огнеупорами, сварка которых производится при первой плавке стали или чугуна. Футеровка обладает высокой теплостойкостью, не смачивается алюминием и его окислами и поэтому не зарастает; обладает практически неограниченным ресурсом. Например, на Ковровском электромеханическом заводе футеровка прослужила более 10 лет и продолжает эксплуатироваться в настоящее время. Шихту для плавки не нужно очищать от стальных и чугунных приделок, поскольку завалка печи производится в один прием. Высокая удельная мощность печей позволяет проводить расплавление шихты и приготовление сплавов в течение короткого времени, после которого осуществляется слив, при этом приделки остаются на подине печи, не успевая ассимилироваться в расплав.
Список литературы
1 Публикации. Отзывы предприятий. Защита интеллектуальной собственности. Сертификаты // Сайт ООО «НТФ «ЭКТА». - 2015 [Электронный ресурс]. URL: http:// ntfecta.ru.
2 Патент № 2104450 РФ. С 22 В 9/21. Способ электроплавки и дуговая печь для его осуществления / Малиновский В. С.; опубл. 04.01.1995.
3 Патент № 2048662 РФ. С 22 В 9/20. Способ электроплавки и дуговая печь для его осуществления / Малиновский В. С., Чудновский А. Ю., Липовецкий М. М.; опубл. 31.03.1992.
