Диссертация (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты), страница 10

Кэтим эффектам относятся неравномерное сгорание электродов в зависимости отих полярности и явления электролитического характера, которые могут привести как к удалению вредных примесей из сплава и повышенному извлечению изсырья ведущего элемента, так и к осаждению на электродах материалов с высоким электрическим сопротивлением. Последнее может нарушить ход плавки инеблагоприятно отражаться на качестве выплавляемого продукта.Особенностью печи постоянного тока является то, что для его подвода кванне в печи должен быть подовый электрод, либо печь должна иметь четноеколичество электродов.

В печи с четным количеством сводовых электродов инепроводящей подиной вследствие различного характера выделения мощностина разнополярных электродах распределение мощности по электродам нерав-54номерно [195, 196]. Использование подового электрода связано с кардинальнымизменением сложившейся практики проектирования печей.Примером нового подхода при создании ферросплавных печей постоянного тока является 30-летний опыт фирмы MINTEK (ЮАР) [244].

В соответствии с разработанной фирмой MINTEK концепцией построены печи постоянного тока: в 1983 г. мощностью 16 МВА на заводе Palmiet Ferrochrome в Krugersdorp и печи 40 МВА в Middelburg Ferrochrome (ЮАР). По данным [246] этипечи в настоящее время работают в составе предприятий фирмы Samancor намощности соответственно 40 МВт и 60 МВт. Печи предназначены для карботермического получения высокоуглеродистого феррохрома из мелкодисперсной шихты в режиме открыто горящей дуги. Подовый электрод штыревого типа. Продвигаемая технология плавки с открыто горящей дугой по сравнению сзаглубленной в шихту дугой, по мнению разработчиков, имеет ряд преимуществ. Среди них отмечается возможность переработки мелкодисперсной шихты, а также более дешевого и чистого восстановителя. Извлечение хрома науровне 95-97%.

Возможность достижения широкого диапазона температур благодаря возможности регулировать мощность независимо от состава шихты.Привлекает также короткое время отклика на регулирование состава шихты,поскольку отсутствует объемный колошник (как в печи с заглубленной в шихтудугой).Недостатки способа восстановления хромовой руды в печи с открытойдугой, по сути, являются продолжением указанных выше преимуществ. Разработчики данной технологии указывают на повышенные потери энергии и улетсодержащей хром пыли, что является прямым следствием излучения открытойдуги на футеровку и свод печи и стремлением организовать длительный пролетмелкодисперсных частиц руды вдоль удлиненного столба дуги с целью создания условий для передачи энергии от дуги к шихте.В соответствии с технологией восстановительной плавки в открытой дугепостоянного тока фирма SMS Siemag AG (Германия) реализует проект строи55тельства четырех печей постоянного тока мощностью по 72 МВт на заводе JSCTNC Kazchrome в г.

Актюбе (Казахстан) [237, 246]. Отмеченные выше особенности печей для карботермического восстановления хромовой руды в открытойдуге постоянного тока нашли свое отражение в конструкции печей. Боковыестенки кожуха печи выполнены из медных водоохлаждаемых панелей. Из-забольшой высоты подсводового пространства потребовалось значительно увеличить длину свободного конца электрода по сравнению с печами, работающими с погруженной дугой. В аналогичных печах в [246] предлагается выплавлять ферроникель, ферросилиций, титановый шлак и другие продукты1.7.Схемы преобразования частоты и выпрямления тока, использую-щиеся для питания электродуговых и шлаковых плавильных комплексовНа схему питания электродуговых и шлаковых плавильных агрегатов влияют такие особенности этих установок, как высокая мощность (десятки мегаватт), необходимость глубокого регулирования выходного напряжения при сохранения высоких энергетических показателей, сравнительно низкое выходноенапряжение (часто - до 200 В, как правило - до 600 В, в некоторых случаях до1200 В) и высокий выходной ток (до 150-200 кА).Для выпрямления тока классическим и наиболее широко распространенным решением является использование тиристорного выпрямителя, выполненного в зависимости от выходного напряжения по следующим, представленнымна рис.

1.6 схемам выпрямления [39, 175]: звезда - обратная звезда с уравнительным реактором (далее называемая: две звезды), мостовая, кольцевая.Несмотря на широкое распространение и универсальность схем, данные технические решения имеют ряд недостатков: значительные габаритные размерытрансформаторно-реакторного оборудования; ограниченное быстродействиепри регулировании выходного тока или напряжения, связанное с принципомдействия тиристоров.56а)б)Тв)г)Рис.

1.6. Основные схемы выпрямителей: мостовая (а), схема с последовательно-параллельным переключением мостов (б), две звезды (в), кольцевая (г);Т – трансформатор, VS– тиристоры, Lур, L – уравнительный и сглаживающиереакторы, ЕК – дуговая печь постоянного тока, QS – выключатели57Эти схемы характеризуются недопустимо низким коэффициентом мощности при глубоком регулировании напряжения, что вызывает необходимость использования сложных и дорогостоящих устройств для переключения отпаек сетевой обмотки преобразовательного трансформатора типа РПН или ПБВ.

Насегодня имеется ряд технических решений, направленных, главным образом, наповышение энергетических показателей преобразователей постоянного токапри работе в составе электродуговых плавильных установок.В [156, 234, 248] предлагается для питания ДППТ использовать резонансный преобразователь с параметрическим чередованием параллельного и последовательного резонанса (ЧППР).

Устройство представляет собой тиристорныйпреобразователь переменного тока в постоянный, в котором дроссель и конденсатор резонансной цепи переключаются в каждом полупериоде питающегонапряжения из параллельного соединения в последовательное и обратно. Коэффициент мощности преобразователя является высоким в широком диапазоне– от холостого хода до короткого замыкания.

Источник обладает улучшеннымиэнергетическими характеристиками за счет встроенной компенсации реактивной мощности и фликкера на более высоком по сравнению с классическим тиристорным выпрямителем уровне. Однако, несмотря на относительно высокиеэнергетические показатели, предлагаемое техническое решение имеет ограничения, связанные со стоимостью и габаритными размерами реактивных элементов (силовых конденсаторов и дросселей), которые должны быть рассчитаны назначительную мощность.

Согласно данным авторов, приведенным в [234], суммарная установленная мощность реактивных элементов превышает номинальную мощность силового трансформатора на 25÷50% в зависимости от мощности источника питания, причем мощность реактивных элементов увеличиваетсяс мощностью источника.В [157, 263] авторами предлагается источник питания дуговой сталеплавильной печи постоянного тока, выполненный на базе тиристорного преобразователя с включенным на выходе обратным диодом. Источник питания обладает58улучшенными энергетическими показателями, по сравнению с тиристорнымвыпрямителем, выполненным по мостовой схеме выпрямления, а также позволяет стабилизировать потребляемую из сети реактивную мощность, что уменьшает эффект фликкера.

Учитывая более высокие энергетические характеристики, печи постоянного тока с такими источниками питания в зарубежной технической литературе называют дуговыми печами постоянного тока второго поколения (DC EAF 2nd generation [252])В отечественной практике используются более эффективные схемные решения для тиристорных источников питания постоянного тока [46, 147, 148,155], направленные на улучшение энергетических показателей классическоймостовой схемы выпрямления при глубоком регулировании напряжения. К.

Д.Гуттерманом, А. М. Кручининым, Н. Д. Прозоровой, М. Я. Смелянским былопредложено последовательно-параллельное переключение выпрямительныхгрупп источника питания [58]. Данное решение было использовано в запатентованных В. С. Малиновским, В. Г. Машьяновым, С. А. Саньковым [46, 147,148, 155] схемах. Повышение энергетических показателей обеспечивается засчет переключения по особому алгоритму вентильных групп, подключаемых квентильным обмоткам преобразовательного трансформатора. В упомянутыхтехнических решениях используются, как минимум, два мостовых выпрямителя, которые могут работать параллельно, питаясь от расщепленных вентильныхобмоток трансформатора и обеспечивая максимальный выходной ток.

Возможен также режим, когда обеспечивается кратное увеличение выходного напряжения, для чего выпрямители включаются последовательно с помощью дополнительных выпрямительных вентильных групп. Если придерживаться упомянутой выше зарубежной классификации схем питания дуговых печей постоянного тока, то указанные технические решения можно также отнести к ДППТ 2го поколения.В настоящее время, благодаря активному развитию полупроводниковыхприборов и компонентов силовой электроники, получили широкое распростра59нение мощные импульсные источники питания, выполненные на базе современных MOSFET и IGBT-транзисторов. Так, в частности, одной из последнихтенденций в области построения источников для питания постоянным токомдля дуговых сталеплавильных печей следует признать использование импульсных источников питания, работающих на частотах от единиц до десятков килогерц на базе IGBT-транзисторов или мощных запираемых тиристоров IGCT (Integrated gate-commutated thyristor).

Данные источники питания, как правило,строятся по схеме импульсного понижающего преобразователя или, так называемого, чоппера (chopper). В ряде иностранных источников [171, 253, 264, 266]активно обсуждаются преимущества чопперов при питании дуговых сталеплавильных печей с точки зрения повышения коэффициента мощности, сниженияпотребления реактивной энергии и уменьшения негативного влияния (главнымобразом, за счет снижения эффекта фликкера) на питающую сеть. Данноенаправление на сегодня следует признать наиболее перспективным.

В [253] авторами предложена топология преобразователя частоты «неуправляемый выпрямитель/чоппер», работающего в режиме поддержания постоянной выходноймощности. Поддержание постоянной выходной мощности позволяет ограничить, а затем и уменьшить эффект фликкера до приемлемого уровня. Благодаряэтому техническому решению не требуется установки сложных и дорогостоящих фильтров гармоник в сети, СТК или Статком.Для иллюстрации сравнительной эффективности решения проблемы отрицательного влияния работы дуговых печей на питающую сеть на рис. 1.7 приведена диаграмма, показывающая какую мощность компенсирующего устройства типа Статком в соответствии с европейскими нормами необходимо установить на дуговые печи мощностью 75 МВт с различной схемой их питания[252]. Безусловным преимуществом в этом отношении являются ДПС с питанием по схеме чоппера.