Променливотоковите пещи доминират в сферата на електродъговото загряване – това е безспорно. Но постояннотоковите пещи заемат отделна и ценна ниша от 80-те години на миналия век и за цехове с правилните ограничения те наистина са по-добрият избор. По-ниско въздействие върху мрежата, по-ниска консумация на електроди, по-стабилна дъга. Недостатъкът е по-сложно дъно на пещта и по-висока цена на електрическата система. Това ръководство разглежда как всъщност работят постояннотоковите пещи, къде печелят и къде вероятно не.
Кратка история - и защо изобщо съществува DC
Техническият произход
Концепцията за постояннотокова дъгова пещ не е нова – инженерите са говорили за нея в края на 19-ти век. Това, което я е възпрепятствало, е било оборудването за корекция. Не можете да управлявате постояннотокова пещ без начин за преобразуване на променливотоковия ток в постоянен при много висок ток и този проблем не е имал търговско решение, докато технологията за високомощни тиристори (силициево-контролиран токоизправител) не е узряла през 70-те и 80-те години на миналия век.
Графикът се движеше бързо, след като хардуерът стана наличен:
Година / Период - ключов етап
70-те години на миналия век ASEA (Швеция, по-късно ABB) започва сериозни научноизследователски и развойни дейности върху електродъгови пече с постоянен ток
1982 г. Mannesmann Demag изгражда първата в света индустриална електродъголова печка с постоянен ток (Германия).
В края на 80-те години японските и френските производители на стомана започват да инсталират DC агрегати
90-те години на миналия век постояннотоковите пещи навлизат широко; делът на новопостроените големи пещи се увеличава
2000-те – до наши дни постоянният и променливият ток съществуват едновременно; постоянният ток държи приблизително 10–15% от новите инсталации на пещи
Какво прави DC пещта различна
Основната разлика е захранването. Променливотокова пещ провежда трифазен променлив ток през три графитни електрода, създавайки три независими дъги. Постояннотокова пещ провежда ректифициран постоянен ток през един горен електрод, като дъното на пещта (чрез долен електрод) служи като другия полюс. Една дъга, един път на тока, коренно различно електрическо поведение.
Тази единична промяна води до поредица от предимства и недостатъци, които ще разгледаме. Но първо, струва си да разберем защо някой би приел сложността на долния електрод и тиристорния токоизправител, само за да се отърве от два електрода. Отговорът е най-вече относно качеството на захранването и цената на електрода, но има и вторични ползи, които са от значение в специфични приложения.
Предимствата: Където DC блести
Въздействие върху мрежата: Най-голямата продажна точка
Това е основната причина много мелници да избират постоянен ток. Променливотокова пещ е трифазен небалансиран товар – дъгите не се държат еднакво и резултатът е трептене на напрежението и хармонични изкривявания, които комуналните услуги мразят. Тъй като първо коригира мощността, постояннотокова пещ представлява много по-чист товар за мрежата. Трептенето на напрежението е намалено до приблизително половината до една трета от сравнима променливотокова пещ.
Ако изграждате топилня в район със слаба електропреносна мрежа – или където електропреносната компания има строги ограничения за трептене – постоянният ток може да е единственият ви жизнеспособен вариант. Няколко завода в Япония и Европа преминаха към постоянен ток специално, защото местната електропреносна мрежа не можеше да толерира друга пещ с променлив ток.
Консумация на електроди: Реални спестени пари
DC пещите използват един горен електрод вместо три. Този електрод е с по-голям диаметър (за да пренася пълния ток), но общата консумация на електроди на тон стомана намалява с 40 до 60 процента в сравнение с AC пещ.
Струва си да се разберат причините:
- Без променлив ток. В променливотокова дъга токът обръща посоката си 100 или 120 пъти в секунда (в зависимост от това дали сте на захранване с честота 50 Hz или 60 Hz). Това обръщане създава термично циклиране във върха на електрода, което ускорява окисляването и крайното потребление. Постояннотоковата дъга е непрекъсната в една посока - без термично циклиране.
- По-ниска плътност на тока. Да, единичният електрод пренася по-голям общ ток, но диаметърът е пропорционално по-голям. Плътността на тока на върха на електрода обикновено е по-ниска, отколкото в триелектродна променливотокова система, и това намалява загубите както от окисление, така и от сублимация.
За високопроизводителен цех, само икономиите от електроди могат да оправдаят премията за постоянен ток през целия живот на оборудването.
Стабилност на дъгата и шум
Дъгата за постоянен ток няма периодичното пресичане на нулата, което има дъгата за променлив ток. Тя гори непрекъснато и равномерно. Тази стабилност се изразява в няколко практически предимства:
- По-добра термична ефективност. Постоянната дъга се включва по-предсказуемо във ваната.
- По-нисък шум. Променливотоковите дъги издават отличителен бръмчащ/жужащ шум от периодичното им повторно запалване на всеки полупериод. Постояннотокови дъги са забележимо по-тихи – с 10 до 15 децибела по-ниски при типични измервания. В европейски среди със строги разпоредби за шума на работното място това е истински плюс.
Електромагнитно разбъркване
Ето нещо, което пещите с променлив ток не могат да правят по естествен път. Постоянният ток протича от горния електрод, през разтопената вана, към долния електрод. Този ток създава магнитно поле, което от своя страна създава електромагнитни сили в разтопената стомана. Резултатът е естествено разбъркване – подобно на това, което бихте получили от индукционна бъркалка.
Разбъркването помага при:
- Уеднаквяване на температурата и химията на ваната
- Ускоряване на топенето на скрап (разтопената стомана циркулира и предава топлина)
- Насърчаване на реакциите стоманена шлака за дефосфоризация и десулфуризация
Пещите с променлив ток се нуждаят от външно разбъркване – обикновено впръскване на газ през порести тапи – за да постигнат същия ефект. Постоянният ток ви го предоставя безплатно, стига да има протичащ ток.
Недостатъци: За какво се регистрирате
Проблемът с долния електрод
Това е най-сложната част на DC пещ. Долният електрод работи заровен в огнището, при температури, които могат да надхвърлят 1500°C на горещата повърхност, като същевременно носи хиляди ампери ток. Той трябва да издържи на термични цикли, ерозия на разтопена стомана и електрохимична корозия – всичко това, като същевременно поддържа добър електрически контакт.
Животът на долния електрод варира значително в зависимост от дизайна и експлоатационната практика, но типичният диапазон е от 1000 до 3000 нагрявания. Когато той се повреди, се извършва ремонт на огнището, който може да отнеме дни. Това е престой, който пещта с променлив ток просто няма.
Ще поговорим за различните дизайни на долните електроди след малко, защото избраният от вас дизайн до голяма степен определя колко главоболие ще представлява това на практика.
Цената на токоизправителя
Една постояннотокова пещ се нуждае от мощен тиристорен токоизправител и токоизправител-трансформатор. Това оборудване обикновено представлява 30 до 40 процента от общите разходи за електрическата система. Резултатът: изграждането на постояннотокова пещ струва около 15 до 25 процента повече от изграждането на променливотокова пещ с еквивалентна мощност.
Дали тази премия се изплаща зависи от конкретната ситуация. Високи икономии на електроенергия, слаба мрежа, изискваща скъпоструващо смекчаване на трептенето на променливотоковия ток, или голяма пещ, където икономиите на електроенергия от електроди са значителни - всяко от тези неща може да оправдае премията за постоянен ток. Но за малък цех със силна мрежа и евтини електроди, променливият ток вероятно е по-добрият икономически избор.
Отклонение на дъгата
С един електрод, дъгата може да се отклони към едната страна на пещта – феноменът "arc deviation". Магнитното поле не винаги е идеално симетрично и дъгата може да се отклони. Когато това се случи, се получава асиметрично нагряване и локализирано износване на стените.
Съвременните DC пещи се справят с това чрез внимателно проектиране на долния електрод (за да се поддържа симетрично разпределение на тока) и контрол на магнитното поле. Но това е реален проблем и изисква внимание по време на работа. Операторите се научават да го наблюдават и да регулират разпределението на мощността и натоварването, за да компенсират.
Дизайн на долни електроди: Сърцето на технологията
Защо долният електрод е толкова важен
Долният електрод е това, което отличава DC пещта от AC пещта – и това я прави по-сложна за работа и поддръжка. Тя трябва да провежда хиляди ампери, докато се намира в една от най-суровите среди в топилния цех. Неговият дизайн, живот и изисквания за поддръжка са от основно значение за това дали DC пещ е подходяща за вашия цех.
Основните дизайни в промишлената употреба
През последните четиридесет години няколко концепции за дънни електроди достигнаха търговска зрялост. Всяка от тях има своите привърженици и компромиси.
Многопинов дизайн (тип ABB/ASEA)
В огнеупорния материал на дъното на пещта са вградени множество (обикновено 3 до 4) метални щифта, изработени от мед или стомана. Щифтовете контактуват с разтопената стомана в горните си краища; в долните си краища се свързват с външната верига за постоянен ток чрез водно охлаждани проводници.
- Плюсове: Сравнително проста механика. Доказан дизайн с десетилетия експлоатационна история. Поддръжката е лесна - отделните щифтове могат да се сменят.
- Недостатъци: Щифтовете създават термични напрежения в околния огнеупорен материал. Водното охлаждане е от съществено значение и добавя сложност.
- Кой го използва: ABB (в исторически план) и няколко завода, които са лицензирали дизайна на ASEA.
Дизайн на контактната плоча (тип MAN-GHH)
Множество медни пластини са разположени по дъното на пещта, изолирани една от друга с огнеупорен материал. Пластините контактуват с разтопената стомана отгоре и се свързват с шината отдолу.
- Плюсове: Голяма контактна площ, добро разпределение на тока, по-ниска плътност на тока във всяка точка.
- Недостатъци: Сложна огнеупорна конструкция. Подмяната на плочите е сериозно начинание.
- Кой го използва: Mannesmann Demag (историческа), някои европейски мелници.
Дизайн тип прът (тип Clecim)
Един или няколко дебели композитни метални пръти (мед-стомана) са вградени вертикално в дъното на пещта.
- Плюсове: Компактен. Къс токов път (нисък импеданс). Подмяната на долния електрод е сравнително лесна в сравнение с пластинчатите конструкции.
- Недостатъци: Единична точка на повреда, ако имате само един прът. Термичното управление е от решаващо значение.
- Кой го използва: Клечим (исторически), някои френски и азиатски инсталации.
Проводима огнеупорна конструкция (тип Daido/NSC)
Вместо отделен метален електрод, дъното на пещта е изградено от проводими огнеупорни материали – магнезиево-въглеродни тухли, съдържащи графит, които провеждат ток. Цялото дъно служи като електрод.
- Плюсове: Няма отделен метален компонент, който да корозира или да се повреди. Концептуално елегантен.
- Недостатъци: Балансирането на електрическата проводимост с живота на огнеупорния материал е технически сложно. Ако проводимото дъно се износва неравномерно, разпределението на тока се превръща в проблем.
- Кой го използва: Daido Special Steel (Япония), Nippon Steel.
Поддържане на долния електрод
Независимо от дизайна, е необходим режим на поддръжка:
- Мониторинг на температурата. Няколко термодвойки на дъното. Ако температурата на определена дълбочина надвиши праг, имате проблем – вероятно развиваща се повреда.
- Цялостност на охладителната система. Потокът на вода и повишаването на температурата трябва да се следят непрекъснато. Повреда в охладителната система може да унищожи долния електрод за часове.
- Мониторинг на съпротивление/напрежение. Онлайн измерването на съпротивлението на долния електрод ви показва целостта на контакта и износването.
- Планирана подмяна. Повечето сервизи използват долни електроди до планиран край на жизнения им цикъл (въз основа на топлинно отчитане и наблюдение на състоянието) и извършват проактивен ремонт, вместо да чакат повреда.
Типичният живот на долния електрод е от 1000 до 3000 нагрявания. Някои цехове са надхвърлили 3000, но това изисква отлична практика в огнеупорните работи и дисциплинирана работа.
Електрическото оборудване: Какво има вътре в шкафа
Токоизправител трансформатор
Една DC пещ се нуждае от специален трансформатор, който понижава високоволтовия променлив ток и го подава към токоизправителя. Ключови характеристики:
- 12-импулсен дизайн. Вторичната намотка е конфигурирана в двойни намотки (свързване звезда и триъгълник), за да се получи 12-импулсно изправяне. Това намалява хармоничното съдържание във входния променлив ток.
- Стъпков превключвател под товар. Вторичното напрежение трябва да може да се регулира, за да съответства на различните етапи на нагряване. Стъпковият превключвател позволява регулиране на напрежението под товар.
- Капацитет. Приблизително сравним с или малко по-малък от трансформатор за променливотокова пещ с еквивалентна мощност, тъй като коефициентът на мощност на постояннотокова пещ е по-добър (по-голямата част от номиналната мощност на трансформатора се превръща в реална мощност).
Тиристорен токоизправител
Това е сърцето на DC системата. Мощните тиристори са подредени в трифазна мостова конфигурация, за да коригират променливия ток в постоянен. Ъгълът на запалване на тиристорите се регулира, за да се контролира изходното постоянно напрежение и ток.
Съвременните токоизправители са с въздушно или водно охлаждане, в зависимост от нивото на мощност. 12-импулсните конфигурации са стандартни, защото те естествено елиминират определени хармонични порядъци. Въпреки това, обикновено все пак ще ви е необходим хармоничен филтър от страната на променливотоковото захранване.
Краткосрочната мрежа на DC
По-прост от променливотоковия си еквивалент. Положителната страна минава от токоизправителя към горния електрод (подобно на котвата на пещ за променлив ток). Отрицателната страна минава от долния електрод обратно към токоизправителя. Тъй като е постоянен ток, реактивното съпротивление не е осцилиращ проблем, както е при променливия ток, но съпротивлението (загуби I²R) все още има значение, така че проводниците са оразмерени щедро.
Изглаждащ реактор
Изходът с коригиран постоянен ток не е идеално гладък – има пулсации от преобразуването на променлив ток в постоянен ток. Изглаждащ реактор (индуктор) е свързан последователно, за да изравни тока. Гладък постоянен ток означава стабилна дъга.
Работа с DC пещ: Какво е различното
Последователността на процеса е същата
Термичната последователност – ремонт на пещта, зареждане, топене, окисление, редукция, нарязване на резба – е идентична с тази на пещ с променлив ток. Разликата е в поведението на някои елементи поради характеристиките на постояннотоковата дъга.
Топене: По-бързо образуване на сондаж
Дъгата с постоянен ток е стабилна от момента на запалването си. Тази стабилност означава, че отворът (каналът за проникване, който електродът прогаря в скрапа) се образува по-бързо и по-предсказуемо, отколкото в пещ с променлив ток. Скрапът се топи от центъра навън, което е различен модел от триточковото нагряване на пещ с променлив ток.
Операторът трябва да следи за отклонение на дъгата, особено в началото на топенето. Ако дъгата духа на едната страна, скрапът от другата страна може да не се топи ефективно. Регулирането на позицията на електрода или разпределението на скрапа в кофата може да помогне.
Електромагнитно разбъркване: Безплатна полза
Както бе отбелязано, постоянният ток през банята създава естествено разбъркване. Операторите обикновено наблюдават по-добра равномерност на температурата и химичния състав в постояннотокова пещ в сравнение с променливотокова пещ с подобен размер - без да е необходимо впръскване на газ отдолу.
Интензитетът на разбъркване варира в зависимост от нивото на тока. По-висок ток = по-силно разбъркване. Някои DC пещи включват начин за обръщане на посоката на разбъркване (чрез обръщане на DC полярността), което може да бъде полезно за специфични работни ситуации, въпреки че не е универсално.
Пениста шлака: Същото като AC, с един нюанс
DC пещите се нуждаят от пенеста шлака по същите причини, както AC пещите – екраниране на дъгата, термична ефективност, защита на стените. Единствената разлика: тъй като DC дъгата няма AC нулево пресичане, взаимодействието ѝ със шлаката е по-непрекъснато. Някои оператори съобщават, че стабилността на пенеста шлака изисква малко повече внимание в DC пещ. Разликата е малка, но е реална.
Автоматизация и управление: Какво е специфично за DC
Контрол на дъгата
В пещ с постоянен ток, управлението на дъгата работи по различен начин от това в пещ с променлив ток. Постоянното напрежение се контролира чрез регулиране на ъгъла на запалване на тиристора. Токът на дъгата се контролира чрез регулиране на позицията на електрода. Системата за управление обикновено работи в режим на постоянен ток или постоянна мощност.
Скоростта на реакция е също толкова важна, колкото и при променливотоковия ток. Съвременните постояннотокови пещи използват хидравлични серво задвижвания на електродите с реакция на ниво милисекунда.
Мониторинг на отклонението на дъгата
Тъй като отклонението на дъгата е специфичен проблем за DC, DC пещите обикновено включват системи за мониторинг:
- Сензори за магнитно поле около пещта за откриване на позицията на дъгата
- Анализ на разпределението на тока на долния електрод (при многопинови конструкции), за да се определи къде гори дъгата
- Автоматизирана корекция — регулиране на позицията на електрода или (в някои конструкции) регулиране на разпределението на тока между елементите на долния електрод
Това е технология, която просто не съществува в пещите с променлив ток, защото три симетрични дъги не се отклоняват като едно цяло.
Мониторинг на долния електрод
Мониторингът на температурата и съпротивлението на долния електрод в реално време е стандартен за съвременните DC пещи. Системата осигурява ранно предупреждение за развиващи се проблеми – прегряване, влошаване на електрическия контакт, износване на огнеупорни елементи. Когато параметрите надвишат допустимите граници, системата може автоматично да намали мощността или да предупреди оператора да насрочи спиране за поддръжка.
DC срещу AC: Истинското сравнение
Техническо сравнение
DC ДСП AC ДСП
Електроди 1 горен + долен електрод 3 горни електрода
Разход на електроди 1,0–1,5 кг/т 2,0–4,0 кг/т
Коефициент на мощност 0.85–0.95 0.65–0.80
Трептене на напрежението Ниско По-високо
Хармоници 12-импулсен (управляем с филтри) Богат на хармоници от по-висок порядък
Стабилност на дъгата Отлична (непрекъсната) Добра (но има пресичане на нулата)
Шум По-нисък (10–15 dB по-малко) По-висок
Разбъркване във ваната Естествено електромагнитно Изисква впръскване на газ
Отклонение на дъгата Съществува, необходимо е управление Няма (трифазна симетрия)
Поддръжка на долния електрод Изисква се Не е приложимо
Икономическо сравнение
DC ДСП AC ДСП
Капиталови разходи +15 до +25% Базово ниво
Консумация на енергия Малко по-ниска или сравнима с базовата
Цената на електрода е с 40–60% по-ниска
Разходи за намаляване на качеството на електроенергията Ниски (по своята същност по-чисти) Високи (често са необходими SVC/STATCOM)
Разходи за поддръжка Малко по-високи (долен електрод) Базово ниво
Общи оперативни разходи Зависи от спецификата Зависи от спецификата
Кога да изберете кой
DC има смисъл, когато:
- Вашата електроснабдителна компания има строги ограничения за трептене или хармоници
- Изграждате голяма пещ (100+ тона), където икономиите на електроди са значителни
- Правилата за шум във вашия район са строги
- Искате естествено електромагнитно разбъркване и можете да управлявате пещта, за да се възползвате от него
Климатизацията има смисъл, когато:
- Решетката е силна и трептенето не е ограничение
- Изграждате средна или малка пещ (50–80 тона), където премията за постоянен ток е по-трудна за оправдаване
- Капиталът е ограничен, а премията за дебитирани вноски е бариера.
- Вашият екип има богат опит в работата с променливотокови системи и не желае да поема кривата на обучение за работа с долния електрод на постоянен ток.
Къде стоят нещата: DC в реалния свят
Глобални инсталации
Стотици електродъголови пещи с постоянен ток (DC) работят по целия свят. Япония е особено силен потребител – Daido Special Steel, Tokyo Steel и други използват пещи с постоянен ток. Европа има значително проникване на постоянен ток, особено в Германия, Франция и Италия. В Съединените щати някои заводи въведоха постоянен ток за места, чувствителни към електропреносната мрежа. По-новите конструкции на електродъголови пещи в Индия включват значителен дял от DC агрегати.
Опитът на Китай
Китай започна да внася технология за електрообработка с постоянен ток през 90-те години на миналия век – ABB и Mannesmann доставиха първите устройства. Последваха вътрешни научноизследователски и развойни дейности. Днес Китай експлоатира няколко десетки пещи с постоянен ток. Въпреки това, скорошната вълна от изграждане на нови електрообработки в Китай е в полза предимно на конструкции с променлив ток и свръхвисока мощност. Пазарният дял на пещите с постоянен ток в новите строежи е скромен.
Това може да се промени с по-строгите разпоредби за качеството на електроенергията и с по-големите размери на пещите, които правят икономиите на електроди по-привлекателни. Но засега AC-UHP е доминиращият избор в неотдавнашното разширяване на електродъговите печки в Китай.
Долната линия
Двуфазните електродъгови печки с постоянен ток (DC) и променлив ток (AC) са зрели и способни технологии. Нито една от тях не е по-добрааааааа в абсолютен смисъл. DC ви дава по-ниско въздействие върху мрежата, по-ниска консумация на електроди и естествено разбъркване на ваната, но за това плащате с капиталови разходи и сложност на долния електрод. AC ви дава простота и по-ниски капиталови разходи, но за това плащате с консумация на електроди и (често) намаляване на качеството на захранването.
Правилният избор зависи от вашата мрежа, вашия бюджет, размера на пещта ви и опита на вашия екип. И двете технологии ще съществуват дълго време и и двете имат място в съвременната стоманодобивна промишленост.
