Janez Bratina, dipl. inž. Železarna Ravne DK: 621.365 ASM/SLA: D5; W18s Elektroenergetski ter obratovalni odnosi obločne peči za proizvodnjo jekla Poznavanje elektrotehničnih, energetskih in produktivnostnih razmer elektro obločne peči za pridobivanje jekla je važno za eksploatacijo kakor tudi za dobavitelja električne energije. Elektro obločna peč je enostavna, cenena in visoko produktivna naprava za proizvodnjo jekla, ki je kljub svoji popolnosti še vedno predmet izpopolnitev tako v konstrukcijskem kot v tehnološkem pogledu. Za nami je že razpotje, kjer so se ločile visoko produktivne obločne peči za proizvodnjo masovnih jekel od klasičnih obločnih peči za visoko kvaliteten program konstrukcijskih, orodnih in ognjeodpornih jekel. V domačih razmerah klasičnega obratovanja obločnih peči je še vedno aktualno vprašanje optimalnih režimov obratovanja tako v času taljenja kot pri raztaljenem vložku. Z analizo stanja elektrotehničnih parametrov se da obločna peč ob dobrem poznavanju teoretičnega ozadja uglasiti ugodnim ali celo najugodnejšim proizvodniin pokazateljem. Kaj nam ob tem lahko prispevata vpeljan tehnološki red in dobra organiziranost, se vse premalo zavedamo. Kvalitativne in kvantitativne relacije, navedene v tem članku v poglavjih: Elektrotehnični parametri peči, Peč kot elektroenergetski potrošnik, Produktivnostni odnosi peči, so samo en del osnove, s katero je mogoče zasledovati in dosegati ugodno proizvodnjo. Drugi del je metalurški, ki pa tu ni obravnavan. UVOD Prvi zametki uporabe električne energije za taljenje rud in metalov segajo v leto 1853, ko je Francoz Pichon patentiral svojo električno peč za taljenje. Prvo praktično uporabno električno peč je zgradil Williem Siemens 1879. leta. To je bila enofazna obločna peč s korizontalnima elektrodama, med katerima je gorel obločni plamen, pod njim pa se je nahajal talilni lonec. Tako izvedbo obločnih peči štejemo med peči z indirektnim lokom. Razen nekaj izjemnih primerov takih peči ni več v obratovanju, ker so imele preveč konstrukcijskih težav. Sodobne elektroobločne peči so peči z direktnim lokom, t. j. z lokom med elektrodo in vložkom oziroma talino. Take vrste peči je razvil Francoz Heroult v letih 1888 do 1892. Bistvena izboljšava te peči je bila v tem, da je bil električni lok v času talenja zakrit z vložkom, da toplotna energija ni mogla direktno sevati na obzidavo peči. Današnje elektroobločne peči, ki so trifazne, imajo namesto lonca gibljivo kad, ki ima v premeru tudi preko 5 m: kad se lahko giblje naprej ali nazaj za izliv taline in žlindre, lahko pa tudi — pri posebnih izvedbah — rotira. Kad je prekrita z obokom, skozi katerega segajo elektrode. Pri šaržiranju peči se obok dvigne in nagne toliko od kadi, da lahko košaro z vložkom izsujemo direktno v kad. Starejše izvedbe elektroobločnih peči nimajo gibljivega oboka. Za letnico začetka industrijske proizvodnje surovega jekla iz elektro obločnih peči lahko smatramo leto 1900, ko je proizvodnja elektro jekla dosegla okrog 5000 1. Vzporedno z naraščanjem proizvodnje elektroenergije in izpopolnitvijo elektro topilniškega agregata se je razmahnila proizvodnja elektro jekla do neslutenih možnosti. V letu 1965 je bila svetovna proizvodnja elektro jekla 57,800.000 t ali 12,6 % celotne proizvodnje surovega jekla (459,000.000 ton). Če računamo, da je potrebno okroglo 1000 kWh/t električne energije za finalno proizvodnjo tega elementarnega artikla naše civilizacije, pomeni poraba 57,8 milijard kWh v letu 1965 izredno bogatega potrošnika, ki s svojimi specifičnostmi vsiljuje elektrogospodarstvu svojevrsten značaj. Predvsem je to potrošnik, ki s svojo močjo angažira proizvajalce električne energije podnevi in ponoči, ob delavnikih in praznikih, poleti in pozimi popolnoma enako. S takim odvzemom po-cenjuje električno energijo. Proizvajalci in dobavitelji električne energije dajejo zato po vsem svetu, kjer vladajo ekonomske zakonitosti, posebne ugodnosti železarnam (jalova energija se sploh ne obračunava, ugodne obojestranske posebne obveznosti itd.) Zaradi tega tudi metalurgija najde vedno znova v svoji računici primernost novih investicij za proizvodnjo jekla na osnovi elektroenergije. Procentualni delež elektro jekla, jekla iz elektro obločnih peči (tu ni izvzeta proizvodnja jekla iz visoko frekvenčnih peči) v skupni proizvodnji surovega jekla se po posameznih deželah razlikuje, kot to kažejo podatki iz spodnje tabele. PROIZVODNJA SUROVEGA JEKLA leta 1965 (v 1000 t) Elektro jeklo Surovo jeklo % 8.650 91.000 9,5 12.523 122.100 10,3 1.802 4.725 38,2 4.745 12.680 37,8 229 1.769 12,9 Sovjetska zveza Združene države švedska Italija Jugoslavija Podatki o naraščanju proizvodnje elektro jekla govore o vedno večjem porastu. Med leti 1952 do 1966 je celotna proizvodnja jekla v ZDA narastla za 44 %, proizvodnja elektro jekla pa je v istem obdobju porasla za 114 %. Že 1. 1957 je bilo 65 % vseh ogljikovih jekel v ZDA proizvedenih v elektro obločnih pečeh. Trend naraščanja proizvodnje elektro jekla je za zadnja tri desetletja skoraj konstanten — podvojitvena doba je 10 let, kar se zelo ujema s trendom naraščanja potrošnje elektro-energije. Paralelna rast metalurgije in električne energije torej ni slučajna. Proces skupnega stimulativnega razvoja pa je šele na začetku. Poleg ugodne cene vložka — starega železa je druga najvažnejša surovina za proizvodnjo elektro jekla električna energija. Perspektive za ceneno proizvodnjo te surovine pa so dane — predvsem na zahodu — s proizvodnjo v jedrskih elektrarnah. Ze današnje jedrske elektrarne konkurirajo po svoji ceni za proizvedeno kWh termoelektrarnam in celo hidroelektrarnam, kljub temu da izkoristijo le 2 % energije urana. Dokaz temu so velike jedrske elektrarne v ZDA in Angliji. Danes se ceni skupna moč jedrskih elektrarn na 10.000 MW, samo v ZDA pa jih je v gradnji skupno 12.000 MW, v razdelavi pa nadaljnjih 28.000 MW. Za leto 1980 se predvideva svetovna moč jedrskih elektrarn na 300.000 MW. Pri tem pa je poudariti, da bodo bodoče elektrarne z reaktorji na hitri brider izkoriščale 75 % energije urana in bodo tako rekoč same zase ustvarjale gorivo. Nadaljnji pokazatelj, ki govori v prid elektro jeklu, so ugodne investicijske naložbe v tovrstno tehnologijo. Te so trikrat manjše kot investicije za proizvodnjo konvertorskega — kisikovega jekla. Ob takih razmerah ni naključje, da je danes elektro jeklo v ZDA in na švedskem že cenejše od konvertorskega. Temu je po svoje pripomogla velika proizvodnost sodobnih topilniških agregatov, ki s pomočjo pripravljenega vložka, izredno kratke rafinacijske dobe ter velikega angažiranja električne moči v celotnem obdobju predelave že dosegajo 30 % večjo produktivnost pri porabi specifične energije pod 500 kWh/t. Tudi gradnja elektroobloč-nih peči je že presegla agregate zmogljivosti 150 t ali 200 t, saj so projektirane peči 400 t. Lahko računamo, da bo izhod iz naše jeklarske nerazvitosti, saj se nahajamo prav na dnu lestvice porabe jekla na prebivalca, terjal bistveni delež v proizvodnji jekla iz elektroobločnih peči. Vrsta jeklarn v Jugoslaviji je v izgradnji; tudi v Sloveniji se postavljajo nove elektroobločne peči. Obstaja pa že vrsta takih naprav, zato vsakodnevna praksa obratovanja in planiranja terja boljše poznavanje elektroobločnih peči kot velepotrošnika električne energije in razmer, ki jih tak potrošnik ustvarja v elektroenergetskem sistemu. 1. ELEKTROTEHNIČNI PARAMETRI PECI 1. 1. Poenostavljena slika elektro obločne peči in njene električne opreme je razvidna iz enopolne sheme po sliki 1. V tokokrogu napajalna mreža — peč imamo poleg stikalnih, mernih, regulacijskih ele- ~ 3-110 kV Slika 1 Enopolna shema obločne peči mentov dva elementa, ki igrata posebno važno vlogo pri obratovanju same peči: visokonapetostno du-šilko ter transformator. Prva služi za stabilizacijo loka (električni lok ima negativno uporovno karakteristiko), transformator pa omogoča napajanje loka s tako obliko električne energije, kot jo določata velikost in konstrukcija peči oziroma obratovalne razmere v peči. Medtem ko je na primarni strani transformator priključen na visokonapetostno mrežo najvišjih napetosti (3—110 kV), so njegove sekundarne napetosti v splošnem od 400 V do 60 V, tokovi pa od nekaj 1000 A do 80.000 A. Moč transformatorja se je še pred nekaj leti gibala okrog 300 kVA/t vložka, danes pa se že grade peči s specifično močjo 450—520 kVA/t vložka. Razvojna tendenca elektroobločne peči gre k vedno bolj grobemu izkoriščanju električnih naprav. Sodobni pečni transformator je regulacijski z regulacijo pod obremenitvijo. X Ut Ul Pt'- Nadomestna shema obločne peči Slika 2 J' -' Pl Gledano električno, imamo torej v tokokrogu po si. 1 le induktivne in ohmske upornosti. Preden pristopimo k obračunu tako poenostavljenega tokokroga po si. 2 je potrebno omeniti vrsto poenostavitev in predpostavk, katere je potrebno pri rezultatih obračuna upoštevati: 1. Predpostavljen je stacionaren proces v peči. 2. Predpostavljene so sinusne vrednosti napetosti in toka. 3. Predpostavljene so skoncentrirane in v obratovanju nespremenjene vrednosti upornosti. 4. Električni lok ima samo ohmsko upornost. 5. Upornost vložka oziroma taline je zanemarljiva. 6. Vse relacije se nanašajo na enofazne razmere. Pri računanju jih je smiselno modificirati. V tekstu so uporabljene naslednje označbe: U — napetost transformatorja Ui — napetost loka Uo — kritična napetost J — tok loka Jk — tok kratkega stika Jo — tok pri kritični napetosti Jko — tok idealnega kratkega stika (R—O) *^Plmax v. — tok pri maksimalni moči loka JiQmax — tok pri maksimalnem izkoristku naprave J^m„ — tok pri maksimalnem erozijskem indeksu p — navidezna moč na transformatorju n v Pi — delovna moc na loku Pm» — maksimalna delovna moč na transformatorju P'„„ — konična moč (urna ali četrturna) Pim« — maksimalna moč loka Pko — moč električnih izgub pri idealnem kratkem stiku pp _ izgube peči zaradi sevanja in konvekcije Pp, — izgube peči pri taljenju ppr — izgube pri raztaljenem vložku P izg. el. — električne izgube (Joulova moč) Psr — povprečna moč ciklusa šarže R — ohmska upornost vseh v tokokrogu nastopajočih elementov razen upornosti loka r — ohmska upornost loka x — induktivna upornost vseh v tokokrogu nastopajočih elementov Z9 — skupna impedanca tokokroga z upoštevanjem upornosti loka Zt — kratkostična impedanca coscp — fazni faktor coscpk — fazni faktor pri kratkem stiku cosq>o — fazni faktor pri kritični napetosti costpsr — fazni faktor ciklusa šarže (coscphma« — fazni faktor pri maksimalnem izkoristku (costp) — fazni faktor pri maksimalni moči loka (costp)?,™* — fazni faktor pri maksimalnem erozijskem indeksu ■n — termični izkoristek •riei — električni izkoristek Tj* — električni izkoristek pri moči P« t) — maksimalni izkoristek •Op — izkoristek pri maksimalni moči loka t — čas oksidacije + čas rafinacije -f mrtvi časi tr — čas raztaljenega vložka tp — čas taljenja pri obratovanju z maksimalno močjo loka trj — čas taljenja pri obratovanju z maksimalnim izkoristkom t« — čas preobremeni j ivosti transformatorja G — teža vložka v peči g — proizvodnost peči g, — proizvodnost peči v času taljenja gr — proizvodnost peči v času raztaljenega vložka f — faktor obremenitve p ■— faktor preobremenjenosti 0 — faktor obremenjenosti 1 — dolžina loka med elektrodo in talino a — fiksni stroški na uro obratovanja peči 3 — cena električne energije f ■— razmerje talilnih časov 5 — erozijski indeks So — teoretična specifična poraba energije za taljenje (340 kWh/t) w — specifična poraba energije Wt — specifična poraba energije za taljenje Wr — specifična poraba energije pri raztaljenem vložku Wo — specifična poraba energije pri oksidaciji S — razmerje stroškov obratovanja pri maksimalni moči loka proti stroškom obratovanja pri maksimalnem izkoristku Impedanca tokokroga je Zs = V (R + r)2 + X2 Tok električnega loka je Delovna moč električnega loka je Pi = — U2 Zs2 Napetost loka je ut = vu2 —J2x2 — JR Iz slednje enačbe dobimo kazalčni diagram po si. 3. Kazalčni diagram obločne peči Kot med napetostjo in tokom dobimo po enačbi R + r cos tp = - Zs Tok kratkega stika — kratek stik elektrode z vložkom — dobimo po relaciji Ustrezni kot med napetostjo in tokom je R COS q>k = - Zk Idealen tok kratkega stika dobimo, če zanemarimo ohmske upornosti tokokroga Jko = £ x Če zanemarimo R2 v primerjavi z z x2 (R < < X) lahko iz zgornjih enačb izpeljemo naslednjo relacijo ______ cos cp = /1 — K" i Slika 4 Fazni faktor obločne peči Enačbo prikazuje si. 4, iz katere lahko že sklepamo na osnovne značilnosti elektro obločne peči kot potrošnika električne energije. Z dobrim cos (p lahko obratujemo le takrat, če dopuščamo velike kratkostične tokove oz. če zmoremo zmanjšati induktivne upornosti na takšen nivo. Taka želja ima postavljene dvojne meje: prvič zahteva konstrukcija peči določeno dolžino in razporeditev visoko-tokovnih dovodov na peč. S tem je pa že podana njih induktivnost, ki tudi predstavlja pretežni del induktivnosti celotne naprave. Po drugi strani pomenijo večji kratkostični tokovi večje spremembe napetosti v napajalni mreži. Iz dolgoletnih izkušenj graditeljev elektroobločnih peči je bilo dobljeno grobo pravilo, po katerem mora biti skupna impe-danca naprave vsaj tolikšna, da so kratkostični tokovi enaki dvakratnim nazivnim tokovom. Izredne važnosti za metalurški proces v peči kakor tudi za elektrogospodarstvo je moč, ki je angažirana pod električnim lokom. Maksimalno moč lahko dobimo iz pogoja cr P, = 0 o- r Pri tem pogoju mora upornost loka ustrezati zahtevi _ _ 7 r — z.k Maksimalna moč loka je U2 p _ 2 (R + Zk) Maksimalna moč loka nastopa pri toku: U V2Zk(R + Zk) Fazni faktor, pri katerem ta moč nastopa: (cos(p)Plmax 1 X2 2Zk (R + Zk) Maksimalna delovna moč na transformatorju: U2 P = max 2X Tok, pri katerem nastopa ta moč T _ Jko JPmax-- V2 Fazni faktor pri maksimnalni delovni moči na transformatorju: cos < = 1 = 0,707 V 2 IRcosf 10 0.9 0.8 a7 06 as / H / Z/, / / j // a* r/- 'ko t) 20X40506070 8090 100 Slika 5 Krožni diagram obločne peči Na podlagi dosedanjih enačb se da narediti krožni diagram po si. 5. Dosedaj smo pri obračunavanju tokokroga po si. 2. obravnavali le splošne električne veličine. Manjka še obračun energetske plati elektroobločne peči, ki naj upošteva bilanco koristnih in izgubljenih energij. Po poenostavljeni energetski situaciji t l2R Pl 4= pP Slika 6 Energetske razmere obločne peči sl. 6 bomo ločili od dovedene energije koristno in izgubljeno, kot je to običajno pri strojih. Imamo dovedeno moč, ki je enaka moči loka + izgube na dovodu k peči, ter koristno moč, ki je enaka razliki med močjo loka in izgubami peči (Pp) zaradi kon-vekcije in sevanja. Izraz za izkoristek naprave sledi P.-Pp TI P, + J2 R Odprto vprašanje maksimalnega termičnega izkoristka naprave je rešljivo pri pogoju, da je cr ti c J = 0 u f- R 2X2 + U2 - Pripadajoči fazni faktor: (cos cp)timax = pri čemer je 1 — 1 2 + Pko/Pp lacija transformatorja ter tokovne obremenitve, ki so odvisne poleg transformatorja še od elektrodne regulacije. Kljub temu se obratovalne možnosti elektro obločne peči kot velepotrošnika električne Pt.PL cos f. ^ cos cos/k Ip max. Slika 7 Obratovalni diagram obločne peči lk. ItoJ" Preko prej navedenih relacij se dobi enačba, po kateri dobimo tok, pri katerem je izkoristek naprave maksimalen: Pko — J2ko R Če si ogledamo na sl. 7. oz. na sl. 8. prikazane obratovalne diagrame za obločno peč, vidimo, da lahko obratujemo na katerem koli mestu, upoštevajoč pri tem napetostni razpon, ki ga določa regu- Slika Razširjeni krožni diagram obločne peči energije gibljejo v mnogo ožjih mejah, kot to izhaja iz dosedanjih ugotovitev. Predvsem ne smemo pozabiti na tehnološki proces v peči, ki zahteva v začetnem obdobju, t. j. za časa taljenja vložka ekstremno angažiranje električne moči na loku, v kasnejšem obdobju raztaljenega vložka pa zahteva tehnologija »vožnjo« po določenem temperaturnem režimu. Angažiranje moči je tu mnogo manjše. Če se zaenkrat omejimo zgolj na obratovalni režim v času taljenja, smo takoj pri vprašanju naj-gospodarnejšega obratovanja: ali je ta pri obrato- vanju z maksimalnim izkoristkom ali pa pri obratovanju z maksimalno močjo loka ali pa je obratovalna točka najgospodarnejšega obratovanja drugje. Ce si pogledamo razmerje obratovalnih stroškov, ki enkrat nastopajo pri obratovanju z maksimalno močjo loka, drugič pa pri obratovanju z maksimalnim izkoristkom, dobimo, da je odnos stroškov odvisen: 3 l + S = y • a (1 -T) ) . P), 1 + (3 a(l— t]q)Pt Pri čemer je y razmerje časov taljenja Y = - tP _ piimax -Tn ti Plmax ■ 'Op Raziskave po zgornjih relacijah kažejo, da je obratovanje z maksimalnim izkoristkom (t. j. z minimalno specifično porabo energije) gospodarneje le pri obločnih pečeh z velikimi toplotnimi izgubami (relativne izgube preko 0,25). Posebno pri večjih agregatih prof it na specifični porabi energije v primeru obratovanja v točki maksimalnih izkoristkov ne odtehta dobiti na skrajšanju časa taljenja v primeru obratovanja z maksimalno močjo na loku. Slednje obratovanje zahteva le 70 % do 80 % talilnega časa, ki je potreben za obratovanje z maksimalnim izkoristkom. Upoštevati moramo tudi razmerje cen: dokler je električna energija relativno poceni, kapitalni stroški elektroobločne peči inkluzive kapitalni stroški pripadajočih metalurških naprav pa visoki, je izkoriščanje agregata pri maksimalni moči loka gospodarneje. Literatura navaja, da obratujejo sodobni vele-agregati s faznim faktorjem za časa taljenja nekje med 0,72—0,78. Ce to primerjamo s prej navedeno relacijo za fazni faktor, dobimo takoj potrditev za zgornja izvajanja (Primer 25 t obločne peči: Zk = 45 »/o R = 6,5 % (cos 14 1» 13 12.5 12 11.5 11 10.5 10 9.5 9 6.5 t 75 7 - 035 .40 ... "V 2= C nax.( .45 J.40) cos> max UME ) // iSj, o — s v= 0A5" Nz= Nz= 035 \ N Dobro izbrana elektro oprema peči omogoča takšne preobremenitve, da je območje maksimalne moči na loku dosegljivo. Pri tem je potrebno dušil-ko, ki je v času taljenja vklopljena, primerno uglasiti impedancam peči, transformatorja in krat-kostičnim močem napajalne mreže. Iz prakse, pa tudi iz literature dobljeni podatki govore o 120 % poprečni obtežbi v času taljenja. Upoštevajoč prekinitve taljenja se dejanske preobremenitve približujejo resnično optimalnim. Razmere ob tokovih maksimalne moči na loku oziroma ob tokovih maksimalnega izkoristka nam kaže slika 10. 1.2. Obratovanje elektro obločne peči v času oksida-cije in rafinacije se elektroenergetsko bistveno razlikuje od obratovanja peči v času taljenja. Medtem ko je bila angažirana moč v času taljenja praktično omejena edinole z zmožnostjo električnih naprav, je za obdobje raztaljenega vložka značilen manjši in enakomernejši odvzem energije, odvisen v glavnem le od pretežnosti endotermnih oz. eksotermnih reakcij v kopeli, od višine zahtevane temperature taline ter od toplotnih izgub peči. Energija se mora v tem času dovajati pri manjši napetosti loka. Pri manjši napetosti imamo krajši lok, pri tem pa je toplotno sevanje na obok manjše, kar je odločilne važnosti za vzdržnost obzidave. Ii cm \\ \ \ \ \ \ \ \ k N 220 V \ \ \155 V \102V 10 15 20 25 l(kA) Slika 11 Dolžina električnega loka Kot prikazuje si. 11 za konkreten primer, je napetost, tok ter dolžina loka v skladu s poenostavljeno Ayrtonovo enačbo: 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 ls U, = A + B . 1 Slika 10 Tokovi maksimalnih moči in maksimalnih izkoristkov Pri čemer so A in B konstante. Moč dovedene energije v peč je torej v glavnem velikost moči toplotnih izgub (posebno v času rafi-nacije). Zaradi dobrih jonizacijskih pogojev je lok stabilen, zato je ta čas dušilka izklopljena. Če obračunamo idealno energetsko situacijo v tem obdobju, pri kateri predpostavimo enakost dovedene ter odvedene energije, dobimo tako imenovano kritično napetost transformatorja, to je najmanjšo napetost, pri kateri lahko dovedemo v peč enako moč, kot jo predstavljajo skupne izgube: UD= V2Pp(R+"ŽJ Ustrezni tok je Ustrezni fazni faktor cos cpu = 1 — X2 2Zk (R + Zk) Kot je razvidno iz teorije, sovpadata v primeru, da je moč loka enaka moči toplotnih izgub (Pt = Pp), obratovalni točki maksimalne moči na loku in maksimalnega izkoristka. To potrjuje tudi relacija za fazni faktor, ki je identična prej navedeni relaciji za fazni faktor pri maksimalni moči loka. To je območje nizkih izkoristkov, teoretično izkoristkov nič. Obratovalna mesta v času oksidacije in rafina-cije se torej nahajajo v območju okrog kritične napetosti oziroma okrog pripadajočega toka, pri katerem je fazni faktor 0,74—0,72. Za doseganje takega obratovanja ni nobenih zaprek. Daleč pa tako obratovanje ne bi bilo najugodnejše, če ne bi istočasno izpolnjevalo drugih pogojev. Pri določanju najugodnejših obratovalnih mest v času taljenja — okrog maksimalne moči na loku — ni drugih tehnoloških zadržkov, razen da naj se taljenje vrši pri zakritem loku (Verdeckte Lichtbogen). Tako obratovanje pa ni več možno, kakor hitro imamo raztaljen vložek. Zdaj energija loka prosto seva v prostor peči. 85 % do 90 % celotne oddane energije seva sam električni lok, ki ima temperaturo do 8000° K, preostalih 10 % do 15 % pa oddaja izstopna površina loka na elektrodi. Dimenzije električnega toka so odvisne od mnogih faktorjev. Red velikosti za premer električnega loka v obločnih pečeh dosega vrednosti par centimetrov, dolžina pa se giblje okrog 10 cm. Pri takih relativno majhnih dimenzijah loka pa so njegove površinske obremenitve izredne: več 100 kW/cm2, kar je n. pr. več kot desetkrat več kot pri plamenskem varjenju. Iz treh krožno razmeščenih lokov trifazne elek-troobločne peči sledi razporeditev toplotne obremenitve na površino taline oz. na ostalo okolico. Iz toplotno geometrijskih odnosov sledi, da pride ca 90 % energije, ki seva na talino v krog premera dvojne razdalje talina — elektroda. To so tako imenovane vroče cone pod elektrodami. Delilni krog elektrod mora biti tak, da se te cone delno prekrivajo in da se v centru peči ustvarja enotno območje velikih toplotnih obremenitev. Glede na sevalni koeficient žlindre, ki prekriva jekleno talino in ki se giblje v času oksidacije okrog 0,60 in v času rafinacije okrog 0,50 vidimo, da kopel absorbira le 50 % do 60 % energije, ki jo na kopel seva lok. Preostali del se reflektira na notranjo obzidavo peči, predvsem na njen obok. Idealiziran izračun kaže, da sprejme obzidava peči 67 % do 72 % energije, talina pa 30 do 28 % energije. Prve številke veljajo za oksidacijo, druge pa za rafinacijo. Pri izračunu so bili seveda zanemarjeni efekti zasenčenja in temperaturna razlika med kopeljo in obzidavo, ki zgornjo sliko lahko bistveno spremenijo. Pri sprejemu energije na kopel igra važno vlogo žlindra. Bistven vpliv ima njen absorbcijski koeficient in njena specifična toplotna prevodnost, ki lahko v času kuhanja niha v razmerju 1 : 14. Debelina žlindre neugodno vpliva na temperaturno razdelitev v peči, zato so zahteve pri velikih pečeh, kjer debelina žlindre raste s tretjim korenom iz zmogljivosti peči, po najugodnejšem obratovanju ostrejše. Pri realnejšem obravnavanju sevalne energije loka po prostoru peči seveda ne moremo mimo efekta zasenčenja: čim krajši je lok, tem bolj elektroda zasenči obok. Pri kratkem loku se ta tudi premakne pod samo elektrodo, medtem ko je pri veliki razdalji elektroda ■— kopel izvor lok zunanja stena ali rob elektrode in je ta celo nagnjena na svojem spodnjem koncu navzven, kar je zelo neugodno. S skrajšanjem loka dobimo dejansko dvojen efekt: večje zasenčenje loka in ugodnejše razmerje sevanja na talino in obzidavo. Skrajšanje loka pa pomeni manjšo napetost na loku oz. večji tok loka. Iz podobnih razglabljanj je ameriški raziskovalec elektro obločnih peči Mr. Schwabe vpeljal tako imenovani erozijski indeks kot nekakšno merilo za obremenitev obzidave peči pri obratovanju peči z raztaljenim vložkom. Izhajal je iz dejstva, da je obremenitev obzidave peči sorazmerna z močjo loka in sorazmerna tudi z napetostjo loka. Erozijski indeks je zato enak: \ = k . U,. P, Mr. Schwabe ga je računal številčno in ugotovil, da ima indeks svoj maksimum pri ca 2/3 maksimalne moči na transformatorju. Za vsakdanjo prakso pa se da erozijski indeks (t. j. najneugodnejše obratovanje) prikazati bolj ugodno. Avtorjeva originalna pot je naslednja: % = k . U,. P, = k (JU2 — P X2) Maksimalni erozijski indeks nastopa torej vedno ob istem faznem faktorju 0,82! Če ob zaključku obravnave obratovalnih območij elektroobločne peči pri raztaljenem vložku pogledamo najprimernejša območja, vidimo, da bo v času oksidacije in segrevanja kopeli na višje temperature ugodno obratovati z močjo, ki bo nižja od maksimalne moči loka, t. j. v okolici moči pri maksimalnem izkoristku (ob primarno znižani napetosti brez vklopljene dušilke). Pripadajoči fazni faktor lahko pričakujemo okrog 0,85. Pri rafinaciji, ko praktično krijemo le toplotne izgube peči, je najugodneje obratovati v območju maksimalnih moči loka ob najnižjih napetostih. Pripadajoči fazni faktor se ne bo dvignil nad 0,75. V obeh primerih se je nujno izogibati obratovanja s faznim faktorjem 0,82. (Glej sliko 8.) Maksimum nastopa pri pogoju ^=0 T J Iz česar se dobi tok, pri katerem je indeks maksimalen u V3X Pripadajoči fazni faktor se dobi preko: sin \W \ \ , V A V nV Ž N eu goc no obmo 4je / $ 1 2 4 6 8 10 20 40 Pt (MVA) Slika 15 Zaželene kratkostične moči napajalne mreže valna območja. Ugodna leže pri višjih kratkostičnih močeh mreže in manjših močeh pečnih transformatorjev, neugodna pa pri manjših močeh mreže in večjih pečeh. Da imajo velike obločne peči relativno manjše spremembe moči, se da razbrati tudi iz diagrama, kjer meja med obema območjema ni linearna. Jasno pa je, da je potrebno pri tem upoštevati minimalne kratkostične moči, ker so napetostne fluktacije v tem primeru največje. Tu je omeniti tudi značilnost obločne peči, zaradi katere spremembe elektrodnih tokov ne pomenijo vedno procentualno istih sprememb angažirane delovne moči. Iz sl. 16 vidimo, da v območju tokov maksimalnih moči na loku zaradi zakrivljene karakteristike neka 100 % tokovna sprememba povzroči le 28 % spremembo delovne moči. Območje maksimalnih moči je območje obratovanja v času taljenja, torej takrat, ko pričakujemo največje fluktacije napetosti v napajalni mreži. Za te je zato pretežno odgovorna nihajoča jalova moč, ker niha skoraj sorazmerno elektrodnim tokom. Diagram delovne moči ima običajno Po si. 17 je razvidno, kako se da dobiti maksimalna sprememba napetosti v napajalni točki, katere izvor ima parametre X R. U0 je napetost praznega teka, Uko pa je napetost pri idealnem kratkem stiku peči (Jko). Razmerje da maksimalno napetostno spremembo v mreži. Po originalnem avtorjevem diagramu (si. 18) se da dobiti položaj napetostnega kazalca za vsako obratovalno mesto obločne peči, če se poznajo karakteristike mreže, idealen kratkostični tok peči in fazni faktor obremenitve. Slika 16 Spremembe tokov in moči obločne peči časovno lep potek, ne pove pa nam ničesar o spremembah tokov v napajalni točki. Po drugih virih iz literature (švicarska komisija za elektrotermijo) so podana dovoljena procentual-na razmerja med močjo pečnega transformatorja in minimalno močjo trifaznega kratkega stika, ki ne smejo presegati naslednjih vrednosti: za eno peč 1,2 % — 1,6 % za dve peči 2,0 % — 2,7 % za tri ali več 2,8 % — 3,7 % Le pri izpolnitvi gornjih pogojev lahko pričakujemo ugodne napetostne razmere v omrežju. Uko Slika 18 Napetostne spremembe pri obratovanju obločne peči Na podlagi gornjih ugotovitev lahko dobimo grobo oceno napetostnih sprememb v omrežju po naslednjih relacijah: A U % = pri čemer je P' = P'sr N ^Pi N 100 % VN Slika 17 Napetostne spremembe ob kratkem stiku obločne peči P, — moč posameznih pečnih transformatorjev N — število peči Žal so vse gornje metode določitve ugodnosti oz. neugodnosti aproksimativne, točne rezultate dobimo le s pomočjo ascilografskih merjenj — torej šele takrat, ko je naprava v obratovanju. Obstajajo možnosti, da se situacija okrog kritičnih napetostnih sprememb v omrežju izboljša. So pa te možnosti v večini primerov povezane z velikimi investicijskimi stroški, če gledamo situacijo pri peči, je najenostavnejša metoda direkten priključek pečnega transformatorja na daljnovod čim višje napetosti. Pri velikih napravah smo v to naravnost prisiljeni. Japonci so npr. svojo 200 t elektroobločno peč moči 40 MVA priključili na napetost 154 kV. V Ameriki so poizkušali stabilizirati napetost s pomočjo votle elektrode; stvar se ni preveč posrečila, kljub temu pa so opazili zanimiv pojav, da se je pri tem zmanjšala specifična poraba elektrod. Kot dajejo slutiti prvi poizkusi s predmagne-tizirano dušilko, ki so bili opisani na V. mednarodnem kongresu za elektrotermijo v VViesbadenu 1. 1963, bi naj bila predmagnetizirana dušilka edina do sedaj poznana preprosta, relativno cenena in efektna metoda za zmanjšanje napetostnih nihanj, ki jih povzroča obločna peč. Dušilka, ki ima železno jedro iz orientirane transformatorske pločevine, katere magnetna karakteristika ima ostro koleno, je predmagnetizirana tako, da nastane pri tokovih, ki leže nad nazivnim tokom peči, na dušilki velik padec napetosti. S tem se tokovni sunki sami zmanjšujejo. Meritve na 30 t obločni peči so pokazale, da so se maksimalni toki, ki so bili sicer velikosti 1,75 Jn, zmanjšali na 1,35 Jn in da se je maksimum pogostosti napetostnih sprememb premaknil od prvotnih 1,1 Jn na 0,75 Jn. O ekonomičnosti take dušilke za proizvajalca jekla govore podatki, da se je pri uporabi predmagnetizirane dušilke skrajšal čas taljenja za 14,7 % in da se je specifična poraba energije zmanjšala za 4,1 %. Zboljševati situacijo okrog napetostnih razmer v elektroenergetskem sistemu je težje. Osnovna zahteva za kakršno koli izboljšanje je jačanje kratkostičnih moči v napajalnih mestih: s postavitvijo novih generatorjev, z graditvijo paralelnih daljnovodov itd. Švedi so izvedli dva eksperimenta v tej zvezi, ki zaslužita pozornost. Namesto dušilke pri obločni peči so uporabili visokonapetostne serijske kondenzatorje. Rezultati kažejo določene prednosti take izvedbe. Poizkusili pa so tudi priključiti paralelno k peči sinhronski kompenzator, ki je sposoben slediti hitrim spremembam jalove moči. Njegov napetostni regulator so celo delno krmilila z vrednostjo spremembe impedance električnega loka peči. Verjetno pa ugodni rezultati niso povsem ekonomsko upravičeni. 2.4 Iz dosedanje analize elektro obločne peči kot potrošnika električne energije lahko povzamemo: a) Poraba delovne energije se v odvisnosti od asortimenta proizvodnje ter od vrste peči giblje običajno od 600 — 800 kWh/t, pri čemer odpade na raztalitev — tekoče jeklo temperature 1550° C — ca 450 —500kWh/t (teoretično 340 kWh/t). b) Pri današnjem klasičnem stanju opreme peči in tehnologije se gibljejo povprečni fazni faktorji celotnega ciklusa med 0,80 in 0,85. Pri velikih agregatih, kjer je dosegljiva točka maksimalne moči na loku, pade fazni faktor v času taljenja med 0,74 in 0,78. Za raztaljeni vložek velja pravilo, da se izogiblj emo faktorja 0,82. Mnogokrat dosegamo v tem območju višje fazne faktorje, kar govori o tem, da metalurgi obratujejo raje z višjimi napetostmi in nižjimi tokovi. c) V posameznih obdobjih proizvodnega procesa je specifična poraba delovne energije porazdeljena tako, da je odpade na taljenje 65 % —75 °/o, na oksidacijsko obdobje 15 % — 25 % ter na rafi-nacijsko obdobje 10 °/o — 15 %. Ce vpihavamo v oksidacijskem obdobju v peč kisik, se čas oksida-cije in specifična poraba energije v tem času zelo zmanjšata. d) Računajoč od srednje angažirane moči celotnega procesa v peči, odpade na taljenje ca 170 % te moči, na oksidacijo 75 %, na rafinacijo pa 40 %. e) Energetska bilanca energij v elektro obločni peči nam da termični izkoristek naprave. Če pri tem smatramo, da je energija žlindre nekoristna, se ta giblje od 38 % do 48 %. Upoštevajoč energijo žlindre kot koristno energijo — to je za tehnološki proces neobhodno — pa se izkoristek povzpne tudi preko 60 %. Električne izgube niso majhne, saj se gibljejo od 8 % do 14 %. Pri prikazovanju značilnosti elektro obločne peči kot potrošnika električne energije ne moremo mimo prikaza nove tehnologije pridobivanja jekla v teh pečeh, ki se uvaja v anglosaškem svetu. Gre za obratovanje obločnih peči z ultra visokimi močmi ( ultra-high power operation), ki v osnovi spreminja način obratovanja peči, predvsem pri proizvodnji nizkoogljičnega jekla. Celotno obratovanje se vrši s konstantno močjo v času taljenja in v času že raztaljenega vložka, in to z izrednimi močmi, saj so specifične obremenitve na tono oz. na m2 površine dvakrat tolikšne, kot pri dosedanjih napravah. Pri tem se obratuje z zelo kratkim lokom, kar pomeni, da vodimo na peč ekstremno velike tokove. Posledica tega so fazni faktorji v času taljenja 0,68—0,70, v času raztaljenega vložka pa komaj 0,60 — 0,62. Prav kratek lok — kot posledica visokih tokov — omogoča uporabo ekstremnih specifičnih moči, katerih sicer obzidava peči ne bi prenesla. Razdelitev sevanja med kopeljo in obzi-davo je tu mnogo ugodnejša, kar dokazuje tudi velika oddaljenost tega obratovalnega področja (cos cp = 0,60 — 0,70) od področja maksimalnega erozijskega indeksa (costp = 0,82). Tako obratovanje je daleč od območij maksimalnih moči na loku oz. maksimalnih izkoristkov, saj se tu že močno približujemo obratovanju pod kratkim stikom. Posledica tega je majhno nihanje moči pri taljenju (majhna razlika med Jn in Jk), kakor tudi zelo čista sinusoida elektrodnih tokov. Višjih harmon-skih komponent praktično ni, kar govori o znanem pojavu dobre jonizacije pri kratkem električnem loku. Ekonomske prednosti takega obratovanja so predvsem v visoki izrabi naprave: faktor obremenitve je skoraj ena, časi šarž pa so zelo kratki (1501 obločna peč s transformatorjem 80 MVA: trajanje šarže 2h 16 min., proizvodnje 70 t/h, specifična poraba energije 450 — 490 kWh/t, specifična poraba elektrod 4 — 5,5 kg/t). Taki rezultati odtehtajo povečane stroške za jalovo energijo pa tudi za dražjo opremo peči. 2.5 Poznavanje maksimalne obtežbe, ki jo povzroča obločna peč v napajalnem sistemu ni važno samo pri izbiri elektroenergetske opreme, temveč tudi pri analizi obratovalnih stroškov. Vse današnje tarife za obračun porabljene električne energije vsebujejo elemente, po katerih je cena kWh odvisna poleg dnevnih in sezonskih postavk predvsem še od obtežbe. Po stroškovnem načelu obračunava elektro gospodarstvo najvišjo angažirano moč v določenem časovnem pasu (urna ali četrturna konica), ne glede na to ali je nastala samo enkrat v obračunskem obdobju ali pa je taka obtežba bila ves čas. Elektro gospodarstvo teži po čim boljšem izkoriščanju svojih naprav t. j. za njihove čim večje obratovalne ure. Obratovanje obločne peči v enem ciklusu — od preboda do preboda — je tehnološko dokaj določeno. Ločili bi lahko samo klasičen način obratovanja (za program kvalitetnih in plemenitih jekel) ter obratovanja z ultra visokimi močmi (za proizvodnjo masovnih jekel). Detajlneje bomo obravnavali samo prvi način obratovanja, pri čemer bomo vpeljali naslednje odnose: a) Faktor obremenitve pri čemer je P'max konica (urna ali četrturna) b) Faktor preobremenjenosti P' * max P = ^--------- P, . COS cpmax c) Faktor obremenjenosti P,. cos cpsr Povezava med posameznimi faktorji je naslednja: _ o cos cpsr P cos cpmax Glede na urno ali četrturno konico so po izkušnjah dobljeni faktorji preobremenljivosti = 1,2-1,4 (p)Mh / V >> a ** "v > s a>f• nT Vi, = t(P --- • — — 234567A9 10 11 P(MW) Slika 22 Produktivnost in specifična poraba energije obločne peči pri taljenju Krivulja specifične porabe električne energije ima blag in neizrazit minimum. Zaradi tega se toliko lažje odločimo za moči taljenja, ki leže nad močmi maksimalnih izkoristkov, saj s tem lahko bistveno zvečamo produktivnost. Večanje moči ima postavljene meje: največja delovna moč, ki jo lahko izmerimo na transformatorju (Ppmax), nastopa pri faznem faktorju 0,71. Največja delovna moč, ki jo dobimo na električnem loku (P]max) in pri kateri je produktivnost najvišja, nastopa pri nekaj nižji moči od Ppmax. (fazni faktor 0,76). Razmere so vidne na sliki 22. Vidimo, da ima produktivnost g, izrazit maksimum, zato je nesmiselno preobre-menjevati transformator preko P, max oziroma prekoračevati tok, pri katerem bi bil fazni faktor slabši od ca 0,76. SI. 22 nam kaže tudi vrednosti, ki so bile dosežene v konkretnem primeru. Opazna je nizka povprečna moč v času taljenja, kar je posledica mnogih prekinitev predvsem zaradi večkratnega dolgotrajnega zalaganja, črtkane krivulje predstavljajo vrednosti parametrov za moči Pmax, ki bi bile dosežene pri večjih elektrodnih tokovih, kot je JPmax- To je območje tokov v desni polovici krožnega diagrama ali območje faznih faktorjev, ki so manjši od 0,71. Visoka produktivnost ter nizka poraba električne energije sta v veliki meri odvisna od organiziranosti tehnološkega postopka. Pokazali bomo nekaj parametrov, kako kvan-titetno vplivajo na rezultate obratovanja. Dvignjene razžarjene elektrode so pogost in nujen pojav pri obratovanju: 10-minutno prosto sevanje z njihove površine predstavlja izguba ca 25 kWh na dolžinski meter sevalne površine. Pri zalaganju s košaro je peč odprta, tako da obok in kad peči, katerih obzidava je segreta tudi nad 1500° C, neovirano sevata v prostor. Hitre manipulacije so tu izrednega pomena ne samo zaradi izgub energije, temveč tudi zaradi kvarnega vpliva hitrih temperaturnih sprememb na vzdržnost obzidave. SI. 23 kaže potek temperature obzidave oboka in kadi v odvisnosti od časa kakor tudi izgubljanje akumulirane energije obzidave. SI. 24 nazorno kaže odvisnost specifične porabe energije od tako imenovanih mrtvih časov: popravila dna, časi zalaganja, čakanje, vzdrževalna dela itd. Prikazane meritve dajejo zgovoren podatek: pri četrturnem skrajšanju mrtvih 1 234 567«910ni21314S« Slika 23 Hlajenje oboka ln kadi obločne peči * / \ / / • / • f v • 50 kwr /t • 15' časov lahko pričakujemo tudi za 50 kWh/t zmanjšano specifično porabo energije! O vplivu časa tr (čas raztaljenega vložka) na produktivnost smo že govorili, isti parameter pa direktno vpliva tudi na porabo energije. Skupno porabo električne energije lahko določimo iz naslednje relacije: w = wt + w0 + w, pri čemer je: wt specifična poraba električne energije za taljenje — wD je konstanta in predstavlja porabo energije za formiranje žlindre, za segrevanje taline nad talilne temperature, upoštevajoč pri tem bilanco reakcijskih energij procesa; wr je energija toplotnih izgub, ki je odvisna: Skupna specifična poraba električne energije obločne peči je torej w =-80-+ w0 + Pp^tr Uc — Ppt/Pmax G SI. 25 kaže zgornji odnos. Meritve, ki so prikazane ob izračunanih specifičnih porabah, dokazujejo pravilnost gornjih izvajanj. Vrednosti w0 se gibljejo med 10 % in 20 % celotne specifične porabe, močno pa so odvisne od tehnologije (ena ali (kWh/t) O 10' 2V 30' <0' 50' . 10' 20' X' <0' 50' h *)' 20' 30' Wtvl (h> Slika 24 Vpliv mrtvih časov na specifično porabo energije Slika 25 Poraba energije v odvisnosti od trajanja šarže več žlinder, vpihavanje kisika itd). Porabe na si. 25 so prikazane za določeno moč (Pmax = konst), čas t je čas celotne šarže (t = t, + tr). Če končno povežemo definicijski odnos za produktivnost obločne peči z njeno specifično porabo električne energije, dobimo funkcijo w = w(g), katere najvažnejši parametri so Pmax (moč za časa taljenja) in tr (čas raztaljenega vložka). Te zanimive krivulje so prikazane na si. 26. Kažejo ponovno značilnosti obločne peči, t. j. območje blagih minimumov porabe energije ter območja izrazitih maksimalnih produktivnosti. Prehod na drugo stran maksimalnih produktivnosti pomeni obratovanje z elektrodnimi tokovi nad Ppmax. Funkcije w = w(g) so interesantne predvsem zaradi tega, ker kažejo odnos med vrednostmi, ki so najlažje merljive in ki se v proizvodnji vedno 5 6 7 8 Slika 26 Vpliv produktivnosti na specifično porabo energije beležijo. Če si izračunamo krivulji za mejne vrednosti tr (za minimalni in maksimalni čas raztalje-nega vložka), dobimo območje, v katerem mora potekati normalna proizvodnja. 3.2 Pri dosedanjem obravnavanju energetsko pro-duktivnostnih odnosov obločne peči nismo obravnavali činitelja, ki vpliva prav tako na oba parametra peči. To so toplotne izgube (Pp), določitev katerih pa sega že v razdelitev energij ali v energetsko bilanco. Kot pri večini toplotnih strojev tudi pri obločni peči ni mogoče določiti vseh energij neposredno. Meriti se daje enostavno le določene veličine. Grobe predpostavke vnašajo v detajle energetske bilance napake, kar pa ni poseben problem, saj nas pri energetsko produktivnostnih odnosih zanimajo le globalne razmere. Najvažnejša predpostavka pri razdelitvi energij, ki je pa tudi najbolj dvomljiva, je trditev o konstantnosti skupnih izgub v času obratovanja. Po tej tezi obločna peč oddaja toplotno moč ves čas enakomerno v prostor. To dokazuje več avtorjev, pa tudi določene meritve kažejo, da je to v prvem približku res tako. Če ločimo moč izgub predvsem na dva dela: na električne izgube moči ter na ostale toplotne izgube, potem lahko rečemo, da je za čas taljenja Pizg Pizgel "t" Ppt Električne izgube so v času taljenja največje, ker takrat tečejo preko nadomestnih upornosti elektroenergetskega tokokroga R največje moči. V času raztaljenega vložka so te moči ca 5-krat manjše. Zaradi (približno) kvadratnega odnosa so pri tem električne izgube zanemarljive, zato lahko trdimo, da imamo za čas raztaljenega vložka le toplotne izgube, ki pa so po prvotni predpostavki P = P 1 pr * izg Če pregledamo stvarno obratovanje obločne peči, vidimo, da so v času: 1. Taljenja a) Izgube sevanja in konvekcije zaradi hladnejšega vložka in obzida ve manjše b) Izgube s plini so manjše. Plini zaradi od-gorka so pri nižjih temperaturah manjši c) Izgube s hladilno vodo peči so zaradi nižjih temperatur manjše 2. Raztaljenega vložka a) Izgube sevanja in konvekcije so nekaj večje b) Izgube s plini so večje, posebno v času oksidacije c) Izgube s hladilno vodo so večje zaradi večjih temperatur oboka, vrat, elektrod d) Električne izgube so bistveno manjše. Pri energetski bilanci obločne peči je poleg toplotne vsebnosti jekla — entalpije jekla upoštevati še kot koristno energijo entalpijo žlindre. Točnejša bilanca mora upoštevati poleg električne energije kot dovedeno energijo tudi reakcijsko toploto. Njen izračun zahteva točno poznavanje endotermnih in eksotermnih metalurških procesov. Reakcijska tolota dosega ca 15 % skupne dovedene energije, nastaja pa predvsem v času oksidacije in rafinacije. Skupne toplotne izgube v času taljenja so w, — s0 t» P«g = G če zmanjšamo njihovo vrednost za električne izgube, dobimo toplotne izgube obločne peči pri taljenju p — p _p A p t izg izgel Električne izgube se dajo enostavno izračunati iz posameznih ohmskih upornosti ter iz tokov, pri katerih se je vršilo taljenje. Vendar povprečni talilni toki zaradi zelo spreminjajočih se vrednosti dajo zelo grobe ocene električnih izgub. Mnogo boljši rezultati se dobijo z J2t — števcem, iz katerega odčitkov se dobe izgube: J2t Pizgel = 3 . k — R Določitev toplotnih izgub v času raztaljenega vložka (Ppr) je bila že omenjena. Za kontrolo teh izgub nam je lahko dovedena moč v času raztaljenega vložka, točneje v času rafinacije. V prvem približku je tokrat dovedena moč enaka toplotnim izgubam: p _ p rat A pr 3.3 Graditelji peči dajejo običajno konstrukcijske podatke, eventualno še podatke o produktivnosti in specifični porabi električne energije za taljenje. Za podrobnejše poznavanje obločne peči pa je potreben niz podatkov. Večina teh je odraz specifičnih pogojev obratovanja in jih je zato mogoče dobiti le z meritvami. V prvi vrsti so važne meritve električnih parametrov obločne peči ter meritve energetsko proizvodnih parametrov, že te meritve zajemajo beleženje preko 40 spremenljivk. Če pa bi hoteli obseči še metalurške kvantitativne in kvalitetne odnose, vzdržnosti obzidave, porabe elektrod in pomožnih materialov, temperaturne razmere itd., bi število spremenljivk naraslo do takih meja, da bi jih bilo mogoče obdelati le z računskim strojem. Električne meritve imajo predvsem namen določiti impedance peči. Najenostavneje se dajo dobiti vrednosti z meritvami kratkega stika. Pri znižani napetosti regulacijskega pečnega transformatorja se elektrode potopijo v raztaljeni vložek. Instrumenti se dajo zelo hitro odčitati, ker takoj po potopitvi elektrod nastopi stacionarno stanje. Tako vršimo meritve z vedno večjimi napetostmi do znosnih preobremenitev transformatorja. Pri tem je potrebno pretokovno zaščito transformatorja blokirati. Meritve z nazivno primarno napetostjo lahko izvršimo le do ca 75 % sekundarne napetosti, kratkostično impedanco za nazivno napetost je zato ektrapolirati. Z W-metrično in U — J metodo se dajo dobiti reaktance in induktance. Njihov potek glede na sekundarno napetost transformatorja običajno ni linearen. Temu so predvsem vzrok različne vezave regulacijskega transformatorja, od katerih so v posameznih napetostnih stopnjah odvisne kratkostične napetosti. Vpliv na nelinearnost poteka impedance pri različnih stopnjah je iskati tudi v negativni uporovni karakteristiki elektrod kakor tudi pri neraziskanih prehodnih upornostih elektroda — talina ter pri upornosti same taline. ao 120 160 200 2<0 280 320 360 <00 «0 Slika 27 Režim maksimalne moči, toka in maksimalnih izkoristkov S pomočjo znanih impedanc se dajo določiti za vsakdanjo prakso izredno važni obratovalni diagrami, kjer nas najbolj zanimajo vrednosti tokov, pri katerih je električna moč na loku maksimalna. Pri konstantni impedanci potekajo te vrednosti linearno z napetostjo, sl. 27 pa nam kaže, kako bistvene so razlike med dejanskimi in teoretičnimi vrednostmi. Realni obratovalni diagram je prikazan na sl. 28. Le tako prikazane razmere so lahko vodilo za gospodarno vodenje obratovanja obločne peči. Na podlagi izmerjenih impedanc peči, transformatorja in dušilke in ob poznavanju kratkostične moči napajalne mreže in njenega stanja je mogoče končno preverjati pravilnost velikosti dušilke. V večini primerov so dušilke prebogato dimenzioni-rane. Po eni strani so se s tem hoteli zavarovati dobavitelji peči, po drugi strani pa so se razmere v napajalnem elektroenergetskem sistemu sčasoma le izboljšale. Kratkostične razmere so danes marsikje bistveno večje kot pred leti. Sl. 10 kaže, kaj pomeni za obločno peč zmanjšanje njene impedance od 45 % na 40 %, kar se je doseglo z zmanjšanjem impedance dušilke od prvotnih 10 % na 5 %. Pri enakih elektrodnih tokovih smo s tem povečali delovno moč za ca 10 %, kar je bistveno spremenilo energetsko produktivnostne pokazatelje. Meritve energetskih in proizvodnih parametrov obločne peči temeljijo predvsem na meritvah tež, časov in energije. Najvažnejše so teže metalnega in nemetalnega vložka, teže odlitih ingotov in žlindre. Zasledovati je čase taljenja, oksidacije, rafinacije, čase šaržiranja in mrtve čase. Ustrezno časom je P (MW) 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1- 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 ls(kA) Slika 28 Realni obratovalni diagram beležiti porabo delovne in jalove energije, čas vklopa oz. izklopa dušilke. Interesantne so vrednosti napetosti, elektrodnih tokov in faznega faktorja, s katerimi so določena obratovalna mesta v obra- tovalnem diagramu. Vse parametre je neprekinjeno zasledovati vsaj 50 šarž. Take meritve predstavljajo veliko delo, vendar jih je le ob takem številu možno obdelati s primerno statistično verjetnostjo. Literatura 1. Richtlinien fiir den Anschluss von Lichtbogenofen, OZE JHg 16/9 2. Lichtbogenschmelzofen grosser Leistung, H. I. Forst, Berg — und Huttenmannische Monatshefte 1961/9 3. Lichtbogenstahlschmelzofen als elektrische Verbraucher und Moglichkeiten zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit, H. Liirig (Detto) 4. Arbeitsbedingungen und Wirkungsgrad grosser Lichtbogenstahlschmelzofen, H. Forst Elektrovvarme 1960/6 5. Die elektrische Ausriistung moderner Lichtbogenstahlschmelzofen, H. Forst BBC — Nachrichten 4/1957, 2/1958 6. Einfiihrung in die Probleme des elektrischen Lichtbogen und Wiederstandsofens, Dr. ing. Erich Klass (Springer — Verlag, Berlin 1951) 7. The Use of Series Capacitors in Conjuntion with Electric Smelting Furnaces, H. Flaathe (ASEA 7791 E 497/66) 8. Stand und Entwicklung der Elektrodenregelung der Lichtbogenstahlof en, (Stahl und Eisen 1954) 9. Electric Furnace Steelmaking I, II (Interscience Publi-sher New York 1962) 10. Beitrag zur Kenntnis des Lichtbogenofens unter beson-derer Beriiksichtigung des Grossraumofens fur die Stahlerzeugung, Harms F. (Stahl und Eisen 83, Heft 5) 11. Grundlagen fiir die Symetrierung von Drehstrom — Lichtbogenofen, Duechting W. (Elektrovvarme Nr 19, 1961) 12. Elektrische Schmelzofen fiir Eisenmetalurgie, Okorokovv (VEB Verlag Berlin 1953) 13. Erfahrung bei der Messung von Spannungsschvvankun-gen an Lichtbogenofen, Krabiell (Elektrovvarme Nr 11, 1962) 14. Savremena elektrolučna peč za topljenje čelika i njen uticaj na energetski sistem, ing. R. Bulajič. (Savetovanje Lučna i indukciona peč u elektrometalur-giji i livarstvu — Maribor 1963) 15. Problemi avtomatizacije elektrolučnih peči, ing. I. Čer-nelč, ing. K. Rožič (Savetovanje o automatizaciji u crnoj metalurgiji Beograd 1962) 16. Elektromagnetne sile na električni oblok, prof. dr. ing. Venče Koželj (Posvetovanje o stikalni tehniki, Ljubljana 1964) 17. Vergleichende Betrachtungen iiber die hydraulischen und elektromotorischen Elektrodenregelungen von Licht-bogenschmelzofen sovvie iiber die Grenzen ihrer Leistungfahigkeit, A. Driller ung H. Ernst (IV. kongres UIE 1959) 18. Neuere Entvvicklungen auf dem Gebiet der elektro-hydraulischen Elektrodenregelung von Lichtbogen-schmelzofen, R. Lambert (IV. kongres UIE 1959) 19. Electricity supply and control for large are furnaces, H. Sheppard and E. Freeman (V. kongres UIE 1963) 20. Reduction of Current Fluctuation and Efficiency. Improvements by Povver Saturable Reactor in Steal Melting Are Furnace Operation, S. Hazumi and M. Yoskino (V. kongres UIE 1963) 21. Problems of Lamp Flicker caused by Large Electric Are Furnace for Steel Production in Japan, T. Tinguzi (V. kongres UIE 1963) 22. Das Betriebsverhalten von Lichtbogenstahlschmelzofen und ihr Einfluss auf Drehstromhochspannungsnetze, V. Lanner und P. Torseke (V. kongres UIE 1963) 23. Beitrag zum Problem der Riickwirkungen von Lichtbogenofen auf die Betriebsverhaltnisse der Verteilnetze, P. Senn (V. kongres UIE 1963) 24. Principles of Highproduction Electric Steel Furnace Production, Schvvabe (V. kongres 1963) 25. Electricity Supply and Control for Large Are Furnaces Sheppard, Freemann (V. kongres 1963) 26. Reduction of Current Fluctuations and Efficiency. Improvements by Povver Saturable Reactor in Steel Melting Are Furnace Operation, Hazumi, Yoshino (V. kongres UIE 1963) 27. Problems of Lamp Flicker caused by Large Electric Are Furnaces for Steel Production in Japan, Zinguzi (V. kongres UIE 1963) 28. Untersuchungen iiber resultirende Spannungsschvvan-kungen durch gleichzeitigen Betrieb mehrerer Lichtbogenofen, welche am gleichen Netzpunkt angesehlossen sind, Werner L. (V. kongres UIE 1963) 29. Beitrag zum Problem der Riickvvirkungen von Lichtbogenofen auf die Betriebsverhaltnisse der Verteilnetze, Sen, Lememmeier (VI. kongres UIE 1968) 30. Experience with Ultra-high Povver Electric Furnace Operation, Schvvabe — Robinson (VI. kongres UIE 1968) 31. Modern Methods of Automatically Controlling Electric Furnaces, Ovven (VI. kongres UIE 1968) 32. Economical Flicker Reduction for Are Furnaces, Fried-lander, Young (VI. kongres UIE 1968) 33. The Measurement of Voltage Fluctuations caused by are Furnaces, Kendal (VI. kongres UIE 1968) 34. Untersuchung der optimalen Einstellung des Uberstrom-schutzes an einem Transformator eines Lichtbogenofens, Jahn, Ehrig (VI. kongres UIE 1968) 35. Progress in Electric Povver Supply to Are Furnace Loads in Japan, Zinguzi (VI. kongres UIE 1968) 36. Improvements in Performance by Nevv Design of Six Electrode Are Furnace, Bazeley, Harrison (VI. kongres UIE 1968) 37. Der Lichtbogen im Elektrostahlofen unter dem Einfluss ionizierender Mittel, Dunski, Kegel (VI. kongres UIE 1968) 38. Electrical Heating and Stirring of Melts in Ladles, Ham-merlund, Sundberg (VI. kongres UIE 1968) 39. Methode zur Bestimmung der Betriebszustande von unsymmetrischen Lichtbogen — Drehstromofenanlagen Kurbiel (VI. kongres UIE 1968) ZUSAMMENFASSUNG In den drei Kapiteln dieses Artikel sind die vvichtigsten Merkmale eines Elektrolichtbogenofens gezeigt. Im ersten Kapitel vverden die elektrisehen Verhaltnisse der ganzen Anlage besproehen. Vor allem die Einschmelzzeit und die Moglichkeit im Betrieb mit einem minimalen spezifisehen Energieverbrauch zu arbeiten. Es vvird gezeigt, dass das Schmelzen mit einer maximalen Kraft am Lichtbogen eko-nomiseher ist denn die Einschmelzzeit betragt nur 80 % der Zeit welche bei einem minimalem Energieverbrauch notig vvare. Es ist auch ein Uberblick iiber die Moglichkeiten fiir eine hochstokonomische Betriebsweise gegeben. Die vvichtig-sten Faktoren dabei sind die Grosse der Ofenimpedanz und die Moglichkeit der Uberbelastung des Ofentransfor-mators. Nach dem Einschmelzen sind die elektrischen Verhaltnisse am Ofen volling anders. Der Lichtbogen brennt ruhig, die Drossel ist nicht mehr notig die Energie-zufuhr ist wesentlich kleiner. Wegen der vollig freien Energiestrahlung des Lichtbogens in den Ofen ist dem Lichtbogen eine solche Geometrie zu geben, dass die Strahlung des Lichtbogens auf die Ofenausmauerung so kle:n wie mdglich sein wird. Da die Lichtbogengeometrie von den rein elektrischen Grossen bestimmt wird ist iiber diese Grossen von dem amerikanischen Forscher der Licht-bogenofen Mr. Shwabe der sogenannte Erosionsindex ein-gefiihrt vvorden. Die Verfolgung solches Erosionsindex welcher ein Massstab fiir die VVarmebeanspruchung des Ofens sein solite ist nicht geeignet, weil der Index eine blosse Zahl darstellt. Der Autor hat es bewiesen, dass der grosste Erosionsindex immer bei dem gleichem Anlagen-leistungsfaktor (cos phi = 0.82) auftritt. Die Kontrolle des Anlagenleistungsfaktor ist fiir den Schmelzer einfach und leicht, deshalb ist es auf eine ganz einfache Weise mdglich. den Ofen auch nach der Einschmelzzeit vvirtschaftlich zu fiihren. Im nachsten Kapitel ist der Lichtbogenofen als Ener-gieverbraucher dargestellt. Der Einfluss der betriebsmassi-gen Stromschwankungen auf die Netzbelastung ist durch die Makro und Mikrostabilitat des Lichtbogens gegeben. Die Moglichkeiten und Anspriiche der Elektrodenregelung (Kraftregelung) von welcher der Betrieb des Ofens grosstenteils abhangt, sind erortert. Die Leistungsschvvan-kungen des Lichtbogens ubertragen sich auf das Hoch- spannungsnetz und rufen dort entsprechende Spannungs-anderungen hervor die sich besonders auf die Gliihlampen sehr storend ausvvirken konnen. Diese Storungen konnen voraus bestimmt vverden, sie hangen aber vor allem von der Kurzschlussleistung des Netzes und von der Trans-formatorstarke ab. Eine weitere Karakteristik des Lichtbogenofens als Energieverbraucher ist neben der nichtsimetrischen Bean-spruchungen und der hoheren harmonischen Stromen vor allem in der ungleichmassigen Ausniitzung der Kraft vvahrend der ganzen Schmelzzeit. Davon spricht der Be-lastungsfaktor, der tlberbelastungsfaktor und der Be-lastungsfaktor der elektrischen Ofenanlagen. Diese Faktoren sind fiir einen Ofen so wie auch fiir eine Ofengruppe dargestellt. Es ist auch die Moglichkeit angedeutet wie den Belastungsfaktor einer Ofengruppe auszubesseren bezie-hungsvveise wie die Spitzenbelastung zu niedrigen. Im letzten Kapitel vverden die Leistungsparameter des Ofens besprochen. Es ist das Verhaltniss zwischen der Transformatorleistung und der Stundenleistung des Ofens so wie zvvischen der Wirkleistung vvahrend des Einschmel-zens und der Einschmelzzeit gezeigt. Am interessantesten sind die Funktionen vvelche das Verhaltniss zvvischen der Ofenstundenleistung und dem speziefischen Energieverbrauch darstellen. Die gegebenen Kurven haben zvvei Extremwerte: einen minimalen Energieverbrauch beim Betrieb mit einem maximalen Leistungsfaktor und eine maximale Stundenleistung beim Betrieb mit einer maxi-malen Kraft des Lichtbogens. Im einzelnen sind die Warme und Elektrischen Verluste und die Energiebilanz des Lichtbogenofens beschrieben. Fiir die Bestimmung der charakteristischen Ofendaten notigen elektrischen Messungen sind am Ende dieses Kapitels beschrieben. SUMMARY The paper consisting of three chapters shovvs the most important characteristics of an electric are furnace for steel-making. The chapter Electrotechnical parameters of an electric are furnace deals vvith electrical behavior of the device. Period of charge melting is discussed and possibilities for operation vvith the minimal specific energy consumption are analyzed. The paper gives evidence that melting vvith maximal povver of the are is more economi-cal, as the operation takes only about 80 per cent of the time necessary for melting vvith the minimal energy consumption. Possibilities for the most economical operation are examined. The most important factor is the magnitude of furnace impedances and danger for overloading of the furnace transformer. The period of the molten charge demands completely different electrical conditions in the furnace: the are vvorks steadily, damper is not needed any more, energy input is essentially smaller. As are radiates energy into the furnace, its geometry must be sueh that the radiation tovvards the furnace refraetor vvill be the smallest. As geometry of the are is determined by purely electrical dimensions, so called erosion index is defined, vvhich was introduced by Mr. Schvvabe, American re-searcher of electric are furnaces. On the other hand, determination of sueh erosion index vvhich should be a parameter for thermal load of the furnace refractory is unsuitable, as the index is only a number. The author proved that the maximal erosion index appears always at the same phase factor (cos phi = 0,82). The control of the phase factor is for the smelter a very simple and easy task, and therefore the furnace can be economically con-troled in a very simple way also during the time vvhen charge is molten. In the next chapter the furnace is shovvn as an electro-energetical consumer. Influence of every time consumption of electrical enrgy on the feeder netvvork is given by maero-and microstability of the electric are. Possibilities and demands for electrode regulation (povver regulation) are examined, because the furnace operation depends a great deal on this regulation. Advantage or disadvantage of the operation due to the magnitude of the netvvork voltage drop (oscillating light of bulbs) can be determined before-hand. Circumstances depend mainly on short-circuit povver of the electroenergetis system, and on the transformer povver. A further characteristic of an electric are furnace as an electroenergetic consumer is an unequal povver consumption during the operating cycle, besides unsimmetrical loads and higher harmonic currents. This is confirmed by a load factor, by an overload factor, and by a load factor of the electric furnace devices. Factors for one furnace as vvell as for a group of furnaces are presented, and in this čase, possibility is shovvn hovv to improve the load factor for a furnace group or hovv to decrease their peak load. In the last chapter energy-productiving parameters of the furnace are discussed. Correlations betvveen the furnace transformer povver and the furnace throughput rates, betvveen the povver during the melting period and the melting time and specific energy consuption, etc. are presented. The most interested and for exploatation the most suitable are those funetions vvhich shovv relationship betvveen the lurnace throughput and its specmc neat consumption. Ine given curves has tvvo extremes: a minimum energy consumption at operating vvith maximal efficiency, and a ma-ximum of throughput at operating vvith the maximal are povver. Detailedly heat and electrical losses are dealt vvith, as vvell as the structure of energy balance for an electric are furnace. To determine characteristic data of a furnace, vvhich are basis for evaluation of operating conditions, some measurements are necessary, and they are shortly deseribed at the end of the chapter. 3AKAIOTEHHE B Tpex MacTSX CTaTbH npiracAeHbi HanSoAee Ba>KHbie xapaKTepH-cthkh 3aektpoayroboii nemi aah np0H3B0ACTBa ct3ah. B nepBoft nacra o 3AeKTpiiHecKHx napaMerpax paccMOTpeHbi sAeKTpiiHecKna cootho-meHHH VCTaHOBKH. YKa3aHO na AAHTeAbHOCTb IIAaBAeHHH H Ha B03-mo>KHOCTH nAaBACHIia c MIIHHMaAbHOH VTpaTOH cneHHtJlHMHOH TenAOTbI. AoKa3biBaeTCH, hto iiAaoAcune c MaKCHMaAbHOH moiiukjcti.io Ha 3AeKTpiraecK0it Ayre SoAee skohomho t. k. b cpaBHeniiH c iiAaBKofl C MHHHMaAbHOH VTpaTOH CneiHItjjHMHOH TenAOTbI, OHO AAHTbCa BCerO npn6A. 80 % BpeMeHH. PaccMOTpeHbi b03M0)kh0cth HanSoAee skohom-nora np0H3B0ACTBa. CaMaa BaatHaa ocoSeHHOCTb npeACTaBAaeT bsah-yTepoBKy 6biAa MeM MeHbiue. TaK KaK reoMeTpara Ayru onpe-AeAfllOT TOAbKO 3AeKTpimecKne pa3Mepbi TO nOCpeACTBOM HX TOp CTaTbH aoiaKT0pe <(>a3 (kochhvc = 0.82). IIpoBepKa cJiaKTopa 4>a3 AAa nAaBHAbuiHKa BecbMa npoCTa. IIOSTOMV eeTb B03M0>KH0CTb Ha BeCbMa AerKIIH Cn0C06 pyKOBOAI'Tb c 3AeKTpoAyroBoii iicmlio Han6oAee skohomho TaK>Ke bo BpeMa pacnAaBAenna 3arpy3KH. Bo BTopoii iaCTH CTaTbH nenb paccMOTpeHa KaK sAeKTposiiepre-TOTecKHH noTpeSHTeAb. EAHaHHe KajKAora pacxoAa 3AeKTpo3HeprHH Ha raiTaiomyio ceTb nosa3aHo npn noMomn MaKpo n MiiKpocTa-6HAbHOCTH 3AeKTpHHeCK0S AYTH. PaccMOTpeHbi B03M05KH0CTH H TpeSo- Bainia peryAamni SAeKTpOA (peryA3Hiia moiuhocth) ot Mero TAaBHbiM 05pa30M 3aBHCHT pOKH\1 paSOTbl riCIH. IlOAOJKHTeAbHbia oth. OTpHna-TeAbHbia CTOpOHbl pOKIIMa paGoTbl nemi B 3aBHCHM0CTH ot BeAIIMIIHbl H3MCHCHna Hanpa>KeHiia ceni (nyAbcnpoBaHHe 3AeKTpHMecKiix AaMno-MeK) mojkho onpeAeAHTb BnepeA, yc.\OBiia pe>KHMa 3aBHCHT TAaBHbiM 06pa30M OA Kop0TKO3aMKIiyTOCTH MOIUHOCTH 3AeKTp03HepreTHHeCK0H ciicTeMbi h ot molhhocth TpaHCtfcopMaTopa. CAeAyiomaa xapaKTepn-CTHKa 3AeKTpoAYrOBon nemi KaK 3AeKTpo3HepnraecKora noTpeGiiTeAa KpOMe HeCIIMMeTpHMeCKHX HanpflJKeHHH H BbICHIHX rapMOHHHCCKHX 3ACKTP. TOKOB COCTOHT b HepaBHOMepHOCTH nOTpeGAeHHH eMKOCTH bo BpeMa pafjoMaio UHKAa. Ha 3to yKa3biBaioT: 4>aKTOp Harpy3KH, (JjaKTop neperpy3Kii h 4>aKTop Harpy3Kii SAeKTpnMecKora CHapažkchhh neiH. PaccMOTpeHbi tjjaKTOpbi oahoS h oahoh rpynnbi nenen npH ičm yKa3aHO Ha B03M0}KH0CTb KaK yAYHIHHTb (|>aKTOp 3arpy3KH UeAOH rpynim neieft t. e. KaK yMeHbiuaTb hxhhio niiK0Byi0 3arpy3Ky. B nocAeAHeft lacra CTarbu paccMOTpeHbi sHepreTHiecKiie napa-MeTpbi npoii3BOAHTeAbHOCTH neMH. YKa3ano Ha cooTHomeiiHe mokav MOIHHOCTbK) TpaHC<}>OpMaTOpa H npOH3BOACTBa 3AeKTpOAyTOBOH neMH B nac; Me>KAy moiuhoctbio bo BpeMa nAaBKH h aahtcamioctii n.\aBKH T. e. pacxoAa yaeabhoh SHeprHH uta. CaMoe HHTepecnoe h HanSoAee npuMeHHMO b 3KcnAyaTamm cyTb cf>yHKHHH KOTopbie yKa3HBaioT Ha CBa3b Me>KAy np0H3B0AHTeAbH0CTbi0 nemi n pacxoAa VAeAbHoii 9HeprHH. npHBeAenbi KpHBbie ahhhh KOTopbis HMeiOT ABa 3KCTpeMyMa: MHHHMaAbHblii paCXOA 3ACKTpHHCCKOH SHepTHH npil pejKHMy paSoTbl neMH C MaKCHMaAbHbIM IICn0Ab30BaHIieM H KpHBaa MaKCHMaAbHOH npOH3BOAHTeAbHOCTH BO BpeMa XOAa C MaKCHMaAbHOH MOmHOCTbIO AyrH. 06ihhpho paccMOTpeHbi Ten.\OBbie h 3AeKTpipjecKiia noTepu h koh-CTpyKHHa snepreTHMecKora BaAaHca sa-aVtoboh neMH. B KOHue CTaTbH onncaHbi H3MepeHiia Heo5xoAHMbi aah onpeAeAeHna xapaKTepecTimn-ckhx AaHHbix KOTOpbia cAyjKaT KaKo ocHOBamie AAa pacMeTa pewiiMa paSoTbi 3AeKTpoAyroBoft nemi.