Электротехника электрометаллургических печей дугового, резистивного и смешанного нагрева

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ 

ПЕЧЕЙ 

ДУГОВОГО, РЕЗИСТИВНОГО 
И СМЕШАННОГО НАГРЕВА

Þ.Ì. ÌÈÐÎÍÎÂ

МОНОГРАФИЯ

Москва 
ИНФРА-М 

202

УДК 621.365+669(075.4)
ББК 34.3
 
М64

Миронов Ю.М.

М64  
Электротехника электрометаллургических печей дугового, рези
стивного и смешанного нагрева : монография / Ю.М. Миронов. — 
Москва :  ИНФРА-М,  2024.  —  336  с.  —  (Научная  мысль).  —  10.12737/monography_5acf67dd383773.64112431.

ISBN 978-5-16-019545-2 (print)
ISBN 978-5-16-106145-9 (online)
Описаны основы преобразования электрической энергии в тепловую 

в электродных электрических печах дугового, резистивного и смешанного нагрева, а также свойства и характеристики ванн такого рода печей как 
преемников электроэнергии. Рассмотрены процессы в электрических цепях электродных печей постоянного и переменного тока и приведен анализ регулировочных характеристик установок различного типа при разных 
управляющих воздействиях для целей оптимизации параметров и регулирования режимов.

Для научных и инженерно-технических работников, работающих в об
ласти анализа и оптимизации электротехнологических режимов электрометаллургических печей. Может быть полезна для аспирантов, магистрантов и студентов энергетических и металлургических вузов.

УДК 621.365+669(075.4)

ББК 34.3

ISBN 978-5-16-019545-2 (print)
ISBN 978-5-16-106145-9 (online)
© Миронов Ю.М., 2018

Р е ц е н з е н т ы:

Чередниченко В.С. — д-р техн. наук, профессор Новосибирского 

государственного технического университета, главный конструктор 
ОАО «Сибэлектротерм»;

Кувалдин А.Б. — д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснаб
жение промышленных предприятий и электротехнологии» Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт», заслуженный деятель науки РФ

Оглавление

Введение .................................................................................................................7

Глава 1. Общие сведения об электродных электрических печах ................9

1.1. 
Классификация электродных электрических печей .................................................................9
1.2. 
Структура электрических цепей установок ЭЭП и их схемы замещения .....................15
1.3. 
Задачи анализа режимов электрических цепей электродных печей ............................17

Глава 2. Теория преобразования энергии в резистивных 
электродных печах ............................................................................................ 19

2.1. 
Электротехнические характеристики ванн РЭЭП ....................................................................19
2.1.1. 
Принцип действия и классификация РЭЭП ..................................................................19
2.1.2. 
Особенности проводящих сред ванн РЭЭП .................................................................21
2.1.3. 
Процессы при протекании тока через ванны РЭЭП ................................................24
2.1.4. 
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) ванн РЭЭП .................................................35
2.2. 
Закономерности выделения энергии в шлаковых ваннах РЭЭП ......................................47
2.2.1. 
Постановка задачи исследования электрических полей РЭЭП .........................47
2.2.2. 
Аналитический метод ЧГУ анализа электрических полей РЭЭП .......................53
2.2.3. 
Закономерности электрических полей РЭЭП .............................................................71
2.2.4. 
Возможность влияния на характеристики процессов в РЭЭП 
с помощью перераспределения мощности по ваннам .........................................84
2.3. 
Входное сопротивление ванн РЭЭП ...............................................................................................91
2.3.1. 
Схемы замещения ванн РЭЭП .............................................................................................91
2.3.2. 
Влияние параметров печей на входное активное сопротивление 
ванны РЭЭП ..................................................................................................................................92

Глава 3. Свойства электрической дуги как приемника 
и преобразователя электрической энергии ............................................... 101

3.1. 
Общая характеристика дуги как специфического вида электрических 
разрядов в газах ....................................................................................................................................101
3.2. 
Классификация электротехнологических дуг .........................................................................103
3.3. 
Процессы в дуге постоянного тока ..............................................................................................105
3.3.1. 
Структура дуги постоянного тока .................................................................................105
3.3.2. 
Процессы на электродах ....................................................................................................107
3.3.3. 
Электропроводность столба ............................................................................................112
3.4. 
Распределение потенциала по разрядному промежутку. Регулировочная 
характеристика дуги ............................................................................................................................115
3.5. 
Вольт-амперные характеристики дуг постоянного тока ...................................................116
3.5.1. 
Общие соображения ............................................................................................................116
3.5.2. 
Статическая ВАХ «излучающей» дуги ..........................................................................117
3.5.3. 
Общий анализ влияния вида теплопередачи на ВАХ дуги................................121
3.6. 
Особенности характеристик мощных дуг в электропечах постоянного 
тока ..............................................................................................................................................................126
3.6.1. 
Особенности мощной дуги постоянного тока атмосферного 
давления в дуговой сталеплавильной печи (ДСППТ) ...........................................126

3.6.2. 
Особенности мощной дуги постоянного тока пониженного 
давления в дуговой вакуумной печи (ДВП) ..............................................................128
3.7. 
Переходные режимы дуги постоянного тока, инерционность дуги............................131
3.8. 
Основы теории свободно горящей дуги переменного тока ...........................................136
3.8.1. 
Условия стабильного горения дуги переменного тока ......................................136
3.8.2. 
Динамические ВАХ дуги переменного тока .............................................................142
3.8.3. 
Характеристики действующих значений тока и напряжения дуги 
переменного тока..................................................................................................................151
3.8.4. 
Влияние на характеристики дуги нестандартных родов тока .........................158
3.9. 
Электрическая дуга в печах смешанного нагрева ................................................................172
3.9.1. 
Особенности дуги переменного тока в печах смешанного нагрева ............172
3.9.2. 
Динамические ВАХ печей с выраженным дуговым разрядом ........................175
3.9.3. 
Схемы замещения печей смешанного нагрева ......................................................176

Глава 4. Электродинамические и электромагнитные явления 
в дугах ................................................................................................................. 179

4.1. 
Эффект сжатия дуги .............................................................................................................................179
4.2. 
Эффект магнитного дутья .................................................................................................................182
4.2.1. 
Одноэлектродные дуговые печи постоянного тока .............................................182
4.2.2. 
Трехэлектродная дуговая печь постоянного тока ................................................185
4.2.3. 
Трехэлектродная дуговая печь переменного тока (ДСП) ..................................186
4.3. 
Влияние электродинамических явлений в дуговых печах 
на образование в жидком металле мениска ...........................................................................191
4.3.1. 
Одноэлектродная дуговая печь постоянного тока (ДСППТ) ............................191
4.3.2. 
Трехэлектродная дуговая печь постоянного тока ................................................195
4.3.3. 
Трехэлектродная печь переменного тока (ДСП) ....................................................197
4.4. 
Электромагнитный перенос мощности в токоподводах 
электротехнологических установок переменного тока ....................................................198
4.5. 
Анализ влияния окружающих конструкций на параметры токоподводов 
электродных печей ..............................................................................................................................202

Глава 5. Закономерности электрических режимов электродных 
печей постоянного тока .................................................................................. 206

5.1. 
Особенности стационарных режимов печей постоянного тока 
при различных видах BAХ ванн .....................................................................................................206
5.2. 
Режимы электрических цепей дуговых печей постоянного тока .................................207
5.2.1. 
Режимы электрической цепи сварочной установки 
постоянного тока. Статическая устойчивость режима дуги.............................207
5.2.2. 
Устойчивость цепи постоянного тока с дугой с учетом 
индуктивности и емкости ..................................................................................................211
5.2.3. 
Регулировочные характеристики установки электросварки 
постоянного тока ...................................................................................................................213
5.2.4. 
Регулировочные характеристики ДСППТ при питании 
от источника ЭДС ...................................................................................................................215
5.2.5. 
Анализ режимов электрической цепи дуговой вакуумной печи ...................217
5.3. 
Режимы электрических цепей квазилинейных резистивных печей 
постоянного тока ..................................................................................................................................218
5.3.1. 
Регулировочные характеристики резистивных печей 
постоянного тока при перемещении электрода ....................................................218

5.3.2. 
Регулировочные характеристики квазилинейных дуговых печей 
при изменении параметров источника питания ...................................................220

Глава 6. Теория электрических цепей переменного тока 
с дугами .............................................................................................................. 222

6.1. 
Процессы в однофазной цепи переменного тока с безынерционной 
дугой............................................................................................................................................................222
6.2. 
Процессы в трехфазной симметричной цепи с безынерционными 
дугами .........................................................................................................................................................232
6.3. 
Влияние инерционности дуги на процессы в электрических цепях 
печей ...........................................................................................................................................................236
6.4. 
Влияние формы динамической ВАХ дуги на процессы 
в трехфазной цепи ДСП .....................................................................................................................239
6.5. 
Процессы в электрической цепи ЭЭП с шунтированной дугой .....................................242

Глава 7. Электрические и регулировочные характеристики 
электродных печей переменного тока при симметричном 
управлении ........................................................................................................ 244

7.1. 
Общие положения ................................................................................................................................244
7.2. 
Электрические характеристики электродных печей (ЭЭП) ..............................................245
7.2.1. 
Электрические характеристики в относительных единицах ...........................249
7.3. 
Особенности электрических характеристик дуговых печей ...........................................250
7.3.1. 
Электрические характеристики дуговых печей в функции 
напряжения дуги ...................................................................................................................250
7.3.2. 
Влияние особенностей процессов в ДСП на их электрические 
характеристики .......................................................................................................................251
7.3.3. 
Регулировочные характеристики дуговых сталеплавильных 
печей............................................................................................................................................269
7.4. 
Особенности электрических и регулировочных характеристик 
резистивных электропечей ..............................................................................................................278
7.4.1. 
Электрические характеристики РЭЭП .........................................................................278
7.4.2. 
Регулировочные характеристики резистивных 
электродных печей (РЭЭП) ................................................................................................279
7.4.2. 
Влияние условной нелинейности ванн РЭЭП на их статические 
и динамические регулировочные характеристики ..............................................282

Глава 8. Регулировочная способность электродных печей ..................... 285

8.1. 
Анализ характеристик дуговых печей как объектов управления .................................285
8.1.1. 
Управляющие и возмущающие воздействия в ДСП .............................................285
8.1.2. 
Динамические регулировочные характеристики дуговых печей .................292
8.2. 
Особенности электрошлаковых печей как объектов управления ...............................299
8.2.1. 
Задачи управления электрошлаковыми печами ....................................................299
8.2.2. 
Характеристика возмущающих и управляющих воздействий.........................300
8.2.3. 
Управляемые параметры и параметры регулирования .....................................303
8.2.4. 
Электрошлаковая печь как объект управления .....................................................306
8.2.5. 
Влияние параметрических воздействий на характеристики 
шлаковой ванны .....................................................................................................................312
8.2.6. 
Влияние параметрических воздействий на качество металла .......................313

8.2.7. 
Особенности режимов многоэлектродных электрошлаковых 
печей с одним приводом перемещения электродов ..........................................316
8.2.8. 
Принципы управления режимом электрошлаковых печей .............................319
8.2.9. 
Основы программирования режима электрошлакового 
переплава для компенсации параметрических воздействий .........................321

Библиографический список ........................................................................... 329

Введение

В различных отраслях промышленности (металлургия, химическая промышленность, литейные производства машиностроения 
и др.) широко применяются электрометаллургические электродные 
электрические печи (ЭЭП) [1]. Их общей характерной конструктивной особенностью является наличие электродов, вертикальное 
перемещение которых позволяет управлять электротехнологическими режимами печей. В электродных печах могут осуществляться 
самые различные технологические процессы, основанные на различных способах преобразования электрической энергии в тепловую. Так, в значительной части электродных печей тепло в технологических зонах выделяется в основном за счет растекания тока 
по ванне разогретой проводящей среды. Такие печи являются резистивными с объемным нагревом. Это — электрошлаковые установки, фосфорные, карбидные, печи для плавки штейнов, значительная часть ферросплавных печей и др.
В электродных печах другого типа преобразование электроэнергии в тепловую происходит в электрической дуге. Это — дуговые сталеплавильные печи, рафинировочные рудотермические, 
дуговые электросварочные установки.
Широко распространены и электродные печи смешанного нагрева, в ваннах которых присутствуют и электрическая дуга, и выделение тепла за счет протекания тока по проводящей среде ванны. 
К ним относится широкий спектр рудовосстановительных электропечей.
Повышенное внимание к электродным печам объясняется 
не только их широким распространением в промышленности, 
но и их высокой энергоемкостью. Так, единичная мощность ЭЭП 
достигает 80–250 МВт, а установленная мощность использующих 
их заводов — нескольких сотен МВт. Поэтому их электротехнологические режимы, особенности электропотребления и создаваемые 
ими помехи оказывают значительное влияние на работу энергосистем и других потребителей. Естественно, что им уделяется особое 
внимание при исследовании, проектировании и эксплуатации 
печей и при подготовке кадров по специальностям «Электротехнологические установки и системы» и «Электрометаллургия стали 
и ферросплавов».
Если не касаться конструктивного исполнения ЭЭП, то при их 
изучении наиболее важными вопросами являются оптимизация 
электротехнологических режимов печей и управление ими. Поэтому 
при анализе процессов в ЭЭП приходится решать две группы задач. 
Первая состоит в исследовании характера выделения тепла в раз

личных зонах ванны и связана с решением задач электродинамики 
в проводящих средах и газах и позволяет определить воздействие 
электрического режима печи на ее тепловой режим и технологию 
плавки. Вторая группа задач связана с изучением взаимодействия 
ванн печей как приемников электроэнергии и источников питания 
с токоподводами. В отличие от первых задач, имеющих полевой 
характер, вторая группа задач представляет собой анализ электрических цепей установок, в общем случае нелинейных. Их решение 
позволяет изучить регулировочные характеристики электродных 
печей и оптимизировать их электротехнологические режимы при 
заданных параметрах источников питания.
Базой для данной монографии послужили результаты многолетних исследований, проводимых автором с сотрудниками. В ней 
использован дополненный и обновленный материал предыдущих 
публикаций автора в виде учебных пособий [2–4], монографий 
[5, 6] и статей в периодической печати.
Автор понимает, что монография не свободна от недостатков, 
и будет благодарен за все замечания, направленные на их устранение. Автор благодарит сотрудников кафедры АЭТУС Чувашского 
госуниверситета им. И.Н. Ульянова за помощь, оказанную ему при 
подготовке рукописи.

Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОДНЫХ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОДНЫХ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

В различных отраслях промышленности (черная и цветная металлургия, машиностроение, химическая промышленность и др.) 
широко распространены электротехнологические установки, объединяемые понятием «электродные электрические печи» (ЭЭП) [1]. 
Все они вне зависимости от физики процессов преобразования 
электрической энергии в тепловую имеют одинаковую конструктивную схему: в ванну с технологической средой (твердая шихта, 
расплав проводящей среды и т.д.) погружены вертикально перемещающиеся электроды. Токи протекают между концами электродов 
и металлом в газовых полостях или проводящем пространстве 
печи. В общем случае дуги зашунтированы слоем сравнительно 
слабопроводящей среды (шихты, шлака). В зависимости от технологических особенностей и электропроводности шунтирующей 
среды ЭЭП разделяются на чисто дуговые, когда шунтирующая 
среда отсутствует; чисто резистивные, когда высокая электропроводность среды не дает возможности развиться дуговому разряду 
(электрошлаковые печи, печи для плавки штейнов и т.д.); и печи со 
смешанным нагревом и различным проявлением дугового разряда 
(с долей мощности, выделяемой в дугах, от единиц до 30–40 процентов). В последнем случае анализ процессов протекания токов 
и выделения энергии в ванне печей неразрывно связан со взаимозависимостью дугового разряда в резистивных процессов в шунтирующем слое.
Установки электродных электропечей представляют собой совокупность источника питания, токоподвода («короткой сети») 
и самой печи, в которой ванна выступает в роли приемника и преобразователя электроэнергии в тепловую для ее использования 
в технологическом процессе. Вне зависимости от физики процессов 
преобразования и распределения энергии ЭЭП связаны между 
собой одинаковым характером взаимодействия источника питания 
с печью, общностью подходов к оптимизации электрических режимов печей и решению проблем, возникающих при канализации 
энергии от источников к печам при больших мощностях.
По сравнению с другими типами электропечей ЭЭП обладают 
более широкими возможностями управления режимами. Кроме 

воздействия на вводимую мощность с помощью изменения напряжения источника питания, ЭЭП позволяет влиять на процессы 
выделения и распределения энергии путем изменения положения 
в ванне рабочих концов электродов, что связано с изменением характера протекания тока в ванне и свойств ЭЭП как приемника 
энергии.
ЭЭП подразделяются на печи прямого и косвенного нагрева. 
В первых использование тепла для проведения технологических 
процессов происходит непосредственно там, где оно выделяется. 
Это печи химической электротермии (для производства карбида 
кальция и желтого фосфора), некоторые типы ферросплавных 
печей, печи для прокалки углеродистых материалов (электрокальцинаторы) и т.д. В печах косвенного нагрева ванна используется 
только как нагреватель, тепло от которого передается в технологические зоны. К таким установкам относятся соляные ванны, электрошлаковые установки, печи для получения штейнов и т.д. В дуговых и ферросплавных печах часть энергии выделяется в столбе 
дуги, работающей как нагреватель, другая часть — в приэлектродном падении и проводящей среде печи, осуществляя прямой 
нагрев.
По способу преобразования энергии ЭЭП подразделяются на дуговые, резистивные и печи смешанного нагрева. В дуговых печах 
(ДЭП) электрическая энергия преобразуется в тепловую в специфическом виде газового разряда — электрической дуге, которая 
горит между электродами и расплавом металла. Дуга — высококонцентрированный источник нагрева, обеспечивающий высокий 
уровень температур и эффективность технологических процессов 
плавки и сварки металлов. Наиболее распространенными видами 
дуговых установок являются электросварочные установки и дуговые печи для плавки черных и цветных металлов.
В резистивных печах (РЭЭП) преобразование электрической 
энергии в тепловую происходит за счет протекания тока по ванне 
проводящей среды, в качестве которой применяются растворы 
солей, расплавленный шлак (смесь окислов и солей металлов) или 
реагирующая высоконагретая шихта (смесь измельченной руды 
и восстановителя). Наиболее широко используется резистивный 
нагрев в электрошлаковых печах, соляных ваннах и в печах химической электротермии для производства фосфора и карбида кальция.
К электропечам смешанного нагрева относятся рудотермические 
печи (РТП), предназначенные для переработки руд различных металлов. Они представляют собой многоэлектродные установки переменного тока промышленной частоты. Основой электротехнологического процесса является выделение тепла за счет протекания 
тока по материалам ванны и электрических дуг, горящих между