ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Электротермические установки находят весьма широкое

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. Электротермические установки находят весьма широкое применение в черной металлургии. Здесь они используются для выплавки стали и различных сплавов, для подогрева жидкого металла при его рафинировании и разливе в формы, для нагрева заготовок под обработку давлением (прокатку, ковку, штамповку), нагрева при термообработке, при электрической сварке труб и в других электротехнологических операциях. Тем не менее следует отметить и имеющиеся недостатки электротермических установок и в частности плавильных электропечей, которые имеют более высокую стоимость эксплуатации, большие капитальные затраты и эксплуатационные расходы, меньшую надежность, долговечность. Как правило, получить металл, качество и свойства которого соответствовали бы предъявляемым высоким требованиям, можно лишь в электропечах. По способу преобразования электрической энергии в тепловую и подвода тепла к выплавляемому металлу различают следующие виды электропечей и установок: дуговые печи (печи дугового нагрева), печи сопротивления, индукционные печи, установки электронного нагрева, установки с применением оптических квантовых генераторов (лазеров). К числу дуговых относятся также ферросплавные рафинировочные печи, дуговые вакуумные печи, плазменно-дуговые печи. Печи электрошлакового переплава представляют собой разновидность печей сопротивления.

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. Различают электрооборудование основное и вспомогательное, коммутационную аппаратуру, контрольно-измерительную, аппаратуру сигнализации и защиты, аппаратуру автоматического регулирования электрического режима (АРЭР), теплового режима; аппаратуру системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Под основным электрооборудованием понимают обычно различные источники питания - силовые трансформаторы, преобразователи постоянного и переменного тока, токоподвод, силовую коммутационную аппаратуру и т. п. Источники питания в целях снижения электрических потерь располагают вблизи печи, часто в специальном помещении и соединяют с печью вторичным токопроводом. Вспомогательное- это, как правило, силовое электрооборудование– конденсаторы, сглаживающие и токоограничивающие реакторы, фильтры и т. п. Особенностями большинства электротермических установок являются, с одной стороны, высокие подводимые мощности (десятки и даже сотни тысяч киловатт в единице) и, с другой - сравнительно низкие напряжения на вторичной стороне (от десятков до нескольких сотен вольт). Токи на вторичной стороне печного трансформатора достигают десятков и сотен тысяч ампер, а вокруг проводников образуются очень сильные магнитные поля.

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП). 1 2 3 4 ДСП относятся к печам, работающим с зависимой дугой (прямого нагрева). Дуги 1 в этих печах горят между каждым электродом 2 и металлом 3 залитым в футерованный кожух 4. Различают дуги постоянного и переменного токов. В ДСП используют дуги многофазного (трехфазного или шестифазного) переменного тока, для питания которых (в отличие от дуг постоянного тока) не требуется преобразователя. В электропечных установках мощностью до 10 MBА для стабилизации дуги увеличивают индуктивность цепи включением реактора (введение реактивной составляющей). В состав электрооборудования ДСП входят: силовое оборудование, аппаратура управления, защиты, сигнализации, измерения, аппаратура автоматического регулирования режима, приводы механизмов печи, электрооборудование газоочистки, коммутационная аппаратура и т. п. С точки зрения обеспечения надежности электроснабжения ДСП являются потребителями второй категории (допускают перерыв в подаче энергии не более 30 мин).

Схема питания дуговой электропечи. QS ТV АУКи. З ТА QF QS 1 L ТА Т П ПМ УЭМП КС Питание печей осуществляется от сети 6. . 220 к. В. Мощность печей колеблется от 10 до 100 МВА. QS- Разъединитель TV- Измерительный трансформатор напряжения АУКи. З- Аппаратура управления, контроля и защиты TA- Измерительный трансформаторы тока QF- Выключатель мощности (защита от КЗ) L- Реактор (снижение бросков напряжения при КЗ) QS 1 - Шунт реактора (после плавления шихты) Т- Печной трансформатор (регулирование мощности в 2 -4 раза, число ступеней до 24, грубо , точно- числом рабочих витков обмотки) КC- Система контроля нагрузки П- Печь дуговая УЭМП- Устройство электромагнитного перемешивания ПМ- Тиристорный преобразователь мешалки

Электромагнитное перемешивание расплава. Оно позволяет ускорить растворение легирующих добавок, обеспечивает выравнивание химического состава и температуры стали по всему объему, повышает производительность печи, снижает удельный расход электроэнергии при плавке стали и т. д. Управление движением жидкого металла с помощью электромагнитного поля возможно благодаря объемным силам, действующим со стороны поля на металл. ½Ф 1 А В 0 IВ А 1' В 2 ½Ф 1 Ф IА А 1 В 1 А 2 Ф 2 А 1 В 1 А 2 А 1' В 2 А 2' Обычно обмотка фазы А делится на две части (А 1 -А 2), а обмотки фазы В (В 1 -В 2) размещаются между этими частями. Переключением обмоток можно изменять направление движения бегущего поля (от рабочего окна к выпускному отверстию или в обратном направлении, а также - сходящимися в центре, расходящимися и др. ) Бегущее магнитное поле индуктирует в жидком металле вихревые токи, взаимодействие которых с бегущим полем статора вызывает движение нижних слоев металла в ванне. Скорость движения металла составляет 0, 3 -0, 6 м/с. Зазор между статором и жидким металлом составляет для разных печей от 200 до 900 мм, что вызывает сильное ослабление поля и величины электромагнитного момента.

Ферросплавные (руднотермические) печи. 1 2 3 4 Это печи с закрытой дугой, в которых тепловая энергия выделяется частично в электрической дуге и частично - за счет прохождения тока через слой разогретой до высокой температуры шихты 3. Футерованный кожух 1 образует ванну печи. Нижний конец электрода 2 погружен в шихту 3 и находится на расстоянии 0, 5… 1, 2 м от подины 4. Закрытая дуга горит в полости, заполненной газами и парами металлов, у нижнего конца электрода. Тепло выделяется за счет протекания тока непосредственно через загрузку. Печи оборудуют одним трехфазным или тремя однофазными трансформаторами. Однофазные трансформаторы применяют только при очень больших мощностях печей из соображений удобства транспортировки и замены при авариях и ремонтах. При питающем напряжении 110 и 150 к. В применение переключающих устройств затруднительно, поэтому в этом случае используют трансформаторные агрегаты, состоящие из регулировочного и печного трансформаторов или из главного и вольтодобавочного трансформаторов. Все трансформаторы выполняют стержневыми. Основным видом охлаждения печных трансформаторов является масляно – водяное с принудительной циркуляцией масла. Особенностью ферросплавных печей является сравнительно спокойный электрический режим работы, что несколько упрощает проблему создания систем автоматического управления.

Автоматизация ДСП. Наилучшим параметром регулирования оказалась разность сигналов тока и напряжения дуги. Использование этого параметра позволяет легко зажигать дугу, поддерживать на заданном уровне мощность, выделяемую в ванне печи, свести к минимуму взаимное влияние фаз и влияние колебаний питающего напряжения. Регулятор, параметром регулирования которого является разность сигналов тока и напряжения дуги, называется дифференциальным. При наличии в цепи индуктивного сопротивления ток и напряжение дуги изменяются по кривым, представленным на рисунке. Когда напряжение сети снизится до нуля, ток в дуге будет протекать за счет энергии, накопленной в индуктивности цепи. U, i Uc iд t 1 Uд Um Um Uз Uд U, i Uc t 2 φ iд ωt В момент перехода тока Iд через нуль напряжение сети Uс превысит напряжение зажигания U 3 и дуга вновь загорится. В данном случае ток дуги будет протекать непрерывно, а кривая ее напряжения представит собой ряд прямоугольников без разрыва. Таким образом, наличие индуктивности в цепи горящей дуги стабилизирует последнюю. С точки зрения надежности электроснабжения ДСП являются потребителями второй категории (допускают перерыв в подаче энергии не более 30 мин).

Дуговые вакуумные печи (ДВП). Плавка в ДВП позволяет исключить взаимодействие расплавляемого металла с атмосферой, осуществить глубокую дегазацию металла. Поэтому такие печи используют в основном для производства тугоплавких и химически активных материалов: циркония, титана, молибдена, вольфрама, а также высококачественных сталей с улучшенными свойствами. Находят применение в основном ДВП с расходуемым электродом. Материалом расходуемого электрода является сам переплавляемый металл (катод). Дуга в вакуумных печах существует в основном в парах плавящихся металлов, в условиях вакуума. Наибольшее применение в ДВП получила дуга постоянного тока, что объясняется большой устойчивостью ее горения. 3 50 Гц QF UZ LL 1 LL 2 Для питания ДВП серийно изготовляются тиристорные преобразовательные агрегаты серии ТВ (см. рис. ). Преобразователи выполнены по схемам «две обратные звезды с уравнительным реактором» . В состав каждого агрегата входят силовой трансформатор, сглаживающий реактор, преобразовательная секция. Для перемещения электрода используют гидравлические и электромеханические приводы. Привод должен обеспечить высокую кратность рабочей и маршевой скоростей (до 1: 800). Для перемещения поддона или кристаллизатора обычно используют гидропривод. Привод перемещения расходуемого электрода должен обеспечивать рабочие скорости порядка 5— 10 мм/мин и маршевые скорости для быстрой ликвидации коротких замыканий порядка 2000— 4000 мм/мин.

Плазменные дуговые печи (ПДП). 5 50 Гц 6 4 2 3 1 Схема одноплазматронной печи: 1 - подовый электрод; 2 - металл; 3 - рабочая дуга; 4 - сопло; 5 - катод; 6 - вспомогательная дуга; 7 — источник питания. 7 Основным элементом плазменной дуговой печи является плазматрон, в котором электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию низкотемпературной плазмы. В обычном дуговом разряде температура в столбе дуги составляет 6000 о. К, а в плазматроне достигает 10000 -40000 о. К. Это позволяет использовать его для плавки жаропрочных и тугоплавких металлов и сплавов, для восстановления металлов, плавки керамики и т. п. В качестве плазмообразующего газа используется аргон. Для повышения удельной мощности и температуры дугу сжимают, помещая ее в узкие каналы и диафрагмы и обдувая интенсивным потоком газов; с целью дальнейшего сжатия дуги используются сильные магнитные поля. В промышленности нашли применение в основном плавильные плазматроны постоянного тока, что объясняется более устойчивым характером дуги, стабильностью рабочего режима, более высокой стойкостью электрода.

Печи электрошлакового переплава (ЭШП). 1 2 5 4 3 Схема одноэлектродной печи электрошлакового переплава представлена на рисунке. Электрод 1 находится в ванне жидкого шлака 2 удерживаемого водоохлаждаемым кристаллизатором 3. Электрод и поддон 4 кристаллизатора подключены к источнику питания. Ванна жидкого шлака является проводником тока и выполняет функцию нагревателя. За счет выделяемого в шлаке тепла заготовка оплавляется и капли металла стекают вниз, образуя слиток 5. Для компенсации сплавления электрода он непрерывно подается вниз.

Индукционные плавильные печи (ИПП). По частоте тока различают: - индукционные печи промышленной частоты (50 Гц) — от сети обычно через понижающий трансформатор; - повышенной частоты (0, 5 — 10 к. Гц) — от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты; - высокой частоты (66 — 440 к. Гц) — от ламповых генераторов. Тигель Индуктор с жидкостным охлаждением Индукционные плавильные печи можно разделить на два типа: с замкнутым магнитопроводом (канальные) и без магнитопровода (тигельные). В тигельных расплавляемый металл находится в керамическом тигле, который помещен внутри индуктора. Тигельные печи промышленной частоты используют для плавки и выдержки чугуна (ИЧТ) и в качестве миксеров (ИЧТМ). Печи повышенной частоты (ИСТ) применяют преимущественно для плавки легированных сталей. В комплект электрооборудования индукционных печей промышленной частоты входят следующие элементы: коммутационное оборудование (выключатели, контакторы, разъединители), печной регулируемый трансформатор, индуктор, батарея конденсаторов, симметрирующее устройство, щит управления, аппаратура защиты, контроля, сигнализации, авторегуляторы и т. п.

Основные сведения о электронном нагреве. Источником электронов в пушке является катод 1, изготавливаемый из металлов с малым значением работы выхода электронов и допускающих нагрев до высокой температуры при сравнительно низкой скорости испарения. Наиболее полно этим требованиям отвечают вольфрам и тантал. В некоторых конструкциях сварочных пушек применяют катоды косвенного нагрева, изготовленные из лантаноборидных соединений, нагреваемые специальным источником тепла. Они обладают лучшими эмиссионными характеристиками по сравнению с металлическими катодами. Этот метод используется для повышения чистоты ранее выплавленного металла. 2 6 3 7 Вольфрам 1 Тантал 4 5

Электронно-лучевые плавильные установки (ЭЛПУ). 2 Высокое напряжение к вакуумнасосу 50 Гц 3 4 6 13 5 электроны Питание катода Пушка Выпрямитель 7 8 9 к вакуумнасосу Кристаллизатор Охладитель 12 10 11 1 1 -источник ускоряющего напряжения; 2 - высоковольтный изолятор; 3 - катод; 4 - вспомогательный анод; 5 - анод; 6 - блок питания цепи накала; 7 - система фокусировки; 8 - система отклонения пучка; 9 - система развертки; 10 - кристаллизатор; 11 - механизм вытягивания слитка; 12 - переплавляемый металл; 13 -механизм подачи стержня переплавляемого металла. Разработаны электронные пушки магнетронного типа, в которых пучок формируется в однородном магнитном поле. Под действием электрического и магнитного полей электроны движутся по винтовой траектории. В пушках магнетронного типа есть возможность снизить ускоряющее напряжение при одинаковой мощности.

Устройство и работа газового лазера. ЛАЗЕР – это оптический квантовый генератор когерентного света. Когерентным называется световое излучение, кванты которого находятся в одной фазе колебаний. Газовый лазер Полупрозрачные зеркала Колба с газом Излучение Лампа накачки Лазеры работают как в импульсном так и в непрерывном режиме. Импульсные лазеры развивают очень большую мощность в импульсе, но относительно небольшую среднюю мощность. Непрерывные лазеры имеют меньшую среднюю мощность, но поддерживают её в течение долгого времени.