Тема 6.3. Електрообладнання дугових електропечей і установок.

1. Принцип дії і загальна будова електродугових печей.

Електричні дугові печі призначені для плавлення металів і сплавів.

В печах цієї категорії теплова енергія виділяється в електричних дугах, які горять між графітовими або вугільними електродами і поверхнею металу.  

Дугові печі по способу передачі тепла можна класифікувати наступним чином:

Дугові печі прямого нагріву (рис.6.11а), в яких дуга горить між електродом і розплавленим металом, використовують для плавлення чорних і тугоплавких металів і сплавів.

Дугові печі непрямого нагріву (рис.6.11б), в яких дуга горить між електро -дами, використовують для плавлення кольорових металів, іноді чавуна.

В руднотермічних дугових печах (рис.6.11в) основна частина теплової енергії виділяється частково в електричній дузі і частково за рахунок проходження струму через шар розігрітої до високої температури шихти. В цих печах сполучають два принципу виділення енергії, які характерні для дугових печей прямого нагріву і печей опору прямого нагріву.

 

Рис.6.11. Загальна будова дугових печей.

а – прямого нагріву; б – непрямого нагріву; в – руднотермічної; 1 – електрод;

2 – область дугового розряду; 3 – область виділення тепла в опорі шихти; 4 – шихта, яка не вступила в реакційну зону; 5 – рідкий продукт (сплав)

Промисловість випускає основні серії дугових сталеплавильних печей: ДС – трифазні, з ручним завантаженням; ДСП – трифазні, з поворотним зведенням і верхнім завантаженням; ДСВ – трифазні, з викаткою ванни і верхнім завантаженням; ДУМ –, які працюють на рідкій заливці чавуна і ДМ – однофазні для плавлення міді та її сплавів.

Загальний вигляд компоновки установки найбільш розповсюдженої дугової сталеплавильної печі ДСП-100 даний на рис.6.12. Номінальна ємність печі 100 т. Установка складається з самої печі 1, електродів 2, вторинного струмопроводу або короткої мережі 3, пічного трансформатора 4 потужністю 50 MB·А, напругою 110 кВ, ошиновки 5 сторони високої напруги трансфор -матора, приміщень 6 і 7, в яких розміщені станції і пульти управління піччю, кабельного вводу 8, агрегату живлення 9 і струмопідводу 10 і електро- приводу 11 нахилу ванни для зливання металу.

 

 

 

Рис. 6.12. Компоновка електрообладнання сталеплавильної печі ДСП-100.

2. Режими роботи електродугових печей.

Корисна електроенергія, яка необхідна для нагріву і розплавлення 1 т сталі в дуговій сталеплавильній печі з твердою завалкою, складає понад 340 кВт·год/т.

Робота в дуговій сталеплавильній печі починається з процесу розпалювання електричної дуги в режимі короткого замикання. Цей режим є відносно ко -роткочасним, але найбільш важким. При цьому в електрообладнанні виника -ють міцні електродинамічні навантаження. Перевантаження досягає 20%.

Другим за навантаженням є режим розплавлення металу. При цьому піч споживає також значно велику потужність понад 80%.

Під час варки сплаву споживається менша потужність, яка необхідна лише для підтримання необхідної температури, - явно виражений дуговий режим.

3. Електропостачання дугових електропечей.

 Електропостачання дугових сталеплавильних печей здійснюється від власних трансформаторних підстанцій, в яких встановлюють спеціальні електропічні трансформатори напругою 6, 10, 35 и 110 кВ на первинній стороні і з широким діапазоном регулювання напруги на вторинній стороні (від 100 – 185 до 320 – 510 В), а також відповідну комутаційну і захисну апаратуру на первинній і вторинній стороні. Комплект пускорегулювальної апаратури для управління приводами механізмів печі встановлюють в спеціальному електроприміщенні або на підстанції.

В установках дугових печей використовуються спеціально призначені для них трифазні масляні трансформатори (пічні трансформаторні агрегати). Потужність пічного трансформатора являється важливим параметром дугової печі і визначає тривалість розплавлення металу, що значно впливає на про - дуктивність печі. Нові установки печей комплектуються пічними трансфор -маторними агрегатами підвищеної потужності типів ЭТМПК, ЭТЦПК та ін.

В позначенні типу трансформаторного агрегату: Э – електропічний; Т – трифазний; М – масляне природне охолодження; Ц – масляно-повітряне охолодження; П або Н – перемикаючій пристрій;  ПБВ (переключення без збудження, тобто без навантаження) або РПН (регулювання під навантажен -ням); К– комплектний (агрегат з трансформатора і реактора). При цьому, наприклад, для печей типу ДС– 0,5А потужність трансформатора складає 630 кВ·А, типа ДС–ЗМ2, – 2000 кВА, типу ДСП–12Н – 8000 кВ·А.

В табл.6.2. надається ряд потужностей пічних трансформаторів від ємності дугової електропечі.

Пічні трансформатори мають підвищену надійність і динамічну стійкість струмоведучих частин і кріплення.

Для печей з завантаженням до 3 т. пічні трансформатори мають масляно-

повітряне охолодження, а для печей більшого завантаження, – масляно-водяне з примусовою циркуляцією масла. Живлення дугових електропечей створюється вторинним струмопроводом («короткій мережі»), який має малу довжину і великий переріз мідних шин внаслідок значних струмових навантажень (сотні і тисячі ампер). Від величини опору цього кола в значній мірі залежать електричні втрати печі. Для стійкого горіння дуги коротка мережа повинна мати визначений індуктивний опір, для досягнення якого в мережу додатково вмикається реактор.

Табл. 6.2. Ряд потужностей пічних трансформаторів.

Номінальна ємність печі, т	0,5	1,5	3,0	6,0	12	25	50	100	200
Номінальна потужність трансформатора, МВ·А	0,63	1,25	2,0	4,0*	8,0*	12,5*	20* 25	32* 50*	45 125*

 

*- можливість перевантаження на 20% під час розплавлення.

 

Необхідна потужність пічного трансформатора визначається за формулою:

              

- G – продуктивність печі, т/год.;

- w – питомі витрати електроенергії, кВт·год/т;

- K – коефіцієнт використання трансформатора, К = 0,75 ÷ 0,85;

- сosφ – коефіцієнт потужності, cosφ = 0,85÷0,93.

  

 

                                                                                1 – ошиновка; 2 – кабельна гірлянда;

Рис. 6.13. Коротка мережа дугових печей.     3 – трубошина; 4 – електродний тримач.                                                                                          

                                                                                 5 – електрод.                                                                                         

                                                                                    

                                                                                         

 

                                                            

                                  Рис.6.14. Електрична схема силового кола дугової печі.

                                         

                                  ЕДП – електродугова піч.

                                  TV2 – пічний трансформатор;

                                  SA1 – роз’єднувач служить для подачі и зняття напруги при                 

                                  відключеному вимикачі.

                                  QF1– масляний або повітряний пічний вимикач, призначений для

                                  оперативного включення і відключення пічного трансформатора

                                  при всіх  навантаженнях –від холостого ходу до коротких замикань.  

                                  L – струмообмежувальний реактор, який по закінченні плавлення

                                  шихти шунтується вимикачем QF2.

                                  SA2 – перемикач переключення первинної обмотки з трикутника в    

                                  зірку.

                                  Трансформатори струму ТА1, ТА2, трансформатори напруги ТV1 і

                                 ТV2 служать для підключення вимірювальних приладів, апаратури

                                 керування і захисту.

                                   Установки дугових електропечей оснащуються релейним захистом

                                  від струмів КЗ. Всі пічні трансформатори мають газовий двоступе -      

                                  невий захист.

                                  В печах ємністю до10т використовують схему «зірка на                                    

                                  електродах».

                                      

 

 

  4. Схема регулювання потужності дугових електропечей.

Основним способом регулювання потужності дугової печі являється регулювання положення електродів відносно загрузки (металу) в печах прямого нагріву або відносно друг друга в печах непрямого нагріву.    

Автоматичне регулювання переміщення електродів здійснюється регулятором, який реагує на зміну електричного режиму печі і впливає на електропривод переміщення електрода. Автоматичний регулятор має вимірювальний орган, який контролює для регулювання параметр (струм або напругу дуги), і командний орган, який впливає на механізм переміщення електрода.

Для прикладу розглянемо роботу схеми (рис.6.15.) регулятора типу АРДМТ (автоматичний регулятор дуги, механічна передача, тиристорний).

 

 

 

     Рис.6.15. Електрична схема регулятора АРДМТ.

Робота схеми.

Якір двигуна постійного струму М отримує живлення від тиристорного перетворювача, який складається з двох комплектів тиристорів: ТПС і ТПП (спуску і підйому).    

Перетворювач виконаний по трифазній нульовій зустрічно-паралельній схемі з силовим трансформатором TV3 і зрівняльними реакторами L1 і L2.

Керування тиристорами – сумісне. Воно здійснюється за допомогою двох блоків імпульсно-фазового керування БІФКп і БІФКс, на входи яких поступають сигнали від блоку керування БК. В залежності від знака результуючого сигналу на вході БК фаза відкриваючих тиристори імпульсів, які формуються в БІФКп і БІФКс, відповідає випрямляючому режиму одного з комплектів ТПС або ТПП. Другий комплект при цьому може функціонувати тільки в інверторному режимі. При роботі ТПC випрямлячем двигун М здійснює спуск, а при роботі ТПП випрямлячем – підйом електроду.

Вимірювальна частина схеми (вимірюється струм і напруга дуги) працює наступним чином: різниця сигналів U_TV1 і U_TV2  з плечей потенціометра R3, R4 поступає па вхід БК. При заданому режимі U_TV1 – U_TV2 = 0. Напруга на вході БК також дорівнює нулю. Тиристори комплектів ТПП і ТПС закриті, ротор двигуна нерухомий. Якщо струм дуги стане більше ніж заданий, то на вході БК між точками 1 и 2 з’явиться напруга, полярність якої відмічена на схемі (без дужок). В результаті комплект тиристорів ТПП буде переведений в випрямляючий режим, що створить пуск двигуна М в напрямку переміщення електрода вверх. Після відновлення електричного режиму печі двигун зупиниться. При зменшенні струму дуги в порівнянні з заданим, напруга між точками 1 і 2 поміняє полярність, відбудеться перевід в випрямляючий режим комплекту тиристорів ТПС, що забезпечить опускання електроду.

В схемі використаний жорсткий негативний зворотний зв’язок по напрузі якоря двигуна М для стабілізації його обертів. Сигнал зворотного зв’язку знімається з потенціометра R7, згладжується конденсатором С і далі з потенціометра R8 подається на вхід БК зустрічно сигналу непогодження. Цей зв'язок покращує роботу регулятора при коливаннях напруги мережі 380 В та інших збурень. При підйомі електроду в випадках великих порушень режиму печі (наприклад, при к. з. електроду) сигнал зворотного зв’язку обмежується стабілітроном VD5, що обмежує максимальну швидкість підйому величиною 5 м/хв. Опускання електроду відбувається при швидкості не менше 2 м/хв.

Вузол схеми, який складається з потенціометра R5, R6 та діодів VD3 і VD4, виконує функції завдання ширини зони нечутливості регулятора. Сигнал непогодження проходить на вхід БК тільки після того, як його значення буде перевищувати падіння напруги від стороннього джерела БЖ на відповідному плечі потенціометра R5, R6: на плечі R5 при U_TV1> U_TV2 або на плечі R6 при U_TV1< U_TV2. Зону нечутливості можна регулювати в межах від 3 до 10%.

Для обмеження поштовхів струму якоря двигуна в допустимих межах служить блок струмообмеження БСО с датчиком струму ДС. Сигнал від блоку БСО подається па вхід блоку БК. Полярність цього сигналу така, що при зростанні струму якоря вище ніж встановлений раніше, напруга комплекту тиристорів, який працює випрямлячем, – зменшується, а комплекту тиристорів, які працюють інвертором, - збільшується.    

Інверторний режим перетворювача виникає в процесі гальмування двигуна при його зупинці або реверсі.

 

5. Електромеханізми дугових електропечей.

 Дугові електропечі середнього і великого об’ємів мають наступні механізми:     

- механізми нахилу печі для зливу метала і шлаку;

- механізми повороту корпусу печі навколо своєї оси;

- механізми відкатки корпусу печі під завантаження шихтою;     

- механізми підйому зведення печі при відкатці корпусу;                        - механізми переміщення електродів;                                                        - механізми переміщення робочої площадки печі;                                    - механізми підйому заслінки робочого вікна.

На всіх механізмах печі, за виключенням механізмів переміщення електродів, встановлюють асинхронні електродвигуни з фазним та коротко -замкненим ротором металургійної або краново-металургійної серій.  

Електродвигуни переміщення електродів постійного струму працюють в повторно-короткочасному режимі. Всі ці електродвигуни, які працюють в важких умовах, вибирають закритого типу МТКМ, MTKF, MTKH з тепло - стійкою ізоляцією.

 

 

  Тема 6.4 «Електрообладнання установок індукційного нагріву.

1. Принцип дії і галузь застосування установок індукційного нагріву.

Індукційні печі і установки працюють по принципу виділення тепла в металі струмом, який індукований в йому швидкозмінним електромагнітним полем. Індукційні печі можуть бути зі сталевим осердям і без його. Печі з осердям живляться струмом промислової частоти, печі без осердя – струмом підвищеної частоти. Печі з осердям являють собою свого роду трансформатор, в якому первинна обмотка – індуктор включена в мережу змінного струму, а вторинну обмотку замінює тіло, яке нагрівається.

В електропечах і установках діелектричного нагріву виділення тепла в виробі відбувається за рахунок діелектричних втрат в діелектрику або напів- провіднику, який поміщений в змінне електричне поле між електродами, до яких підводять струм високої частоти 10⁶ ÷ 10⁹ Гц, напругою 6÷10 кВ.

Електричний нагрів за допомогою таких установок використовується при термічній обробці деталей, для отримання високоякісних сплавів і чистих металів.

 

2. Індукційні печі зі сталевим осердям (канальні печі) по конструкції схожі на силовий трансформатор. Піч має сталеве осердя – магнітопровід, первинну обмотку і вторинну обмотку в вигляді замкнутого каналу (кільцевого тиглю), який заповнений металом.

Принцип роботи заснований на виділенні тепла в кільцевому тиглі печі, який відіграє роль короткозамкнутого витка її вторинного кола. Виділене тепло нагріває і плавить метал.

Магнітний потік наводить у вторинному колі змінну ЕРС, діюче значення якої:            Е₂ = 4,44·Ф·w₂·F, В.

Електроіндукційна піч відрізняється від трансформатора тім, що має місце суміщення вторинної обмотки з навантаженням, тому:

                , де

m₁ – коефіцієнт, який враховує падіння напруги в w₁ і розсіяння Ф, m₁>1.

Активна потужність, яка споживається піччю:

                   

  g – середня продуктивність печі, т/год;

с – питома теплоємність металу при розливі, кДж/кг;

t ₁ – час розплавлення металу, год;

t ₂ – час завантаження печі, год;

η – ККД печі, η = 0,74 ÷ 0,82 – для печей з литим осердям;  

                       η = 0,9 ÷0,96 – для печей зі сталевим осердям.

  Коефіцієнт потужності Cosφ = 0,6 ÷ 0,8.

Практична потужність печей складає до 1000 кВ·А.

                                                          

                                                                 

                                                                    Рис.6.16. Будова індукційної печі з осердям.                   

                                                                    1 – метал; 2 – корпус; 3 – футерована ванна;

                                                                    4 – плавильні канали; 5 – вентилятор 

                                                                    охолодження; 6 – магнітопровід; 7 – подовий 

                                                                    камінь; 8 – індуктор; 9 – зливний носок;

                                                                    10 – футерована кришка.

                                                                        Піднімання кришки здійснюється за допомо-     

                                                                    гою гідравлічного або електричного приводу.

 

3. Індукційні печі без осердя (тигельні печі).

Принцип роботи печі заснований на поглинанні електромагнітної енергії металом, тигель з яким поміщений в змінне магнітне поле. При нагріванні металу індукційним струмом за рахунок взаємодії струмів в індукторі і металі виникають електродинамічні зусилля. Направлення цих зусиль протилежні друг другу і приводять до витиснення металу від периферії до центру. В результаті цього поверхня розплавленого металу спучується, що сприяє циркуляції металу.

Індуктори печей виготовляють з мідної трубки з водяним охолодженням або мідного проводу з повітряним охолодженням. Індуктор і тигель кріплять на корпусі печі.

Струмопідвід до індуктору виконують мідними або алюмінієвими шинопроводами з роз’ємним з’єднанням, а також гнучким кабелем для забезпечення нахилу печі. Механізми нахилу печі, підйому кришки та завантаження печі виконують з електроприводом. Коефіцієнт потужності індукційних тигельних печей знаходиться в межах 0,05÷0,25 и для його підвищення встановлюють статичні конденсатори на підвищені і високі частоти.

Принципова схема включення індукційної печі промислової частоти (рис.6.17б) складається з трансформатора 4, контактора 5, конденсатора 7, дроселя 6, конденсаторної батареї 7а, однофазної печі 8, гідравлічної установки 9 для нахилу печі, охолоджувальних установок 11 і шафи управління 10. Конденсатор 7 і дросель 6 служать для створення симетрич -ного пристрою для балансування навантаження трьох фаз мережі при підключенні однофазної печі.

Ці печі по виду електроживлення на поділяються:

- печі промислової частоти (50 Гц) з живленням від заводських підстанцій;   

 - печі підвищеної частоти (0,5÷10 кГц) з живленням від електромашинних перетворювачів;

- печі високої частоти (50÷400 кГц) з живленням від лампових або напівпровідникових генераторів.

Рис. 6.17. Будова а) і схема включення б) індукційної печі без осердя.

По конструкції індукційні печі без осердя виконують відкритими – для плавки в повітряній атмосфері, а також герметично закритими для плавки в вакуумі та атмосфері нейтральних газів. Індукційні тигельні печі без осердя використовують в основному для плавки високоякісних марок сталей, чавунів, кольорових металів та сплавів (нікелю, міді та ін.).

Будова індукційної печі без осердя приведена на рис. 6.17а.

1 – індуктор, виготовлений з мідної трубки, яка охолоджується водою і за - живлюється від джерела змінного струму.

2 – метал (сплав).

3 – вогнетривкий тігель.

Схеми живлення установок індукційного нагріву.

Машинні перетворювачі виготовляють однокорпусними потужністю до 100 кВт і двокорпусними – 250, 500 и 1500 кВт з коефіцієнтом корисної дії 65–85%. Для збудження генераторів використовують напівпровідникові випрямлячі і тиристорні збуджувані. Для регулювання і підтримання напруги використовують магнітні і тиристорні підсилювачі. Компенсація реактивної потужності здійснюється статичними конденсаторами, на частоту 1000, 2500 и 8000 Гц з водяним охолодженням.

Агрегати серії ВПЧ виготовляються на потужності від 12 до 100 кВт, напругою від 200 до 800 В і робочі частоти в межах 2400 – 8000 Гц;

Агрегати серії ОПЧ – на потужності 250 – 500 кВт, напругою 800 – 1600 В и частоти 1 – 10 кГц;

Агрегати серії ВЭП – на потужності 60 и 100 кВт, напругою 800/400 В і частоти 2,4 і 8 кГц.

Тиристорні перетворювачі частоти (ТПЧ) – вид джерел живлення середньої частоти. Перетворювачі серії СЧИ випускаються на номінальні потужності 100 и 250 кВт і номінальну частоту 3,0 кГц (з регулюванням від 67 до 100%) і серії ТПЧ на номінальні потужності від 160 до 3200 кВт і номінальні частоти 0,5; 1,0; 2,4;1 8,0 кГц (з регулюванням від 80 до 100%).   

Номінальна напруга перетворювачів дорівнює 800 В з регулюванням в межах від 50 до 125%.

Схеми силових кіл живлення індукційних печей від електромашинного і тиристорного перетворювачів приведені на рис. 6.18.

 

                                                                   

 

                                                                                                                                                

                                                                                                                                                                          б)

 

Рис. 6.18. Схеми живлення індукційних печей: а) – з електромашинним перетворю - вачем, б) – з тиристорним перетворювачем.

4. Индукційні нагрівальні установки.

В такій установці індуктором створюється електромагнітне поле; воно наводить в металевій деталі вихрові струми, найбільша густина яких приходиться на поверхневий шар деталі, де і виділяється найбільша кількість тепла. Це тепло пропорційне потужності, яка підведена до індуктору, і залежить від часу нагріву та частоти струму індуктора. Шляхом вибору потужності, частоти та часу дії нагрів може відбуватися в поверхневому шарі різної товщини або по всьому перерізу деталі.

Індукційні нагрівальні установки можуть вбудовуватися в поточні і автома- тичні технологічні лінії.

Індукційний нагрів найбільш широко використовується для поверхневого гартування і для наскрізного нагріву під гарячу деформацію. Він дозволяє підвищити швидкість обробки для різного сортаменту деталей та покращити її якість, легше автоматизується, дає можливість нагріву окремих частин деталі. Поверхневе індукційне гартування, замінює такі дорогі операції як цементація, азотування та ін.

Гартувальні установки (індуктори) мають конструкцію в залежності від форм виробів (рис. 6.19.).

 

 

  

 

                                                

                                                 Рис. 6.19. Гартувальні індуктори.

а) – для гартування циліндричних поверхонь; б), в) – одновитковий і багатовитковий індуктори для гартування плоских поверхонь.

1 – індукторне кільце для створення змінного магнітного поля; 2 – шини для підводу напруги; 3 – контактні колодки; 4 – трубки для подачі і відводу води.

 

5. Високочастотні індукційні установки для діелектричного нагріву.

Індукційні установки для діелектричного нагріву використовують для теплової оброки непровідних матеріалів та напівпровідників, сушки деревини, паперу, лакофарбового покриття, для нагріву прес-порошків, пайки та зварювання пластмас і т. п. В установках діелектричного нагріву матеріал поміщують між пластинами робочого конденсатора, який включе -ний в коло і коливального контуру (рис. 6.20). Нагрів відбувається за рахунок виділення діелектричних втрат в матеріалі. Необхідно підтримувати постійний еквівалентний опір коливального контуру, для чого в коло коливального контуру C₁–L₁, який підключений до лампового генератора Л, вводять регульовані котушки індуктивності L_х та конденсатори С_х.

Для діелектричного нагріву використовують лампові генератори з частотою 0,5 – 300 МГц. Промисловість випускає серію високочастотних установок потужністю 3 – 60 кВт.

                                                                                   Рис. 6.20. Схема генератора для

                                                                                                     діелектричного нагріву.