Приборы защиты и измерения, автомати­ческий регулятор

н ения. В зависимости от спо­соба гашения дуги различают масляные, воздушные, элект­ромагнитные и вакуумные вык­лючатели. В масляном выклю­чателе^ дугу размыкания гасит минеральное масло, заполняю­щее бак выключателя. В воз­душном дугу гасит поток сжа­того воздуха; благодаря от­сутствию масла он является пожаро- и взрывоопасным. В электромагнитных выключате­лях гашение дуги производит­ся создаваемым в момент раз­мыкания контактов поперечным

Рис.133. Схема электропитания дуговой печи: КВН — кабель высокого напряжения; Р — разъединитель; ГВ - главный выключатель; ТН — трансформатор напряжения; ТТ — транс­форматоры тока; Др — дроссель (реактор); ШВ — шунтирующий выключатель; ПТ — печной трансформатор; ПСН — переключатель ступеней напряжения; ПД/Y — переключатель "треуголь­ник—звезда"; 1 — электрод; 2 — дуга; 3 — металлическая ванна

магнитным полем. Преимуществом этих выключателей является то, что они не нуждаются в сжатом воздухе и изоляционном масле. Вакуумные выключатели, используемые в цепях с на­пряжением 110 кВ и более, отличаются высоким сроком служ­бы, поскольку их контакты расположены в запаянной вакуум­ной дугогасительной камере.

Главный выключатель служит для всех оперативных вклю­чений и выключений печной установки во время ее работы. Кроме того, по сигналам соответствующих датчиков он отключает установку при нарушении нормального режима ра­боты (росте силы тока в короткой сети, повышении темпера­туры масла в системе охлаждения трансформатора и темпера­туры воды в системе охлаждения элементов печи и др.).

Дроссель или реактор служит для стабилизации горения дуг и ограничения токов короткого замыкания путем введе­ния в цепь индуктивного сопротивления и выполнен в виде трех обмоток с сердечниками, помешенными в кожух с мас-

437

л ом. Большое число витков в обмотках обеспечивает высокое индуктивное сопротивление дросселя. Иногда дроссель уста­навливают в одном кожухе вместе с трансформатором.

При включенном дросселе коэффициент мощности cos^p установки снижается, поэтому' после того, как в ванне на­копится много жидкого металла и дуги начинают гореть устойчиво, дроссель отключают, шунтируя его с помощью вспомогательного масляного выключателя.

На печах с трансформатором мощностью > 10 MB • А индук­тивное сопротивление трансформатора и короткой сети дос­таточно велико и в дросселе нет необходимости.

Печной трансформатор предназначен для преобразования электрической энергии высокого напряжения в энергию низ­кого напряжения. Трехфазный печной трансформатор состоит из трех связанных между собой сердечников, на каждом из которых закреплены обмотки высокого и низкого напряжения. Сердечник с обмотками помещены в кожух, заполненный тран­сформаторным маслом, являющееся изолятором и охлаждающее трансформатор. В трансформаторах мощностью > 5 MB • А при­меняют принудительную циркуляцию масла, которое пропуска­ют через водяной маслоохладитель. У некоторых трансформа­торов мощностью до 10 MB • А в кожухе с маслом дополнитель­но размещен дроссель, а у многих высокомощных — переклю­чатель ступеней напряжения, работающий под нагрузкой.

Мощность печных трансформаторов с течением времени увеличивают. Ранее мощность выбирали исходя из того, что полностью она используется только в период расплавления шихты, а в течение окислительного и восстановительного периодов — лишь на 30—70 %, так как после расплавления уменьшается потребность в подводимом в печь тепле. Поэто­му из-за низкой степени использования дорогостоящего высокомощного трансформатора считали более экономичным ставить на печь более простой и дешевый маломощный транс­форматор. В последние 10—15 лет сооружают дуговые печи преимущественно с высокомощными (600—900 кВ • А на 1т стали) трансформаторами, которые расплавляли бы шихту примерно за 1 ч. Эффективное использование высокой мощ­ности обеспечивается при этом за счет изменения техноло­гии плавки — вынесения основных операций рафинирования из печи в ковш. Данные о мощности трансформаторов на вновь сооружаемых и старых печах приведены ниже:

Вместимость печи, т 6 12 25 50 100 150 200

Мощность трансформа­тора, MB ■ А:

рекомендуемая 4 8 12,5 32 80 90 125

на старых печах 2,8-4 5-8 9-12,5 15-50 25-50 - 45

Печные трансформаторы конструируют так, что в период плавления они могут работать с перегрузкой в 20%. Переключатель ступеней напряжения служит для регулирова­ния мощности, отдаваемой печным трансформатором, что достигается путем изменения вторичного выходного напряже­ния трансформатора, т.е. напряжения на его низкой сторо­не. Для регулирования выходного напряжения в первичной высоковольтной обмотке делают несколько отпаек, выведен­ных на переключатель напряжения. Включая в работу большее или меньшее число витков первичных обмоток изменяют коэф­фициент трансформации и, тем самым, напряжение во вторич­ных обмотках, т.е. выходное напряжение трансформатора. Приводом переключателя обычно управляют дистанционно из пульта управления печи.

У печных трансформаторов мощностью 15—20 MB • А и бо­лее применены переключатели с 23 ступенями напряжения, позволяющие производить переключение под нагрузкой и рас­полагаемые в одном кожухе с трансформатором. Для менее мощных трансформаторов предусмотрены отдельные переключа­тели с 2—12 ступенями напряжения, они могут работать лишь при снятой нагрузке (отключенном главном выключателе).

На малых печах используют переключение обмоток высоко­го напряжения со схемы соединения "треугольник" на схему "звезда" и наоборот; переключение с "треугольника" на "звезду" уменьшает вторичное напряжение в 1,7 раза.

Короткой сетью называют токоподвод от трансформатора до головки электрододержателя. Она включает шины, идущие от трансформатора через стены трансформаторного отделе­ния, гибкие кабели от стены до рукава электрододержателя и шины или водоохлаждаемые трубы над рукавом электродо­держателя. На рис. 129 показаны элементы короткой сети 100-т дуговой печи — водоохлаждаемая токоведущая труба Па, гибкий кабель 116 и шина lie, идущая к трансформа­тору.

Поскольку на пути от трансформатора до электродов про­текает ток большой силы (до 50—100 кА), а электрические

438

439

потери в цепи пропорциональны величине тока в квадрате, длину короткой сети стараются делать минимальной, а печ­ной трансформатор устанавливают возможно ближе к печи. Длина гибкого участка должна обеспечить возможность наклона печи и подъема и опускания электродов; гибкие кабели на крупных печах делают водоохлаждаемыми.

Автоматический регулятор мощности или регулятор поло­жения электродов служит для поддержания заданной длины и мощности дуги на каждой ступени напряжения трансформато­ра. Мощность дуги при неизменной величине подводимого напряжения можно изменять, регулируя длину дугового про­межутка (длину дуги); при увеличении длины дугового про­межутка растет его электросопротивление, вследствие чего снижается сила тока дуги и, следовательно, ее мощность.

Автоматический регулятор, устанавливаемый на каждой фазе, используя в качестве входных сигналы, пропорцио­нальные силе тока и напряжению короткой сети, поддержи­вает неизменным заданное соотношение между напряжением и силой тока фазы, что при постоянном напряжении трансфор­матора обеспечивает постоянство силы тока, длины и, тем самым, мощности дуги. Если длина и сила тока дуги по какой-то причине изменились, регулятор воздействует на привод, который перемещает электрод до тех пор, пока будет восстановлено заданное соотношение между током и напряжением, т.е. заданная мощность дуги.

Контрольная и защитная аппаратура. На стороне высокого напряжения в главной цепи установлены (см. рис. 133) трансформаторы тока и напряжения, которые служат для под­ключения контрольно-измерительной и сигнальной аппаратуры и реле максимального тока, отключающего установку при аварийных коротких замыканиях. От трансформаторов тока, расположенных на шинах после печного трансформатора, и подаваемого напряжения короткой сети питается еше одна группа аппаратов: контрольно-измерительные приборы, авто­матический регулятор мощности (см. выше) и реле макси­мального тока, защищающее трансформатор от перегрузки (отключающее установку при полуторакратном увеличении тока в течение 10 с).

Устройство для электромагнитного перемешивания жидкого металла. Таким устройством оборудованы многие печи вмес­тимостью более 25т, работающие по традиционной технологии

440

Шлак Шлак

Рис. 134. Схема электромаг­нитного перемешивания ме­талла в дуговой печи в ре­жиме скачивания шлака (а) и перемещения ванны (б): 1 — статор; 2 — обмотка

с окислительным и восстановительным периодами. Устройство обычно включают во время восстановительного периода и при сливе шлака. Перемешивание ускоряет выравнивание состава и температуры металла, раскисление, десульфурацию и уда­ление неметаллических включений, облегчает скачивание шлака.

Под днищем печи, выполненным из немагнитной стали, устанавливают (см. рис. 134) вытянутый сердечник (ста­тор), изогнутый по форме днища, с двумя обмотками. Обмот­ки статора питаются двухфазным током низкой частоты (0,5—2 Гц) с углом сдвига фаз 90°, что создает в металле бегущее магнитное поле. Взаимодействие перемещающегося магнитного потока с наводимыми им в металле вихревыми токами вызывает перемещение нижних слоев металла в опре­деленном направлении, верхние слои металла начинают при этом перемещаться в противоположном направлении. Измене­ние направления движения металла достигают переключением полюсов одной из обмоток. Расход электроэнергии на элект­ромагнитное перемешивание составляет 5—20 кВт • ч/т.

5 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Электрическая дуга является основным источником тепла в дуговой сталеплавильной печи. Электрическая дуга или ду­говой электрический разряд в газовой среде — это поток электронов и ионов между анодом и катодом. При приложении к последним напряжения достаточной величины происходит эмиссия электронов с катода которые, соударяясь с моле­кулами газа в межэлектродном пространстве, вызывают их ионизацию; при этом положительно заряженные частицы дви­жутся к катоду, а электроны к аноду, создавая дугу. Дви­жущиеся к аноду электроны бомбардируют его, в результате

441

чего кинетическая энергия электронов превращается в теп­ ловую и световую, аналогичный процесс идет на катоде, бомбардируемым положительно заряженными частицами; темпе­ ратура бомбардируемого пятна анода составляет 3600-4000 °С, катода 3200-3600 °С, а температура столба дуги достигает 6000 °С.

В дуговой сталеплавильной печи дуга горит между элект­родами и металлом (жидкая ванна, нерасплавившаяся шихта) и представляет собой поток электронов, ионизированных га­зов и паров металла и шлака. Поскольку дуговые печи пита­ются переменным током, в течение каждого полупериода ме­няются катод и анод, а напряжение и сила тока дуги дости­гают максимума и проходят через ноль. Эмиссия электронов с катода существенно облегчается при повышении температу­ры катода, поэтому в дуговой печи после расплавления ших­ты дуга горит более устойчиво, чем в начале плавки при холодной шихте. Длина дуги на больших высокомощных печах может достигать 150—200 мм, сила тока 60—100 кА.

Мощность печного трансформатора и дуги. Как уже отме­ чалось (п. 5, § 1), в течение многих лет дуговые печи, работавшие по традиционной технологии с окислительным и восстановительным периодами, оснащали трансформаторами с невысокой удельной мощностью (от 130 до

200—400 кВ • А/т). В последние 10—15 лет, как правило, сооружают печи с высокомощными трансформаторами (600—900 кВ • А/т). Требуемую мощность трансформатора оп­ределяют расчетом, задаваясь длительностью периода рас­плавления шихты, которую принимают в пределах 1,0— 1,2 ч. Связь между этими параметрами следующая:

т • cos <р • т)_эл • К '

где S — номинальная мощность трансформатора, кВ • А; Т — масса металлической завалки, т; Q — удельный расход электроэнергии за период плавления (расплавление шихты и нагрев металла и шлака до ~ 1550 °С), кВт • ч/т; т — дли­тельность расплавления, ч; cos <p — коэффициент мощности печной установки; т?_эл — электрический к.п.д. установки; К - коэффициент, учитывающий колебания электрического ре­жима из-за неустойчивости горения электрических дуг (К «0,85).

Величина Q на высокомощных печах составляет 400— 430 кВт • ч/т, на печах с трансформаторами невысокой мощ­ности 450—480 кВт • ч/т. Значение т)_эл изменяется в преде­лах 0,95—0,8 и определяется величиной электрических по­терь в короткой сети, снижаясь при росте этих потерь; cosy изменяется в пределах от 0,9 до 0,7—0,6, его сниже­ние означает ухудшение использования отбираемой трансфор­матором из сети электроэнергии (снижение активной подво­димой в печь мощности р_л).

Подводимая от трансформатора в печь мощность (активная мощность р_а) определяется по известному для трехфазной

цепи соотношению: р_а = {//cos <p, где U — величина

вторичного напряжения печного трансформатора, В; /— сила тока в короткой сети (сила тока дуги), А_г Полезная мощ­ность (суммарная мощность дуг) р_л меньше р_а и равна: Рл ⁼ РаЧэп- Таким образом, мощность дуг в основном опре­деляется величиной питающего напряжения и силой тока ду­ги, а также значениями cosy и п_эл. Характер зависимости между этими величинами при постоянном значении вторичного напряжения трансформатора показан на рис. 135.

Регулирование подводимой в печь мощности и мощности дуг осуществляют двумя способами: путем переключения сту­пеней вторичного напряжения печного трансформатора (в пределах от 110 до 600—900 В) и изменением силы тока дуги /. Регулирование / основано на следующей закономерности: при неизменном вторичном напряжении величина / зависит от

с <х<РЛи Р.мвт

//	Pin
го	w	so во i,

О

Рис. 135. Электрические ха­рактеристики 100-т дубовой электропечи для ступени на­пряжения 486 В: р_а — активная мощность; р_д — мощность дуг; р_э„ — мощность электрических по­терь; Т}_эд — электрический к.п.д.; cos ip — коэффициент мощности; / — сила тока

442

443

чего кинетическая энергия электронов превращается в теп­ ловую и световую, аналогичный процесс идет на катоде, бомбардируемым положительно заряженными частицами; темпе­ ратура бомбардируемого пятна анода составляет 3600-4000 °С, катода 3200-3600 °С, а температура столба дуги достигает 6000 °С.

В дуговой сталеплавильной печи дуга горит между элект­родами и металлом (жидкая ванна, нерасплавившаяся шихта) и представляет собой поток электронов, ионизированных га­зов и паров металла и шлака. Поскольку дуговые печи пита­ются переменным током, в течение каждого полупериода ме­няются катод и анод, а напряжение и сила тока дуги дости­гают максимума и проходят через ноль. Эмиссия электронов с катода существенно облегчается при повышении температу­ры катода, поэтому в дуговой печи после расплавления ших­ты дуга горит более устойчиво, чем в начале плавки при холодной шихте. Длина дуги на больших высокомощных печах может достигать 150—200 мм, сила тока 60—100 кА.

Мощность печного трансформатора и дуги. Как уже отме­ чалось (п. 5, § 1), в течение многих лет дуговые печи, работавшие по традиционной технологии с окислительным и восстановительным периодами, оснащали трансформаторами с невысокой удельной мощностью (от 130 до

200—400 кВ • А/т). В последние 10—15 лет, как правило, сооружают печи с высокомощными трансформаторами (600—900 кВ • А/т). Требуемую мощность трансформатора оп­ределяют расчетом, задаваясь длительностью периода рас­плавления шихты, которую принимают в пределах 1,0— 1,2 ч. Связь между этими параметрами следующая:

т • cos <р • т)_эл • К '

где S — номинальная мощность трансформатора, кВ • А; Т — масса металлической завалки, т; Q — удельный расход электроэнергии за период плавления (расплавление шихты и нагрев металла и шлака до ~ 1550 °С), кВт • ч/т; т — дли­тельность расплавления, ч; cos <p — коэффициент мощности печной установки; т?_эл — электрический к.п.д. установки; К - коэффициент, учитывающий колебания электрического ре­жима из-за неустойчивости горения электрических дуг (К «0,85).

442

Величина Q на высокомощных печах составляет 400— 430 кВт • ч/т, на печах с трансформаторами невысокой мощ­ности 450—480 кВт • ч/т. Значение п_эл изменяется в преде­лах 0,95—0,8 и определяется величиной электрических по­терь в короткой сети, снижаясь при росте этих потерь; cosy изменяется в пределах от 0,9 до 0,7-0,6, его сниже­ние означает ухудшение использования отбираемой трансфор­матором из сети электроэнергии (снижение активной подво­димой в печь мощности р_а).

Подводимая от трансформатора в печь мощность (активная мощность р_а) определяется по известному для трехфазной

цепи соотношению: {//cos <p, где U — величина

вторичного напряжения печного трансформатора, В; /— сила тока в короткой сети (сила тока дуги), А_г Полезная мощ­ность (суммарная мощность дуг) р_л меньше р_а и равна: Ря ⁼ Pa4w Таким образом, мощность дуг в основном опре­деляется величиной питающего напряжения и силой тока ду­ги, а также значениями cosy и т|_эл. Характер зависимости между этими величинами при постоянном значении вторичного напряжения трансформатора показан на рис. 135.

Регулирование подводимой в печь мощности и мощности дуг осуществляют двумя способами: путем переключения сту­пеней вторичного напряжения печного трансформатора (в пределах от 110 до 600-900 В) и изменением силы тока дуги /. Регулирование / основано на следующей закономерности: при неизменном вторичном напряжении величина / зависит от

Рис. 135. Электрические ха­рактеристики 100-т дубовой электропечи для ступени на­пряжения 486 В: р_а — активная мощность; р_д — мощность дуг; р_э„ — мощность электрических по­терь; Т/_Эд — электрический к.п.д.; cos tp — коэффициент мощности; / — сила тока

cos<p,/it, р,мвт

а ктивного и реактивного сопротивлений короткой сети (на данной печи относительно постоянных) и от сопротивления воздушного промежутка между электродом и металлом. Изме­няя величину последнего, т.е. длину дуги, достигают изме­нения / (при увеличении дугового промежутка его сопротив­ление возрастает и поэтому / уменьшается и наоборот).

Для каждой ступени вторичного напряжения находят опти­мальные значения /, для чего строят полученные на основа­нии расчетов графики, аналогичные показанному на рис. 135. Величину / и соответственно длину дуги выбирают, стараясь обеспечить высокую мощность дуги при возможно больших значениях т)_эл и costp. Учитывают также то, что в период плавления, когда излучение дуг передается окружаю­щему их лому, желательно работать с длинными дугами, т.е. при увеличенной их излучательной поверхности, а при жид­кой ванне — на более коротких дугах с тем, чтобы умень­шить облучение стен и свода печи. Выбранный оптимальный режим на каждой ступени напряжения поддерживают с помощью автоматических регуляторов мощности дуг.

Электрический режим печей, работающих по традиционной технологии, основывается на том, что по потреблению электроэнергии процесс плавки делится на два этапа: пер­вый включает период расплавления, в течение которого рас­ходуется ~ 2/3 общего количества электроэнергии (430— 480 кВт • ч/т), второй — окислительный и восстановитель­ный периоды, когда после расплавления металла потребность в подводимой мощности резко снижается. Во время окисли­тельного периода подводимая мощность должна обеспечить нагрев металла до температуры выпуска и компенсацию теп-лопотерь, а в восстановительный период преимущественно поддержание температуры металла на необходимом уровне и компенсацию теплопотерь. Соответственно в период плавле­ния работают на высших ступенях напряжения трансформатора и относительно длинных дугах, что обеспечивает высокую подводимую мощность и хорошую излучательную способность дуг, в окислительный период — на средних ступенях напря­жения и в восстановительный период — на низших ступенях и укороченных дугах, что снижает подводимую мощность и уменьшает излучение на футеровку печи.

На высокомощных печах технология плавки включает пери­од плавления и короткий окислительный период, проводимый

с нагревом жидкого металла. Значительную часть периода плавления, когда излучение дуг поглощается стальным ло­мом, экранирующим стены печи, работают на высших ступенях напряжения и длинных дугах (при относительно небольших токах), что обеспечивает хорошую излучательную способ­ность мощных дуг при высоких значениях cos <p (~ 0,9). После сформирования жидкой ванны, чтобы уменьшить облуче­ние стен печи переходят на работу с короткими при больших токах и напряжении высокомощными дугами. Такие дуги в значительной мере заглублены в ванну, что увеличивает пе­редачу тепла жидкому металлу, но из-за больших токов сильно снижается cos^> (до 0,7—0,6). Чтобы повысить эко­номичность электрического режима разработана технология работы с "пенистыми" шлаками: во время плавления и окис­лительного периода на шлак загружают порции мелкого кок­са, это вызывает вспенивание шлака пузырями СО, образую­щимися при окислении углерода кокса. Электрические дуги оказываются погруженными во вспененный шлак, что позволя­ет несколько увеличить длину дуг, уменьшив силу тока; при этом cos^p возрастает до 0,8—0,85. По такому режиму рабо­тают большинство высокомощных печей.