книги из ГПНТБ / Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи

По приведенным в табл. 8 и 9 электрическим параметрам построены нагрузочные характеристики печей обоих типов.

Анализ этих характеристик показывает, что на первых двух сту­ пенях для печей первого типа и на первых трех ступенях для печей второго типа режим работы при номинальных токах лежит за точкой перегиба кривых полезных мощностей и поэтому эти ступени не могут быть использованы для нормальной эксплуатации печей.

Наиболее эффективными с точки зрения максимальной произво­ дительности являются высшие ступени напряжения: для печей пер­ вого типа — пятая (141 В), а для второго типа — шестая (132,5 В). На рис. 136, а, б приведены нагрузочные характеристики для этих ступеней напряжения.

Для характеристики всех ступеней напряжения в табл. 10 и 11 приведены основные показатели работы печей при номинальных токах.

Как видно из этих таблиц, при номинальных токах наибольшая мощность подводится к первым печам на пятой ступени — 6590 кВт, а ко вторым печам на шестой ступени — 6420 кВт. Фактически сред­ няя мощность печей бывает на 5— 10% больше. Это объясняется тем, что к печным трансформаторам обычно подводится напряжение 10,5 кВ, т. е. на 5% превышающее номинальное. Вследствие этого повышается и напряжение на низкой стороне печного трансформа­ тора. На шестой ступени печи второго типа напряжение холостого хода равно уже не 132,5, а 139 В, и соответственно у печи первого

180

Рис. 136. Нагрузочные характеристики печей:

а — печь первого типа, ступень напряжения 141В; б — печь второго типа, ступень напряжения 132,5 В

видно, что при номинальном токе 32,5 кА подведенная мощность печи составляет 6700 кВт, а при перегрузке по току на 5% мощность печи поднимается до 7000 кВт.

В настоящее время на ряде заводов широко внедрены закрытые печи типа РКЗ-16,5 оснащенные тремя однофазными трансформато­ рами мощностью по 5500 кВА. Печи имеют ванну круглой формы и три самоспекающихся электрода. Диаметр кожуха печи 7800, диа­ метр плавильного пространства 6100, глубина ванны 2300 мм. Свод печи металлический водоохлаждаемый из отдельных секций, имеет на внутренней стороне обмазку из жароупорного бетона.

181

На некоторых печах мощность трансформаторов была увеличена до 7000 кВА за счет усиления обмотки. В табл. 12 приведена харак­ теристика трансформатора.

Обследование, проведенное В. Л. Розенбергом с сотрудниками [29], позволило установить электрические параметры печи (табл. 13).

На рис. 137, б приведены электрические характеристики печи РКЗ = 16,5 на двух наиболее часто применяемых ступенях напряже­ ния трансформатора: четвертой — 175 В (сплошные линии) и пятой — 166 В (пунктир). Вертикальные линии идут в точки перегиба кривых активной Ракт и полезной Р пол мощностей.

3. Дуга при выплавке 45%-ного ферросилиция

А. Специфические свойства плавки 45%-ного ферросилиция. На

ферросилиция — составляет 1340— 1410° С. Сплав, образующийся при температуре выше точки его плавления, быстро стекает на дно тигля. Кроме того, процесс выплавки ферросилиция проходит почти без образования шлаков: все продукты реакции, не вошедшие в сплав, улетучиваются в газообразном состоянии из зоны реакции через колошник.

Благодаря этим обстоятельствам толщина магмы (слоя полужид­ кой вязкой массы) незначительна, и тигель, образующийся во время работы печи, сохраняет свою форму и после отключения печи. Тигель

183

имеет более или менее правильную форму тела вращения. Верхняя часть тигля оканчивается у поверхности электрода. За тиглем начи­ нается слой непрореагировавшей шихты, прилегающей к телу элек­ трода.

Таким образом, в период работы печи торец электрода погружен в газообразную среду тигля. Часть тока проходит через газовую среду в виде электрической дуги, а другая часть ответвляется от боковой поверхности электрода в шихту.

При отключении печи электроды поднимают вверх. Чтобы избе­ жать провала шихты в тигель, электроды обычно держат так, чтобы их торцы не поднимались выше вершины тигля.

После отключения печи форма тигля остается почти неизменной. При повторном включении электроды отстоят на значительном расстоянии от дна тигля, а газовая сфера сильно охлаждена. Поэтому дуга не может загореться и в начальной стадии включения печи ток

проходит только через шихту.

В течение определенного промежутка времени после включения печи электроды оставляют в неподвижном состоянии. Это объяс­ няется следующим обстоятельством. При остывании печи остывает также шихта вокруг электрода и прилипает к электроду. Вслед­ ствие этого исчезает тот незначительный зазор между электродом и шихтой, который в период работы печи обусловливается высокой температурой и отходящими газами. Поэтому после включения печи нужен некоторый промежуток времени, чтобы электрод приобрел необходимую подвижность.

В дальнейшем, после некоторого разогрева печи, начинается регулирование перемещением электродов.

При достаточном опускании электродов и повышении темпера­ туры возникают перемежающиеся, прерывистые дуги; затем дуга начинает гореть устойчиво.

Задача исследования заключается в осциллографировании всех процессов, протекающих в ванне печи с момента включения ее до развития устойчивого нормального дугового режима.

Так как Для нормального хода печи весьма важное значение имеет общий тепловой режим, ниже приведено описание печи средней мощности до исследования.

Б. Работа печи до исследования. Печь для выплавки 45%-ного ферросилиция, на которой было проведено исследование дуги, дли­ тельное время находилась в холодном резерве. Через четверо суток после пуска она вошла в свой нормальный режим по мощности. В те­ чение последующих пяти суток печь работала без простоев и средне­ суточная мощность печи составила 7150 кВт. Однако в связи с про­ должавшимся разогревом ванны производительность печи была ниже нормальной и составляла —25 т сплава в сутки.

На 10-й день после пуска печь была выключена на 12 мин, а в по­ следующие два дня была переведена на режим потребителя-регуля­ тора и простояла ~ 8 ч. Вследствие этого уменьшилась и производи­ тельность печи. На 13-й день печь снова начала работать в нормаль­ ном тепловом режиме и ее производительность достигла номинала

184

йбго значения — 30—31 т сплава в сутки. Параллельно с Этйм сни­ зился и удельный расход энергии на 1 т сплава. После четырех дней нормальной работы печь снова была переведена на режим потреби­ теля-регулятора и в течение девяти дней работала со среднесуточ­ ными простоями 6,5 ч.

Для учета потерь энергии во время горячего простоя печи в одной из наших работ было введено понятие о потерях холостого хода печи [33]. В этой работе показано, что тепловые потери печи во время горячего простоя примерно равны тепловым потерям во время нормального хода печи. Для печи мощностью 7500 кВА потери хо­ лостого хода составляют ~1500 кВт. Во время нормальной работы печи эти потери пополняются за счет электроэнергии, поступающей из сети. При горячих простоях тепловые потери покрываются энер­ гией, аккумулированной в ванне печи. При повторном включении печи после более или менее длительного простоя часть электроэнер­ гии тратится на восстановление теплового режима. Таким образом, печь как в период горячего простоя, так и в последующий за ним период работы находится в неустановившемся тепловом режиме.

Это весьма важно для процесса горения дуги. Естественно, что в период разогрева печи, когда часть энергии тратится на аккуму­ лирование тепла в ванне, температурные градиенты в тигле будут более неравномерны; температура в тигле в этот период будет несом­ ненно ниже и процессы деионизации будут приводить к частным обрывам дуги и неустойчивому ее горению.

Именно в таком неустойчивом тепловом режиме находилась печь перед описанными ниже исследованиями. Для полной характери­ стики работы печи в табл. 14 приведены основные производственные показатели печи за 20 дней, предшествовавших испытаниям.

ТАБЛИЦА 14

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧИ ДО ИСПЫТАНИЙ

185

В. Исследование дуги при различных режимах. Испытания были начаты на 25-й день после пуска печи. При осциллографировании дуги прежде всего необходимо было удостовериться в отсутствии влияния посторонних магнитных полей на работу осциллографа и в чистоте кривой напряжения энергосистемы. Поэтому после уста­ новки и наладки осциллографа прежде всего было сделано несколько контрольных записей линейного и фазового напряжения с высоко­ вольтной стороны печных трансформаторов. Записи показали, что напряжение системы было синусоидальным и не имело заметных искажений. Следовательно, все искажения формы кривых напряже­ ния и силы тока, которые были зарегистрированы в последующих осциллограммах являлись результатами влияния печной дуги.

Перед осциллографированием печь работала с номинальной нагрузкой —7000 кВт в течение 6 ч 15 мин, поэтому она находилась

вдовольно устойчивом тепловом режиме.

Вмомент снятия первой осциллограммы в начале исследования (рис. 138, а) мощность печи составляла 7200 кВт при фазовых токах 33—35 кА и фазовых напряжениях 75 В.

На этой осциллограмме зарегистрированы фазовое и линейное напряжения первой фазы печи.

Как видно из осциллограммы, обе кривые несколько искажены, но довольно близко подходят к синусоиде. Линейное напряжение сдвинуто относительно фазового на угол 58°. Это объясняется тем, что фазовое напряжение при подключении к осциллографу цепи фазового напряжения было смещено на угол 180°.

Вторая осциллограмма (рис. 138, б) была снята через 1 ч после первой (иф = 75 В, i = 35 кА). Режим мощности, силы тока и напря­ жения остался неизменным. К двум предыдущим вибраторам был добавлен третий для измерения силы тока при помощи магнитного пояса.

Ход кривых напряжения остался почти неизменным, кривая силы тока несколько искажена. Как было указано выше, это объяс­ няется тем, что магнитный пояс регистрирует не ток, а индуктиро­ ванную э. д. с. Кривая силы тока должна быть искажена меньше, чем показывает пояс. С точки зрения улавливания искажений тока магнитный пояс удобен тем, что он не ослабляет, а наоборот, усили­ вает высшие гармоники, содержащиеся в кривой силы тока.

Третья осциллограмма (рис. 138, в) снята в устойчивом тепловом режиме через 3 ч после второй. Таким образом, к моменту снятия этой осциллограммы печь проработала бесперебойно более 10 ч.

За такой длительный период, несомненно, печь вошла в свой устой­ чивый тепловой режим. Дуга при таких условиях должна гореть не только без обрывов, но и без заметного искажения. Действительно, как видно из осциллограммы, кривые линейного и фазового напряже­ ний почти синусоидальны. Кривая тока, снятая опять-таки магнит­ ным поясом, искажена меньше, чем в предыдущем случае.

Нужно еще иметь в виду, что эта осциллограмма снята через 10 мин после выпуска сплава. Во время выпуска, когда из тигля уходит значительное количество горячего сплава, температура внутри

186

Рис. 138. Осциллограммы, снятые при выплавке 45%-ного ферросилиция; —

линейное напряжение; Цф — фазовое напряжение; i — ток

тигля несколько снижается, а ионизация газов уменьшается. Вслед­ ствие этого ухудшаются условия для устойчивого горения дуги. Несмотря на это, в течение 10 мин, последовавших за выпуском, тепловой режим настолько восстановился, что дуга в данном случае горела спокойнее и с меньшими искажениями, чем в предыдущем. В момент снятия этой осциллограммы мощность печи составляла 7500 кВА при силе тока 35—36 кА.

В четвертой осциллограмме (рис. 138, г) записаны те же величины, но в испытуемой фазе ток поднятием электрода вверх был снижен До 25 кА («ф = 78 В). Осциллограммы были записаны сейчас же после снижения силы тока. Несмотря на такое значительное изме­ нение величины тока, форма кривых силы тока и напряжения не претерпела почти никаких изменений.

Это указывает на весьма высокую степень ионизации и диссо­ циации газовой сферы тигля при нормальной работе печи.

187

К сожалению, по условиям эксплуатации нельзя было допустить длительную работу печи с таким большим перекосом токов, но из испытаний другой печи видно, что при длительном уменьшении силы тока в одной фазе дуга горит с значительными искажениями.

В дальнейшем печь была переведена на режим регулятора энерго­ системы и отключена; она простояла —5 ч.

При составлении плана испытаний намеренно была выбрана такая печь, которой мог быть задан режим потребителя-регулятора. Проб­ лема работы руднотермических печей в режиме потребителя-регуля­ тора освещена в работе автора [34 ], и здесь не будем останавливаться на ней. Остановки печей, связанные с этим режимом, были весьма удобны для производившихся испытаний, так как благодаря им созда­ валась возможность следить за ходом печи после длительного простоя и остывания ее тигля.

Для печей, работающих в режиме потребителя-регулятора, выработаны особые методы ухода за печью, создающие наименьшие потери тепла в период простоя. Обычно при отключении печи элек­ троды поднимают вверх и колошник надежно закрывается свежей шихтой, благодаря чему резко уменьшается излучение тепла. То же было сделано и в данном случае.

Последующие осциллограммы характеризуют ход печи после включения.

В этой группе о'сциллограмм регистрировали только фазовое напряжение и силу тока, причем ток фиксировали методом падения напряжения.

При отключении печи электроды были подняты высоко, ванна за время длительного простоя сильно остыла, поэтому печь в момент включения забрала всего 3000 кВт при силе тока 10— 11 кА и фазо­ вых напряжениях 80—85 В.

Через 2 мин мощность повысилась до 3500 кВт при силе тока 12— 13 кА, а через 5 мин — до 3700 кВт при силе тока 15 кА. На рис. 138, д зафиксирован первый момент работы печи после включения.

О дуговом режиме в этот период работы печи не могло быть и речи, так как электроды стояли высоко и, следовательно, расстояние от пода до торца электрода было слишком велико. Тут следует заметить, что иногда специалисты считают, что горение дуги возможно между электродом (его торцом или боковой поверхностью) и боковой по­ верхностью цилиндрической части тигля, образуемой шихтой после поднятия электрода вверх. Возможность возникновения такой дуги, конечно, не исключена. Но такая дуга длительно гореть не может, так как это приведет к несимметричному местному перегреву шихты. Кроме того, для осуществления такой дуги необходимо, чтобы элек­ тропроводность части шихты, соединенной последовательно с такой дугой, была достаточной.

Таким образом, дуга, возникшая у боковой поверхности колодца тигля, должна быстро исчезнуть как ненормальное явление. Вер­ немся теперь к эксперименту. В рассматриваемый момент дуга в печи не могла существовать и потому, что тигель сильно остыл и отсут­ ствовали условия для ионизации газовой среды тигля.

188

Следовательно, за рассматриваемый период печь должна была работать исключительно по принципу печи сопротивления. Действи­ тельно, как видно из осциллограмм, кривые силы тока и напряже­ ния — чистые синусоиды без искажений. Через 8 мин после пуска сила тока достигает 18 кА, а мощность — 4300 кВт.

Несмотря на то что электроды оставались неподвижными благо­ даря разогреву шихты и повышению электропроводности последней, сила тока и мощность печи продолжали нарастать.

Через 10 мин после пуска сила тока достигла 20—21 кА при мощ­ ности 5000 кВт.

Следующая осциллограмма (рис. 138, е) записана спустя 13 мин от начала пуска печи при силе тока 24 кА, мощности 5300 кВт и фазовых напряжениях 80—70— 85 В.

Кривые силы тока и напряжения и при этом режиме весьма близки к синусоиде, хотя у кривой напряжения в периоды пиков уже заме­ чалось некоторое искажение.

С течением времени нарастание тока продолжалось. Спустя 25 мин после пуска печи сила тока повысилась до 28 кА при мощности 6200 и напряжениях фаз 80— 73—88 В.

Из осциллограммы, снятой в этот момент, т. е. после увеличения силы тока (/') и заглубления электродов в шихту и'ф (рис. 138, ж), видно, что кривые силы тока и напряжения остаются почти синусо­ идальными.

Во время горячего простоя печи, как указано выше, шихта обычно остывает и прилипает («примерзает») к телу электрода, вследствие чего увеличивается сила трения электрода о шихту. Поэтому после горячего простоя, в первый период пуска, во избежание излишних механических напряжений в теле электрода и возможных его по­ ломок, печь обычно работает при неподвижных электродах.

После того как ванна достаточно разогреется и шихта вокруг электродов достаточно оплавится и освободит электрод, последний без опасности его повреждения может быть смещен вверх или вниз.

Весьма важную роль в этом вопросе играет и температурный режим. В период разогрева неравномерность температуры как в осе­ вом, так и в радиальном направлениях тела электрода, обусловли­ вает в последнем дополнительные механические перенапряжения, вызывающие иногда трещины в нем и его поломки.

Это хорошо известно обслуживающему персоналу из практики эксплуатации, поэтому при пуске печи обычно в течение более.или менее длительного периода электроды оставляют неподвижными.

Как было отмечено, этот период в описываемом случае длился 25 мин. По истечении этого времени персонал начал регулировать печь опусканием электрода. Мощность печи была доведена до 7300 кВт при силе тока 35 кА и фазовых напряжениях 80— 65— 82 В.

При увеличении посадки электрода и повышении мощности печи

с6200 до 7300 кВт несомненно в тигле должна была возникнуть дуга.

Вэтом случае существенно важно было^зафиксировать момент возникновения этой дуги, поэтому на той же осциллограмме были

189