книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

ных расширениях шин короткой сети и при вибрации бака транс­ форматора.

Ш и х т о в а н и ы й п а к е т ш и и представляет собой одну из наиболее длинных частей вторичного токопривода, поэтому при­ нимают все меры для уменьшения его индуктивного сопротивления. Это достигается размещением рядом проводников, токи в которых протекают в противоположных направлениях, т. е. путем шихтовки проводников. Чаще всего применяют шихтовку двух видов:

1) чередование прямого и обратного проводов одной фазы, ко­ торое применяют при выполнении короткой сети по схеме «треуголь­ ник» на электродах;

2) чередование проводов трех фаз в трехфазных печах по схеме «звезда» иа электродах.

Существо явлений, достигаемых шихтовкой шин, заключается в том, что индуктивность и, следовательно, индуктивное сопротив­ ление проводника, находящегося в шихтованном пакете, опреде­

чины М зависит от направления тока в проводнике. Если токи направлены в противоположные стороны, то величина М вычитается из величины L x.

Применение шихтовки позволяет свести индуктивное сопротив­ ление шихтованного пакета, составляющего половину длины от всей короткой сети, к 10—15% от ее общего сопротивления. Вели­ чина взаимной индуктивности зависит от расстояния между про­ водниками, и чем ближе расположены проводники, тем больше величина М. Поэтому целесообразно сближать между собой про­ водники там, где величина М отрицательна (противоположные направления протекания токов или разные фазы) и увеличивать при положительных значениях М.

Дробление токопровода фазы на ряд параллельных проводни­ ков, т. е. шихтовка и расшихтовка проводников при подходе к элек­ троду, приводит к некоторой асимметрии фаз и к различной длине шин фаз, что в свою очередь вызывает неодинаковое активное сопро­ тивление отдельных фаз. В результате разность полного, актив­ ного и индуктивного сопротивлений различных фаз при шихтован­ ных пакетах достигает 20—25%.

Если не применять шихтовки, эта разность может достичь 60— 80%, что обусловит перегрузку током наиболее загруженной «ди­

кой» фазы на 60—80%.

Г и б к и й т о к о п о д в о д. Электроды печи передвигаются в вертикальной плоскости, наклоняются при наклоне печи для слива металла и шлака и отворачиваются вместе со сводом для

91

Эл е к т р о д ы

На всех дуговых электропечах применяют электроды круглого сечения, диаметр которых определяется емкостью плавильного агрегата, а следовательно, подводимой электрической мощностью.

От качества электродов и способа подвода к ним электрического тока значительно зависят потери электроэнергии, составляющие до 10% и более всей подводимой к печи мощности.

Учитывая исключительно тяжелые условия, в которых нахо­ дятся электроды в процессе плавки, к ним предъявляют особые требования. Материал электродов должен выдерживать высокие температуры, быть достаточно механически прочным, обладать высокой электропроводностью и необходимой стойкостью против окисления, обеспечивать в местах сочленения плотность контакта.

Удовлетворять этим требованиям могут только изделия из угле­ рода. Сырьем для изготовления электродов служат графит, лучшие сорта антрацита и термоантрацита, каменноугольный, пековый

инефтяной коксы, естественный графит, бой электродных огарков. Для дуговых электропечей применяют угольные, графитирован-

ные и самоспекающиеся электроды. Угольные и самоспекающиеся электроды применяют главным образом при осуществлении рудовссстановительиых процессов в ферросплавных печах.

Для сталеплавильных процессов применяют преимущественно графитированные электроды, обладающие более высокими физико­ механическими и электротехническими свойствами по сравнению с угольными электродами.

Графитированные электроды характеризуются низким удельным сопротивлением (8—13 Ом-мм2/м), высокой термостойкостью, со­ держат мало золы. Допустимая плотность тока в этих электродах составляет 28, 16 и 14 А/см2 при диаметрах 150, 400 и 550 мм соот­ ветственно. В специальных графитированных электродах она дости­

гает 50 А/см2.

Сырьем для производства электродов служат природные и искус­ ственные углеродистые материалы, содержащие около 90% угле­ рода: графит, антрацит, термоантрацит, каменноугольный, пековый и нефтяной коксы, а также возвраты электродного производства. Для электродной продукции всех видов в качестве связующего вещества применяют каменноугольный электродный пек.

Принципиальная схема производства электродных изделий пока­

зана на рис. 45.

Все твердые кусковые материалы предварительно измельчают в дробилках (щековых или валковых) до кусков размером 40—70 мм,

Прокаливанию с целью уменьшения содержания влаги и лету­ чих веществ подвергают все виды углеродистого сырья, кроме нату­ ральных графитов. Прокаливание при 1150—1350° С обеспечивает высокую механическую прочность, плотность, термостойкость и высокую электропроводность электродов.

93

Из прокалочного отделения твердые углеродистые материалы поступают на измельчение в молотковых или валковых дробилках п шаровых мельницах, а затем на рассев. Размолотый материал разделяется на фракции при помощи вибрационных сит или бара­ банных грохотов и поступает на хранение в сортовые бункера.

Порошковый материал отвешивается в соответствии с дозиро­ вочным рецептом из сортовых бункеров, и подготовленная шихта подается в смесительные машины с паровым обогревом для тщатель­ ного перемешивания с расплавленным каменноугольным пеком до получения однородной массы.

Рнс. *15. Схема производства электродов

Приготовленную углеродистую массу после охлаждения до определенной температуры направляют в прессовое отделение. Заготовки прессуют в специальных горизонтальных прессах вы­ давливанием через мундштук круглого сечения. После выпрессовки заготовки охлаждают в воде и подвергают контролю по форме и длине.

Обжиг отпрессованных заготовок осуществляют в течение 15— 30 суток по графику, который подбирают в зависимости от вида и размеров изделий. При обжиге происходит коксование связую­ щего, и обжигаемые заготовки переводятся в новое качественное состояние, характеризуемое определенными теплофизическими и электротехническими свойствами.

После обжига электроды подвергают графитизации в электри­ ческих печах сопротивления при температуре 2600—2800° С. Сопро­ тивлением служат сами изделия и материал засыпки. В процессе графитизации изделия приобретают высокую электрическую про­ водимость, увеличивается их теплопроводность, повышается термо­

94

стойкость, снижается окисляемость, улучшаются механические свой­ ства и обрабатываемость.

После графитизации и охлаждения электроды поступают в меха­ ническое отделение для придания им на токарных станках необхо­ димой формы и чистоты поверхности и для нарезки резьбы под ниппель.

У электродов с двух сторон имеются ниппельные гнезда с цилин­ дрической или конической резьбой (предпочитается коническая резьба). На рис. 46 показано соединение электродов при помощи цилиндрического и биконического ниппелей.

Для фиксации биконического ниппель­ ного соединения применяют контактную прессованную пасту, вставляемую в виде пластин между ниппелем и дном ниппель­ ного гнезда в процессе наращивания элек­ тродов.

Расход электродов зависит от правиль­ ного выбора поперечного сечения, каче­ ства, условий транспортировки и хранения их, строгого соблюдения условий^эксплу­ атации, главным образом, электрического режима. При выборе поперечного сечения электродов следует учитывать в первую очередь предельно допустимую удельную плотность тока.

Электроды необходимо хранить в чистом сухом закрытом поме­ щении в штабелях высотой не более 1,5 м с деревянными проклад­ ками между рядами, обращая особое внимание на сохранение в ис­ правном состоянии торцов и ниппельных гнезд.

Электроды поглощают влагу из воздуха, поэтому перед установ­ кой на электропечь их необходимо просушивать в специальных камерных печах. При свинчивании (наращивании) электродов необ­ ходимо принимать меры по предупреждению излишнего перенапря­ жения в местах ниппельного соединения. Свинчивать электроды нужно либо на специальных стендах, либо на печи. Перед свинчи­ ванием ниппельные гнезда необходимо тщательно обдувать сжатым воздухом.

Наращивать свечи на печи с помощью мостового крана надо плавно, без рывков, вращая верхний электрод вокруг своей оси с помощью специального ключа.

ОПТИМАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ

Современные дуговые электрические печи представляют собой очень мощные потребители электроэнергии, характеризуемые слож­ ным характером работы. Процесс плавки обычно складывается из трех периодов, отличающихся друг от друга величиной потребляе­

95

мой мощности. Мощность трансформатора используется полностью в период плавления, примерно' на 70% — в окислительной и на 50% и менее — в восстановительный периоды.

Для определения оптимального электрического режима работы на каждой ступени строят так называемые «рабочие» электрические характеристики печи (рис. 47). Для этого опытным путем определяют электрические параметры на печи в режиме холостого хода и корот­ кого замыкания.

Робщ I От >0пат

ид

Шг

/го

Ъл

Рис. 47. Электрические характеристики периода плавления для печи емкостью 25 т для ли­ нейного напряжения 240 В; трансформатор 7500 кВА

Оптимальным является режим, обеспечивающий большое зна­ чение мощности дуги (полезной мощности) при достаточно высоких значениях электрического коэффициента полезного действия и коэфциента использования мощности. Для приведенных на рис. 47 условий номинальной следует считать силу тока, равную при­ мерно 18000 А.

Поддержание электрического режима на каждой ступени напря­ жения в пределах, близких к оптимальному, осуществляется авто­ матическими регуляторами.

На электропечах применяют релейно-контакторные регуляторы типа РРТ, регуляторы с электромашинными усилителями типа РМД, электрогпдравлические регуляторы типа АРРГ, бесконтактные регу­ ляторы с электромагнитными усилителями типа РБС, регуляторы на тиристорах типа СТУ-022 и др.

%

У регулятора релейно-контакториого типа предусмотрена одна ступень скорости на подъем и одна на спуск электрода. Скорость подъема и опускания не увязывается с величиной отклонения регу­ лируемого параметра от заданного, поэтому разработано несколько конструкций регуляторов, реагирующих на величину рассогласо­ вания параметров. Для них характерна переменная скорость пере­ мещения электродов, пропорциональная величине отклонения пара­ метров от заданного режима.

Рнс. 48. Структурная схема автоматического регулятора мощности типа СТУ-022:

выпрямители; R t — R, — р знсторы; 1РА, 2РА — реле автоматики; Р 0 — выходное устрой­ ство; У, УМ — усилители; Ф , — Ф0 — формирователи управляющих импульсов; Д Г „ Д Т 2 — датчики тока

такторного регулятора составляет примерно ±30% от заданного режима, гидравлического регулятора ±10% , а применяемого в по­ следнее время бесконтакторного электронного регулятора с магнит­ ными усилителями типа РБС ±3% .

Регулятор мощности на тиристорах типа СТУ-022 (рис. 48) работает следующим образом. При номинальном электрическом режиме на выходе схемы сравнения напряжение равно нулю. Паде­ ния напряжения на сопротивлениях R 1 и R z равны и противопо­ ложны по знаку. При этом фазосдвигающее устройство не формирует импульсов управления, тиристоры УВ1—У Вй заперты и ток в цепи якоря двигателя перемещения электрода отсутствует. При отклоне­ нии силы тока дуги от заданного на выходе схемы сравнения по­ является напряжение разбаланса U. Усилитель мощности УМ выдает сигнал ФСУ на формирование импульсов управления соот-

ветствуюгцей выпрямительной группой У ВХ—УВа или УВ4—УВа тиристорного преобразователя. В цепи якоря двигателя М возни­ кает ток определенной полярности, и двигатель перемещает электрод в нужном направлении. По мере перемещения электрода величина напряжения U уменьшается до нуля, и двигатель останавливается.

Предусмотрено также ручное дистанционное управление. Регу­ лятор можно применять на печах емкостью от 3 до 200 т. Зона чув­ ствительности регулятора может быть доведена до 1%. Время раз­ гона и торможения двигателя не превышает 0,3—0,5 с. Скорость перемещения электрода составляет 3—4 м/мин, т. е. заметно больше, чем в случае применения широко распространенных регуляторов с электромашннными усилителями.

Применение регулятора СТУ-022 вместо регуляторов с машин­ ным усилителем обеспечило повышение производительности печи и снижение удельного расхода электроэнергии. В результате сокра­ щения длительности контакта электродов с металлом уменьшается науглероживание металла и улучшается качество выплавленной стали.

И с п о л н и т е л ь н ы е м е х а н и з м ы регуляторов мощ­ ности дуговых электропечей по типу привода подразделяют на элек­ тромеханические, объемно-гидравлические и дроссельно-гидравли­ ческие. Исполнительные механизмы должны быть надежными в ра­ боте, удобными для ремонта и обслуживания, исключать поломки электродов при упоре в шихту в ручном режиме управления и в не­ токопроводящий скрап — при автоматическом регулировании. Кине­ матическая связь двигателя с электродом должна быть максимально жесткой, без зазоров. Привод должен исключать возможность опу­ скания электродов под действием собственной силы тяжести, обеспе­ чивать быстрый разгон, быстрое торможение механизма и макси­ мально возможную скорость перемещения электродов.

В качестве привода исполнительных механизмов применяют шунтовые двигатели постоянного тока, дающие возможность плавно изменять число оборотов, легко и быстро осуществлять остановку, сводить до минимума время, необходимое для изменения направле­ ния вращения. Двигатели питаются током от усилителей автомати­ ческих регуляторов.

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ МЕТАЛЛА

В печах большой емкости (100 т и более) глубина металличе­ ской ванны превышает 1,2 м, а диаметр на уровне раздела металл— шлак 5 м. Большая глубина ванны затрудняет протекание диффу­ зионных процессов между металлом и шлаком, а большой диаметр печи очень усложняет скачивание шлака. В большегрузных печах наблюдается очень слабое поверхностное перемешивание металла дугами. Так, если в печи емкостью 0,5 т дугами перемешивается около 30% объема металла, то в 30-т печи — лишь около 3%. По­ этому в печах большой емкости может происходить перепад темпе­

98

ратур по глубине ванны, достигающий 100° С и более, а химический состав металла может быть неравномерным.

Перемешивание металла вручную металлическими гребками в большегрузных печах малоэффективно, требует значительного времени и является очень тяжелой операцией.

В 1928 г. Л. И. Морозеиский предложил использовать для пере­ мешивания жидкого металла вращающееся электромагнитное поле.

и поэтому не находит широкого применения.

Для перемешивания металла с целью выравнивания химического состава и температуры по объему ванны и для облегчения скачива­ ния шлака используют «бегущее» поле, создаваемое статическим электромагнитом. Статор выполняют в виде вытянутого сердечника, изогнутого по форме днища печи. Обмотки статора питаются двух­ фазным током низкой частоты (0,5-^2 Гц) с углом сдвига фаз 90°. Целесообразность использования токов низкой частоты диктуется тем, что с понижением частоты возрастает перемешивающее усилие (эти две величины связаны обратной зависимостью), а двухфазный

электромагнит со сдвигом фаз на 90° создает «бегущее» поле — пло­ ское поле, перемещающееся в заданном направлении.

Переключением полюсов катушек можно изменить направление движения металла на обратное. Переключение полюсов одной из катушек вызывает встречное движение потоков металла вдоль оси статора, что может быть использовано для транспортировки шлакообразующпх п легирующих добавок в горючую зону печи под электроды (рис. 49).

Глава 7

ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

В основе индукционного нагрева лежит принцип работы транс­ форматора: под действием переменного магнитного поля, создавае­ мого индуктором (первичной обмоткой), в нагреваемом металле, являющемся вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой, инду­ цируется электродвижущая сила (э. д. с.). Под действием наводимой в металле з. д. с. Е 2 в металле циркулирует ток 12.

За счет джоулева тепла, выделяющегося в металле при прохо­ ждении тока / 2, металл разогревается и плавится.

Из теории трансформатора известно, что наводимая во вторич­ ной обмотке э. д. с. пропорциональна магнитному потоку (Ф), пересекающему плоскость витков обмотки, частоте изменений маг­

Величина коэффициента пропорциональности а определяется характером изменения магнитного потока во времени. При питании первичной обмотки синусоидальным током

а = 4,44.

Расплавленный металл, а также плотно уложенная шихта как вторичная обмотка индукционной печи представляют собой единый

Таким образом, увеличить наводимую в металле э. д. с. можно, увеличивая либо магнитный поток, либо частоту питающего тока.

Первые индукционные печи появились в то время, когда еще не было экономичных генераторов тока высокой частоты. Поэтому получение необходимой в металле мощности достигалось в результате обеспечения большого магнитного потока.

100