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

ризуются небольшими размерами и удобны для охвата отдельных шин подводящей сети.

Измерение силы тот методом падения напряжения

Этот метод основан на измерении плотности тока на поверхности проводника. Сущность его заключается в следующем. К шине А, по которой протекает измеряемый ток (рис. 115), припаивают изо­ лированные провода в точках а и Ь. От точки а провода протягивают вдоль шины до точки b (участок ab'), и затем оба провода бифилярно ведут к измерительному прибору. Электродвижущие силы, индук­ тируемые потоком сцепления на участке шины ab и на участке изо­ лированного провода а'Ь', компенсируют друг друга, так как эти участки параллельны и в измерительном контуре направлены про-

1 GO

тивоположно. Э. д. с., действующая в контуре dbaa'b'c, будет равна

/ш —■длина шины.

Если измерить эту э. д. с. компенсационным методом, то, зная длину и удельное сопротивление шины, можно найти плотность тока:

Если известен закон распределения плотности тока по сечению шины, то можно получить представление и о полном токе, протекаю­ щем через шину. Однако, как известно, в шинах подводящих сетей печей, вследствие эффекта близости, распределение тока как между шинами, так и по сечению каждой шины в отдельности неравномерно, поэтому определить абсолютную величину силы тока по его плотности затруднительно. Эти недостатки делают данный метод непригод­ ным для эксплуатационных измерений больших токов в печных контурах, но он вполне оправдывает себя при снятии формы кри­ вой тока. Для этого достаточно припаять к шине короткой сети изо­ лированный провод и вести его бифилярно к измерительной схеме.

Расстояние между точками присоединения проводов обычно бе­ рется ~ 1 0 см. В печах мощностью 7— 10 мВА максимальное зна­ чение номинального тока при номинальной нагрузке составляет —50 кА. Так как сечение шин на фазу обычно принимают равным 24 000 мм2, а шины изготовляются из меди, то падение напряжения в измерительном контуре составляет около 3— 4 мВ.

Регулировать силу тока в цепи до допустимых для вибратора пределов следует по потенциометрической схеме.

При снятии кривых в цепи все-таки будет протекать небольшой ток и вносить искажения. Но токи, протекающие в этих схемах, на­

по сечению проводника, можно определить и всю силу тока в шине. Но, во-первых, законы распределения тока по сечению сложны, а, во-вторых, в производственных условиях трудно выполнять как сами измерения, так и пересчеты.

При осциллографировании на мощных электропечах задача несколько облегчается тем, что весьма важно определить не абсо­ лютную величину максимального и эффективного значения силы тока, а только форму кривых силы тока и напряжения.

Так как форма кривой мгновенных значений тока не зависит от распределения плотности тока по сечению шины, то можно реги­ стрировать кривую плотности тока у поверхности шины по методу падения напряжения, а эффективное значение силы тока определять по осциллограммам, снятым при помощи магнитного пояса. В слу­ чае измерения полного тока всей печи при наличии трансформато­ ров тока со стороны низкого напряжения можно воспользоваться последними.

Кроме этого, эффективные значения токов рекомендуется контро­ лировать путем регистрации и пересчета их со стороны высокого напряжения печного трансформатора, где всегда установлены транс­ форматоры тока. На рис. 139 приведена осциллограмма одновре­ менной регистрации тока поясом (2) и плотности тока методом из­ мерения падения напряжения (1).

Как и следовало ожидать, кривая 2 искажена больше, чем кри­ вая 1.

4. Ламповый прибор для измерения напряжения, тока и мощности

Как было отмечено выше, магнитные пояса обладают рядом положительных свойств, но э. д. с., наводимая в поясе, мала и для ее измерения должны быть при­ менены компенсационные методы. Особенно трудно использовать их при малых токах. Вместо компенсаторов для измерений э. д. с. в магнитном поясе можно при­ менять приборы, позволяющие усилить э. д. с. На рис. 116 приведена принципиаль­ ная схема одного из таких приборов [24]. Этим прибором можно выполнять изме­ рения без разрыва цепи тока, напряжения, активной и реактивной мощности; его пределы по току составляют 8; 16; 32 и 40 кА и по напряжению — 5; 10; 30; 60; 120 и 240 В.

162

поэтому ток лампы можно переписать так:

Примем г1 = г2 = г и подставим в это уравнение значение токов «х и i2 из урав­ нения (VI-25); после преобразования для тока в гальванометре получим

Проинтегрировав выражение (VI-29a) за период и разделив полученное выраже­ ние на длительность периода, получим среднее значение тока в гальванометре / г:

Если ток и напряжение сети синусоидальны, то среднее значение / г из урав­

Таким образом, приведенная схема служит для измерения реактивной мощ­ ности приемника. Мы получили реактивную мощность, потому что пояс измеряет величину производной тока приемника, смещенную по отношению к самому току на i/4 периода. Для измерения активной мощности должна быть изменена на V4 фаза либо тока, либо напряжения. Для этой цели авторы прибора использовали мостовую схему (рис. 117), смещающую на 90° напряжение их, пропорциональное напряжению приемника и-

Таким образом, при присоединении к ламповому прибору зажимов а и Ь при­ бор измеряет мощность приемника, а при присоединении зажимов а и k — реактив­ ную.

0-

Рис. 117. Схема измерения ак­ тивной и реактивной мощности

На рис. 118 приведена схема для измерения этим же прибором тока. В этом случае с прибора снимается напряжение, пропорциональное току приемника, и на сетку лампы Л х подается постоянное отрицательное напряжение смещения, необ­ ходимое для установки прибора на нуль. При синусоидальном токе показание галь­ ванометра будет пропорционально квадрату эффективного значения тока:

где

rkk\(i)2

(VI-33a)

Сг= 2г + гг

При измерении напряжения (рис. 119) на сетку лампы подается только напря­ жение uv В этом случае при синусоидальности измеряемого напряжения показание гальванометра будет пропорционально квадрату его эффективного значения:

При измерении силы тока и напряжения шкала прибора получается квадратич­

ной.

Погрешности описанного прибора определяются неидентичностью характери­ стик ламп, отступлением последних от квадратичной зависимости, колебаниями частоты и появлением высших гармоник в кривых силы тока и напряжения. Из всех этих факторов для цепей, содержащих дугу, наибольшее значение имеет по­ следний. Особенно это важно при сильном искажении, когда амплитуды высших гармоник достигают значительных величин.

Как известно, мощность цепи несинусоидального тока при вертикальной сим­ метрии кривых равна:

164

Р а с с м а т р и в а е м ы й ж е п р и б о р и з м е р я е т м о щ н о с т ь :

Отклонение от этих равенств обусловливает погрешности измерения. Как пока­ зывает анализ, при небольшом различии между всей мощностью и мощностью пер­ вой гармоники измерения прибора характеризуются достаточно высокой точностью и погрешность не превышает 2%.

Следует, однако, отметить, что вопрос регистрации формы кривых силы тока не снимается, так как этот прибор регистрирует эффективное значение производной тока. Поэтому для регистрации формы тока предпочтение должно быть отдано ме­ тоду падения напряжения и применению специальных разъемных трансформаторов тока.

Следует еще остановиться на измерении мощности при малых коэффициентах мощности. Как известно, эта проблема возникает при определении параметров под­ водящей сети. Особенное значение этот вопрос имеет для мощных печей, у которых реактивное сопротивление значительно выше активного. В этом случае обычные ваттметры дают очень большие погрешности. Л. Р. Нейман разработал метод из­ мерения этой мощности описанным ламповым прибором. Сущность его заключается в том, что в измерительной схеме реактивная составляющая измеряемого напря­ жения компенсируется вспомогательным реактивным напряжением. Благодаря этому на измерительный прибор подается только активное напряжение и, следовательно, измерение осуществляется при коэффициенте мощности, близком к единице. Благо­ даря использованию этого метода резко уменьшается погрешность измерения.

Глава VII

Электрическая дуга

вдуговой сталеплавильной печи

1.Введение

Сталеплавильные печи работают в периодическом режиме — загрузка, расплавление, рафинирование и выпуск.

Основная часть электроэнергии расходуется в период расплавле­ ния шихты. В самом начале расплавления дуга горит между элек­ тродом и кусками холодной шихты. Поскольку температура шихты низкая, процесс горения дуги затруднителен.

По мере проплавления шихты электроды прорезают под собой колодцы, диаметр которых на 30—50% превышает диаметр самого электрода. Электроды углубляются в шихту, так как автоматические регуляторы, сремясь поддержать заданный электрический режим, опускают электроды. Расплавленный металл стекает вниз и накапли­ вается на подине печи. После проплавления этой толщи шихты конец электрода выходит в крайнее положение и дуга начинает гореть на поверхности жидкого металла. Иногда после достижения элек­ тродами предельного положения их поднимают и прорезают вторую

165

серию колодцев. Благодаря этому ускоряется процесс расплавления шихты.

В период проплавления колодцев в межэлектродное пространство подают известь или известняк. Благодаря низкому потенциалу ио­ низации извести дуга стабилизируется и начинает гореть спо­ койнее.

По мере проплавления шихты зеркало жидкого металла увели­ чивается и дальнейшее расплавление шихты происходит в резуль­

на периферии ванны у откосов и приходится их сталкивать к жид­ кой поверхности.

К этому времени на поверхности расплава находится уже доста­ точно толстый слой шлака и дуга горит на шлаке или на поверх­ ности металла внутри лунки, образующейся в шлаке благодаря ак­ сиальному давлению столба дуги.

После образования колодцев металл расплавляется вблизи элек­ тродов в зоне расплавления излучения дуги. Чем больше длина дуги, тем больше и поверхность активного излучения и, следовательно, зона расплавления.

Так как с увеличением напряжения длина дуги увеличивается, то целесообразно в этот период вести работу печи на высших сту­ пенях напряжения.

Процесс рафинирования распадается на два периода — окис­ лительный и восстановительный. Оба они являются ответственными и с технологической точки зрения. Но расход энергии на техноло­ гические процессы в эти периоды незначителен и основное количество энергии, подводимой к печи в это время, затрачивается на покрытие тепловых потерь печи.

Условия горения дуги в эти периоды более благоприятны. Ко­ роткие замыкания между электродом и твердой шихтой из-за рас­ плавления последней отсутствуют.

В течение всего времени рафинирования зеркало расплава за­ крыто достаточно толстым слоем шлака. Благодаря этому вокруг дуги создаются весьма благоприятные тепловые условия. Кроме того, газовую атмосферу дуги составляют пары металлов, характе­ ризуемых низким потенциалом ионизации.

В это время нет надобности и в высоких напряжениях, так как необходимая мощность (небольшая по сравнению с периодом рас­ плавления) должна передаваться металлу с большей равномерностью через шлак.

На рис. 120 представлен электрический режим 100-т дуговой печи [35]. Как видно из графика, весь процесс плавки длился 5 ч, а рас­ плавление заняло 3 ч 30 мин. Максимальная мощность 25 000 кВт; расход энергии 50 000 кВт-ч. В период расплавления печь работала на ступени 417 В, а в конце периода на ступени 365 В. Окислитель­ ный период занял — 0,5 ч. На это время электроэнергию отключали и проводили продувку кислородом.

166

Рп, кВт

После включения печи и скачивания шлака начался процесс рафинирования, длившийся ~ 1 ч. Расход энергии за этот период составил 5000 кВт-ч, напряжение снизилось с 300 до 222 В, а мощ­ ность с 15 000 до 6000 кВт. Несмотря на значительные колебания мощности и длительности отдельных периодов процесса, расплавле­ ние все же ведется всегда при высоких мощностях и основная доля подводимой энергии тратится именно на этот процесс.

2. Параметры современных дуговых сталеплавильных печей

Как известно, мощность и емкость современных сталеплавиль­ ных печей меняется в весьма широких пределах. В эксплуатации находятся печи емкостью от 0,5 до 360 т. В широком диапазоне изменяется также напряжение печей. Для маломощных печей приме­ няют напряжение 100— 300, а для наиболее мощных — 200—500 В.

Основными электрическими параметрами печи являются актив­ ные гк и реактивные хк сопротивления печного контура.

Для однотипных печей активные сопротивления подводящих сетей незначительно зависят от мощности печи. Это объясняется влиянием двух противоречивых факторов. Длина подводящих сетей малых печей сравнительно небольшая, но так как номинальные токи этих печей малы, то сечение шин подводящей сети выбирают мень­ шим. У более мощных печей длина подводящих сетей больше, но зато и сечение шин фазы также больше, так как выше номинальные токи. А так как сопротивление прямо пропорционально длине и обратно пропорционально поперечному сечению проводников, то изменение этих двух факторов не оказывает резкого влияния на ре­ зультирующую величину сопротивления гк.

Примерно в такой же зависимости от мощности находится и реак­ тивное сопротивление хк.

167

В табл. 5 приведены параметры йескольких действующих печей. Наряду с сопротивлениями гк и хк приведены также кажущиеся мощности, диапазоны напряжений на низкой стороне трансформа­ торов и номинальные токи.

При изменении конструкции подводящих сетей эти величины могут, конечно, резко изменяться. Так, например, при выполнении подводящих сетей в виде бифилярной проводки и соединении их в треугольник на электродах общее реактивное сопротивление зна­ чительно снижается. В последнее время создана рациональная конструкция подводящей сети, реактивное сопротивление которой

* В настоящее время в мировой сталеплавильной практике значительное внимание уделяется повышению мощности трансформаторов. По исследованиям, проведенным в СССР, в ряде случаев экономически оправдано применение для печей емкостью 100 т трансформато­ ров мощностью до 40—44 MBA, а для печей емкостью 200 т — до 60—62 MBA и выше [28].

С увеличением емкости печи увеличивается не только ее мощность, но и размеры ванны, что влечет за собой повышение тепловой инер­ ции внутри ванны. Поэтому ванны более мощных печей меньше под­ вержены колебаниям температурного режима внутри печи, чем ванны маломощных печей. При прочих равных условиях дуга в последних горит менее устойчиво.

Для изучения горения дуги сталеплавильной печи в наиболее неблагоприятных условиях рассмотрим результаты опытов, про­ веденных на печи емкостью 3 т.

Печь оборудована печным трансформатором мощностью 1500 кВА со встречным реактором мощностью 300 кВА. Схема соединения трансформаторов треугольник— звезда—треугольник; группа 11— 12. Напряжение при холостом ходе 6300/210 составляет 121 В. Номи­ нальный ток со стороны высокого напряжения составил 137/79,3,

168

Рис. 121. Нагрузочные характеристики сталеплавильной печи при различном напряжении:

в — t/0 = 121 В; 6 - U0 = 210 В.

а со стороны низкого напряжения — 4130 А. Печи работают с гра­ фитовыми электродами диаметром 300 мм.

Согласно измерениям, проведенным перед испытаниями, пара­

169