книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

В большегрузных печах индуктивное сопротивление большое и часто нет необходимости устанавливать дроссель.

Печной трансформатор обеспечивает преобразование электро­ энергии высокого напряжения в электроэнергию низкого напряже­ ния. Трехфазный печной трансформатор имеет связанные между собой три сердечника (магнитопровода). На каждом сердечнике имеется по две обмотки. Обмотки высокого напряжения в связи с небольшой силой тока выполняют из медного провода небольшого поперечного сечения, а обмотки низкого напряжения — из шин большого сечения.

Сердечник трансформатора помещен в кожух, заполненный мас­ лом, которое является хорошим электрическим изолятором, что позволяет уменьшить расстояние между проводами разных фаз. Кроме того, масло хорошо охлаждает трансформатор. Циркуляция масла в трансформаторе может быть естественной (за счет разности температур, а следовательно, и плотности) и принудительной.’ В по­ следнем случае трансформатор оборудуют масляным насосом, кото­

и направляет снова в трансформатор. Температура масла не должна превышать 75—80° С.

Над трансформатором расположен бачок с резервным запасом масла, обеспечивающий непрерывное заполнение трансформатора маслом.

Трансформатор устанавливают в отдельном помещении вблизи печи. Уменьшение расстояния от трансформатора до электродов способствует сокращению расхода меди, уменьшению электрических потерь и повышению cos ф установки в целом.

Следует иметь в виду, что мощность трансформатора исполь­ зуется полностью только в период плавления. Поэтому считается нормальным явлением перегруз трансформатора в период плавления на 20—25% в течение 30 мин и еще больший перегруз на более корот­ кое время.

Для регулирования подводимой мощности имеются промежуточ­ ные выводы обмоток высокой стороны трансформатора. Мощность, снимаемая с трансформатора, пропорциональна напряжению. Пере­ ключение трансформатора с одной ступени напряжения на другую производят при помощи масляных или специальных переключате­ лей, имеющих приводы с дистанционным управлением с пульта печи. Переключение осуществляют при снятом напряжении, при­ чем переключатели имеют блокировку с главным масляным выклю­ чателем: до отключения последнего нельзя произвести переключе­ ние.

При большом числе ступеней напряжения возможно переклю­ чение ступеней под нагрузкой. Хотя такой способ переключения исключает простои печи и облегчает налаживание автоматического регулирования мощности печи, однако опасность короткого замы­ кания и выхода из строя трансформатора ограничивает примене­ ние подобного способа переключения трансформатора.

40

Первичная обмотка трансформатора соединена на «треугольник». При переключении ступеней напряжения без нагрузки предусмо­ трена, как правило, возможность ее переключения на «звезду». Вторичные обмотки трансформатора соединены на «звезду» без нуле­ вого провода и на «треугольник». Предпочтительнее соединение на «треугольник», так как в этом случае сила тока короткого замыка­ ния на электроде распределяется на две фазы трансформатора. Переключение высоковольтной обмотки с «треугольника» на «звезду» приводит к понижению вторичного напряжения в 1,73 раза и такому же понижению мощности. Дальнейшее изменение мощности произ­ водится переключением промежуточных выводов высокой стороны.

3. КОРОТКАЯ СЕТЬ

Короткая сеть обеспечивает подвод тока от низкой стороны трансформатора до головки электрододержателя. Она включает вывод от трансформатора через стены трансформаторного отделения с помощью шин, гибкие кабели от стены до рукава электрододержателя, шины или водоохлаждаемые трубы над рукавом электрододержателя и подвод непосредственно к головке электрододержателя.

фаз кабели гибкого участка каждой фазы скрепляют деревянными колодками.

Необходимо иметь в виду, что в короткой сети очень сильно проявляется поверхностный эффект (скин-эффект) и эффект близости (проксимити-эффект). Поверхностный эффект выражается в том, что плотность переменного тока неравномерна по сечению провод­ ника. Поэтому активное сопротивление проводника при переменном токе будет больше, чем при постоянном. Так, например, при диа­ метре медного проводника 30 мм и длине 3 м сопротивление при про­ хождении постоянного тока составит 7,43-10-5 Ом, а при прохожде­ нии переменного тока частотой 50 Г ц — 8,76-10-5 Ом, т. е. во вто­ ром случае сопротивление в 1,18 раза больше.

Эффект близости приводит к изменению индуктивного сопротив­ ления короткой сети. В связи с различной длиной короткой сети по фазам и различным их расположением взаимная индукция будет различной: взаимная индуктивность средней фазы с каждой из край­ них будет больше, чем взаимная индуктивность между крайними фазами, что приводит к перераспределению мощности по фазам,

41

Для уменьшения явления переноса мощности необходимо стре­ миться к симметричному оформлению коротких сетей. С этой целью целесообразно раздельное регулирование напряжения по отдель­ ным фазам, работа с различным значением тока по фазам, приме­ нение проводов различного профиля и сечения и т. д.

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУ РЕГУЛЯТОРЫ МОЩНОСТИ ДУГИ

Электрическая дуга возникает между электродами вследствие прохождения тока через ионизированный слой газа. Дуга загорается при кратковременном сближении электродов, когда из-за короткого замыкания выделяется большое количество тепла, газ вокруг элек­ тродов нагревается и ионизируется. В связи с работой дуговых элек­ тропечей на переменном токе в течение каждого полупериода на­ пряжение и сила тока достигают максимума и проходят через ноль. Таким образом, в течение периода в печи меняется катод и анод. Когда катодом является графитовый электрод, дуга горит, поскольку электрод нагревается до температуры, обеспечивающей термоэмис­ сию электронов. В начале плавки при холодной шихте в момент, когда шихта становится катодом, степень ее нагрева не достаточна, чтобы обеспечить испускание электронов, и дуга гаснет. Проте­ кание тока может быть непрерывным, если последовательно с дугой включить достаточно большое индуктивное сопротивление. Таким индуктивным сопротивлением в период плавления является дрос­ сель. При включении дросселя увеличивается длительность горе­ ния дуги и, как отмечалось выше, одновременно снижается cos ср цепи. Поэтому после нагрева шихты и частичного ее расплавления дуга не гаснет, и в тот период, когда ванна становится катодом, дроссель выключают.

Для эффективного использования дуги в рабочем пространстве печи большое значение имеет соотношение между напряжением и длиной дуги, которое в современных печах поддерживается автома­ тически.

В настоящее время дуговые электропечи оборудованы системой автоматического регулирования положения электродов. Автомати­ ческий регулятор устанавливается для каждого электрода, что обеспечивает согласованную работу всех трех электродов. Регуля­ тор состоит из двигателя постоянного тока, осуществляющего че­ рез редуктор подъем и опускание электрода, и собственного регуля­ тора, который реагирует на изменение электрического режима в печи и сообразно этому включает электродвигатель на подъем или опу­ скание электрода.

Наибольшее распространение в практике отечественных заво­ дов нашли электромагнитные регуляторы типа РМД, а в последнее время начинают применять регуляторы АРМД-Т. В этих регуля­ торах дросселем снимается напряжение с низкой стороны трансфор­ матора, которое является пропорциональным току и напряжению дуги. В регуляторах РМД индуцируемый в дросселе ток подается

42

на электромагнитный усилитель. При равенстве напряжения, сня­ того с низкой стороны трансформатора, заданному электромагнит­ ные усилители не срабатывают, а в случае отклонений получаемый ток выпрямляется, усиливается электромагнитным усилителем и подается на исполнительный механизм, т. е. на электродвигатель для подъема или опускания электрода.

В регуляторах АРМД-Т в качестве усилителей используют полу­ проводники (терристоры), что уменьшает инерцию всей системы.

5. ЗАЩИТНАЯ И СИГНАЛЬНАЯ АППАРАТУРА

Дуговую электропечь оборудуют автоматической защитой от аварий и нарушений нормального электрического режима. При нарушении установленного электрического режима, например из-за возможных повреждений, защитная аппаратура немедленно от­ ключает защищаемую цепь. Если нарушение носит кратковремен­ ный характер или оно не связано с повреждением, то немедленного отключения не последует. Однако защитная аппаратура включает сигнал, привлекающий внимание обслуживающего персонала, и только если нарушение не будет устранено, защита отключает уста­ новку.

Автоматическая защита осуществляется включением в цепь защитных реле, которые классифицируются по назначению, напри­ мер, реле максимального тока отключает установку при увеличении силы тока сверх допустимой, реле минимального напряжения и реле максимального напряжения отключают установку соответ­ ственно при отклонении напряжения от заданного.

Для защиты от внутренних повреждений (пробой изоляции, межвитковое замыкание и т. д.) трансформаторов и дросселей с масля­ ным охлаждением используют газовые и температурные реле и т. п.

Очень часты при работе электропечи замыкания . прежде всего в связи с соприкосновением электродов с шихтой. Подобные замы­ кания, как правило, ликвидируются автоматическими регуляторами путем подъема электродов. Защитная аппаратура должна выклю­ чать печь только при затянувшемся замыкании, например, когда кусок шихты попал между электродами.

Г Л А В А IV

КОНСТРУКЦИЯ ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧЕЙ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧЕЙ

Ферросплавные печи пригодны для ряда электротермических производств, например для получения ферросплавов, электроплавки чугуна, производства карбида кальция, фосфора и т. д. и часто объединяются под более общим названием — руднотермические печи. Они работают как с закрытой дугой (выплавка ферросилиция,

43

углеродистого феррохрома и ферромарганца и т. д.), так и с открытой дугой (производство ферровольфрама и т. д.). В ряде случаев режим смешанный: в первый период печь работает с закрытой ду­ гой, затем дуга постепенно открывается и во второй период горит открытая дуга. Подобный режим наблюдается при производстве рафинированного феррохрома некоторых марок, силикокальция СК 10 и СК 15 и т. д.

Процессы выплавки ферросплавов могут быть непрерывными — с непрерывной загрузкой шихтовых материалов и периодическим выпуском продуктов плавки, и периодическими — с полным проплав­ лением загружаемой порции шихты и единовременным выпуском продуктов плавки. Разновидностью периодического процесса яв­ ляется плавка на «блок», обычно применяемая в тех случаях, когда выплавляемые сплавы вследствие высокой температуры плавления нельзя выпустить в жидком виде из печи (ферровольфрам, ферро­ молибден и т. д.). В этом случае в зоне электродов сплав стекает на подину и быстро застывает, а шлак периодически выпускают из печи. Плавка продолжается до полного заполнения ванны печи, после чего печь выкатывают из-под электродов и затем извлекают блок сплава.

Процессы производства ферросплавов различаются по количеству образующегося шлака на бесшлаковые (производство ферросили­ ция, силикокальция и т. д.) и шлаковые (производство углероди­ стого феррохрома, ферромарганца и т. д.).

По своему назначению ферросплавные печи могут быть восстано­ вительными или рафинировочными, а по конструкции — открытыми

изакрытыми как со стационарными, так и с вращающимися ваннами.

Взависимости от формы ванны печи могут быть круглыми, прямо­ угольными и овальными. По способу выпуска из печи сплава и шлака печи делятся на неподвижные и наклоняющиеся.

Ферросплавные печи могут быть однофазные и трехфазные; ведутся работы по использованию печей, работающих на постоянном токе. Однофазные печи в настоящее время строятся только для спе­ циальных целей и имеют весьма ограниченное применение. В трех­ фазных печах электроды расположены в одну линию (прямоуголь­ ные печи) или по вершинам треугольника (круглые печи). Печи большой мощности могут иметь шесть электродов. Наибольшее распространение получили круглые трехфазные печи с расположе­ нием электродов по вершинам треугольника. В этом случае под элек­ тродами хорошо концентрируется тепло. Подобная печь, оборудо­

ванная трансформатором мощностью 16,5 MBA, изображена на рис. 20. Печь закрыта водоохлаждаемым сводом и оборудована механизмом вращения ванны, что обеспечивает более равномерное протекание физико-химических процессов по сечению ванны, а также улучшает условия службы футеровки печи. Выделяющиеся из печи газы направляются в систему газоочистки.

Открытые и закрытые печи в основных деталях аналогичны. Однако уменьшение теплоизлучения в закрытых печах позволяет сократить расстояние между печами в цехах и тем самым снизить

44

капитальные затраты на их сооружение. Загрузка шихты в закрытые печи полностью механизирована. Закрытые печи имеют несколько большую длину рабочего конца электродов, чем открытые печи, что сказывается на увеличении потерь электроэнергии. Кроме того, в закрытых печах снижается реактивное сопротивление-короткой сети (от низкой ступени трансформатора до электродов) и улучшаются

условия ее службы, так как элементы короткой сети работают при более низкой температуре, чем в открытой печи. Это улучшает ее электрические характеристики.

Для проведения рафинировочных процессов широко применяют наклоняющиеся печи (рис. 21). В этих печах облегчается как вы­ пуск металла и шлака, так и ведение технологического процесса, и улучшаются условия службы футеровки. Конструкция этих пе­ чей во многом подобна конструкциям дуговых сталеплавильных электропечей. Рафинировочные печи работают периодическим про­ цессом с проплавлением шихты и раздельным или совместным вы­ пуском сплава и шлака.

Печи для рафинировочных процессов, снабженные механизмами наклона и вращения ванны, имеют жесткую систему электрододержателей. Ванна печи монтируется на люльке и наклон ее осуществ­

45

ляется при помощи двух гидравлических домкратов, установлен­ ных в приямке под печью. Механизм вращения ванны печи имеет электромеханический привод и обеспечивает круговое вращение ванны. Механизм передвижения электродов и конструкция электрододержателя такие же, как и в дуговых сталеплавильных печах.

Для рафинировочных ферросплавных печей, видимо, целесооб­ разно применение устройств для электромагнитного перемеши­ вания жидкой ванны в целях ускорения и повышения полноты про­ текания процессов.

На ряде рафинировочных печей установлен арочный неохлаждаемый свод из хромомагнезитового кирпича. В отдельных случаях подобные печи оборудованы выкатными ваннами.

При ведении процесса с получением блока, а также в случае необходимости быстро заменить ванну при переходе с одного сплава на другой или же при образовании в процессе плавки большого количества карбидов, что приводит к зарастанию ванны, исполь­

ных печей и требований передовой технологии, разработан типовой ряд отечественных печей для выплавки ферросплавов, основные пара­ метры которых приведены в табл. 2. В табл. 3 приведены основные технические данные некоторых эксплуатируемых ферросплавных печей.

Следует иметь в виду, что, когда это позволяет технологический режим, более рентабельными являются крупные печные агрегаты. Это обеспечивает снижение удельных капиталовложений на 5—7% и уменьшение эксплуатационных расходов на 7—8%. Производи­ тельность труда при этом увеличивается примерно на 30%.

Производство специальных сортов ферросплавов может потребо­ вать как определенного усовершенствования конструкции печей, так и применения различных типов вакуумных или компрессион­ ных печей. Так, для производства особо низкоуглеродистого ферро­ хрома используют вакуумные печи сопротивления и индукционные вакуумные печи, для азотирования феррохрома пригодны компрес­ сионные печи различных типов.

Производство некоторых видов ферросплавов не требует внеш­ него подвода тепла. Тепла, выделяющегося в этом случае в резуль­ тате реакции между окислами ведущего элемента и восстановите­ лями, достаточно для протекания процесса. Поэтому выплавку подобных ферросплавов производят в плавильных горнах (шах­ тах). Поскольку в качестве восстановителя применяют преимущест­ венно такие элементы, как алюминий и кремний, то такие процессы получили название металлотермических.

Широкое внедрение в последние годы различных металлотерми­ ческих процессов с предварительным расплавлением части шихты или электроподогревом шлака превратило плавильный горн для металлотермической плавки в сменную ванну электропечи, оборудо­ ванную в отдельных случаях механизмом для слива сплава и шлака. Горны имеют круглое сечение и выполняются из листового железа

46

ной, так как глубокая посадка электродов обеспечивается охлажде­ нием реакционной зоны надвигающейся шихтой, разрушением хо­ рошо электропроводного карборунда, уменьшением размеров тигля и изменением его формы, а также ввиду уменьшения вязкого и хо­ рошо электропроводного слоя вокруг газовой полости тигля.

Отмеченные выше факторы и постоянное перемещение очагов высокой температуры относительно пода и стен печи облегчают службу футеровки на печах с вращающейся ванной и позволяют снизить величину а на 30% против принятой для стационарных пе­

Наружный диаметр печи равен dB плюс двойная толщина футе­ ровки, которая определяется мощностью печи и технологическими особенностями процесса. Глубина ванны печи h определяется в за­ висимости от диаметра электрода и плотности тока в нем, рода выплавляемого сплава и мощности печи. Обычно для открытых печей мощностью свыше 7500 кВА величина h связана с диаметром электрода уравнением h ^ 2,2 d3 и для закрытых печей, по условиям обеспечения надлежащего подсводового пространства, увеличи­ вается примерно до 2,5—2,7 d3.

Толщина подины на мощных печах составляет около 2 м; таким образом, общая высота печи Н определяется уравнением: Н = = h ф- 2 м. Для рафинировочных печей при выборе размеров ванны также пользуются методом подобия, но в качестве исходного пара­ метра применяют удельную мощность на единицу площади пода (кВА/м2) или на единицу полного объема ванны (кВА/м3).

50