Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Недостатком такой конструкции  является то, что вся осевая нагрузка (порядка 200 т) и нагрузка от изгибающего  момента (около 500 т) воспринимаются подшипниками.

На печах средней  емкости поворот системы вокруг оси толкателя механизма подъема  свода осуществляется горизонтальной зубчатой рейкой, находящейся в зацеплении с телом толкателя. Рейка жестко соединена со штоками двух гидроцилиндров одностороннего действия. При подаче жидкости в один из цилиндров рейка  перемещается в ту или обратную сторону  и поворачивает свод. В конечном положении свод фиксируется стопорными устройствами. Гидравлическая блокировка позволяет производить поворот  свода только после подъема его  на требуемую высоту. 

Водяное охлаждение дуговых  печей

Водоохлаждаемыми элементами дуговой  печи являются экономайзеры, рукава электрододержателей. П-образная арка и заслонка рабочего окна, сводовое кольцо, кислородная  фурма, патрубок газоотвода, токоведущие  трубы и гибкие кабели вторичного токоподвода. В некоторых случаях  применяют охлаждение свода, кладки стен, верхнего пояса жесткости, кожуха у сталевыпускного отверстия.

Система водоохлаждения состоит из распределителей, сливных воронок  и труб. Сечение отводящих труб на случай парообразования должно быть несколько больше, чем подводящих. С целью предотвращения образования  паровых «пробок» и для более  интенсивного охлаждения наиболее горячих  участков экономайзеров и фурм вода подается в нижнюю часть водяной  рубашки, а отводится с самого высокого места. На трубах, отводящих  воду из коллекторов (распределителей), устанавливают вентили, с помощью  которых можно регулировать подачу воды в каждый водоохлаждаемый элемент. Поступление воды регулируют таким образом, чтобы температура ее на выходе не превышала 50° С. При более высокой температуре в водоохлаждаемых элементах образуется накипь, ухудшающая отвод тепла. Гибкие кабели и токоведущие трубы вторичного токоподвода охлаждают химически очищенной водой. 

 
Рис. 1 Водоохлаждаемая арка рабочего окна

На сливных ветвях системы  охлаждения устанавливают электроконтактные манометры, сигнализирующие о падении давления в системе. В стоке воды из всех элементов в водосборную воронку предусматривают участок открытой струи, чтобы можно было визуально следить за движением воды и исключить замыкания тока через нее. 

Элементы оборудования дуговых  сталеплавильных печей, трансформаторы

Крупные дуговые электропечи являются мощным потребителем электроэнергии, и поэтому электросталеплавильные цехи включают в мощные энергетические системы, объединяющие по нескольку  электростанций.

К цеховым понижающим подстанциям  для уменьшения потерь в линиях передач  подводят энергию высокого напряжения (35—110 кВ). Это напряжение от высоковольтного распределительного устройства по индивидуальной для каждой печи линии подается к печной подстанции, в которой размещается понижающий печной трансформатор и вспомогательное электрооборудование. Пониженный до 110—600 В ток подается непосредственно к электропечи. Сила тока на этом участке электрической цепи достигает десятков тысяч ампер, вследствие чего на участке от печного трансформатора до электродов имеют место значительные потери мощности. Для уменьшения этих потерь печную подстанцию максимально приближают к печи, а участок цепи от трансформатора до электродов делают возможно более коротким. Поэтому его часто называют короткой сетью печи.

Таким образом, электрическая схема  дуговых электропечных установок  включает следующее оборудование: 1) печь с электродами, исполнительными  механизмами регуляторов мощности печи и ванной, в которой горят  дуги и находится расплавленная сталь; 
2) понизительные трансформаторы, вместе с которыми размещены дроссели. В настоящее время освоены и выпускаются понизительные трансформаторы со встроенными дросселями, служащими для увеличения индуктивного сопротивления сети и улучшения условий горения дуг; 
3) короткую сеть, соединяющую вторичные выводы трансформатора с электродами печи; 
4) коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру, провода высокого и низкого напряжения.

Понизительные печные трансформаторы вследствие особых условий работы характеризуются  рядом особенностей, отличающих их от прочих силовых трансформаторов. К ним относятся: 
1) большая величина номинальной силы тока на стороне низкого напряжения, составляющая десятки тысяч ампер; 
2) повышенное индуктивное сопротивление обмоток, необходимое для ограничения силы токов короткого замыкания до 2,5—3,5-кратной величины по отношению к номинальной силе тока, так как сталеплавильные печи работают с частыми замыканиями электродов на шихту при зажигании дуги и обвале шихты в период расплавления; 
3) повышенная механическая прочность крепления обмоток и отводов, рассчитанных на частые толчки токов и короткие замыкания; 
4) возможность регулирования напряжения под нагрузкой в широких пределах.

Трансформатор состоит из трех обмоток  высокого напряжения, выполненных из медного провода относительно небольшого сечения, и. трех обмоток низкого  напряжения, выполненных из шин большого сечения.

На первичной обмотке имеется  ряд отпаек от разного числа витков, что позволяет изменять соотношение  числа витков первичной и вторичной  обмоток и величину вторичного напряжения.

Все шесть обмоток посажены на связанные  между собой три сердечника (магнитопровода). Сердечник трансформатора с обмотками  опускают в плотно закрываемый кожух, заполняемый трансформаторным маслом. Масло является хорошим электрическим  изолятором и обладает большой теплопроводностью, что обеспечивает отвод тепла  от катушек и сердечника трансформатора. Нагревается трансформатор за счет потерь мощности на активное сопротивление  медных обмоток и на перемагничивание сердечника.

Над трансформатором устанавливают  соединенный с ним бачок-расширитель, в котором содержится резерв масла. Этим обеспечивается постоянное заполнение маслом всего объема трансформатора и уменьшается поверхность соприкосновения  масла с воздухом. В случае повреждения  или оголения обмоток происходит разложение масла с выделением газов. О появлении газов в трансформаторе сигнализирует газовое реле, установленное  в верхней части бака трансформатора. Газовое реле при появлении небольшого количества газов — продуктов  разложения масла подает предупредительный  сигнал.

Для ограничения силы токов короткого  замыкания в трансформатор встраивают дроссель, включение и выключение которого осуществляется специальным  шунтирующим контактором. Современные  печные трансформаторы снабжают устройствами переключения ступеней напряжения под  нагрузкой, которые позволяют изменять напряжение на дуге без отключения печи.

Для питания цепей защиты, контроля и измерения, а также цепи регулятора мощности дуги устанавливают трансформаторы тока. Печные трансформаторы оборудованы  также приборами контроля уровня и температуры масла. Для защиты рабочих обмоток и переключающего устройства от перенапряжений, наводимых  со стороны обмотки высокого напряжения, на трансформаторе устанавливают вентильные разрядники.

Печные трансформаторы рассчитаны на режим работы с периодической  перегрузкой на 20% в течение 2 ч  и последующей работой на номинальной  силе тока в течение 2,5 ч.

В связи с тем, что в современном  сталеплавильном цехе печной пролет размещен в середине цеха между шихтовым и разливочным пролетами, а трансформатор  устанавливают не далее 1—1,5 м от печи, естественное охлаждение его  осуществить затруднительно. В то же время мощность тепловыделения в  трансформаторе достигает десятков и сотен киловатт, поэтому его  необходимо охлаждать принудительно. Для охлаждения применяют принудительную циркуляцию масла, пропускаемого через  водяной маслоохладитель. Система  охлаждения состоит из двух комплектов маслоохладителей и насосов, работающих независимо один от другого.

Для удобства монтажа и  демонтажа трансформатор снабжают переставными катками, позволяющими закатывать его в подстанцию широкой или  узкой стороной по одной и той  же стандартной колее шириной 1524 мм. 

Короткая сеть в дуговой  печи

Короткая сеть состоит из трех участков: пакета плоских медных шин, соединяющих выводы трансформатора с гибким токопроводом, пакета медных шин или водоохлаждаемых труб, соединяющих гибкий токопровод с находящимся в электрододержателей электродом . 
Ввиду большой потребляемой печью мощности (несколько десятков тысяч киловатт) и низкого напряжения дуги (100—400 В) по короткой сети протекают токи силой до нескольких десятков тысяч ампер, поэтому токопровод короткой сети выполняют большого сечения и, как правило, из медных шин.

Для уменьшения потерь на нагрев плотность тока обычно принимают в шинах и водонеохлаждаемых  кабелях в гибких водоохлаждаемых  кабелях 2,3—3, в водоохлаждаемых  трубах 3— 3,5 А/мм2.

Несмотря на относительно небольшую (несколько метров) длину  вторичного токопровода, его активное и особенно индуктивное сопротивления  являются определяющими для характеристики электрической установки в целом.

Большая сила тока требует большого сечения проводников, которое составляет несколько тысяч  квадратных миллиметров на фазу. Большие  сечения, малая длина, сложные конфигурации и шихтовка проводников усиливают  обычно мало заметные при частоте 50 Гц явления поверхностного эффекта (вытеснение тока из середины проводника на поверхность), эффекта взаимодействия между собой тока одной фазы, протекающего по нескольким параллельным шинам, а также взаимодействия общего тока одной фазы с током другой фазы.

Рис.1 Короткая сеть сталеплавильной  печи

 

Электрический к.п.д. установки и ее cos ср в значительной мере определяются параметрами короткой сети. Полное сопротивление контура печи. п складывается из сопротивления трансформаторного агрегата, сопротивления короткой сети. с и сопротивления собственно рабочей части печи. Если трансформаторный агрегат включает в себя дроссель или в установке имеется отдельный дроссель, то добавляется сопротивление дросселя.

Рис.2 Электрические  характеристики периода плавления 
 
Таким образом, полное сопротивление контура печи будет равно геометрической сумме полных сопротивлений составляющих его участков. Каждый из участков обладает активным и реактивным сопротивлениями, которые связаны с полным сопротивлением.

Так как сила тока при замыкании электродов на металл не должна превышать 2,5-3,5-кратного от номинального значения, вопрос о  необходимости введения дополнительного  сопротивления дросселя в контур печи приходится решать в зависимости  от характера режима работы печи, а  именно частоты эксплуатационных коротких замыканий.

Очень важным является уменьшение индуктивного сопротивления  короткой цепи, которое в 3—7 раз  больше активного и определяет коэффициент  мощности. Так как точно рассчитать сопротивление с короткой сети невозможно, на вновь построенной печи должен быть проведен опыт короткого замыкания  для определения истинных значений короткой сети, позволяющий построить  рабочие характеристики для определения  оптимальных режимов работы печи.

Рассмотрим отдельные  участки короткой сети.

Гибкие компенсаторы. Шины короткой сети подсоединяют к  выводам трансформатора не непосредственно, а через гибкие компенсаторы, выполненные  в виде пакетов гибких медных лент толщиной 0,5 мм. Суммарная площадь  сечения пакета компенсатора должна быть равна или больше площади  поперечного сечения пакета шин  короткой сети. Свободная длина пакета составляет 0,3—0,5 м. На этом участке  устраиваются два-три перегиба, обеспечивающих необходимую гибкость пакета. Благодаря  наличию гибких компенсаторов можно  надежно уплотнить выводы трансформатора и гарантировать герметичность  уплотнений при температурных расширениях  шин короткой сети и при вибрации бака трансформатора.

Шихтованный пакет  шин представляет собой одну из наиболее длинных частей вторичного токопривода, поэтому принимают 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:

• чередование прямого и обратного проводов одной фазы, которое применяют при выполнении короткой сети по схеме «треугольник» на электродах;
• чередование проводов трех фаз в трехфазных печах по схеме «звезда» на электродах.

Существо явлений, достигаемых шихтовкой шин, заключается  в том, что индуктивность и, следовательно, индуктивное сопротивление проводника, находящегося в шихтованном пакете, определяются его собственной индуктивностью LХ1 и взаимными индуктивностями от соседних пакетов или шин пакета Мх_г, Мх_3, Мх_з . • • Мх_п.

Таким образом:

Lx = Lx_x ± Мх_г ± Мх_з ± • • • ± Мх_п,

где Lx — полная индуктивность первого пакета шин. Знак величины М зависит от направления тока в проводнике. Если токи направлены в противоположные стороны, то величина М вычитается из величины Lx.

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