|
№ п/п
|
Активное сопротивление
короткой сети ·10-4, Ом
|
Реактивное сопротивление
короткой сети ·10-4, Ом
|
Активное сопротивление
трансформатора ·10-4, Ом
|
Реактивное сопротивление
трансформатора ·10-4, Ом
|
Напряжение холостого хода
трансформатора, В
|
|
16
|
8,3
|
34,9
|
13,1
|
41,8
|
180
|
ВВЕДЕНИЕ
Курсовой проект имеет целью рассчитать электрические и рабочие
характеристики дуговой сталеплавильной печки.
В дуговой печи прямого действия тепловая энергия выделяется в
электрических дугах, которые горят между концами электродов и расплавляемым
материалом. Нагрев материала осуществляется при выделении энергии в опорных
пятнах дуги, протекании тока через расплав, а также за счет излучения плазмы
дуги, конвекции и теплопроводности.
Электродуговые печи применяются в металлургической, химической,
машиностроительной и ряде других отраслей промышленности.
1. ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
1.1 Конструкция ДСП
Дуговые сталеплавильные печи работают на трехфазном
токе частотой 50 Гц. Они имеют чашеобразную форму; стенки печи выполнены из
огнеупорного кирпича - магнезитового, если применяется основной шлак, и
динасового, если шлак кислый (некоторые печи для фасонного литья). Дно ванны печи
выполняют набивным из огнеупорного порошка, смешанного с каменноугольной смолой
или жидким стеклом, чтобы создать слой, не проницаемый для жидкого металла.
Сверху печь перекрывается сферическим огнеупорным сводом с тремя расположенными
по вершинам правильного треугольника, отверстиями, через которые в печь входят
три графитовых электрода. Электроды зажаты в бронзовых или стальных
электрододержателях, рукава которых закреплены на стойках, перемещающихся вверх
и вниз в направляющих при помощи электродвигателей или гидравлических
механизмов. Ток подводится к электрододержателям от специального трехфазного
понижающего трансформатора с помощью медных шин, трубошин и гибких кабелей.
Дуги горят между концами электродов и металлом шины, который электрически является
нулем трехфазной звезды нагрузки. Перемещением электродов вверх и вниз можно
регулировать длину дуги, а с ней ток и мощность каждой фазы печи, устраняя
колебания тока, короткие замыкания и обрывы дуги. Кроме того, для регулирования
режима печи применяют изменение
питающего печь напряжения, для чего обмотка электропечного трансформатора
снабжается большим числом отводов. Переключение с одной ступени напряжения на
другую на печах небольшой емкости производят при выключенном трансформаторе, а
на мощных печах - с помощью специального переключателя ступеней без отключения
печи от сети.
Футеровка печи находится в прочном стальном кожухе, в
котором прорезаны одно рабочее окно, прикрываемое подъемной дверцей, и
отверстие для летки со сливным носком, через которое производят по окончании
плавки слив металла в ковш. Рабочее окно служит для наблюдения за состоянием
ванны и футеровки, для заправки (исправления) подины и стен, для заброса в печь
образующих шлак материалов и легирующих добавок и взятия пробы металла. Кроме
того, через рабочее окно, находящееся против сливного носка, осуществляют
скачивание шлака в шлаковницу, при этом печь наклоняют в сторону окна.
К нижним конструкциям печи прикреплена шахта с
направляющими роликами, в которых перемещаются вертикально стойки печи, несущие
электрододержатели с зажатыми в них электродами. Внизу кожух печи покоится на
двух секторах, которыми он опирается на горизонтальные площадки или систему
роликов. Механизм наклона печи осуществляет качение секторов по площадкам или
роликам, тем самым, наклоняя всю
печь со стойками и электродами на 40-45° в сторону слива металла в ковш и на
15° в сторону рабочего окна (при скачивании шлака). Привод механизма наклона
печи может быть электромеханическим или гидравлическим.
Для загрузки печи свод ее приподнимают и отворачивают
вместе с электродами специальными механизмами в сторону, оставляя ванну печи
открытой. Шихту загружают в загрузочную бадью, они устанавливается креном над
печью, дно бадьи раскрывается, и шихта падает в печь.
Крупные ДСП снабжают устройствами для
электромагнитного перемешивания металла в ванне. Для этой цели под дном печи
(днище выполняется при этом из магнитной стали) устанавливают статор, создают
бегущее магнитное поле. Увлекаемый полем металл перемешивается, что обеспечивает
выравнивание состава и температуры ванны. Кроме того, вызванное устройством
движение верхнего слоя металла в сторону рабочего окна облегчает скачивание
шлака. Для увеличения глубины проникновения магнитного пола в металл и
увеличения эффективного движения последнего статор питают током пониженной
частоты (0,4-0,6 Гц) от специального электромашинного или полупроводникового
преобразователя. Таким образом, ДСП является большим и сложным плавильным
агрегатом, снабженным рядом механизмов и быстродействующей системой
автоматического регулирования электрического режима.
.2 Технологический процесс выплавки стали в ДСП
Первым периодом плавки является расплавление шихты.
Электроды опускают, они касаются шихты и приподнимаются; между их концами и
металлом зажигаются дуги. Металл под электродами нагревается, начинает
плавиться и каплями стекать на дно ванны. В шихте образуется выемка, а затем
«колодец», в который по мере его проплавления опускается электрод. Этот процесс
длится, пока электрод не доходит до лужи расплавленного металла на подине;
затем шихта стенок колодцев начинает подправляться, колодцы расширяются,
уровень расплавленного металла в ванне, а с ним и электроды начинают
подниматься, пока вся шихта не расплавится. Это очень беспокойный, неустойчивый
период плавки, так как окруженная холодной шихтой дуга очень коротка (2-3 см) и
неустойчива, подправляемые дугой стенки колодцев обрушиваются, падают на
электрод и вызывают короткие замыкания. В то же время период расплавления
желательно провести как можно быстрее, на максимальной мощности, так как от
времени расплавления зависит как производительность ДСП, так и ее КПД. Этот
период можно проводить на максимальном напряжении, так как дуги окружены
холодным металлом, защищающим футеровку стен и свода от их излучения. В период
окисления металл расплавлен и покрыт шлаком, дуга длиннее (5-10 см), режим
спокойнее, излучение дуг на футеровку больше, и поэтому приходится снижать
мощность и напряжение на 15-20%.
В период рафинирования металл и стены очень горячие, дуги еще более удлиняются (до 20-30
см) и сильно излучают теплоту на футеровку, которая нагревается до предельной
для материала температуры, поэтому напряжение снижают до 50-60% номинального.
Потребность в энергии также сильно падает, мощность печи снижают до 30-50%
номинальной. Из изложенного следует, что необходимо иметь возможность
регулировать в широких пределах мощность печи и ее напряжение, а ее
электрооборудование должно выдерживать частые короткие замыкания и толчки
нагрузки. Кроме того, следует отметить, что ДСП является крупным и весьма
неприятным для энергосистемы потребителем. Она, как правило, работает с низким
коэффициентом мощности (0,8-0,7); дуга генерирует высокочастотные колебания,
нежелательные для других потребителей, мощность, потребляемая из сети, меняется
в течение плавки в широких пределах; электрический режим печи, особенно в
начальный период, отличается частыми короткими замыканиями и обрывами дуги.
.3 Электрическая схема питания ДСП и особенности эксплуатации
печного электрооборудования
На рис. 1 показана схема питания ДСП.
Рис. 1. Электрическая схема питания ДСП: 1 - печь; 2 - печной
трансформатор; 3 - встроенный реактор; 4 - трансформатор тока; 5 -
трансформатор напряжения; 6 - высоковольтный выключатель; 7 - разъединители; 8
- ввод высокого напряжения; 9 - реле защиты от перегрузки.
Так как напряжение питания печи при ее работе
требуется изменять в довольно широких пределах, каждую печь снабжают своим
регулируемым электропечным трансформатором, имеющим несколько ступеней
вторичного напряжения. Электропечной трансформатор является одновременно и
понижающим, так как питание малых печей осуществляется от подстанций 6-10 кВ, а
крупных - 35 и даже 110 кВ. Так как дуговые печи, мощность которых достигает
нескольких десятков тысяч киловатт, работают при сравнительно низких
напряжениях и больших токах, электропечные трансформаторы располагают возможно
ближе к печам. Поэтому в сталеплавильных цехах с дуговыми печами рядом с
последними строят внутрицеховые подстанции, в которых располагают
трансформаторы и остальное электрооборудование.
В дуговой печи короткое замыкание (КЗ) электродов на
металл - нормальное эксплуатационное явление. В период расплавления число КЗ
доходит до 5 - 10 в минуту. Поэтому необходимо ограничить ток КЗ приемлемым для
надежной работы электрооборудования значением. Обычно стараются, чтоб кратность
тока КЗ к номинальному току не превосходила 3-4. Это достигается введением
последовательное дугами дополнительных индуктивностей.
В мощных печах для этой цели достаточно индуктивности
трансформатора и короткой сети - токопровода от электропечного трансформатора к
электрододержателям: эти естественные индуктивности настолько велики, что
ограничивают ток КЗ у самых крупных печей до двукратного номинального значения.
Поэтому в мощных печах приходится заботиться об
уменьшении, насколько это возможно, индуктивности контура из-за снижения
коэффициента мощности установки, а также о согласовании параметров
трансформатора, и вторичного токопровода. Наоборот, у малых печей естественной
индуктивности не хватает (трансформатор 6 - 10%, короткая сеть 5 - 10%, что
соответствует 5 - 6-кратному значению тока КЗ), и приходится последовательно с
трансформатором включать со стороны высокого напряжения дополнительную
индуктивность - реактор с магнитопроводом и масляным охлаждением, имеющий
относительное реактивное сопротивление 15 - 25%. Так как индуктивность реактора
ив должна зависеть от тока, его сердечник работает в режиме, далеком от
насыщения.
Ограничение толчков тока при КЗ и стабилизация режима
дуги нужны только в период расплавления; в остальные периоды плавки дуга горит
вполне устойчиво без дополнительной индуктивности, толчки тока меньше (из-за
снижения напряжения), КЗ редки. Поэтому, как правило, параллельно реактору
включают контакты, позволяющие зашунтировать его, когда он не нужен.
Электрооборудование установки ДСП работает в более
тяжелых условиях, чем оборудование общепромышленных электроустановок, так как
оно должно выдерживать многочисленные 2 - 3-кратные перегрузки по току. Это
относится к электропечному трансформатору, реактору, трансформатору тока; их
конструкция должна быть усиленной в механическом и тепловом отношениях. В
особенно тяжелых условиях работает коммутационная аппаратура, так как число
отключений печи, в том числе при КЗ, доходит до нескольких десятков в сутки.
Это ставит в особо тяжелые условия размыкающие контакты и масло высоковольтных
выключателей и требует частых (до двух раз в месяц) ревизий и замен масла. В
частности, маломасляные горшковые выключатели совершенно непригодны для
коммутации дуговых печей; здесь применяют только базовые вакуумные или
воздушные выключатели. Всю коммутационную аппаратуру (выключатели,
переключатели ступеней напряжения электропечных трансформаторов) устанавливают
на стороне ВН, так как на стороне НН, где токи достигают нескольких десятков
тысяч ампер, никакие переключения невозможны.
В установках ДСП необходима защита от перегрузки и от
аварийных КЗ. Первую обеспечивают обычно на стороне НН электропечного
трансформатора, а вторую - с помощью максимальных реле мгновенного действия,
подключаемых к трансформаторам тока на стороне ВН. Уставку реле мгновенного
действия выбирают так, чтобы реле не реагировали на эксплуатационные КЗ,
которые должны ликвидироваться не отключением печи, а поднятием электрода с
помощью быстродействующей системы автоматического регулирования мощности печи.
Защита от перегрузки состоит из реле максимального тока с ограниченной
зависимой характеристикой и обеспечивает отключение печи за время, большее, чем
время отработки автоматики. Ее задача - отключение печи в случае, если
автоматика не сработает.
Электропечные трансформаторы имеют газовую защиту и
сигнальные термометры. Дифференциальную защиту на печных трансформаторах не
применяют из-за резко различных характеристик трансформаторов тока на стороне
ВН и НН.
Кроме того, в электрооборудование установки ДСП входит
система автоматического регулирования ее режима. Остальная электроаппаратура,
применяемая в печных подстанциях, не отличается по условиям работы и методам
выбора от аналогичной аппаратуры общепромышленных электроустановок.
.4 Полная и упрощенная схемы замещения ДСП
Расход электроэнергии на 1 т выплавленной стали и
производительность печи зависят не только от технологических факторов (марки
выплавляемой стали, качества шихты и электродов, состояния футеровки, умения
персонала, длительности простоев), но и от того, насколько правильно выбран
электрический режим печи. Регулировать электрический режим можно, изменяя либо
питающее напряжение, либо длину, а, следовательно, и токи дуг, Первым способом
пользуются обычно лишь несколько раз за плавку, обычно при переходе от одного
этапа плавки к другому. Второй способ позволяет регулировать режим печи
непрерывно и плавно, опуская и поднимая электроды при помощи системы
автоматического регулирования, поддерживающей токи фаз печи на заданном уровне.
Так как регулирование режима ДСП осуществляется в
основном путем изменения длины дуги, а с нею и тока, целесообразно выявить
зависимость от тока ее основных параметров; полезной к полной (активной)
мощности, электрических потерь, электрического КДД и коэффициента мощности.
Такого рода зависимости строят на основе схемы замещения печи; они носят
название электрических характеристик.
Считая ДСП симметричной трехфазной системой, можно её
схему замещения представить в виде однофазной цепочки последовательно
включенных на фазное вторичное напряжение U2ф индуктивных и активных сопротивлений: индуктивного
сопротивления реактора xр (активное сопротивление rр и сопротивлениями x0 и r0 ввиду их малости пренебрегаем),
индуктивного и активного сопротивления трансформатора xm1, xm2,
rm1, rm2
индуктивного и активного сопротивления короткой сети x2, r2; сопротивления дуги Rд, принимаемого активным (рис. 2, a); Rд может произвольно меняться, тогда как остальные принимаются
неизменными. Поэтому все индуктивные и активные сопротивления можно сложить,
обозначив сумму активных сопротивлений через r, а сумму индуктивных - через x (рис. 2, б).
а)
б)
Рис
2. Схема замещения дуговой печи: полная (а) и упрощенная (б)
2. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДСП
.1 Круговая диаграмма ДСП
Для такой схемы замещения можно построить круговую диаграмму. При К.З. Rд=0, а ток КЗ печи равен
(1)
r = rкс +rтр (2)
x = xкс + xтр (3)
r = 8,3·10-4
+ 13,1·10-4 = 2,14·10-3 Ом;
x = 34,9·10-4
+ 41,8·10-4 = 7,67·10-3 Ом;
А;
I2к · r = 22604· 2,14·10-3 = 48,364 В;
I2к · x = 22604 · 7,67·10-3 = 173,342 В.
В
соответствии с допущением о постоянстве индуктивного сопротивления x,
падение напряжения на нем I2·x
должно быть пропорционально току I2;
следовательно, по оси абсцисс можно отложить значение тока I2 в масштабе 1А=ОА/I2k,
мм. Если теперь для любого тока I2 = ОС
восстановить из С перпендикуляр к оси абсцисс до пересечения в точки D с
окружностью LM , то отрезок ЕС даст в масштабе напряжений падение
напряжения на сопротивлении r, равное I2·r, а отрезок ОС - падение напряжения на индуктивном
сопротивлении x, равное I2·x, отрезок DE- напряжение на дуге Uд=I2∙Rд, а угол j - сдвиг фаз между
током I2 и
напряжением U2.
Рис.
3. Круговая диаграмма однофазной дуговой установки
2.2 Рабочие характеристики ДСП
Построенная круговая диаграмма дает, т.о., связь тока I2 с напряжением на дуге U2ф, а следовательно, и с сопротивлением дуги. Это, в свою
очередь, позволяет построить все интересующие нас электрические характеристики
печной установки в функции тока I2.
Здесь
Рэл.п - мощность электрических потерь установки, Вт;
Рд
- мощность, выделяющаяся в дуге, Вт;
Ракт
- активная мощность установки, Вт;- полная мощность установки, В∙А;
hэл - электрический кпд установки.
Таблица
2. Электрические характеристики печной установки
|
I2,А
|
Uд=I2*rд,В
|
r,Ом
|
x,Ом
|
rд,Ом
|
Рэл,кВт
|
Ракт,кВт
|
Рд,кВт
|
ηэл
|
cosφ
|
|
1000
|
178
|
0,00214
|
0,0076
|
0,178
|
6,42
|
540,42
|
534
|
0,98812
|
0,997
|
|
3000
|
171
|
0,00214
|
0,0076
|
0,057
|
57,78
|
1596,78
|
1539
|
0,96381
|
0,98566
|
|
6000
|
160
|
0,00214
|
0,0076
|
0,026667
|
231,1
|
3111,15
|
2880,05
|
0,92571
|
0,96023
|
|
10000
|
138
|
0,00214
|
0,0076
|
0,0138
|
642
|
4782
|
4140
|
0,86574
|
0,88555
|
|
12000
|
125
|
0,00214
|
0,0076
|
924
|
5424,62
|
4500,62
|
0,82966
|
0,83713
|
|
15000
|
102
|
0,00214
|
0,0076
|
0,0068
|
1444
|
6034,5
|
4590,5
|
0,76070
|
0,745
|
|
17000
|
83
|
0,00214
|
0,0076
|
0,004882
|
1855
|
6088,07
|
4233,07
|
0,69530
|
0,66318
|
|
19000
|
54
|
0,00214
|
0,0076
|
0,002842
|
2318
|
5395,50
|
3077,50
|
0,57038
|
0,5258
|
|
21000
|
25
|
0,00214
|
0,0076
|
0,00119
|
2831
|
4405,59
|
1574,59
|
0,357407
|
0,3885
|
|
22500
|
0
|
0,00214
|
0,0076
|
0
|
3250
|
3250
|
0
|
0
|
0,2675
|
На рис. 4 показаны электрические характеристики ДСП.
а)
б)
в)
Рис.
4. Электрические характеристики ДСП:
а
- графики зависимости Рэл., Ракт, Рд = f(I2); б - графики зависимости Uд = f(I2); в -
графики зависимости cosj, h = f(I2).
Из
рисунка видно, что с увеличением тока электрический КПД печи и ее коэффициент
мощности падают, а потери в токопроводе и трансформаторе Рэл.п
растут пропорционально квадрату тока, полезная же Рд и активная Ракт
мощности печи сначала растут, а затем, пройдя максимум, вновь начинает
уменьшаться. Поэтому увеличивать ток сверх предела, соответствующего максимуму
полезной мощности, нецелесообразно, т. к. при этом электрические потери будут
больше увеличиваться, в то время как электрический КПД, cosj и производительность печи станут уменьшаться.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе курсового проекта был рассчитан режим работы дуговой
сталеплавильной печи прямого действия. На основе круговой диаграммы построены
рабочие характеристики ДСП в зависимости от вторичного тока электрического
трансформатора: активной мощности; полезной мощности, выделяемой в дуге;
мощности электрических потерь; коэффициента мощности; электрического
коэффициента полезного действия; напряжения дуги (внешняя характеристика
источника питания).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
электрическая характеристика дуговая сталеплавильная печь
1. Электрооборудование
промышленности: Методические указания для выполнения курсового проекта для
студентов специальности 181300 электроэнергетического факультета. - Вологда:
ВоГТУ ,2001.-40 с.
. Болотов
А.В. Электротехнические установки / А.В. Болотов, Г.А. Шепель. - М.: Высш. шк.,
1988.-333 с.
. Электротехнологические
промышленные установки: Учебник для вузов / И.П. Евтюхова, Л.С. Кацявич, Н.М. Некрасова,
А.Д. Свенчанский; Под ред. А.Д. Свенчанского. - М.: Энергоиздат, 1983. - с.,
ил.