Дуговые печи и установки спецнагрева

1.

Лекция
Дуговые печи
и установки спецнагрева

2. Общие сведения о дуговом разряде

В электрических дуговых установках превращение
электрической энергии в тепловую происходит в
электрическом разряде, протекающем в газовой среде или в
среде пара металла.
Дуговой разряд − один из видов электрического разряда в
газе или в парах. Газовая или паровая среда становятся
проводящей, если в ней помимо нейтральных частиц имеются
заряженные частицы.
Источниками появления заряженных частиц в среде могут
являться как внешние факторы (ультрафиолетовое,
рентгеновское, световое и т.д. излучение), так и внутренние,
обусловленные процессами столкновения частиц среды.

3.

Различают отдельные фазы электрического разряда в
газе: тлеющий, нормальный тлеющий разряд, аномальный
тлеющий разряд и дуговой разряд.
Дуговой разряд характеризуется малым катодным
падением напряжения – 10–20 В (для тлеющего разряда
оно составляет 200–300 В) и высокой плотностью тока,
которая может достигать сотен и тысяч ампер на 1см2.
В дуговом разряде газ сильно ионизирован, в нем
присутствуют положительно заряженные ионы и
свободные электроны.
В дуговых электрических установках используются дуги
как постоянного, так и переменного токов.

4. Дуга постоянного тока

При этом виде разряда один из электродов является
катодом, второй – анодом.
Светящийся проводник, соединяющий оба электрода,
называют столбом дуги.
По длине дуги можно выделить три характерные
области: прикатодную, столб и прианодную. Они
различаются распределением потенциала вдоль дугового
разрядного промежутка.

5.

Концентрация положительных ионов у катода на
относительно небольшом участке (10–4 – 10–5 см) создает
электрическое поле высокой напряженности и вызывает
прикатодное падение напряжения Uк . Эту область
называют прикатодной.
Ионизация нейтральных частиц газа или пара
движущимися электронами лавинообразно увеличивается
на их дальнейшем пути к аноду. Это основная, видимая
часть дуги называется столбом дуги.
У самой поверхности анода на малой длине lа в связи с
концентрацией здесь электронов также имеет место
значительное изменение потенциала – анодное падение
напряжения Uа. Эту область называют прианодной.

6.

Столб дуги практически занимает весь межэлектродный
промежуток и зрительно воспринимается как собственно
дуга. Потенциал столба от катода к аноду изменяется
монотонно на величину Uст. Если условия в столбе и
вокруг него одинаковы по всей его длине, то
напряженность электрического поля вдоль столба
постоянна, т.е.
dU ст
Eст
const
dlст

7.

Вследствие большой чувствительности свойств столба к
внешним условиям, напряженность Eст по его длине
непостоянна. Поэтому полное падение напряжения на
дуге определяется как
lст
U д U а U к Eст d l
0

8.

Столб дуги между электродами представляет собой
раскаленную газовую плазму, состоящую из нейтральных
частиц паров и газов, положительно заряженных ионов и
электронов. Плазма столба в целом нейтральна, т.е.
концентрация положительных и отрицательных частиц
одинакова, но поскольку скорость электронов значительно
выше скорости ионов (примерно в 1000 раз),то ток в
столбе является чисто электронным током.

9.

Одной из основных характеристик дуги, как элемента
электрической цепи, является вольтамперная
характеристика (ВАХ), определяемая как Uд = f (Iд).
Теоретические и экспериментальные исследования дуги
постоянного тока показали, что ее вольтамперная
характеристика носит нелинейный характер.
Аналитическое описание вольтамперной характеристики
дуги, зависит от величины тока.
При малых токах вольтамперная характеристика имеет
падающий характер. Такая характеристика может быть
представлена уравнением Айртон, где α, , γ - постоянные,
зависящие от материала электродов, состава газа и
условий охлаждений дуги; lд- длина дуги.
γ δ lд
U д α β
Iд

10.

При больших токах, используемых в электродуговых
печах, напряжение практически не зависит от тока
(участок 2) и выражение ВАХ дуги принимает вид:
U д α β lд
Здесь α представляет собой сумму катодного и анодного
падений напряжений, не зависящую от тока и длины дуги;
β - градиент потенциала в столбе дуги, lд - падение
напряжения в столбе дуги, пропорциональное его длине.
При дальнейшем увеличении тока ВАХ имеет слегка
возрастающий характер. Это характерно для плазменной
дуги и дуг, горящих при низких давлениях.

11.

Тепловое равновесие дуги с окружающей средой
(устойчивое горение) возможно при электрическом
равновесии контура. Уравнение баланса напряжений
контура имеет вид:
d Iд
U ист I д R U д L
dt
В установившемся режиме на постоянном токе dIд/dt = 0,
и уравнение баланса напряжений принимает вид:
U ист I д R U д

12. Дуга переменного тока

При питании дуги переменным током условия ее горения
существенно меняются. Дуга в течение периода дважды гаснет и
вновь зажигается. Поэтому для электрической дуги переменного
тока имеет смысл говорить только о ее динамических
характеристиках. Изменение тока и напряжения на разрядном
промежутке существенно зависит от электрических
параметров контура дуги и условий ее охлаждения.
По виду динамической ВАХ дуги можно разделить на три
группы.

13.

Дуги с малой тепловой инерцией - маломощные дуги в
условиях хорошего охлаждения. В этом случае разрядный
промежуток при прохождении тока через нуль успевает
охладится и деионизироваться. Поэтому для повторного
зажигания требуется повышенное напряжение −
напряжение зажигания. Если в цепи отсутствует или очень
мала индуктивность, то неизбежны паузы тока в моменты
его перехода через нуль.
Дуги средней теплопроводности. В этом случае за время
горения напряжение на дуге почти не зависит от тока , а
пики напряжений зажигания и потухания практически
отсутствуют. Форма напряжения на дуге близка к
трапецеидальной, а ток несинусоидален. Такая форма
кривых напряжения и тока характерна для дуг
сталеплавильных печей, горящих на металл.

14.

Дуги хорошо теплоизолированые и мощные. При хорошо
теплоизолированной дуге ее проводимость в течение
полупериода практически не меняется, т.е. дуга ведет себя
как обычный резистор, следовательно, ток и напряжение
дуги синусоидальны.
Динамическая характеристика представляет собой
наклонную прямую.
Такие формы кривых тока и напряжения имеют место в
руднотермических печах, где дуги закрыты слоем шихты
или шлака.

15.

Близкой к синусоидальной форма кривых тока и
напряжения может быть и для менее мощных дуг, если в
их цепи имеется значительное активное сопротивление, а
также для дуг, питание которых осуществляется от
напряжения повышенной частоты.
Таким образом, в большинстве случаев для дуг
переменного тока кривые тока и напряжения на дуге
отличаются от синусоиды, а в течение некоторой части
периода через дуговой промежуток ток вообще не
проходит.
Кривые тока и напряжения дуги имеют прерывистый или
непрерывный характер в зависимости от многих факторов,
главными из которых являются: значение и частота
напряжения источника питания, сопротивление
электрической цепи, мощность дуги, тепловое состояние
газового промежутка (степень теплоизоляции дуги).

16.

При наличии в электрической цепи с дугой активного и
индуктивного сопротивлений процессы изменения токов
характеризуются следующими особенностями:
- чем больше X / R, тем больше отстает по фазе основная
гармоника тока от Uист ;
- форма тока несинусоидальна и может содержать паузы –
чем меньше Uд / Um и чем больше X / R, тем короче пауза.

17. Классификация и область применения дуговых печей

Электродуговые установки принято разделять на
следующие группы.
По роду тока – на установки постоянного и переменного
тока (обычно промышленной частоты). На постоянном токе
работают плазменные установки (ПУ) и вакуумные дуговые
печи (ВДП), а на переменном – дуговые сталеплавильные
(ДСП) и руднотермические (РТП) печи.
По способу взаимодействия дуги и нагреваемого изделия –
установки прямого действия, когда дуга горит между
электродом и нагреваемым изделием и установки
косвенного действия, в которых дуга горит между
электродами и тепло изделию передается излучением.

18.

По степени замкнутости объекта, в котором горит
дуга – на установки с открытой или закрытой дугой. С
открытыми дугами работают ВДП, ДСП и некоторые типы
руднотермических установок. К установкам с закрытыми
дугами относят ряд руднотермических печей, где дуга
горит под слоем шлака или шихты.
По давлению в среде, где горит дуга – установки
высокого, атмосферного и низкого давления. Так,
сталеплавильные печи работают при атмосферном
давлении, а вакуумные дуговые печи – при низком
давлении.

19.

По длине межэлектродного промежутка – дуги делят на
короткие, в которых взаимное влияние процессов,
протекающих на торцах обоих электродов, существенно, и
на длинные дуги, у которых такое взаимное влияние
отсутствует. К первым относят дуги в ВДП и в
плазмотронах косвенного действия. Ко вторым – дуги,
горящие в ДСП (особенно в период после расплавления
металла).
По скорости частиц в среде, где горит дуга − на
установки с застойной средой и установки, в которых
дуга горит в потоке среды. К последним относятся дуги в
плазменно-дуговых печах и установках.

20.

Любая промышленная установка дугового нагрева должна
отвечать следующим основным требованиям:
- соответствие особенностям технологического
процесса, для которого она предназначена;
- обеспечение максимальной устойчивости дуги и
стабильности ее параметров;
- обеспечение легкого и плавного управления мощностью
дуги в широком диапазоне при сохранении устойчивости
дуги;
- обеспечение быстрого и надежного восстановления дуги
после ее случайных угасаний.

21. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП)

Предназначена для выплавки стали заданного состава
(качественные средне- и высоколегированные стали с
повышенной очисткой от примесей) из металлического лома
(скрапа), состав которого не известен.
Энергозатраты на выплавку одной тонны стали составляют
500–800 кВт·ч.

22.

23.

Дуговая сталеплавильная печь – это установка
периодического действия. Ее работа состоит из
следующих друг за другом циклов – плавок, которые
должны по возможности точнее повторять друг друга и
заканчиваться каждый раз полным сливом готовой
продукции из печи.
Основным параметром ДСП служит ее номинальная
емкость G – масса готовой стали в тоннах, которую печь
выдает за плавку в нормальном режиме. С емкостью ДСП
связана потребляемая печью мощность, а значит, и
установленная мощность ее электрооборудования. Связь
номинальной емкости G в т и номинальной мощности ее
трансформатора S в кВА характеризуется удельной
мощностью трансформатора Sт.уд = Sт/G.

24.

Активная мощность Рп, вводимая в печь, определяется как
Рп = Sт ηэл cos н = Sуд G ηэл cos н,
где ηэл − номинальный электрический КПД;
cos н − коэффициент мощности установки.
Полезная мощность печи
Pпол.п = Pп ηт,
где ηт − тепловой КПД печи.

25.

Пути повышения производительности печи:
- увеличение емкости печи G;
- увеличение удельной мощности трансформатора Sт.уд;
- увеличение электрического и теплового КПД;
- повышение cos н (но не более 0,86);
- сокращение технологических пауз.

26. ДСП как потребители электроэнергии

Дуговая сталеплавильная печь является мощным
потребителем электроэнергии. Она представляет собой
установку периодического действия с изменяющимся в
течение технологического цикла потреблением энергии:
в период расплавления шихты – максимального;
в период восстановления – минимального;
Работа печи характеризуется нестабильностью
электрического режима. Наибольшая нестабильность
наблюдается в период расплавления, которая
характеризуется неустойчивым горением дуги, бросками
тока, обрывами дуги и короткими замыканиями.

27.

Для обеспечения безпаузного режима работы
коэффициент мощности установки не должен превышать
0,86. Для повышения коэффициента мощности
используют конденсаторы, подключаемые к шинам
главной понижающей подстанции.
Так как дуга является нелинейным элементом
электрической цепи, то она вызывает искажение формы
кривой тока и напряжения, т.е. появление в них высших
гармоник. Для борьбы с высшими гармониками
применяются фильтрокомпенсирующие устройства,
настроенные на частоту гармоник с наибольшими
амплитудами.

28.

При выборе рационального режима работы следует
иметь в виду, что уменьшение тока по отношению к
режиму максимальной активной мощности ведет к
повышению КПД и коэффициента мощности, но
увеличивает влияние печи на питающую сеть при
эксплуатационных коротких замыканиях. Напротив, при
увеличении тока по отношению к режиму максимальной
активной мощности уменьшается влияние ДСП на сеть, но
ухудшаются коэффициент мощности и экономичность
работы.

29. Дуговая печь постоянного тока

30.

Дуговая печь постоянного тока НПФ «Комтерм»

31. Плазменная плавильная печь