Электротехнологические установки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИФЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 621.311(07) С217 В.И. Сафонов ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Учебное пособие Челябинск 2014 Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Системы электроснабжения» 621.311(07) С217 В.И. Сафонов ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Учебное пособие Челябинск Издательский центр ЮУрГУ 2014 УДК 621.311.1(075.8) С217 Одобрено учебно-методической комиссией энергетического факультета Рецензенты: А.С. Знаев, Н.Н. Беглецов С217 Электротехнологические установки: учебное пособие / В.И. Сафонов – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. – 124 с. Пособие содержит конспект лекций по дисциплинам «Электротехнологические промышленные установки» и «Физические основы электротехнологий». Первая из дисциплин входит в программу подготовки бакалавров, а вторая – в программу подготовки магистров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника». В пособии обсуждаются особенности технологических процессов в электрических печах и установках, определяющие их электромагнитную совместимость. Основное внимание уделено мощным электротермическим печам и системам электроснабжения этих печей. Пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения. УДК [621.311.1(075.8)] © Издательский центр ЮУрГУ, 2014 Вводная лекция ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС 1. Классификация электротехнологических установок Электротехнологическими установками называются установки, в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии с одновременным выполнением технологического процесса. По характеру действия на обрабатываемое вещество все электротехнологические условно делятся на: электротермические установки; электрохимические и электрофизические установки; электромеханические установки; электрокинетические установки. Электротермические установки – это установки, в которых электрическая энергия служит для нагрева материалов и изделий. В электротермических установках преобразование электрической энергии в тепловую производится следующими способами: нагрев сопротивлением; индукционный нагрев; диэлектрический нагрев; дуговой нагрев; электронно- и ионно-лучевой нагрев; плазменный нагрев; лазерный нагрев. В электрохимических и электрофизических установках используется электрохимическое действие тока. К ним относятся: электролизные; электрохимические; электроэрозионные; электрохимико-механические установки. В электромеханических установках действие электрического тока приводит к каким-то механическим усилиям. К ним относятся: магнитоимпульсные; электромагнитные; электрогидравлические; ультразвуковые. Электрокинетические установки – это установки, в которых используется электронноионная технология, включающая в себя электризацию частиц и формирование их движения в электрическом поле. Развитие получили следующие виды установок. Электрогазоочистка – выделение из газового (воздушного) потока твердых тел или жидких частиц. Электросепарация – разделение многокомпонентных систем на составные части. Электроокраска – нанесение твердых или жидких покрытий на изделия и др. Электротехнологические установки крайне разнообразны и многочисленны. Полное изложение информации о всех технологических установках может занять десятки томов энциклопедии. Поэтому необходимо выделить критерии отбора информации об установках для энергетиков. 2. Энергетическая диаграмма технологического процесса Рассмотрим, например, энергетическую диаграмму плавки металла (рис. В1). На диаграмме показаны все преобразования энергии от ГПП предприятия до выпуска готовой продукции. На каждом этапе процесс сопровождается потерями энергии. При этом потери энергии в системе электроснабжения СЭС и в технологический установке взаимосвязаны. Необходимо говорить об общем КПД преобразования энергии. 3 Рис. В1. Энергетическая диаграмма технологического процесса 3. Менеджмент технологического процесса Однако на производстве за часть процесса преобразования энергии отвечает энергетик, а за часть процесса – технолог. Области ответственности каждого из специалистов показаны на рис. В2‒В5. При составлении упрощенных диаграмм процессов у каждого процесса определялся вход, выход, управляющие воздействия и главное должность одного сотрудника, отвечающего за этот процесс. Если у процесса появлялось несколько ответственных, он разделялся на несколько самостоятельных процессов. Директор предприятия отвечает за выпуск продукции (рис. В2), технолог ‒ за управление технологическим процессом (рис. В3). Роль энергетика в этих процессах заключается в том, что он обеспечивает одно из управляющих воздействий (хотя и самое важное). Энергетик отвечает за электроснабжение технологического процесса (рис. В4) и управление СЭС предприятия (рис. В5). Все специалисты вместе решают задачу минимизации потерь энергии при выполнении требований к качеству выпускаемой продукции. 4 Чтобы успешно решать эту задачу технолог и энергетик должны понимать друг друга. Таким образом, энергетику необходима только та информация о технологии, которая позволяет ему решать общие с технологом вопросы энергосбережения. владелец процесса директор электроэнергия U,P и т.д. сырье другие управляющие воздействия продукция технологический процесс информация о процессе f(U,P и т.д.) Рис. В2. Обобщенная модель технологического процесса владелец процесса технолог требования к электроэнергия технологии информация о процессе формирование управляющих воздействий другие управляющие воздействия Рис. В3. Управление технологическим процессом владелец процесса энергетик управляющие воздействия электроэнергия электроснабжение для технологического электроэнергия технологического процесса от сети процесса информация о качестве электроэнергии Рис. В4. Электроснабжение технологического процесса владелец процесса энергетик требования к требования технологии от сети информация о качестве управляющие корректировка электроэнергии воздействия качества электроэнергии информация о технологическом процессе Рис. В5. Управления системой электроснабжения 5 4. Взаимосвязь СЭС и технологического процесса. Взаимосвязь СЭС и технологического процесса показана на рис. В6. Во время выполнения технологического процесса может возникать необходимость в изменении параметров источника питания (величины напряжения, тока и т.д.) по определенной программе. В некоторых случаях параметры источника питания должны сохраняться, несмотря на изменения характера технологического процесса. Параметры электрической сети при этом также могут изменяться. Эти и другие задачи решаются (автоматически или в ручном режиме) системой электроснабжения технологической установки. Продукция Сырье управляющие сигналы 1 информация о технологическом процессе Технология управление технологией 1 управление СЭС 2 ток ток 2 управляющие сигналы напряжение информация о СЭС управление СЭС СЭС 3 3 ток напряжение Рис. В6. Взаимосвязь СЭС и технологического процесса СЭС предприятия должна преобразовывать энергию сети в энергию для технологического процесса при изменениях в сети и технологическом процессе максимально экономно и с соблюдением требований технологии и электрической сети. В курсе «Электротехнологические установки» рассмотрены несколько характерных примеров технологических установок. Во-первых, взяты установки, потребляющую значительную мощность (по сравнению с другими потребителями предприятия). Во-вторых, взяты установки, для которых необходимо выполнения особых требований к качеству электроснабжения технологического процесса. Третьим критерием выбора является особенно сильное влияние технологического процесса на качество электроснабжения других потребителей. Для всех примеров изложение материала начинается с физических принципов технологического процесса, на основании которых формулируются требования к источнику питания технологической установки. Далее рассматривается электромагнитная совместимость электрической сети и технологической установки, принципы построения СЭС и конкретное оборудование СЭС. 6 Лекция 1 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИИ 1.1. Основы кинетики нагрева Уравнение теплового баланса нагреваемого тела имеет вид: где Q 1 ‒ тепло, полученное при преобразовании электрической энергии в тепловую (полное тепло); Q 2 ‒ тепло, затраченное на нагрев материала (полезное тепло); Q 3 ‒ потери тепла в окружающую среду. Преобразуя закон сохранения энергии, получим уравнение теплового баланса в форме где Р – мощность; τ ‒ время нагрева; m ‒ масса; c ‒ удельная теплоемкость нагреваемого материала; k ‒ коэффициент теплоотдачи; F ‒ площадь теплоотдающей поверхности; t и t 0 ‒ текущая и начальная температура нагрева. Обозначим постоянную времени нагрева и конечную температуру Постоянная времени нагрева – это отношение тепловоспринимающей способности вещества к теплоотдающей. Постоянная времени нагрева определяется по экспериментальным кривой нагрева или по аналитической зависимости. Уравнение теплового баланса преобразуется к виду Решая дифференциальное уравнение, получим зависимость температуры нагрева от времени: Тепловой КПД электронагревательной установки При отсутствии тепловых потерь в окружающую среду полезная мощность 1.2. Способы теплопередачи Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тел. Различают стационарный и нестационарный теплообмен. При стационарном теплообмене температура всех точек не изменяется, следовательно, неизменен и запас энергии в системе. При нестационарном теплообмене отдельные точки нагреваются (или остывают) и запас энергии в системе изменяется. 7 Существуют три различных способа передачи тепла: теплопроводность, излучение и конвекция. Теплопроводность – передача теплоты при непосредственном соприкосновении частиц вещества. На основании гипотезы Фурье количество тепловой энергии, переданной путем теплопроводности равно t q   ddF , n где  – коэффициент теплопроводности, t / n ‒ градиент температуры в направлении распространения тепловой энергии, d ‒ время, dF ‒ площадка, перпендикулярная направлению теплового потока. Конвекция – передача теплоты вместе с движением частиц вещества наблюдается только в жидкостях и газах. Различают естественную конвекцию, возникающую из-за движения среды при разности плотностей и принудительную конвекцию, создаваемую искусственным путем. Количественно передача теплоты конвекцией от твердого тела, омываемого жидкостью или газом, описывается формулой q   (t ст  t г ) F , где  ‒ коэффициент теплоотдачи конвекцией, t ст , t г ‒ температура стенки и газа, F ‒ поверхность теплоотдачи. Процесс конвективного теплообмена весьма сложен и зависит от ряда факторов. Коэффициент теплоотдачи зависит от температур теплоотдающей и тепловоспринимающей сред, геометрических размеров и формы твердого тела, теплофизических свойств омываемой среды, коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости, вязкости, плотности, а также скорости и характера движения среды. При принудительной конвекции коэффициент теплопроводности зависит в первую очередь от скорости движения среды. Тепловое излучение – передача энергии в виде электромагнитных волн. Этот процесс происходит в средах, прозрачных для тепловых лучей. Тепловая энергия на поверхности нагретого тела превращается в энергию электромагнитных волн с длиной волны 0,4÷40 мкм (0,4÷0,8 мкм – видимый свет, 0,8÷40 мкм – инфракрасное излучение) и распространяется со скоростью света. Энергия электромагнитных волн, встречая на своем пути твердые тела, частично поглощается ими, превращаясь в теплоту, частично отражается от них и частично пропускается сквозь тело, если оно прозрачное. Основной закон теплового излучения (закон Стефана-Больцмана) определяет удельный поток лучистой энергии, испускаемой во всем диапазоне длин волн абсолютно черным телом (не отражает и не пропускает энергию) q  c s (T / 100) 4 , где T ‒ температура тела (К), cs  5,7 ‒ излучательная способность абсолютно черного тела (Вт/(м2К4)). Для серых тел с коэффициентом теплового излучения 4  закон Стефана-Больцмана имеет вид q  c s (T / 100) и позволяет определить поток лучистой энергии, испускаемой телом по всем направлениям. 8 В чистом виде теплопроводность, конвекция и излучение встречаются редко. Чаще происходит совместное действие двух или трех видов передачи теплоты. 1.3. Преобразование электрической энергии в тепло Схема прямого преобразования, когда энергия различных форм электричества (электрического тока, электрических полей, магнитных полей, потока электронов) поглощается телами и превращается в них в теплоту. Схема косвенного преобразования, когда теплота выделяется в электронагревателе и передается загрузке теплообменом. Способы преобразования электрической энергии в тепловую и области их применения представлены в табл. 1.1 [13]. Таблица 1.1 Род нагрева Нагрев сопротивлением Нагрев электрической дугой Нагрев дугой и сопротивлением Нагрев в переменном магнитном поле Нагрев в переменном электрическом поле Нагрев электронным (ионным) пучком Лазерный нагрев Плазменный нагрев Способ превращение энергии Область применения Электрическая энергия превращает- Нагрев металлов под терся в тепловую при протекании тока мообработку; плавка металлов; сушка материалов Электрическая энергия превращает- Плавка металлов; плазся в тепловую в дуговом разряде менное напыление и т.д. Электрическая энергия превращается в тепловую в дуговом разряде и при протекании тока Электрическая энергия превращается в энергию переменного магнитного поля, а затем в тепловую в помещенных в это поле телах Электрическая энергия превращается в энергию переменного электрического поля, а затем в тепловую в помещенных в это поле телах Электрическая энергия превращается в энергию электронного (ионного) пучка, а затем в тепловую в бомбардируемых этим пучком телах Электрическая энергия превращается в энергию лазерного излучения, а затем в тепловую в освещаемых этим излучением телах Электрическая энергия превращается в энергию ионизированного газа, а затем в тепловую 9 Получение ферросплавов, чугуна, фосфора, абразивов и т.д. Плавка четных и цветных металлов; нагрев металлов под термообработку; поверхностная закалка Нагрев диэлектриков и пластмасс, сушка материалов, стерилизация продуктов Плавка и нагрев в вакууме, напыление Обработка тугоплавких металлов, точная обработка Плазменный нагрев Преобразование электрической энергии в тепло может осуществляться в один или несколько этапов. Наиболее простые одноэтапные преобразования в сопротивлении и электрической дуге. Однако такая технология не может применяться для нагрева высококачественных изделий, из-за непосредственного контакта электродов и нагреваемого материала. Рис. 1.1. Способы преобразования электрической энергии в теплоту 1), 2)‒ сопротивлением электроконтактный и электродный; 3) – индукционный косвенный; 4) ‒ сопротивлением косвенный; 5) ‒ электродуговой косвенный; 6) ‒ термоэлектрический; 7) ‒ диэлектрический; 8) ‒ электродуговой прямой Двухэтапные преобразования энергии (в электромагнитное поле, а затем в тепло) позволяют избежать загрязнения образцов при нагревании. Также двухэтапные технологии (электронный пучок, лазер) позволяют добиться высокой концентрации энергии, что компенсирует низкий коэффициент полезного действия при преобразовании энергии. Некоторые способы преобразования электроэнергии в теплоту показаны на рис. 1.1. 1.4. Электротермические установки Электронагрев (электротермия) объединяет разнообразные технологические процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя. Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств: ‒ существенное снижение загрязнения окружающей среды; ‒ получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива; ‒ создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков; ‒ достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве; ‒ контроль и точное регулирование длительности выделения энергии; ‒ гибкость в управлении потоками энергии; ‒ возможность нагрева материалов изделий в газовых средах и вакууме; ‒ выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе. 10 Внедрение электротермии также обеспечивает экономию материальных и трудовых ресурсов, что в конечном результате приводит к повышению экономической эффективности. Электротермические установки (ЭТУ) ‒ это электротермическое оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособлениями и коммуникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспортными и др.), обеспечивающими его нормальное функционирование. Электротермическое оборудование (ЭТО) – это оборудование, предназначенное для технологического процесса тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя. Электротермическое оборудование разделяют на электрические печи, электротермические устройства. Отличительной особенностью электрической печи является наличие нагревательной камеры, в которую помещается нагреваемое тело. Под «нагревательной камерой» понимается конструкция, образующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем заданный тепловой режим. Электротермические устройства выполняют без нагревательной камеры. На рис. 1.2 представлена классификация наиболее распространенных видов электрических печей. печи сопротивления дуговые печи прямого нагрева косвенного нагрева дуговые печи сопротивления дуговые печи косвенного действия дуговые печи прямого действия индукционные печи установки электроннолучевого нагрева индукционные печи с магнитопроводом индукционные тигельные печи рудовосстановительные печи дуговые сталеплавильные печи дуговые вакуумные печи дуговые плазменные печи индукционные вакуумные печи с кольцевым катодом с радиальной пушкой с аксиальной пушкой Рис. 1.2. Классификация электрических печей 11 В основу классификации ЭТО положены следующие признаки: 1. Способ электрического нагрева. Это основной классификационный признак, по которому различают следующие группы электронагревательных установок: 1) сопротивления; 2) электродугового нагрева; 3) индукционного нагрева; 4) диэлектрического нагрева; 5) электронного нагрева; 6) лазерного нагрева; 7) смешанного нагрева. 2. Принцип нагрева. По этому признаку каждая из основных классификационных групп разделяется на установки прямого и косвенного нагрева. 3. Принцип работы. По этому признаку различают установки периодического действия и непрерывного действия. 4. Род тока и частота. По частоте используемого для нагрева электрического тока различают установки: 1) постоянного тока; 2) низкой (промышленной) частоты (50 Гц); 3) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц); 4) высокой частоты (до 100 МГц); 5) сверхвысокой частоты (свыше 100 МГц). 5. Способ теплопередачи. Установки косвенного электронагрева различают по способу передачи тепла: 1) контактного нагрева (теплопроводностью); 2) конвективного нагрева; 3) лучистого (инфракрасного) нагрева; 4) смешанного нагрева. 1.5. Материалы для электротермии В электротермических установках применяются материалы, способные работать при высоких температурах. К ним относятся огнеупорные и теплоизоляционные материалы, назначение которых состоит в том, чтобы отделить рабочее пространство от окружающей среды и уменьшить тепловые потери. Применяются также жароупорные материалы, способные выдерживать механические нагрузки при высоких температурах, и материалы, из которых изготовляются нагревательные элементы. Свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов Огнеупорность - способность материала противостоять действию высоких температур, не расплавляясь. Огнеупорность несколько ниже температуры плавления. Из огнеупорных материалов изготовляют внутренние части стен и детали рабочих камер печей. Прочностные свойства керамических материалов оцениваются пределами временной прочности при сжатии, изгибе, скручивании, растяжении, реже при сдвиге. Обычно значения этих величин заметно превышают те реальные напряжения, которые может испытывать материал в работе. Термостойкость ‒ способность материала выдерживать, не разрушаясь, резкие колебания температуры. Химическая стойкость материала определяется его способностью противостоять разрушающему действию жидких, твердых или газообразных веществ. Материалы, применяемые в электропечах, должны противостоять разрушающему воздействию газов, расплавов, не должны взаимодействовать с нагревательными элементами печей и сами оказывать на них вредное влияние. 12 От огнеупорных материалов требуется малая теплопроводность, так как они отделяют зону наибольших температур от окружающей среды. Малая теплоемкость огнеупоров снижает аккумулированную футеровкой теплоту и тем самым уменьшает затраты электроэнергии, особенно у печей периодического действия. Малая электрическая проводимость и достаточная электрическая прочность при низких и высоких температурах необходимы потому, что огнеупорные материалы служат естественным изолятором, разделяющим и изолирующим токонесущие части друг от друга. К теплоизоляционным материалам, которые предназначены для уменьшения тепловых потерь электропечи, предъявляются следующие требования: малая теплопроводность, малая удельная теплоемкость, определенная огнеупорность, определенная механическая прочность, дешевизна и доступность. Свойства материалов для нагревательных элементов Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи и, как правило, предопределяют работоспособность установки в целом. К этим материалам предъявляются следующие требования: 1. Достаточная жаростойкость. 2. Достаточная жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах, необходимая, чтобы нагреватели могли поддерживать сами себя. 3. Большое удельное электрическое сопротивление. Чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше длина нагревателя и меньше его поперечное сечение. Сечение нагревателя должно быть достаточно большим для обеспечения необходимого срока службы. Длинный нагреватель не всегда возможно разместить в печи. Таким образом, желательно, чтобы материалы нагревательных элементов имели высокое значение удельного электрического сопротивления. 4. Малый температурный коэффициент сопротивления. Данное требование должно выполняться для того, чтобы мощность, выделяемая нагревателями в горячем и холодном состояниях, была одинаковой или отличалась незначительно. Если температурный коэффициент сопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение. 5. Постоянство электрических свойств. Некоторые материалы (карборунд) с течением времени стареют, т. е. увеличивают электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Требуются трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений. 6. Обрабатываемость. Металлические материалы должны обладать пластичностью и свариваемостью, чтобы из них можно было изготовить сложные по конфигурации нагревательные элементы. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются. Основными материалами для нагревательных элементов являются сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия. 13 Лекция 2 НАГРЕВ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ДУГОВОЙ НАГРЕВ 2.1. Схемы нагрева сопротивлением В ЭТО сопротивления происходит выделение теплоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по ним электрического тока. На рис. 2.1 приведены схемы нагрева сопротивлением. Количество теплоты, выделенное в нагреваемом материале или среде, пропорционально квадрату силы тока I, сопротивлению нагреваемого материала R и времени нагрева t: Рис. 2.1. Способы нагрева сопротивлением а) прямой; б) косвенный; в) конвекцией с калорифером; г) электродный в жидкой среде; д) в жидкой среде с внешним обогревом; е) в псевдокипящем слое, ж) электрошлаковый. На рис. 2.1. [7] показаны некоторые способы нагрева сопротивлением. Конструктивные элементы установок: 1 ‒ контактная система; 2 ‒ нагреваемое тело; 3 ‒ нагреватель; 4 ‒ футеровка; 5 ‒ рабочее пространство; 6 ‒ вентилятор; 7 ‒ калорифер; 8 ‒ электрод; 9 ‒ жидкость; 10 ‒ мелкие частицы; 11 ‒ решетка; 12 ‒ расходуемый электрод; 13 ‒ слиток; 14 ‒ шлаковая ванна; 15 ‒ водоохлаждаемый кристаллизатор; 16 – жидкая металлическая ванна; 17 – поддон. Направление теплопередачи в установках показано стрелками: сплошные стрелки (излучение); пунктирные (конвекция); штрих пунктирные (теплопроводность). 14 Ток может протекать по самому нагреваемому телу - прямой нагрев или по специальному нагревателю, от которого выделяемое тепло передается к нагреваемому телу теплообменом, такой нагрев называется косвенным. При косвенном нагреве различают три вида теплообмена: излучением, конвекцией и теплопроводностью Прямой нагрев сопротивлением подразделяется на два способа: нагрев металлических тел (электроконтактный); нагрев проводящих материалов с ионной проводимостью (электродный). Электроконтактный нагрев сопротивлением применяют для сквозного нагрева, контактной сварки. При контактной сварке или сварке сопротивлением места соприкосновения деталей нагреваются до температуры пластического состояния путем пропускания через них электрического тока. Переходное сопротивление в месте соприкосновения деталей значительно превосходит их сопротивление, поэтому сами детали непосредственно от тока нагреваются очень мало, тогда как в стыках выделяется большое количество энергии. Основные преимущества электроконтактного нагрева: ‒ способ более универсален, чем индукционный, где при нагреве разных деталей каждый раз приходится менять индуктор; ‒ большая скорость нагрева (10÷40°С/с), что позволяет получать более качественную по сравнению с нагревом в печах структуру металла. К недостаткам электроконтактного нагрева относятся: ‒ возможность нагрева только деталей простой формы; ‒ необходимость в специальных трансформаторах на большие вторичные токи; ‒ необходимость каждый раз зажимать детали, поэтому контактный нагрев более целесообразен для мелкосерийного производства. Электродный нагрев применяют для нагрева электропроводящих материалов, обладающих ионной проводимостью. По принципу действия электродный нагрев относится к прямому т.к. сам материал является средой, в которой электрическая энергия превращается в тепловую. Электроды служат лишь для подвода электрического тока к нагреваемому материалу. При косвенном способе нагрева под действием электрического тока нагревается проводник и отдает своё тепло в окружающую среду путем теплопроводности, конвекции и излучения. Косвенный нагрев сопротивлением применяют в различных технологических процессах низко – и высокотемпературного нагрева. Электрические нагреватели сопротивления просты по устройству и по стоимости уступают лишь электродным нагревателям. Установки косвенного нагрева достаточно безопасны в эксплуатации, что очень важно при отсутствии постоянного обслуживающего персонала. Регулирование мощности нагрева во многих случаях легко достигается простым переключением нагревателей. К недостаткам косвенного нагрева можно отнести: ‒ сравнительно низкий срок службы нагревателей; ‒ затруднительность или зачастую невозможность ремонта нагревателей; 15 ‒ более высокий по сравнению с прямым нагревом удельный расход электроэнергии. 2.2. Электрическая дуга Электрическая дуга (дуговой разряд), представляющая собой самостоятельный электрический разряд в смеси газов или паров металла между электродами, находящимися под напряжением, характеризуется малым анодно-катодным падением напряжения (10÷20 В) и высокой плотностью тока (100÷1000 А/см2). Электрическая дуга характеризуется высокой плотностью тепловой энергии, передаваемой нагреваемому телу потоком ускоренных в электрическом поле ионов и концентрированным инфракрасным излучением столба дуги. Имея температуру от 5000 до 12000° С [6], дуга способна плавить и испарять самые тугоплавкие металлы и сплавы. В обычных условиях межэлектродное пространство является изолятором. Чтобы зажечь дугу и поддерживать ее устойчивое горение необходимо в межэлектродном пространстве иметь заряженные частицы. За счет того, что к межэлектродному пространству приложено напряжение происходит ионизация дугового промежутка. Энергия необходимая для ионизации называется работой ионизации. Чем меньшую энергию нужно для ионизации дугового промежутка, тем быстрее загорается дуга и горит более устойчиво. Для этих целей в межэлектродное пространство добавляют присадки, которые имеют меньшую энергию ионизации. Напряжение между электродами горящей дуги с увеличением тока понижается до некоторого предельного значения и снова повышается при уменьшении тока. Первый пробой искрового промежутка начинается при сравнительно высоком напряжении зажигания и токе, равном нулю. Происходящее затем нарастание тока вызывает быстрое увеличение проводимости воздуха и, следовательно, уменьшение напряжения дуги. В твердых проводниках падение напряжения определяется главным образом плотностью тока, в дуге же проводимость и даже площадь поперечного сечения изменяются вместе с током. Рис. 2.2. Схема распределения потенциала вдоль дуги и схема электрической дуги На рис. 2.2 показана схема распределения потенциала вдоль дуги. Выделяют три области распределения потенциала вдоль дуги: анодное падение е а , катод16 ное падение е к , падение напряжения е l на длине l дугового столба. В пространстве, где происходит разряд, выделяют катодную область 4 (катодное пятно), столб 2 дуги, анодную область 1 (анодный кратер). Боковой поверхностью разрядного промежутка являются раскаленные газы 3 (светящаяся оболочка), не принимающие участия в прохождении тока. Под действием электрического поля из раскаленного катодного пятна выбрасываются электроны. Сталкиваясь с нейтральными молекулами, они расщепляют их, то есть ионизируют. При движении электронов и ионов в дуге отрицательно заряженные частицы накапливаются у анода, а положительно заряженные частицы ‒ у катода. Этим пространственным скоплением зарядов обусловлено резкое падение потенциала вблизи анода и катода. Материал электрода переносится от анода к катоду, поэтому на поверхности анода появляется углубление, а на поверхности катода ‒ выступ, представляющий собой яркий светящийся участок. Для электрической дуги основными являются термоэлектронная и электростатическая эмиссия. С увеличением температуры катода Т (К) ток термоэлектронной эмиссии быстро возрастает j1  A1T 2 exp( B1 / T ) . С увеличением напряженности поля Е (до 106 В/см) у поверхности катода быстро возрастает электростатическая составляющая тока j 2  A2 Е 2 exp( B2 / Е ) , где A1 , A2 и B1 , B2 коэффициенты, зависящие от материала электродов и состава окружающей среды. В зависимости от материала электродов плотность тока в катодном ядре составляет 1500÷7000 А/см2. В анодном кратере, имеющем по сравнению с катодным пятном большую поверхность, плотность тока снижается примерно в 10 раз. Столб дуги, представляющий собой ярко светящуюся смесь электронов, положительных ионов и возбужденных нейтральных атомов, называется плазмой. Он непрерывно теряет заряженные частицы вследствие их рекомбинации и диффузии в окружающую среду. При стационарном процессе убыль заряженных частиц компенсируется ионизацией в столбе дуги. Длина катодного участка около 10‒5 м. Катодное падение напряжения находится в пределах 10÷20 В (в зависимости от материала электродов, рода тока и состояния газа). Температура катода в результате интенсивной бомбардировки положительными ионами достигает 2500÷2800 К. Длина анодного участка больше катодного и превышает 10‒5 м. Анодное падение напряжения составляет 2÷6 В. Температура анода выше температуры катода и достигает 2700÷4500 К. Сумма катодного и анодного падения напряжения не зависит от тока и напряжения между электродами и составляет 22 В (уголь – сталь), 9 В (уголь – основной шлак), 30 В (уголь – кислый шлак). Электрические дуги между этими материалами характерны для дуговой сталеплавильной печи. 17 Напряженность электрического поля в основном столбе дуги находится в пределах 1500÷5000 В/м. Температура в канале этого участка дуги достигает 6000÷12000 К. Таким образом, горение электрической дуги сопровождается следующими эффектами, обусловливающими области ее применения: 1) большим выделением тепла на электродах. На этом основана техника электродуговой сварки и плавка металлов в электродуговых печах прямого нагрева; 2) высокоинтенсивным инфракрасным излучением. Это свойство используется в электродуговых печах косвенного нагрева; 3) мощным потоком видимого света. Это свойство дуги используется в электродуговых осветительных приборах (прожекторах); 4) интенсивным ультрафиолетовым излучением. Как генератор ультрафиолетовых лучей электрическая дуга не используется из-за низкого КПД. 2.3. ВАХ дуги постоянного тока Напряжение на дуге и проводимость столба дуги зависят от значения тока. Эту зависимость при медленном изменении тока называют статической вольтамперной характеристикой (ВАХ) дуги (рис. 2.3). Рис. 2.3. Статическая ВАХ дуги постоянного тока Статическая характеристика дуги условно делится на три области: область I (малых токов – до 80÷100 А), область II (средних токов 80÷800 А) и область ІІІ (больших токов – от 800 А и выше). На первом участке увеличение тока приводит к снижению напряжения дуги, так как при этом возрастают площадь поперечного сечения столба дуги и интенсификация процессов ионизации. Это способствует росту электропроводности канала дугового разряда. На втором участке наступает равновесие процессов ионизации и деионизации в разрядном промежутке, площадь поперечного сечения столба дуги увеличивается и напряжение ее стабилизируется, т.е. становится независящим от значения тока. На третьем участке увеличение тока приводит к росту напряжения на дуге, так как катодное пятно занимает всю площадь торцов электродов, а сопротивление канала разряда стабилизируется. 18 Связь общего напряжения на дуге с напряжения на отдельных ее элементах в области малых токов устанавливает формула Г. Айртон: где α − суммарное анодно-катодное падение напряжения (В); β − градиент потенциала в столбе дуги (В/м); l − длина дуги; γ и δ − мощности, затрачиваемые на вырывание электронов из катодного пятна (Вт/А) и на продвижение электронов в межэлектродном промежутке (Вт/(А м)); I Д − ток дуги. При средних токах напряжение на дуге не зависит от тока U Д    l . Для интенсивно охлаждаемых дуг и для дуг, горящих при низких давлениях, ВАХ имеет слегка возрастающий характер. На схеме замещения дуга может быть представлена как регулируемое сопротивление R Д . Мощность электрической дуги PД  U Д I Д . В технике используются четыре основных способа регулирования мощности электрической дуги [23]. 1) Изменением напряжения источника питания. Если напряжение источника питания увеличить с U ист1 до U ист2 , то для статически устойчивой ветви характеристики будет I Д 2  I Д 1 . Таким образом P2  P1 (рис. 2.4а). Способ применяется во всех электротермических установках и характеризуется отсутствием дополнительных потерь энергии при регулировании. а) б) U Uист2 U 2 Uист1 2 Uист 1 LД2 LД1 1 I I IД1 IД2 в) U IД2 IД1 г) Uист2 UД+UR U Uист1 1 Uист 2 1 UД 2 UR I I IД1 IД2 IД1 IД2 Рис. 2.4. Регулирование мощности дуги 2) Изменением длины дуги. При увеличении длины дуги с L Д 1 до L Д 2 при U ист  const будет I Д 2  I Д 1 . Таким образом P2  P1 (рис. 2.4б). Способ обеспечивает регулирование широких пределах перемещением электродов печи, используется в электродуговых установках постоянного и переменного тока. 19 3) Изменением внешней характеристики источника. Новому положению равновесия (рис. 2.4в) соответствует увеличение тока. Для устойчивого горения дуги должно выполняться условие для динамических сопротивлений дуги и источника U Д I  U И . Регулирование характеристики источника осуществляется I с помощью тиристоров или электромагнитных устройств. Способ используется в дуговых вакуумных и плазменно-дуговых установках, в электросварке. 4) Путем регулирования величины добавочного сопротивления. При увеличении добавочного сопротивления суммарная ВАХ изменится (рис. 2.4г). Этой характеристике будет соответствовать меньший ток и мощность дуги. Способ неэкономичен и применяется только в маломощных электросварочных установках. 2.4. Дуга переменного тока При питании дуги переменным током условия ее горения существенно меняются, так как дуга дважды в течении периода гаснет и вновь зажигается. Поэтому при переменном токе статическая ВАХ дуги не имеет смысла, можно говорить только о связи действующих значений напряжения и тока. Условия горения дуги переменного тока характеризуют динамические ВАХ (рис. 2.5). Маломощная дуга на воздухе интенсивно охлаждается (рис. 2.5а) поэтому ток в ней протекает с перерывами. а) u Д uД iД б) uД uД iД в) iД t t iД uД uД iД t iД Рис. 2.5. ВАХ дуги переменного тока Мощная теплоизолированная дуга (рис. 2.5б) имеет меньшие перерывы тока, напряжение в период горения дуги неизменно. Мощная хорошо теплоизолированная дуга (рис. 2.5в) имеет линейную динамическую ВАХ, а токи и напряжения дуги близки к синусоидальным. На форму кривых тока и напряжения дуги сильно влияют параметры ее электрического контура, в частности его индуктивность (рис. 2.6а). При отсутствии 20 индуктивности в контуре ток дуги дважды прерывается, так как дуга может гореть только в промежутки времени, когда напряжение источника больше напряжения, необходимого для горения дуги. Время зажигания дуги определяется из уравнения U msin(t1 )  U Д и продолжительность бездугового промежутка в течении периода равна UД 4 t  arcsin( ) .  Um При наличии в цепи индуктивности между током и напряжением источника появляется сдвиг фаз. В этом случае процесс описывается дифференциальным уравнением di U m sin(t )  u Д  L . dt Решение этого уравнения в промежутке u Д (t )  U Д имеет вид UД t Um t cos(t ) t 0  t . i (t )  L L t0 Учитывая что ток равен нулю в момент времени, определяемый выражением  0  t 0 , перепишем решение в виде UД U U i (t )  m cos  0  m cos(t )  (  t ) . L L L 0 Через половину периода ток дуги снова станет равным нулю. Поэтому UД 2U m U 0 cos  0  ( 0     0 ) или cos  0  Д . L L 2U m Для зажигания дуги в момент времени t 0 , необходимо чтобы U msin( 0 )  U Д . Решение двух последних уравнений позволяет получить условие непрерывного горения дуги U Д / U m  0,54 . а) б) uист uист iД uД uД iД t t Рис. 2.6. Зажигание дуги при активной (а) и активно-индуктивной (б) нагрузке При достаточной индуктивности зажигание дуги происходит без перерыва. При переходе напряжения через 0, горение дуги поддерживается за счет энергии магнитного поля. Такой режим горения дуги более устойчив. Он возникает при коэффициенте мощности установки, меньшем 0,85. 21 2.5. Схемы дугового нагрева На рис. 2.7. [7] показаны принципиальные схемы установок с дуговым нагревом. Дуговой нагрев разделяется на прямой (рис. 2.7.а) и косвенный (рис. 2.7.б). При прямом нагреве дуга горит между заготовкой или расплавленным металлом и электродом, при косвенном нагреве дуга горит между электродами. Дуговой разряд может гореть в специально созданной атмосфере или вакууме (рис. 2.7д). Дуговой разряд используется также для создания плазмы (рис. 2.7в). Конструктивные элементы установок: 1 ‒ электрод; 2 ‒ электрическая дуга; 3 ‒ расплавленный металл; 4 ‒ футеровка; 5 ‒ корпус печи; 6 ‒ газовая полость; 7 ‒ слой шихты; 8 – охлаждаемый кристаллизатор; 9 ‒ слиток металла; 10 ‒ вакуумная система; 11 ‒ оптическая система; 12 ‒ нагреваемое тело; 13 ‒ дуговая камера; 14 ‒ технологическая камера; 15 ‒ струя плазмы; 16 ‒ корпус плазмотрона (анод); 17 ‒ электроизоляционный узел; 18 ‒ подвод газа. Сплошными стрелками показана теплопередача излучением, пунктиром – поток газа. Рис. 2.7. Схемы дугового разряда а) прямой; б) косвенный; в) смешанный; г) дуговой плазмотрон; д) вакуумно-дуговой; е) оптический дуговой 22 Лекция 3 ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ 3.1. Классификация печей сопротивления В блоке электротермического оборудования группа электрические печи сопротивления (ЭПС) достаточно распространена. ЭПС применяются для термической (или химико-термической) обработки металлов и сплавов. ЭПС бывают низкотемпературные (600÷700 0С), среднетемпературные (700÷1250 0С) и высокотемпературные (выше 1250 0С). По характеру нагрузки ЭПС разделяют на печи периодического действия (садочные) и печи непрерывного действия (методические). Среди печей периодического действия различают [7]: камерные, камерные с выдвижным подом, шахтные, колпаковые и элеваторные. Схемы ЭПС периодического действия показаны на рис. 3.1. Конструктивные элементы установок: 1 ‒ каркас печи с футеровкой; 2 ‒ нагреваемая загрузка; 3 ‒ дверца; 4 ‒ загрузочный проем; 5 ‒ выдвижной под; 6 ‒ рельс; 7 ‒ крышка; 8 ‒ опускающийся под; 9 ‒ механизм опускания; 10 ‒ стенд; 11 ‒ съемный колпак. Стрелкой показано направление движения загрузки при подаче ее в рабочее пространство печи. Рис. 3.1. Конструкция ЭПС периодического действия а) камерная с загрузкой через окно; б) камерная с выдвижным подом; в) шахтная; г) элеваторная; д) колпаковая; В ЭПС периодического действия изделия загружаются в рабочее пространство и нагреваются в нем, не перемещаясь. Температуры различных точек рабочего пространства в ЭПС периодического действия в каждый момент времени одинаковы или имеют определенные значения, однако могут изменяться во времени. Среди ЭПС непрерывного действия различают: конвейерные, рольганговые, барабанные, протяжные, толкательные, карусельные, ручьевые и туннельные. Схемы некоторых видов ЭПС непрерывного действия показаны на рис. 3.2. В ЭПС непрерывного действия изделия загружаются в печь непрерывно или периодически перемещаются по длине электропечи, нагреваются и выходят с другого конца нагретыми до определенной температуры. Температуры 23 различных точек рабочего пространства в ЭПС непрерывного действия могут быть различными или одинаковыми, однако они не изменяются во времени. Конвейерная печь: 1 – теплоизолирующий корпус; 2 – загрузочное окно; 3 – нагреваемое изделие; 4 – нагревательные элементы; 5 − конвейер Толкательная печь: 1 – толкатель с приводным механизмом; 2 – нагреваемые изделия; 3 – теплоизолирующий корпус; 4 – нагревательные элементы; 5 – подина печи; 6 – закалочная ванна Протяжная печь: 1 – теплоизолирующий корпус; 2 – нагревательные элементы; 3 – муфель;4 – нагреваемое изделие Рис. 3.2. Конструкция ЭПС непрерывного действия Электропечь непрерывного действия, как правило, имеет несколько тепловых зон с самостоятельным регулированием температуры, что дает возможность создавать различные температурные режимы. Длина зоны обычно равна 1,5÷2 м, а в тех случаях, когда не требуется обеспечивать заданный график нагрева, длина зоны может быть увеличена до 2,5÷3 м, и наоборот, когда необходимо точно выдержать заданную кривую нагрева изделий, длину зоны следует уменьшить до 0,8÷1,2 м. 3.2. Нагрев изделий в печи В электрических печах периодического действия нагрев происходит в два этапа [10] (рис. 3.3). Первый этап — от начала нагрева до достижения в камере печи заданной температуры — характеризуется тем, что вследствие низкой температуры садки она поглощает всю выделяющуюся в камере печи полезную мощность (мощность печи минус тепловые потери). В этот период температура печи поднимается к заданному значению и терморегулятор не работает. Мощность печи остается постоянной и нагрев осуществляется при постоянном тепловом потоке. Значение этого теплового потока легко определяется из формулы q п  ( Pпечи  Pпот ) / Fизд , где q п — постоянный тепловой поток, воспринимаемый единицей поверхности нагреваемых изделий; Р печи — мощность печи; Р пот — мощность тепловых потерь печи; F изд — тепловоспринимающая поверхность изделий. Для высокотемпературной печи влиянием естественной конвекции можно пренебречь и тепловой поток к изделию будет иметь вид: 24 Рис. 3.3. Функциональная схема включения ЭПС В – выключатель; ЭП – ЭПС; РТ – регулятор температуры; КВ – катушка отключения выключателя. Измерение температуры и мощности при двухпозиционном регулировании: 1 − температура печи; 2 – температура нагреваемого тела; 3 – средняя мощность печи где Т п и Т изд — текущие значения температур печи и изделия. Приведенный коэффициент излучения 5,76 Спр  . Fизд  1  1    1  изд Fпечи   печи  Степень черноты стен печной камеры и нагревателей близка к 0.9. Если тепловоспринимающая поверхность изделий F изд существенно меньше F печи , то с достаточной для практических целей точностью можно принять С пр  5,76 изд  С изд . В тех случаях, когда значения F изд и F печи близки друг к другу, приведенный коэффициент излучения 5,76 Спр  . 1 /  изд  1 /  печи  1 Конец первого и начало второго этапа характеризуются достижением заданного значения температуры рабочего пространства (рис. 3.2). Количество тепла, воспринятое изделием за период первого этапа, будет равно:q п F изд τ 1 , где τ 1 − длительность первого этапа. Это тепло пойдет на нагрев изделий от начальной температуры Т’ изд до Т” изд , поэтому длительность первого этапа  1  Gc(Т ' 'изд Т 'изд ) / qп Fизд , где G — масса изделий; с − средняя удельная теплоемкость. Для низкотемпературных печей и для печей с принудительной циркуляцией необходимо учитывать конвекцию. Коэффициент теплоотдачи конвекцией α конв может быть рассчитан в зависимости от характера конвекции, формы изделий и параметров среды. В печах с естественной конвекцией он ме25 няется сравнительно мало и может быть принят равным 10 Вт/(м2·°С). Учитывая это для момента времени, соответствующего достижению температурой печи заданного значения, получим Выражение действительно при равенстве поверхностей изделий, воспринимающие тепло излучением и конвекцией, что обычно для тонких изделий. По достижении печью заданного значения температуры начинает работать терморегулятор, поддерживая ее неизменной, мощность печи при этом начинает снижаться. В течение второго этапа работы нагрев изделий осуществляется при постоянной температуре печи. 3.3. Электрический расчет печей сопротивления Всю выделяющуюся в нагревателе мощность (рис. 3.4) можно разбить на три составляющих: - полезную мощность P пол , воспринимаемую изделием от нагревателя; - мощность тепловых потерь P пот , воспринимаемую футеровкой; - мощность переизлучения между футеровкой и изделием. Тогда можно представить энергетический баланс нагревателя (Т 1 ), нагреваемого изделия (Т 2 ) и футеровки (Т 3 ) следующим образом: Рис. 3.4. Теплообмен в камере ЭПС Энергетический баланс нагревателя Энергетический баланс изделия 26 Энергетический баланс футеровки Используя любые два из них, получим температуру нагревателя Идеальный нагреватель – это нагреватель, обладающий следующими свойствами: расположен в идеальный печи, у которой нет тепловых потерь; является сплошным; расположен в плоскости поверхности изделия; все поверхности изделия являются серыми с ε = 0,8 Мощность идеального нагревателя находится по формуле Следовательно, можно ввести понятие удельной поверхностной мощности идеального нагревателя, т.е. количества тепла, отдаваемого с единицы поверхности После преобразований мы можем получить Анализ выражений показывает, что удельная поверхностная мощность реального нагревателя зависит от: температур нагреваемого изделия и нагревателя; степени черноты изделия и нагревателя; геометрии нагревателя, футеровки и изделия Определенную трудность в применении полученных выше выражений представляет вычисление взаимных поверхностей излучения F 12 , F 13 , F 32 . 3.4. Проектирование печей сопротивления Рассмотрим методику [10] инженерного расчета электрических параметров (мощности и напряжения) нагревателей электрических печей сопротивления. Для этого необходимо установить количество тепловых зон в электропечи и выбрать схему соединения нагревателей зоны. 27 Количество тепловых зон принимается на основании общих рекомендаций: в печах с высокими камерами, в шахтных и колпаковых высота зоны 1÷1,5 м., в протяженных в длину и печах непрерывного действия – длина зоны 1,5÷2,5 м. В крупных печах периодического действия мощности зон могут быть приняты равными. Необходимо выделять тепловые зоны для перемещающихся частей печей, например выдвижного пода. Если при проектировании рассчитывалось время нагрева в печи непрерывного действия, то из этого расчета получается количество зон и их мощность. В остальных случаях установленная мощность тепловых зон распределяется так, чтобы максимальное значение было в первой зоне у загрузочного окна, а далее мощность уменьшается в каждой следующей зоне на 10÷15 %. При питании от сети 0,4 кВ, мощность трехфазной зоны может составлять 100÷160 кВт, но не более 250 кВт. При питании от трехфазной сети 0,4 кВ могут быть применены две схемы соединения нагревателей: треугольник и звезда. Маломощные зоны или печи могут быть однофазными. Для однофазной зоны, как правило, принимается напряжение 220 В. В отдельных обоснованных случаях, например для питания нагревателей маломощных зон в печах непрерывного действия, допускается применение понижающих трансформаторов. Рис. 3.5. Номограмма для расчета электрических параметров ЭПС 28 Рассмотрим выбор размеров нагревателя по номограммам (рис. 3.5). Номограммы связывают электрические и геометрические параметры нагревателя. По мощности P, напряжению на нагревателе U и допустимой удельной поверхностной мощности W определяются диаметр d и длина L проволочного нагревателя из никельхромовых сплавов. С помощью номограмм можно просмотреть несколько вариантов питания нагревателя. Выбирается нагреватель более массивный с большим сроком службы, более удобный для размещения и соответствующий предварительно выбранной конструкции (проволочный зигзаг d = 6,3÷11 мм, спираль d =4÷5,6 мм). Далее выполняется уточненный расчет параметров нагревателя: сопротивления R  U 2 / P , развернутой длины L  d 2 R / 4  , где ρ - удельное сопротивление материала при рабочей температуре и расчетной удельной поверхностной мощности W  P / dL . Проверка нагревателя на аварийный режим производится для печей периодического действия и для последних зон нагрева печей непрерывного действия. При задержке изделия в печи или в зоне (поломка механизма передвижения) температура его поверхности может достигнуть температуры печи и нагреватели могут перегреться. Полученная температура нагревателя не должна превышать максимально допустимую для данного сплава. Расчетный срок службы нагревателя определяют по формуле где К к − коэффициент конструкции, учитывающий затемнение отдельных участков нагревателя, К L – коэффициент, зависящий от длины нагревателя.  1 − нормативный срок службы. При проектировании электропечи сопротивления периодического действия обычно задается ее часовая производительность и ее единовременная загрузка. Если загрузка неизвестна, то ее задают и выполняют проверку соответствия загрузки заданной производительности печи. Конструируют печную камеру, определяют ее размеры и параметры, учитывая следующие положения: • внутренние размеры камеры печи должны быть по возможности малы и соответствовать размерам загрузки; наличие неиспользованного пространства в камере печи приводит к увеличению ее внешних размеров и тепловых потерь. • внешние габариты печи определяются ее внутренними размерами и толщиной кладки. Кладка должна обеспечить низкие температуры кожуха печи (не выше 60°С при температуре окружающего воздуха в 20°С). Не следует при проектировании электрических печей экономить на теплоизоляции, так как она очень быстро окупает себя. 3.5 Рациональная эксплуатация электрических печей Стоимость процессов нагрева или плавления материалов или изделий в электрических печах сопротивления во многих производствах является весьма существенной составляющей стоимости выпускаемой продукции. Печи 29 сопротивления являются крупным потребителем электроэнергии, поэтому организация рациональной эксплуатации таких печей имеет существенное значение. Проводимые в электрических печах процессы являются весьма энергоемкими, поэтому главным путем уменьшения себестоимости процесса нагрева является снижение удельного расхода электроэнергии. Для этой цели необходимо: ‒ обеспечение надежности работы электротермического оборудования; ‒ повышение производительности печей; ‒ уменьшение тепловых потерь печей; ‒ уменьшение потерь на аккумуляцию тепла; ‒ использование тепла нагретых изделий и тары. Надежность работы всякой электрической печи сопротивления определяется главным образом стойкостью ее нагревательных элементов и жароупорных деталей. Правильный расчет нагревательных элементов и правильная их эксплуатация, в первую очередь работа их при рекомендуемых, а не максимально допустимых температурах, обеспечат устойчивую работу нагревателей в течение нескольких лет. При превышении номинальной температуры t ном срок службы нагревателей сокращается по сравнению с номинальным сроком Т ном , из-за увеличения скорости химических реакций, приводящих к старению элемента Т  Т ном exp(k (t  t ном ) / t ном ) , где k – коэффициент, зависящий от материала нагревателя. Энергия, затрачиваемая на нагрев изделий, прямо пропорциональна производительности, а тепловые потери от последней не зависят. Поэтому при уменьшении производительности снижается тепловой КПД и возрастает удельный расход электроэнергии. Увеличение производительности печи без каких-либо материальных затрат возможно только в том случае, когда печь обладает запасом мощности. Мощность, потребляемая печью за период нагрева, изменяется от номинальной мощности печи Рпечи до мощности потерь в конце периода нагрева Рпот . Для процессов, не требующих длительной выдержки, средняя мощность за цикл работы составляет 0,85Рпечи . Максимальная часовая производительность в этом случае равна g max  (0,85Pпечи  Pпот ) / wТ , где wT − теоретический удельный расход энергии (кВт ч/кг). Минимальный удельный расход энергии wmin  wT 0,85Pпечи . 0,85Pпечи  Pпот При цикле работы печи, включающем длительную выдержку, максимальная производительность снижается 0,85Pпечи  Pпот н g max  . wТ  н   выд 30 где  н − время нагрева,  выд − время выдержки. Минимальный удельный расход электроэнергии  н   выд 0,85Pпечи wmin  wT . 0,85Pпечи  Pпот н Если номинальная мощность зоны соответствует потребляемой, то нагреватели постоянно включены. Редкие отключения контактора свидетельствуют о хорошем использовании мощности печи. Частые включения и большое время выключенного состояния по сравнению с включенным, говорят о наличии запаса мощности. 3.6. Электрооборудование ЭПС Применяемое в ЭПС электрическое оборудование подразделяется на: ‒ силовое (трансформаторы, понижающие и регулировочные автотрансформаторы, блоки питания, приводящие в действие механизмы электроприводов, силовая коммутационная и защитная аппаратура); ‒ аппаратуру управления (комплектные станции управления); ‒ контрольно-измерительные приборы (КИП); ‒ пирометрическое. Большинство печей выполняют на напряжение питающей сети и подключаются к сети без специальных трансформаторов. Регулировочные трансформаторы и автотрансформаторы применяются для питания соляных ванн и установок прямого нагрева, а также для печей сопротивления с вольфрамовыми, графитовыми и молибденовыми нагревателями. Применение понижающих печных трансформаторов позволяет увеличить рабочие токи и применять для изготовления нагревателей проводники большего сечения, что повышает их прочность и надежность. Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автоматического регулирования температуры, что позволяет приводить в соответствие мощность печи с требуемым температурным режимом, что ведет к снижению удельного расхода электроэнергии по сравнению с ручным регулированием. А В С АВ К ТА ЭПС 380 В Рис. 3.6. Схема электроснабжения ЭПС Регулирование рабочей температуры в печах сопротивления производится изменением поступающей в печь мощности следующими способами: 31 ‒ периодическим подключением и отключением печи к питающей сети (двухпозиционное регулирование); ‒ переключением нагревателей печи со звезды на треугольник, либо с последовательного соединения на параллельное (трехпозиционное регулирование). Принципиальная схема электроснабжения ЭПС показана на рис. 3.6. 3.7. Печи сопротивления как потребители энергии ЭПС имеют номинальные мощности от нескольких киловатт до десятков мегаватт [11]. Питание ЭПС осуществляется трехфазным переменным током промышленной частоты, в основном от цеховых сетей напряжением 0,4 кВ. Коэффициент мощности близок к 1. Исключение составляют печи с понизительным или регулировочным трансформатором, а также печи с токопроводами на большие токи. Так в печах для графитации электродов из-за особенностей технологического процесса коэффициент мощности падает до 0,53 и требуется компенсация реактивной мощности. ЭПС могут иметь различные графики нагрузок, форма и показатели которых зависят от вида ЭПС, характера технологического процесса, режима включения, числа зон и методов регулирования температуры. У методических ЭПС режим работы продолжительный, носит непрерывный характер. Садочные печи имеют циклические режимы и графики нагрузок. Степень неравномерности зависит от способа регулирования температуры. Для однозонной ЭПС с двухпозиционным регулированием коэффициент формы графика составляет 1,16÷1,33. На практике обычно используют многозонные печи или несколько печей на участок. Это приводит к выравниванию общего графика нагрузки. При числе зон или печей 4 и более коэффициент формы графика не превышает 1,05. Для конвейерных и камерных печей сопротивления, работающих непрерывно без отключения, коэффициент использования по нагревателям высок и составляет 0,6÷0,8. Наиболее низкие значения коэффициента использования имеют шахтные (0,45) и колпаковые (0,5) печи, что связано с наличием продолжительных пауз в циклах нагрузки. У мощных методических и вакуумных печей сопротивления общая мощность приводов механизмов, насосов и т.д. составляет до 30 и более процентов мощности печи, при этом их коэффициент спроса падает до 0,3, а коэффициент мощности до 0,7. По надежности электроснабжения ЭПС являются потребителями 1 и 2 категории. Поскольку мощность ЭПС пропорциональна квадрату напряжения и при снижении напряжения производительность установок резко падает, они предъявляют повышенные требования к точности поддержания питающего напряжения. 32 Лекция 4 ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ По способу преобразования электрической энергии в тепловую и передаче тепла расплавленному материалу различают электродуговые печи прямого, косвенного и смешанного действия. Печи прямого действия работают на открытой дуге, горящей между электродами и металлом. Основной тип установок прямого действия – дуговые сталеплавильные печи (ДСП) (рис. 4.1). Рис. 4.1. Дуговая сталеплавильная печь 4.1. Конструкция ДСП прямого действия Печи (рис. 4.2) состоят из следующих основных частей: каркаса; механизма наклона; футеровки; свода, механизма перемещения свода; электродов; электрододержателей и механизма их перемещения; установки электромагнитного перемешивания металла; системы водяного охлаждения, гидравлического привода механизмов, электрооборудования. Механизм наклона. Для слива металла печь наклоняют на 40÷45° в сторону сливного носка, а для скачивания шлака – на 10÷15° в сторону рабочего окна. Печь наклоняют с определенной скоростью механизмом с электромеханическим или гидравлическим приводом, находящимся сбоку. Механизм перемещения свода. При загрузке печей применяют специальные механизмы для подъема и поворота свода. Наиболее широко используют метод загрузки сверху. При загрузке шихты свод вместе с электродами поднимают и поворачивают на 80÷100°. Открытую печь загружают с помощью спе33 циальных загрузочных корзин. По окончании загрузки свод возвращают в исходное положение. После этого может быть начат рабочий цикл. Рис. 4.2. Конструкция ДСП Электроды в дуговых печах служат для ввода электроэнергии внутрь рабочего пространства печи. Применяются угольные или графитированные электроды (табл. 4.1). Таблица 4.1 Электродержатели (ЭД). Электроды крепятся в специальных ЭД, которые предназначены для удержания электродов и подвода к ним тока. Каждый ЭД закреплен на стойке, которая может перемещаться в вертикальном направлении. ЭД связаны с механизмом перемещения электродов. Ток подводится к ЭД с помощью пакета медных шин. Установки электромагнитного перемешивания металла позволяют ускорить выведение вредных газов и компонентов из расплава, выровнять химический состав расплава. Жидкий металл в ванне приводится в движение с помощью электромагнитных устройств переменного тока с перемежающимся магнитным полем при частотах 0,4÷1,0 Гц. Промышленные установки электромагнитного перемешивания состоят из трех компонентов: индуктора, источника питания и системы охлаждения. Индукторы электромагнитного перемешивания выполняют в виде цилиндрических или плоских конструкций. В первом случае индукторы располагаются на боковой поверхности корпуса, во втором – под донной поверхностью. Мощность индукторов составляет 0,5÷0,6 МВт, напряжение фазы – 115÷180 В, коэффициент мощности – 0,5÷0,6. В качестве источников питания индукторов используют электромагнитные преобразовательные агрегаты и тиристорные преобра34 зователи частоты. Стоимость установки электромагнитного перемешивания металла составляет 30÷100% стоимости печи, а расход энергии в ней – 3÷5% от полного расхода энергии. 4.2. Технология плавки стали в ДСП Плавка состоит из следующих периодов: заправка печи; загрузка шихты; плавление; окислительный период; восстановительный период; выпуск стали. Плавление. После окончания завалки электроды опускают почти до касания с шихтой и включают ток. Под действием высокой температуры дуги шихта под электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной части подины. Электроды постепенно опускаются, проплавляя в шихте «колодцы» и достигая крайнего нижнего положения. По мере увеличения количества жидкого металла электроды поднимаются. Это достигается при помощи автоматических регуляторов для поддержания определенной длины дуги. Плавление ведут при максимальной мощности трансформатора. Продолжительность периода плавки определяется мощностью трансформатора и составляет от 1,1 до 3,0 ч. Напряжение во время плавки поддерживается в пределах 360÷400 В. Расход электроэнергии за время плавления составляет 400÷480 кВт·ч/т. Окислительный период. Задачи окислительного периода: уменьшить содержание в металле фосфора, водорода и азота; нагреть металл до температуры, близкой к температуре выпуска. Потребляемая мощность снижается до 0,7÷0,8 от максимальной, напряжение поддерживается в пределах 240÷300 В. Длительность окислительного периода составляет 60÷90 минут. Восстановительный период. Задача восстановительного периода --доведение химического состава стали до заданного. Потребляемая мощность снижается до 0,4÷0,5 от максимальной, напряжение поддерживается в пределах 180÷240 В. Длительность восстановительного периода составляет 40÷100 мин. Для улучшения перемешивания металла и интенсификации медленно идущих процессов в восстановительный период рекомендуется применять электромагнитное перемешивание, особенно на большегрузных печах, где удельная поверхность контакта металла со шлаком значительно меньше, чем в печах малой емкости. 4.3. Режимы работы ДСП Печи работают непрерывно. Длительные отключения печи происходят только при ее ремонтах. Число кратковременных отключений в процессе одной плавки достигает нескольких десятков. Нагрузка ДСП непрерывно-циклическая. Цикличность работы характеризуется чередованием плавок с остановками печи для слива металла, заправки печи и завалки шихты. На рис. 4.3 показан примерный график изменения средней мощности ДСП100 с трансформаторами мощностью 25 МВА за один технологический цикл плавки продолжительностью 4,5 ч. На графике видно несколько отключений 35 агрегата на 10÷20 мин и указаны причины отключений. Технологические отключения на время от 1 до 10 мин не показаны (их число значительно больше, и они увеличивают переменный характер нагрузки). Рис. 4.3. График работы ДСП На графике (рис. 4.3) показаны усредненные нагрузки. В действительности нагрузка имеет неустойчивый резкопеременный характер, неравномерный по фазам. Закон распределения отклонений нагрузки от ее математического ожидания в индивидуальном графике отличается от нормального. Однако для группы печей 6 и более закон распределения отклонений в суммарной нагрузке можно считать нормальным. Коэффициенты формы для индивидуальных графиков нагрузки 1,16÷1,59 (печи малой мощности) 1,18÷1,86 (печи средней мощности) 1,16÷1,64 (печи большой мощности). С увеличением числа n печей в группе коэффициент формы графиков суммарной нагрузки снижается, стремясь к единице K Ф  1  Be n , где параметры В  0,3÷1,   0,5 для активной и   0,4 для реактивной мощности. Коэффициент включения для индивидуальных графиков равен 0,5÷0,9 (нижнее значение относится к печам большой мощности). При увеличении количества печей и сдвиге графиков их нагрузок коэффициент включения увеличивается и при n  5 его можно считать равным 1. Коэффициент максимума для ДСП обычно принимается усредненным за 30 минут. Для большинства печей 30 минутный максимум нагрузки превышает номинальную мощность трансформатора. С увеличением количества печей и сдвиге графиков их нагрузок коэффициент максимума уменьшается с 4 при 1ой печи до 1,6 при 10-ти печах. Низкие значения коэффициента использования установленной мощности трансформаторов объясняются рядом причин. В первую очередь это связано со 36 значительным различием мощностей в разные этапы плавки. Печи с полным технологическим циклом (с рафинированием) всегда недоиспользуют возможности трансформатора. Увеличение мощности для повышения производительности печи без снижения длительности рафинировочных периодов приводит к уменьшению коэффициента использования. Для наибольшего использования возможностей печного трансформатора его номинальную мощность необходимо брать на 20 ниже его нагрузки в период расплавления. Существенное влияние на коэффициент использования оказывают длительности аварийных и плановых простоев. Коэффициент загрузки печного трансформатора лежит в пределах 0,4÷0,45 и существенно зависит от коэффициента включения. С увеличением числа печей в группе коэффициент загрузки приближается к коэффициенту использования. 4.4. Электрооборудование ДСП ДСП относятся ко второй категории по надежности электроснабжения. Печи условно разделяются на три группы: – печи малой емкости (0,5÷6 т) с трансформаторами мощностью 1÷3 МВА, подключаемыми к шинам 10 кВ заводских подстанций; – печи средней емкости (10÷50 т) с трансформаторами мощностью 3÷15 МВА и напряжением первичной обмотки 10 кВ; – печи большой емкости (80, 100 и 200 т) с трансформаторами мощностью 25÷125 МВА на напряжения 35, 110, 220 кВ. В мировой практике наблюдается тенденция увеличения емкости печей до 300÷400 т с увеличением мощности печных трансформаторов. К основному электрооборудованию ДСП относят: печь с электродами и ванной; понизительный трансформатор; реакторы; короткую сеть; коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру. Принципиальная электрическая схема показана на рис 4.4 [5]. Первичная цепь печи состоит из последовательно соединенных проводов и аппаратов высокого напряжения, реактора и первичной обмотки трансформатора. Вторичная цепь состоит из последовательно соединенных вторичной обмотки трансформатора, токопроводов короткой сети, соединяющих вторичные выводы трансформатора с электродами печи; электродов и электрических дуг. Цепи измерения и защиты подключены к трансформаторам тока и напряжения. Для поддержания оптимального режима печи устанавливаются автоматические регуляторы мощности печи. Такие регуляторы воздействуют на механизм передвижения электродов, изменяют длину дуги и поддерживают заданное значение мощности ДСП. Для повышения точности регулирования созданы автоматизированные системы управления ДСП. Печные трансформаторы для печей небольшой и средней мощности выполняют трехфазными. Для печей большой мощности применяются группы однофазных трансформаторов, которые позволяют получить повышенный коэффициент мощности за счет более рациональной конструкции короткой сети и независимого регулирования мощности и напряжения каждой фазы. 37 Рис. 4.4. Система электроснабжения ДСП Печные трансформаторы Печные трансформаторы имеют следующие особенности: – высокое значение номинального тока вторичной обмотки (до 100 кА) – большой коэффициент трансформации; – число ступеней и диапазон регулирования напряжения гораздо больше, чем у силовых трансформаторов (напряжение регулируется до 500 %); – трансформаторы обладают высокой стойкостью против эксплуатационных коротких замыканий (КЗ) с кратностью тока (2,5÷3)I н , имеют высокую механическую прочность. 38 Мощные печные трансформаторы имеют принудительное охлаждение с искусственной циркуляцией масла через теплообменник, снабжены устройствами РПН, производящими до 160 переключений в сутки. Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются по схеме «треугольник – треугольник» с возможностью переключения по схеме «треугольник – звезда», что позволяет переводить печь с линейного напряжения на фазное и увеличить диапазон регулирования. Резко неравномерный график нагрузки трансформатора делает нецелесообразным выбирать номинальную мощность трансформатора равной максимальной мощности в период расплавления, так как в течении остальной части цикла трансформатор оказывается недогруженным. Поэтому мощность печного трансформатора выбирают меньше максимальной в стадии расплавления, учитывая возможность 20% длительной перегрузки. Условные обозначения для печных трансформаторов: буква Э означает, что трансформатор печной; 0 – для однофазных и Т – для трехфазных; естественная циркуляция воздуха и масла – М, принудительная – ДЦ, принудительная циркуляция воды и масла Ц; Н – с устройством РНП; К – комплект из нескольких агрегатов. В цифровой части буквенного обозначения указывается типовая мощность (в кВА) и первичное напряжение (в кВ). Реактор Реактор служит для ограничения бросков тока при эксплуатационных КЗ и стабилизации горения дуг за счет создания падающей характеристики цепи питания. У работающих непрерывно дуговых печей режим работы реактора прерывистый, условия его работы тяжелые, поэтому он должен удовлетворять повышенным требованиям термической и механической прочности. Реактор включается между сетью и линейными зажимами обмотки высокого напряжения трансформатора или в «фазу» – последовательно с данной обмоткой. Чаще всего реактор располагают в общем кожухе с печным трансформатором. Толчки тока эксплуатационных КЗ, согласно ПУЭ, не должны превышать 3,5I H , поэтому суммарное индуктивное сопротивление контура дуги должно быть более ( I H / I max )100%  35% от активного сопротивления контура. В печах большой мощности это условие выполнено за счет большого индуктивного сопротивления короткой сети и реактор можно не применять. Для печей малой и средней мощности реактивное сопротивление печных трансформаторов 6÷10%, короткой сети 5÷10%, реактора 15÷20%. Реактор включается в период расплавления, в остальные периоды шунтируется выключателем. Коммутационная аппаратура Согласно ПУЭ для печных трансформаторов ДСП должны быть: 1) максимальная токовая защита без выдержки времени от двух- и трехфазных КЗ в обмотке и на выводах, отстроенная от токов эксплуатационных КЗ и бросков намагничивающего тока при включении установок; 39 2) газовая защита от повреждения внутри бака, сопровождающегося выделением газа, и от понижения уровня масла в баке; 3) защита от однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах печных трансформаторах, присоединенных к электрической сети с эффективно заземленной нейтралью; 4) защита от перегрузок для установок всех видов дуговых печей. Для ДСП рекомендуется предусматривать защиту с зависимой от тока характеристикой выдержки времени. Защита должна действовать с разными выдержками времени на сигнал и отключение. 5) защита от повышения температуры масла в системе охлаждения печного трансформатора с использованием датчиков максимально допустимой температуры; 6) защита от нарушения циркуляции масла и воды в системе охлаждения для печного трансформатора с принудительной циркуляцией масла и воды. Высоковольтный печной выключатель обеспечивает включение и выключение печного трансформатора в нормальном режиме а также автоматическое отключение при длительных эксплуатационных КЗ. Для масляных выключателей, работающих в условиях частых отключений и включений (25 тыс. в год) необходимо контролировать химический состав масла в них. Предпочтительнее воздушные и вакуумные выключатели. Короткая сеть Короткой сетью называют токопровод от выводов вторичной стороны трансформаторов до электродов дуговой печи. Короткая сеть состоит из участков жестко закрепленных шинопроводов и гибких проводов, соединяющих концы шинопроводов с электродами (рис. 4.5). Токопроводы короткой сети пропускают очень большие токи (до 100 кА и выше), имеют большое сечение и выполнены в виде пакетов медных лент, медных шин или водоохлаждаемых труб. Несмотря на небольшую длину короткой сети, ее активное и особенно индуктивное сопротивления являются определяющей составляющей общего сопротивления участков печной установки. Они оказывают существенное влияние на энергетические показатели работы печи: мощность, коэффициент мощности, КПД и т.д. Средние значения параметров коротких сетей ДСП: R  (0,5  1,5) 10 3 Ом, X  (2  5)  10 3 Ом. Если для печей малой мощности, индуктивное сопротивление короткой сети используется для ограничения токов КЗ, то в печах большой мощности снижение индуктивного сопротивления является важной задачей. Требования к короткой сети: наименьшая длина; наименьшее индуктивное сопротивление; симметричность; минимальная стоимость эксплуатации. Для уменьшения индуктивного сопротивления проводники с токами: - сдвинутыми на 1800 необходимо располагать как можно ближе друг от друга; - одного направления необходимо располагать как можно дальше друг от друга. Схема замещения короткой сети показана на рис. 4.6. Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа 40 Рис. 4.5. Схема короткой сети 1—выводы трансформатора, 2 – шинный пакт, 3 – гибкие кабели, 4 – медные трубошины, 5 – электрододержатель. A B C R1 X 11 X 12 X 13 RД1 R2 X 22 X 23 X 21 RД 2 R3 X 33 X 32 X 31 RД 3 Рис. 4.6. Схема замещения короткой сети U 1  I1 R1  U Д1  jX 11 I1  jX 12 I2  jX 13 I3 , U 2  I2 R2  U Д 2  jX 21 I1  jX 22 I2  jX 23 I3 , U 3  I3 R3  U Д 3  jX 31 I1  jX 32 I2  jX 33 I3 . Преобразуя систему уравнений, получаем U 1  U Д1  I1 ( R1  0,5 3 ( X 12  X 13 )  j ( X 11  0,5( X 12  X 13 )) , U 2  U Д 2  I2 ( R2  0,5 3 ( X 23  X 21 )  j ( X 22  0,5( X 23  X 21 )) , U 3  U Д 3  I3 ( R3  0,5 3 ( X 31  X 32 )  j ( X 33  0,5( X 31  X 32 )) . Таким образом, получаем в фазах дополнительные активные сопротивления, если взаимные индуктивные сопротивления фаз не равны (короткая сеть не симметрична). Эти сопротивления возникают из-за передачи мощности между фазами при их индуктивной связи. В результате получается, что мощность одной фазы («дикая фаза») будет значительно больше средней, а другой фазы («мертвая фаза») – значительно меньше средней. Токи короткой сети очень велики и это явление может привести к существенной несимметрии напряжений сети и работе ДСП в режиме, существенно отличающемся от оптимального. Автоматизация управления ДСП К основным задачам автоматизированного управления процессом плавки в ДСП можно отнести следующие: 41 – централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигнализацией и регистрацией отклонений от заданных параметров; – контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей и непредвиденных остановок; – управление металлургическим процессом и энергетическим режимом; – сбор и обработка информации с выдачей необходимой документации. Задачи управления металлургическим процессом: – расчет оптимального состава шихты и управление загрузкой печи; – прогнозирование момента окончания технологических периодов. Задачи управления энергетическим режимом: – максимальное использование мощности печи; – минимальные удельные расходы энергоносителей; – нормальная эксплуатация электрического и другого печного оборудования. В автоматическом режиме решаются задачи: – поддержание мощности печи на уровне, определяемом программой; – регулирование напряжения трансформатора; – быстрое устранение всех отклонений от нормального режима. Поставленные задачи решаются с помощью автоматических регуляторов мощности, автоматических регуляторов напряжения трансформаторов. Технические характеристики ДСП переменного тока прямого действия приведены в табл. 4.2 [5]. Таблица 4.2 Ном. мощПределы Ток втор. Уд. расход ВН тр-ра , Тип печи ность тр-ра изменения обмотки, ЭЭ, кВт/т кВ кА кВ А U2 ДС-0,5 400 6; 10 213–110 1,085 650 ДСП-0,5ИЗ 630 6; 10 216–98 нд 560 ДСП-1,5 1000 6; 10 225–118 2,57 550 ДСП-1,5ИЗ 1250 6; 10 225–103 нд 480 ДСП-3 1800 6; 10 242–122,5 2,25 525 ДСП-6И3 2000 6; 10 243-116 нд 465 ДСП-6 2800 6; 10 257–197,5 6,3 нд ДСП-12 5000 6; 10 278–202 10,4 500 ДСП-12Н3 8000 6; 10 318-120 нд 435 ЖДСП-20 9000 6; 10 318–116 16,35 470 ДСП-25 16000 6; 10 384–148 24–10 нд ДСП-25Н2 15000 35 370-128 нд 430 ДСП-40 15000 35 386-126 23,5 нд ДСП-50Н2 20000 35 407-144 нд 415 ДСП-50 20000-29150 35 486-152 27,7-34,6 460-440 ДСП-80 32000 35 478—161 38,8 420 ДСП-100 45000 35 591-164 43,9 нд ДСП-200 45000 35 нд нд 400 42 4.5. Оптимальные режимы ДСП Расход электроэнергии на 1 т и производительность печи зависит от технологических факторов и правильно выбранного электрического режима печи. Регулировать электрический режим можно, изменяя либо питающее напряжение, либо длину и ток дуги. Первым способом пользуются несколько раз за плавку, обычно при переходе с одного этапа плавки к другому. Второй способ позволяет регулировать режим печи непрерывно и плавно, опуская и поднимая электроды при помощи системы автоматического регулирования и поддерживая токи фаз печи на заданном уровне. Для определения способа регулирования необходимо знать зависимость основных параметров печи (активной и реактивной мощности, электрического КПД и т.д.) от тока. Характеристики печи могут быть получены на основании упрощенной схемы замещения, составленной с учетом следующих допущений: 1) система симметрична и сопротивления фаз линейны; 2) напряжения источника неизменны; 3) потери в стали трансформатора отсутствуют. Схема замещения показана на рис. 4.7. В схеме сопротивления R и X представляют собой сумму сопротивлений трансформатора, реактора (приведенные к стороне НН) и сопротивления короткой сети. R X U I RД UД Рис. 4.7. Упрощенная схема замещения установки Из векторной диаграммы напряжений получаем напряжение дуги U Д ( I )  U 2( IX ) 2  IR . К электрическим показателям печи относятся: ‒ полная мощность (мощность источника) P( I )  3U Д ( I ) I  3RI 2 ; ‒ полезная мощность (мощность дуги) PД ( I )  3U Д ( I ) I ; ‒ электрический КПД установки  ( I )  PД ( I ) / P ( I ) ; ‒ реактивная мощность Q( I )  3 XI 2 ; ‒ полная мощность S ( I )  3UI ; ‒ коэффициент мощности cos  ( I )  P ( I ) / S ( I ) . Графики этих функций в зависимости от тока показаны на рис. 4.8. Теоретически для расплавления 1 тонны стали необходимо потратить Этеор  350÷500 кВт ч в зависимости от марки стали. Электрических характеристик недостаточно, чтобы определить оптимальный режим работы ДСП. К технологическим показателям относятся: 43 Электрические параметры P(I ) cos  ( I ) PД (I ) Q (I ) P (I ) PT (I ) I '' I Технологические I ' параметры g (I ) w(I ) I I 'опт I ' 'опт Рис. 4.8. Электрические и технологические параметры ДСП ‒ производительность печи g ( I )  ( Р  РТ ) / Э теор т/ч, ‒ фактический расход электроэнергии на 1 тонну w( I )  P ( I ) / g ( I ) кВт ч/т, ‒ полный КПД печи  ( I )  ( PД ( I )  PТ ) / P ( I ) . При упрощенных расчетах величину тепловых потерь РТ печи принимают не зависящей от тока и равной 0,2 Pmax от максимальной мощности печи. Печь будет работать, только если тепловые потери меньше мощности дуги. Графики указанных функций в зависимости от величины тока показаны на рис. 4.8. Из графика видно, что зависимость фактического расхода энергии на плавку имеет минимум, а зависимость производительности печи имеет максимум. Экстремумы функций не совпадают, поэтому наиболее выгодный режим работы печи располагается между этими экстремумами. Работа печи в режиме минимума расхода энергии обоснована в часы дефицита электроэнергии в энергосистеме, когда уровень нагрузки ограничен договорным лимитом. Работа печи с максимальной производительностью целесообразна в часы минимума нагрузки энергосистемы. Типовое потребление электроэнергии (в %) ДСП имеет вид: нагрев стали (63,9%), шлака (3,8%), отходящих газов (2,6%), охлаждающей воды (4,3%); по44 тери в СЭС (7,7%), на излучение (23%); генерация от экзотермических реакций (5,3%). Проведенное выше рассмотрение режима работы ДСП предполагало симметрию в системе электроснабжения. Однако реальные условия работы каждой из дуг приводят к резким независимым друг от друга скачкам тока. Регулирование тока одной фазы неизбежно приведет к изменению тока в других фазах за счет передачи мощности в короткой сети. Поэтому в системах регулирования, как правило, поддерживается в заданных пределах сопротивление каждой из дуг. 4.6. Влияние ДСП на качество электроэнергии ДСП являются причиной возникновения колебаний напряжения, несимметрии токов и напряжений и несинусоидальности напряжения и снижения коэффициента мощности. Коэффициент мощности Согласно ПУЭ толчки тока при эксплуатационных КЗ должны составлять не более 350 % от номинального тока. Для выполнения этого требования реактивное сопротивление печного контура должно быть не менее 35% от активного сопротивления. В печах малой и средней мощности для ограничения колебаний тока вводят дополнительные реакторы, работающие только в период расплавления. В печах большой мощности основной вклад в реактивное сопротивление вносит короткая сеть. Параметры короткой сети даны в табл. 4.3. Таблица 4.3 Мощность Сопротивление ко- Толчки Схема короткой сети МВА роткой сети, мОм тока % 2,8 1,25+j5,85 390 Треугольник на шинном пакете 9 0,79+j4,11 267 Несимметричный треугольник на электродах 25 0,58+j3,35 205 32 0,5+j2,8 251 Расщепленная звезда 60 0,49+j3,97 150 Триангулированная звезда 60 0,64+j4,65 170 Расщепленная звезда Таким образом, ДСП являются крупными потребителями реактивной мощности. При увеличении мощности печи коэффициент мощности снижается. Коэффициент мощности также существенно зависит от периода плавки [11] (см. табл. 4.4). Таблица 4.4 Мощность МВА Коэффициент мощности Плавка Окисление Восстановление 2,8 0,81 0,89 0,93 60 0,7 0,7 0,74 45 Приведенные в табл. 4.4 значения являются средними значениями. В действительности изменение активной и реактивной мощностей носит случайный резкопеременный характер. P( I ), МВт 20 10 20 1 2 t, c Q( I ), МВAр 10 t, c 1 2 Рис. 4.9. Характерный график изменения мощности ДСП Из рис. 4.9 видно, что потребление реактивной мощности происходит более неравномерно, чем активной. Во время эксплуатационных КЗ происходят наиболее значительные скачки реактивной мощности, достигающие 400% от номинального значения. Дисперсия реактивной мощности в остальные периоды плавки значительно меньше. Низкие значения коэффициента мощности приводят к необходимости применять в схемах электроснабжения ДСП компенсацию реактивной мощности. Применение средств компенсации позволяет уменьшить потери электроэнергии в подводящих линиях и снизить уровень колебаний напряжения. Для компенсации реактивной мощности ДСП применяют: статические конденсаторы переменного включения, управляемые реакторы и фильтры, установки продольной компенсации, синхронные двигатели или синхронные компенсаторы. Реактивная мощность во время плавки содержит постоянную и переменную составляющие. Конденсаторы поперечного включения позволяют компенсировать постоянную составляющую реактивной мощности. Величина генерируемой мощности составляет Q  3CU ном , где С – емкость одной фазы батареи конденсаторов. Изменение реактивной мощности в различные периоды плавки можно компенсировать при помощи ступенчатого подключения конденсаторов к сети. Наибольшую сложность представляет компенсация переменной составляющей мощности во время плавки. В настоящее время эта задача может быть решена применением активных фильтров. Одновременно эти фильтры позволяют устранить высшие гармоники и несимметрию напряжения. 46 Колебания напряжения Для ДСП колебания тока разделяют на регулярные и нерегулярные. Нерегулярные случайные толчки тока с частотой 0,1÷1 Гц вызваны замыканиями и обрывами дуги. С определенными допущениями случайные колебания описываются нормальным законом распределения. С вероятностью 0,95 такие колебания не превышают номинального значения тока, однако для периода расплавления колебания могут достигать до 1,5 I ном . Дисперсия колебаний снижается с увеличением мощности печи [11] (см. табл. 4.5). Таблица 4.5 2 Мощность МВА Дисперсия D / I ном 2,8 0,174 32 0,116 Регулярные колебания токов с частотой 2÷10 Гц вызываются перемещением дуг, вибрацией электродов, изменениями проводимости в зоне горения, колебаниями поверхности жидкого металла и т.д. Эти колебания не превышают 50% от номинального тока. Колебания режима в одной фазе могут возникнуть также при изменении режима в других фазах. Колебания напряжения обусловлены падением напряжения на элементах питающей сети от шин предприятия до энергосистемы и вызваны толчками токов. Они характеризуются размахом колебаний U  U max  U min 100% и частотой. U ном Для частот 0,1÷1 Гц с наибольшими колебаниями допустимая величина колебаний напряжения составляет 1,5÷2 %. Колебания напряжения на шинах ДСП подстанций достигают больших значений и далеко выходят за допустимые пределы [11] (см. табл. 4.6). Это неблагоприятно сказывается на работе других приемников ‒ дуговых вакуумных, электрошлаковых и электронно-лучевых установок, которые часто располагаются на том же промышленном предприятии. Таблица 4.6 Мощность МВА Колебания напряжений % 2,8 10÷15 25 6.5÷9 32 8,5 60 7÷9 Фактический размах изменений напряжения на зажимах потребителей (рис. 4.10) определяется следующим образом. Величина скачка тока при КЗ определяется параметрами печного контура и составляет  I  I кз  I ном . На элементах питающей сети этот ток создает падение напряжений U  3 I ( R cos   X sin  ) , 47 ДСП 10 кВ сеть ЭПТ другие потребители Т Т ЛЭП Рис. 4.10. Схема электроснабжения ДСП где R и X ‒ суммарное сопротивление элементов питающей сети, линии и трансформатора,  ‒ сдвиг по фазе между током и напряжением. Индуктивное сопротивление питающей сети, как правило, намного больше активного, поэтому для оценки колебаний напряжения можно использовать упрощенную формулу  U  3 IX . 2 / S кз через мощность короткого замыкания Если выразить величину X  U ном S кз в точке подключения ДСП мощностью S , то колебания напряжения  U  U ном S / S кз . В ПУЭ приводится обязательное условие для подключения ДСП ‒ S / S кз  0.01 , что соответствует колебаниям напряжения в 1 %. При выполнении этого условия ДСП можно подключить без выполнения дополнительных мероприятий. Если условие не выполнено, то колебание напряжений можно снизить: 1) увеличением мощности трансформатора ГПП; 2) подключением ДСП к точке с большей мощностью короткого замыкания; 3) питанием потребителей и ДСП от разных секций шин ГПП. Часто на предприятии устанавливается группа из нескольких ДСП. Наибольшее распространение получили варианты двух или трех одинаковых печей в группе. Зависимость графиков нагрузок таких ДСП обуславливается общностью программы цеха. Особенно влияет на характер согласованности графиков работы печей наличие в цехе установок непрерывной разливки стали и ограничения электропотребления. В тоже время циклы плавок отдельных печей сдвинуты случайным образом. Наиболее тяжелым режимом системы электроснабжения является совпадение во времени периодов расплавления на нескольких печах. С увеличением числа печей в группе размах колебаний напряжения на шинах ГПП растет. Однако он не является арифметической суммой колебаний напряжения от отдельных печей, так как их броски тока во времени, как правило, не совпадают. При допущении о независимости колебаний дисперсия суммы равна сумме дисперсий. Тогда условие подключения группы из n печей мощноn стью S i имеет вид S i 1 2 i / S кз  0,01 . 48 Несимметрия токов и напряжений ДСП вызывают несимметрию токов и напряжений. Несимметрию разделяют на статическую и динамическую. Статическая несимметрия вызвана неодинаковостью сопротивления токопровода и контактных соединений. Коэффициент асимметрии может достигать 30 %, что приводит к неравенству выделения мощности в электродах и появление «дикой» и «мертвой» фаз. Основным направлением снижения статической несимметрии является тщательная разработка короткой сети. Наиболее совершенные варианты короткой сети позволяют снизить статическую несимметрию до 3÷5 %. Динамическая несимметрия вызывается неодинаковостью условий зажигания дуг под различными электродами, несовпадением моментов эксплуатационных КЗ и т.д. Коэффициент несимметрии напряжения определяют как отношение напряжения обратной последовательности основной частоты к номинальному напряжению. Несимметрия напряжений больше всего сказывается на работе электродвигателей. Допустимая величина коэффициента несимметрии напряжения составляет менее 2 %. Расчет фактической несимметрии [17, 23] на зажимах потребителей (рис. 4.10) определяется следующим образом. Сначала выполняется расчет токов несимметричного участка короткой сети (рис. 4.6), считая источник напряжения симметричным. Для оценочных расчетов величины токов обратного следования фаз можно использовать выражение I обр  Pпульс / 3U ном cos  , где Рпульс ‒ пульсирующая составляющая активной мощности нагрузки. Затем несимметричный участок заменяется источником тока, равным току обратной последовательности несимметричного участка (рис. 4.11). Расчет цепи выполняется по законам Кирхгофа. X ТН I обр U обр XТ X ТВ X ЛЭП X сети X ТН X потр Рис. 4.11. Схема для расчета несимметрии напряжений потребителей Для нескольких печей, выполненных по одному проекту и сфазированных на стороне первичного напряжения, «мертвая» и «дикая» фазы совпадают. Таким образом, полученные для каждой печи коэффициенты несимметрии складываются. Для уменьшения несимметрии напряжений необходимо выполнять согласование графиков нагрузок различных ДСП, поскольку наибольшая несимметрия наблюдается в период расплавления. 49 Несинусоидальность токов и напряжений Режим работы ДСП характеризуется несинусоидальностью токов и напряжений, которая вызвана нелинейностью электрической дуги как приемника электроэнергии. Степень проявления нелинейности зависит от состояния шихты и температуры. а) uД б) uД в) iД iД uД iД Рис. 4.12. Динамические характеристики дуги ДСП а) в начале периода расплавления, б) после проплавления колодцев, в) в период рафинирования. Начало этапов расплавления происходит при неустойчивом горении дуг и напряжения существенно искажены (рис. 4.12а). После проплавления колодцев ВАХ дуги (рис. 4.12б) сохраняет особенности ВАХ в начальный период расплавления, однако переходы от одного участка характеристики к другому происходят более плавно, что свидетельствует об улучшении тепловых условий горения дуги. В период расплавления наблюдается несимметрия ВАХ и возникает постоянная составляющая, которая может достигать 12 %. В периоды окисления и восстановления нелинейность дуги значительно снижается (рис. 4.12в). Эти закономерности горения дуги сказываются на гармоническом составе токов и напряжений. Искажения кривых токов и напряжений различны по фазам печи, имеют вероятностный характер и изменяются по периодам плавки. Наличие магнитной несимметрии между фазами короткой сети обуславливает возрастание доли гармоник, кратных трем [11] (см. табл. 4.7). Таблица 4.7 Номер ДСП-5 ДСП-25 ДСП-100 ДСП-200 гармон Плавка Рафин. Плавка Рафин. Плавка Рафин. Плавка Рафин. 2 7 3,7 9,5 2 5,1 2,7 6,8 3 3 11,2 2,2 4,8 3 7,2 3,2 5,1 2,4 4 2,7 2,2 4,8 0,3 2,3 1,4 4,2 0,8 5 8,9 4,3 6 2,9 5,5 1,1 2,6 0,6 7 4,9 2,7 1,3 1,2 2,1 1 0,7 0,2 9 1,3 0,9 0,2 0,3 1 0,5 0,3 0,3 50 Искажения кривых тока и напряжения оказывает существенное воздействие на характеристики печей, ухудшая параметры токопровода и условия передачи мощности к ванне. При повышении доли гармоник значительно возрастают потери в металлаконструкциях печи, их нагрев и вероятность аварийных ситуаций. Особенно заметное влияние оказывает несинусоидальность тока на коэффициент мощности, который ухудшается за счет появления мощности искажений. Коэффициент несинусоидальности напряжения определяется как отношение действующего значения гармонической составляющей несинусоидального напряжения к действующему значению напряжения основной частоты. Коэффициент несинусоидальности напряжения на шинах ГПП превышает допустимые значения, особенно в период расплавления в ДСП. Расчет фактической несинусоидальности [17, 23] на зажимах потребителей (рис. 4.10) определяется следующим образом. Для каждой гармоники печь заменяется источником тока, равным току этой гармоники (рис. 4.13). Для оценочных расчетов величины токов гармоник можно использовать выражение I  1,25S печи / 3U ном 2 , где  ‒ номер гармоники или табл. 4.6. Расчет цепи (рис. 4.13) выполняется по законам Кирхгофа для каждой гармоники. Затем вычисляется коэффициент несинусоидальности. X ТН X сети X ЛЭП X ТВ I ( ) U ( ) X Т X ТН X потр Рис. 4.13. Схема для расчета несинусоидальности напряжений потребителей Если требуемые значения коэффициента несинусоидальности не достигнуто, требуется установка активных или пассивных фильтров. ДСП как потребители электроэнергии 1. Источник питания: мощность до 160 МВА; напряжение в точке подключения от 10 кВ до 220 кВ; напряжение установки от 150 В до 500 В; регулирование до 500%. 2. Категория надежности: 2, для некоторых вспомогательных систем – 1. 3. График нагрузки: резкопеременный от обрыва дуги (Р=0, Q=0) до эксплуатационных КЗ (Р=3Р НОМ , Q=4Q НОМ ); непрерывно-циклический перепады мощности на различных стадиях плавки достигают 2÷2.5 раза. 4. Требования к качеству электроэнергии: в пределах нормативов; нежелательны длительные отклонения напряжения. 5. Влияние на качество электроэнергии: коэффициент мощности 0.8; колебаниям напряжения до 10 %, несинусоидальность и несимметрия напряжения. 51 4.7. ДСП постоянного тока ДСП переменного тока наряду с достоинствами имеют серьезные недостатки, которые заставляют разрабатывать альтернативные конструкции печей. К ним относятся дуговые печи постоянного тока (ДППТ) и плазменные дуговые печи (ДПП) с керамическим тиглем. Постоянный ток упрощает проблему снижения реактивного сопротивления печи, значительно повышая коэффициент мощности. Схема ДППТ показана на рис. 4.14. Питание ДППТ осуществляется по схеме «электрод – подовый электрод», причем катодом является электрод, а анодом – металл. Подовый электрод устанавливается в центре подины и охлаждается водой. Узел ввода электрода хорошо уплотнен, что позволяет проводить плавку в контролируемой атмосфере. Рис. 4.14. Конструкция ДППТ Технологический процесс ДППТ аналогичен процессу в ДСП. Однако поведение печи кардинально изменяется. Дуга постоянного тока горит устойчиво, ее столб имеет форму спирали, радиус витков которой увеличивается по направлению от катода к расплавленному металлу. Такая форма столба создает интенсивное собственное продольное магнитное поле, хорошо стабилизирующее дугу в пространстве. Дуга постоянного тока может иметь большие длины (более 1 м). Это позволяет проводить период расплавления с малой вероятностью кз, поэтому режим печи характеризуется высокой стабильностью, резким снижением толчков нагрузки. Для питания ДППТ используются регулируемые тиристорные источники питания со вторичным напряжением до 900 В. Регулирование режима источника осуществляется как с помощью переключения ступеней трансформатора, так и с помощью угла открытия тиристоров. Источники имеют высокий 52 КПД, номинальный коэффициент мощности 0,85÷0,94, но при глубоком регулировании снижается до 0,6. Также возникают искажения сетевого тока. Графики нагрузки ДППТ аналогичны графикам ДСП. Несмотря на то, что оборудование ДППТ дорого, сами печи очень экономичны, в основном за счет снижения тепловых потерь. ДППТ нагрузка 2-ой категории надежности. Достоинства ДППТ по сравнению с ДСП: возможность проведения всех металлургических процессов; не требуются дополнительные устройства перемешивания металла; уменьшение расхода электроэнергии на 15÷20 %, электродов в 2÷5 раз, выбросов в 8÷10 раз, огнеупорных материалов на 20÷30 %.; более равномерный график электрической нагрузки. Основные технические данные ДППТ даны в табл. 4.8 [5]. Таблица 4.8 ДСПТДСПТДСПТНаименование параметра 1,5/2,5 6/6,3 12/13,2 Установленная мощность, кВ·А 2500 6300 17200 Потребляемая мощность, кВт 2400 4000±500 8000 Вместимость печи, т 1,5 6 12 Рабочий ток, А 8000 12500 14000 Время расплавления, мин. 45 60 60 Выпрямленное напряжение, В 300 450 660 ДППТ как потребители электроэнергии 1. Источник питания: постоянный, мощность до 20 МВА; напряжение в точке подключения 10 кВ; напряжение установки 500÷900 В. 2. Категория надежности: 2, для некоторых вспомогательных систем –1. 3. График нагрузки: стабильный, непрерывно-циклический. 4. Требования к качеству электроэнергии: в пределах нормативов; нежелательны длительные отклонения напряжения. 5. Влияние на качество электроэнергии: коэффициент мощности до 0,6 при глубоком регулировании; высшие гармоники от выпрямителей. 53 Лекция 5 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ С ДУГОВЫМ НАГРЕВОМ И НАГРЕВОМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ 5.1. Руднотермические печи Особенности технологического процесса Руднотермические печи (РТП) применяются в металлургии черных металлов и других отраслях для получения ферросплавов. РТП являются дуговыми печами сопротивления. Руднотермическая печь и ее принципиальная схема показаны на рис. 5.1 и рис. 5.2. Рис. 5.1. Руднотермическая печь Рис. 5.2. Схема РТП 54 Нагрев материалов производится за счет теплоты, возникающей при протекании тока по электродам, шихте, электрической дуге и расплавляемому материалу. Из-за разнообразия технологических процессов в РТП преобразование электрической энергии в тепловую происходит по разному. Различают печи, которые работают с ярко выраженным дуговым разрядом (открытым или горящем в закрытом тигле), со слабо выраженной дугой, и печи, в которых дуга практически отсутствует, а преобразование энергии происходит за счет протекания тока по шихте или расплавленному шлаку. Общими признаками РТП являются следующие: 1. Удельное электрическое сопротивление шихты сильно меняется при повышении температуры, холодная шихта не электропроводна. 2. В расплавленном состоянии шихта представляет ионный раствор, проводимость которого зависит от температуры и состава. Объем расплава и шихты, участвующих в проведении тока, меняется при изменении температуры. Это определяет возможность существования двух проводников – нелинейного активного сопротивления шихты и расплава и электрической дуги. 3. Температура преобразования шихты составляет 1200÷2200 К, что определяет высокие удельные расходы электроэнергии на выпуск единицы продукции и наличие мощного энергетического хозяйства. 4. Непрерывный режим работы в течение 1÷2 лет. Система электроснабжения РТП РТП питаются обычно переменным током промышленной частоты. Используются трехэлектродные и шести электродные печи с большим разнообразием геометрических размеров и конфигураций ванн. Иногда применяются однофазные печи небольшой мощности. Печи с открытой дугой (рафинировочные) имеют характеристики потребления, близкие к ДСП в рафинировочный период. Большинство РТП имеют непрерывный режим работы, длящийся несколько месяцев. Поэтому их коэффициент включения близок к 1. Режим РТП характеризуется сравнительно высокой степенью равномерности. Однако изменение качества составляющих шихтовой смеси, неполадки в различных технологических системах, а также ограничения электропотребления вызывают необходимость изменения мощности печей от 5 до 50 % от номинальной. При этом коэффициент заполнения их индивидуальных суточных графиков работы составляет 0,72-0,98. Коэффициент загрузки с повышением мощности несколько снижается [11] (табл. 5.1). Таблица 5.1 Печи Мощность Коэффициент загрузки Ферросплавные и карбидные 5÷25 МВА 0,95÷0,92 Ферросплавные 48÷63 0,9 Карбидные 40÷60 0,85÷0,8 Фосфорные 48÷60 0,8÷0,75 55 Обычно на предприятиях устанавливается несколько печей, которые имеют коэффициент разновременности максимумов нагрузки 0,91÷0,96. Это позволяет повысить коэффициент заполнения графика нагрузки предприятия до 0,84÷0,96. Электроснабжение РТП производят на напряжении 10÷220 кВ по системе глубокого ввода через понизительный трансформатор (трехфазный или три однофазных). РТП имеют сложную короткую сеть, способную пропускать очень большие вторичные токи (до 100 кА). Сопротивление нагрузки РТП значительно ниже, чем у ДСП, поэтому вторичное напряжение печных трансформаторов ниже, а токи при тех же мощностях в 1,5÷2 раза больше. Это приводит к тому, что короткая сеть РТП более мощная и сложная. В ней применяются меры по обеспечению симметричности загрузки фаз, снижению активного и индуктивного сопротивлений. На рис. 5.3 показана короткая сеть РДП. Охлаждение трубчатого пакета шин производится водой, протекающей внутри токоведущих труб. Конфигурация короткой сети выполнена так, чтобы проводники с противоположным направлением тока были расположены как можно ближе друг к другу. Это снижает величины реактивных сопротивлений и падений напряжений в короткой сети. Рис. 5.3. Схема короткой сети РТП: 1 – трансформатор; 2 – гибкие компенсаторы; 3 – пакет трубчатых шин; 4 – неподвижный башмак; 5 – гибкие ленты; 6 – подвижный башмак; 7 – электроды 56 Требования к качеству электроэнергии Хорошо теплоизолированная дуга обеспечивает спокойное устойчивое потребление энергии с отсутствием эксплуатационных КЗ. При работе в стационарном режиме ток и напряжение печи имеют практически синусоидальную форму. РТП с круглой ванной имеют незначительный перекос полезных мощностей отдельных фаз (до 5%) за счет конструкции короткой сети. В прямоугольных карбидных печах несимметрия фазных мощностей может достигать 40% даже при использовании пофазного регулирования напряжения трансформатора. Это оказывает влияние на питающую сеть. Естественный коэффициент мощности РТП зависит от вида технологического процесса и составляет 0,72÷0,97 [11] (см. табл. 5.2). Таблица 5.2 печи Коэффициент мощности Ферросплавные 0,9÷0,7 Карбидные 0,78÷0,93 Фосфорные 0,95÷0,97 Силикоалюминиевые 0,7÷0,72 Печи, требующие для своей работы больших токов и меньших вторичных напряжений, имеют более низкое значение коэффициента мощности. С увеличением мощности и геометрических размеров коэффициент мощности всех типов печей снижается. Сравнительно низкие значения коэффициента мощности из-за высоких мощностей вызывают значительное потребление из системы реактивной мощности. В отличие от ДСП ее значение довольно стабильно. Для уменьшения загрузки подводящих сетей реактивной мощностью и снижения потерь электроэнергии крупные РТП оборудуются индивидуальными и групповыми установками компенсации реактивной мощности (поперечной или продольной). Продольная компенсация оказывает влияние на электрические характеристики печей, происходит уменьшение эквивалентного реактивного сопротивления, возрастает напряжение. В результате растет полезная мощность и ток электродов в режиме максимальной мощности. Одним из путей улучшения электротехнических характеристик мощных РТП является увеличение количества электродов (до 12). Однако увеличение количества электродов вызывает усложнение конструкции печей, повышение их металлоемкости и снижение надежности. Другим путем улучшения характеристик является снижение частоты переменного тока. Снижение частоты вызывает ослабление поверхностного эффекта и эффекта близости в проводниках короткой сети, в результате чего значительно снижаются активные потери и нагрев конструкций, растет КПД печи и снижается расход электроэнергии. Выбор частоты определяется электротехническими и технологическими соображениями. Ввиду значительной инерционности снижение частоты до 0,5÷5 57 Гц не приводит к изменению технологии процесса и заметным колебаниям температуры. При меньших частотах возможно возникновение электролизных явлений с вредными последствиями. Основным параметром РТП является потребляемая мощность, от которой в первую очередь зависит нормальный ход технологического процесса, производительность и удельный расход энергии. С увеличением мощности возрастает производительность и снижается расход энергии. Пределы длительного изменения мощности ограничены электротехническими и технологическими соображениями. При чрезмерном повышении мощности возрастают потери в короткой сети и ухудшается ее температурный режим. Кроме того возможен перегрев шихты в центральной зоне печи и возникают нежелательные химические реакции. Ухудшаются тепловые условия работы футеровки стен и возникает их преждевременный износ. При длительном снижении мощности уменьшается объем тиглей, что неблагоприятно сказывается на технологии процесса. Велико число коммутаций печи (около 1000 за год). Поэтому выключатели должны иметь большой ресурс переключений без ремонта (до 20 тыс). В этом случае ремонт выключателей можно совместить с ремонтом печи. Из-за большой мощности РТП их отключение (включение) приводит к большим колебаниям напряжения других потребителей электроэнергии. РТП как приемник электрической энергии представляет собой инерционный объект. Печь практически не реагирует на колебания напряжения и мощности, происходящие с малым периодом (до 45 мин). Не реагирует РТП и на изменение частоты питающего напряжения. По надежности электроснабжения РТП относится ко второй категории. Некоторые вспомогательные системы, например система охлаждения, относятся к первой категории. РТП как потребители электроэнергии 1. Источник питания: мощность до 60 МВА; напряжение в точке подключения 10÷220 кВ; трехфазный или однофазный с возможностью регулирования до 25%; напряжение установки 200÷300 В, частота 50 Гц (лучше 5 Гц). 2. Категория надежности: 2; для системы охлаждения ‒ 1. 3. График нагрузки: равномерный во время плавки 4. Требования к качеству электроэнергии: в пределах нормативов. 5. Влияние на качество электроэнергии: несимметрия напряжений из-за короткой сети; колебания напряжения при включении (выключении); высшие гармоники при использовании выпрямителей. 5.2. Электрошлаковые печи Особенности технологического процесса Использование явления разогрева расплава соединений шлака до 2000÷2300 К проходящим по нему током легло в основу процессов электрошлакового переплава и электрошлаковой сварки (ЭШС). Электрошлаковая печь 58 (ЭШП) и ее принципиальная схема показана на рис. 5.4 и 5.5. Основное назначение ЭШП – производство слитков из высококачественных сталей: валковых, нержавеющих, жаропрочных и т.д.. Рис. 5.4. Электрошлаковая печь Рис. 5.5. Конструкция ЭШП Сущность процессов в ЭШП состоит в следующем. Расходуемый электрод из переплавляемого металла погружается в слой электропроводного шлака 2, находящегося в водоохлаждаемом кристаллизаторе 3, закрытом водоохлаждаемым поддоном 4. Электрический ток протекает между электродом и поддоном через шлак, который имеет высокое электрическое сопротивление и интенсивно разогревается. Находящийся в расплаве шлака торец электрода расплавляется, и капли металла, стекающие с электрода, проходят через шлак, где дополнительно разогреваются, очищаются от нежелательных примесей и собираются на дне кристаллизатора в виде слитка. В результате отвода теплоты в поддон и стенки кри59 сталлизатора скапливающийся металл застывает в виде слитка 6, в верхней части которого находится ванна расплавленного металла 5. По мере оплавления электрод подается вниз. Система электроснабжения ЭШП Обычно ЭШП питаются переменным током промышленной частоты. Для улучшения электротехнических характеристик крупных печей используется переменный ток пониженной частоты (2÷10 Гц). Питание ЭШП производится в зависимости от мощности либо от цеховой сети напряжением 0,4 кВ (печи малой мощности), либо от высоковольтных печных подстанций напряжением 10 кВ через специальные понизительные трансформаторы. ЭШП имеют циклический характер работы. Цикл плавки разбивается на переплавку и остывание электрода. Коэффициент включения зависит от развеса слитка и технологических особенностей плавки. Если шлак расплавляется в кристаллизаторе печи, коэффициент составляет 0,55÷0,65, если для расплавления шлака используются специальные печи, то коэффициент 0,65÷0,75. Печи ЭШП малой и средней мощности обычно устанавливаются группами по 5÷10 печей. За счет сдвига циклов их работы коэффициент включения цеха приближается к 1. Во время плавки нагрузка печи является неравномерной. Это связано с тремя основными факторами – нестационарностью теплового режима в начальный период плавки, изменением геометрических размеров слитка и уменьшением сопротивления подводящей сети при сплавлении электрода. Р(t ) t Рис. 5.6. Изменение мощности ЭШП при плавке На рис. 5.6 показана типичная кривая изменения мощности ЭШП при плавке. Из рис. 5.6 видно, что вводимая мощность вовремя плавки уменьшается. Выбор трансформатора и его ступеней регулирования производится с учетом этих изменений I ном  I т , U 2max  U т / k1 , U 2 min  0,8U 2 кон / k 2 , где I т и U т ‒ фазные токи и вторичное напряжение трансформатора в начальный период плавки, U 2кон ‒ вторичное напряжение в конце основного периода плавки, U 2 max и U 2 min ‒ максимальное и минимальное вторичное напряжение трансформатора, I ном ‒ номинальный ток, k1  0,87 и k 2  1,1 ‒ коэффициенты, учитывающие возможные суточные отклонения напряжения. Коэффициент 0,8 учитывает требуемое снижение напряжения при выведении усадочной раковины. 60 Критичным параметром при выборе трансформатора является вторичный ток для наибольшего размера слитка, выплавляемого в печи. В результате средняя мощность, потребляемая печью, значительно ниже установленной мощности трансформатора. Коэффициент загрузки составляет 0.5÷0.6, коэффициент использования 0.2÷0.4. Требования к качеству электроэнергии Особенностью токопроводов печей ЭШП по сравнению с ДСП является большая роль активных (25÷35%) и реактивных (60÷80%) сопротивлений электрода в общем сопротивлении токопровода. Значительная реактивное сопротивление электрода определяет низкие значения коэффициента мощности, который уменьшается с увеличением развеса слитка. Для увеличения коэффициента мощности в ЭШП увеличивают количество электродов. ЭШП с числом электродов, кратным 2, могут питаться по двухфазной схеме (рис.5.7а), кратным 6 – по шестифазной (рис.5.7б). а) б) Рис. 5.7. Схемы питания ЭШП Для компенсации реактивной мощности ЭШП на питающих шинах распредустройств устанавливают батареи статических конденсаторов. Нагрузка ЭШП при правильно выбранном электрическом режиме является спокойной, без КЗ и бросков тока, исключая кратковременный этап разогрева шлаковой ванны. В период переплава кривые тока и напряжения промодулированы с частотой 1÷5 Гц, из-за изменения проводимости шлаковой ванны при нарастании и отрыве капель электродного металла. Величина колебаний небольшая (5%) и этот процесс незначительно влияет на энергетический режим печи. Большинство ЭШП малой и средней мощностью является однофазной нагрузкой. Для уменьшения влияния несимметрии нагрузки принимают меры по равномерному распределению ЭШП по фазам сети, что обычно возможно при большом количестве установок в цехе. Сложнее, когда на заводе устанавливаются одиночные, достаточно крупные печи. В этих случаях необходимо применение симметрирующих устройств на стороне высокого напряжения трансформатора. ЭШП требуют высокой надежности электропитания. При перерыве питания, длительность которого зависит от развеса слитка, нарушение структуры слитка становится достаточным для его отбраковки. Для слитков диаметром до 0,2 м (печи малой мощности) любой перерыв питания критичен для качества слитка, при диаметре 0,3÷0,6 м (печи средней мощности) допустимы 61 перерывы питания 0,5÷5 мин. На крупных печах допустимы более длительные отключения печи. Поэтому ЭШП относятся ко второй категории по надежности питания. Однако установки, обеспечивающие водоснабжение ЭШП относятся к первой категории, так как перерыв в водоохлаждении может привести к взрыву печи. Для получения качественного слитка очень важна стабильность энергетического режима печи. Поэтому качество напряжения оказывает влияние на работу ЭШП. Отклонение напряжения на питающих шинах вызывает изменение мощности электрода, скорости плавления и структуры слитка. Допустимые отклонения скорости плавления 5%, что соответствует допустимым отклонениям напряжения 2,5%, что меньше нормативных требований. Обычно ЭШП устанавливаются на одних предприятиях (в одних цехах) с ДСП, которые могут приводить к колебаниям напряжений до 10%. Поэтому ЭШП и ДСП необходимо подключать к разным секциям шин ГПП. Изменение частоты не влияет на работу печи. ЭШП как потребители электроэнергии 1. Источник питания: мощность от 0.6 до 15 МВА; 0.4 кВ или 10 кВ напряжение в точке подключения; напряжение установки 35÷55 В; частота 50 Гц (лучше 5 Гц). 2. Категория надежности: 2; система охлаждения –1. 3. График нагрузки: циклический, неравномерный во время плавки. 4. Требования к качеству электроэнергии: отклонения напряжения до 2.5%. 5. Влияние на качество электроэнергии: могут приводить к несимметрии напряжений; высшие гармоники при использовании выпрямителей. 5.3. Дуговые вакуумные печи Особенности технологического процесса Для повышения качества металла, полученного в других установках (например, в ДСП), его переплавляют при низком давлении в вакуумных дуговых печах (ВДП), в результате чего в металле уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов. ВДП применяют в основном для выплавки слитков высокореакционных металлов (титана, вольфрама, молибдена и т.д.), а также для переплава специальных высококачественных сталей, в результате чего они очищаются и приобретают более плотную структуру. Рабочее давление в камере печи может составлять 1,0÷0,001 Па в зависимости от требований к получаемому металлу. В современных ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до 60 т. ДВП и ее принципиальная схема показаны на рис. 5.8 и 5.9. Преобразование электрической энергии в тепловую производится в электрической дуге, горящей при пониженном давлении между расходуемой заготовкой (электродом) и ванной расплавленного металла в кристаллизаторе. 62 Рис. 5.8. Дуговая вакуумная печь Рис. 5.9. Конструкция ДВП Основной частью печи является рабочая камера, к которой присоединена вакуумная система. Электрод 1 подвешен к подвижному штоку, проходящему через вакуумное уплотнение, расположенное в верхней части камеры. К нижней части рабочей камеры присоединяется водоохлаждаемый кристаллизатор 7. К электроду подается отрицательный, а к кристаллизатору положительный полюс источника питания. В печи, работающей по схеме с вытягиваемым слитком (рис. 5.9б), имеется проходящий через вакуумное уплотнение 3 шток 4 для вытягивания слитка. Металл наплавляется на поддон 5 и по мере роста слитка 6 опускается вниз. Процесс плавки начинается с создания вакуума в камере печи и опускания электрода до крайнего нижнего положения. После короткого замыкания или пробоя межэлектродного промежутка возникает дуга. Под действием выделяющейся теплоты электрод расплавляется, и металл небольшими каплями перетекает на слиток. 63 Объем кристаллизатора и размеры электрода согласованы. В конце плавки весь электрод переходит в расплав, а испаряющиеся примеси и газы откачиваются вакуумной системой. Такая печь называется печью с расходуемым электродом, широко применяется в промышленности. В печах с нерасходуемыми электродами есть опасность загрязнения переплавляемого металла материалом электрода. Система электроснабжения ДВП ДВП питается постоянным током. Это связано с тем, что при переплаве большинства металлов обеспечить устойчивое горение дуги переменного тока при пониженном давлении не удается. В ДВП используется «прямая» полярность, чтобы обеспечить дополнительный подогрев жидкого металла (анода) при бомбардировке его электронами. Дуга горит при малых длинах (30÷100 мм) и низких напряжениях (25÷40 В). Поэтому в мощных ДВП протекают значительные токи [11] (до 50 кА). Вторичные токопроводы печей имеют сложную конструкцию, вызванную необходимостью тщательного симметрирования магнитных полей. При переплаве металл с электрода на слиток переносится каплями. Ввиду малой длины дуги частичное, а иногда и полное перемыкание каплями межэлектродного промежутка приводит к возникновению в цепи импульсов тока и напряжения, частота которых (0,1÷1 Гц) зависит от длины дуги. Амплитуда импульсов тока при коротких дугах может достигать тока КЗ. Присутствуют в токе дуги и колебания высоких частот, вызванных перемещением катодных пятен, колебаниями поверхности ванны жидкого металла и т.д. Все эти изменения режима не оказывают влияния на качество металла, но приводят к перегрузкам источника питания в динамическом режиме. В целях стабилизации тока по техническим соображениям и ограничения бросков тока источники питания ДВП должны иметь внешнюю характеристику, близкую к характеристике источника тока. Это достигается использованием индуктивно-емкостных резонансных схем (параметрических источников тока) или тиристорных источников с глубоким управлением напряжением и обратной связью по току. Источники питания ДВП используют полупроводниковые выпрямители, подключенные через понизительные трансформаторы к сети 10 кВ. ДВП имеет циклический характер работы, определяемый чередованием плавки и вспомогательных операций. Большой объем вспомогательных операций приводит к низким значениям коэффициента включения 0,35÷0,76 в зависимости от величины слитка. Обычно ДВП устанавливаются группами по 5 и более печей, поэтому коэффициент групповой нагрузки приближается к 1. Электрическая нагрузка в период плавки неравномерна, что связано с изменениями режима при нагреве электродов, нестационарном тепловом режиме при плавке. Коэффициент загрузки 0,4÷0,5, что характеризует низкий уровень использования номинальной мощности источника питания. 64 По надежности питания ДВП относят к потребителям первой и второй категорий. Любое отключение печи приводит к отбраковке слитков. Отнесение печи к конкретной категории решается технико-экономическим расчетом в зависимости от стоимости металла. Во всех случаях система водоснабжения печей и вакуумные системы являются потребителями первой категории. Их отключение может привести к взрыву печи. Требования к качеству электроэнергии Электрическая дуга из-за своей малой инерционности чувствительна к пульсациям выпрямленного напряжения. При переплаве некоторых металлов снижение напряжения на 14 % во время пульсаций может привести к погасанию дуги. Поэтому коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения должен быть меньше 7%, что обеспечивается в шестифазной схеме выпрямителя. Номинальный коэффициент мощности источников питания ДВП составляет [11] 0,86÷0,88, однако возникающая во время плавки необходимость регулирования напряжения за счет угла отпирания тиристоров часто приводит к его снижению до 0,6. При этом также генерируются высшие гармоники, оказывающие влияние на питающую сеть. По другому обстоит дело с потреблением реактивной мощности на ДВП, снабженных ПИТ. ПИТ является генератором реактивной мощности и может служить для ее компенсации в системе электроснабжения цеха. Номинальный коэффициент мощности ПИТ емкостный и составляет 0,9. ДВП являются критичными к стабильности напряжения. В отличии от ЭШП преобразование электрической энергии в тепловую происходит практически безынерционно, что приводит к возможности погасания дуги при провалах напряжения. Колебания напряжения приводят к колебаниям мощности и скорости плавки. При изменении скорости плавки в 2% возможно нарушение структуры слитка. Это соответствует отклонению напряжения 1.5%. Тиристорные источники питания позволяют компенсировать отклонения и колебания напряжения с низкой частотой. Колебания напряжения с высокой частотой не влияют на технологический процесс из-за инерционности жидкого металла. ДВП как потребители электроэнергии 1. Источник питания: мощность до 10 МВА; напряжение в точке подключения 10 кВ; напряжение установки 25÷40 В; выпрямленное с пульсациями до 7%; характеристика близка к источнику тока. 2. Категория надежности: 1 или 2, для вакуумной системы и системы охлаждения ‒ 1. 3. График нагрузки: циклическая, неравномерная, коэффициент загрузки 0,5. 4. Требования к качеству электроэнергии: ток при плавке не изменяется, колебания до 1,5%. 5. Влияние на качество электроэнергии: возможны эксплуатационные КЗ; при тиристорном источнике ‒ cos  до 0,6, высшие гармоники; при параметрическом источнике ‒ cos  до 087. 65 Лекция 6 ЭЛЕКТРОСВАРОЧНЫЕ УСТАНОВКИ Электросварка – способ соединения металлов, когда под воздействием высоких температур образуется сплошная металлическая среда. Электросварку разделяют на два основных вида – сварку плавлением и сварку давлением. Сварку плавлением разделяют на дуговую, шлаковую, электронно-лучевую, плазменную и лазерную. Дуговая сварка может выполняться плавящимся или неплавящимся электродом. Сварка давлением бывает контактная и диффузионная. Среди контактной сварки выделяют стыковую, точечную и роликовую. 6.1. Сварка давлением Контактная сварка Контактная сварка – способ соединения деталей, при котором соединение деталей образуется за счет выделения тепла в месте стыка свариваемых деталей при прохождении по ним электрического тока с последующей пластической деформацией места соединения. Выделение тепла в месте стыка Q  RI 2t , R   / P а , где Q ‒ количество тепла, R ‒ сопротивление стыка, I ‒ действующее значение тока, t ‒ время,  ‒ удельное сопротивление контакта, коэффициент P ‒ зависит от усилия, прикладываемого к свариваемым материалам, а ‒ зависит от вида материала и поверхности. Переходное сопротивление электрического контакта (в Омах) может быть определено по формуле R  K1 K T /(0,1F ) m , где К 1 – коэффициент, зависящий от материала; F ‒ усилие сжатия контактов (Н); m ‒ коэффициент, зависящий от формы деталей. Коэффициент К Т учитывает температуру контакта K T  1  0,67 (t  20) , где  ‒ температурный коэффициент сопротивления, t ‒ температура контакта (оС). Контактная сварка может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе, однако на практике в основном применяется переменный ток, так как необходимые токи в несколько кА при малых напряжениях могут быть получены наиболее просто при помощи трансформатора. Машины контактной сварки Машины контактной сварки состоят из: источника питания, привода давления, токопровода (электродов), механизма передвижения электродов, системы автоматики. Машины контактной сварки разделяют: ‒ по роду привода давления (пружинный, винтовой, моторный, гидравлический, пневматический); ‒ по роду сварки (точечная, стыковая, роликовая); 66 ‒ по роду источника питания (однофазные, трехфазные, с запасенной энергией конденсаторов); ‒ по роду системы управления – автоматическая, полуавтоматическая, ручная. При работе машин постоянно включают и выключают сварочный ток. Отключение сварочного тока необходимо для установки детали, выдержки ее под давлением, снятия свариваемых деталей. Режим работы повторнократковременный (время сварки, время цикла). Основными параметрами процесса является частота и длительность сварочного тока, а также величина усилия сжатия детали. Эти параметры за время цикла изменяются по заданной программе, зависящей от материала и толщины свариваемой детали. Мощность машины контактной сварки определяется допустимым перегревом ее отдельных деталей. Повторно-кратковременный режим заменяют длительным, эквивалентным по выделяемой мощности t 2 RI св2 св  RI дл . tц R ‒ сопротивление, I св ‒ сварочный ток, t св ‒ время сварки, t ц ‒ время цикла, I дл ‒ ток эквивалентного длительного режима. Ток в сварочном контуре U I св  ( Rд  Rт  Rтр ) 2  ( X т  X тр ) 2 Rд ‒ сопротивление детали, Rmр и X тр ‒ активной и реактивное сопротивление трансформатора, Rт и X т ‒ активное и реактивное сопротивление токопровода. Для сварки необходим большой ток, поэтому полное сопротивление стараются уменьшить. Предпочтительнее снижать длину сварочного контура, уменьшение частоты питания приводит к увеличению габаритов трансформатора. Точечная сварка Точечная контактная сварка – вид контактной сварки, когда детали сваривают по отдельным участкам (точкам). Детали предварительно сжимают, затем пропускают кратковременный ток большой величины. В месте стыка расплавляется металл, при остывании образуются общие кристаллы. Принципиальная схема точечной сварки показана на рис. 6.1 [10]. Рис. 6.1. Схема точечной сварки 1 ‒ литое ядро; 2 ‒ свариваемые детали; 3 и 5 ‒ электроды; 4 ‒трансформатор 67 Температура в ядре сварной точки несколько превосходит температуру плавления металла. Диаметр расплавленного ядра определяет диаметр сварной точки, обычно равный диаметру контактной поверхности электрода. Время сварки одной точки зависит от толщины и физических свойств материала свариваемых деталей, мощности сварочной машины и сжимающего усилия. Это время колеблется от тысячных долей секунды (тонкие детали) до нескольких секунд (толстые детали). При точечной сварке не только расплавляется необходимый для сварки объем металла, но и нагревается металл, окружающий место контакта. Чем выше тепловая мощность, тем больше скорость нагрева и тем меньше расход энергии на нагрев деталей. При малой длительности цикла сварки тепловые потери малы. При увеличении длительности цикла сварки тепловые потери растут пропорционально времени и общее количество теплоты, необходимое для сварки значительно увеличивается (рис. 6.2).  (t ) t1 t2 qmax qs  пл qmin t Рис. 6.2. Кривые нагрева для различных интенсивностей подвода теплоты при точечной сварке. Стыковая сварка Стыковая сварка – вид контактной сварки при которой соединение деталей образуется по всей площади их касания. Возможна сварка с оплавлением (температура выше температуры плавления) и без оплавления (температура немного ниже температуры плавления). Принципиальная схема стыковой сварки показана на рис. 6.3 [10]. Рис. 6.3. Схема стыковой сварки: 1 ‒ детали; 2 ‒ зажимы; 3 ‒ трансформатор В начальный момент сварки осуществляется контакт свариваемых деталей усилием сжатия 5÷20 МПа, после чего включают ток, который разогревает место стыка до 600÷800 оС. Затем сжимающее усилие снижают до 2÷5 МПа, вследствие чего увеличивается сопротивление контакта и снижается сварочный ток. При ослаблении сжатия уменьшается площадь касания торцов деталей, ток устремляется в ограниченное число точек соприкосновения и нагревает их до 68 температуры плавления, а при дальнейшем нагревании в этих условиях в отдельных точках происходит переплав металла. Под влиянием избыточного давления пары металла вырываются из зоны сварочного контакта наружу и вытесняют частицы жидкого металла, а часть расплавленного металла стекает каплями вниз. За разрушенными выступами соприкасаются между собой очередные выступы контакта, создавая новые пути для сварочного тока. Такой процесс последовательного оплавления концов деталей по элементарным выступам продолжается до тех пор, пока торцы свариваемых изделий не покроются сплошной пленкой жидкого металла. После этого небольшим усилием создается сплошной свариваемый стык. Нагрев выступающих концов свариваемых деталей осуществляется главным образом теплопроводностью от сварочного контакта, где температура имеет наибольшее значение. Нагрев деталей между стыком и токопроводящими электродами за счет протекающего тока весьма незначителен. Рассмотренный выше технологический процесс предполагает большие изменения сварочных токов и усилий сжатия (см. рис. 6.4). I (t ) P(t ) I (t ) P (t ) t Рис. 6.4. График тока и сжимающего усилия при стыковой сварке Шовная сварка Рис. 6.5. Схема шовной сварки двусторонней (а) и односторонней (б) сварки: 1 ‒ свариваемые детали; 2 ‒ сварочные ролики; 3 ‒ сварочный трансформатор; 4 ‒ медная прокладка Роликовая (шовная) сварка – вид контактной сварки, при котором свариваемые детали образуют непрерывный шов. Принципиальная схема шовной сварки показана на рис. 6.5 [10]. Область применения того или иного типа контактной сварки зависит от конструкции свариваемых деталей и мощности источника. 69 6.2. Сварка плавлением Дуговая сварка Дуговая сварка может быть прямого и косвенного действия. При прямой дуговой сварке дуга зажигается между электродом и материалом. В этом случае энергия дуги наилучшим образом используется для нагревания материала. При косвенной дуговой сварке дуга горит между электродами вблизи свариваемого изделия. Такой способ менее эффективен. Часто дуговую сварку выполняют в атмосфере инертного газа. Это позволяет улучшить качество швов и обеспечить более устойчивое горение дуги. Дуговую сварку выполняют на постоянном и переменном токе. При постоянном токе используют прямую полярность (-- на электроде, + на детали). Иногда используют обратную полярность при легкоплавящихся электродах или сварке детали, боящейся нагрева. Большее распространение получила сварка на переменном токе, поскольку при помощи трансформатора можно создать большие токи при малом напряжении. Однако горение дуги переменного тока осложняется постоянной сменой полярности, из-за чего катодное пятно возникает то на одном то на другом электроде. Сварочные установки можно классифицировать по количеству рабочих мест на однопостовые и многопостовые установки и по конструктивному исполнению на стационарные (мощные трансформаторы на фундаментах) и передвижные (маломощные сварочные трансформаторы на раме с катком). Рис. 6.6. Схема ручной дуговой сварки: 1 ‒ основной металл; 2 ‒ сварочная линия; 3 ‒ кратер; 4 ‒ сварочная дуга; 5 ‒ приплавленный металл F пр ; 6 ‒ наплавленный металл F н ; 7 ‒ шлаковая корка; 8 ‒ жидкий шлак; 9 ‒ покрытие электрода; 10 ‒ стержень электрода; 11 ‒ элекрододержатель; 12 ‒ сварочная цепь; 13 ‒ источник питания Сварка может осуществляться вручную или в автоматическом режиме. Принципиальная схема ручной дуговой сварки показана на рис. 6.6 [10]. Электрическая дуга при ручной плохо изолирована от окружающей среды, что приводит к резким изменениям температуры и нестабильности тока дуги. Для увеличение стабильности дуги применяют сварку в защитной газовой среде (например, аргонно-дуговую сварку). 70 При аргонно-дуговой сварке используют неплавящиеся вольфрамовые электроды (рис. 6.7). Электрическая дуга горит между изделием и электродом в среде инертного газа. Аргон обладает низким потенциалом ионизации и это позволяет быстро загораться дуге и поддерживать ее стабильное горение. Аргон обладает низкой теплопроводностью, что уменьшает потери в окружающую среду и повышает КПД сварочной установки. Преимущества аргонно-дуговой сварки: высокое качество сварного шва из-за отсутствия доступа атмосферного воздуха; отсутствие специальных электродов и флюсов; простота автоматизации благодаря малому расходу вольфрамового электрода; возможность сваривать изделия очень маленькой толщины. При горении дуги прямой полярности между вольфрамовым электродом и изделием возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия электронов с катода. При обратной полярности напряжения интенсивность эмиссии падает. Поэтому напряжение на дуге при прямой полярности выше, чем при обратной. Это эквивалентно изменению сопротивления дуги. Поэтому при переменном входном напряжении прямой ток больше, чем обратный ток. Рис. 6.7. Схема аргоно-дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом. 1 – вольфрамовый электрод, 2 – присадочный пруток, 3 – электрическая дуга, 4 – сварочная ванна, 6 – основной металл. Электрошлаковая сварка Электрошлаковая сварка (ЭШС) широко используется в промышленности для соединения металлов большой толщины: стали, чугуна, меди, алюминия, титана и их сплавов. В качестве тепловыделяющего элемента здесь используются расплавленные шлаки, нагревающиеся до заданной температуры при протекании по ним переменного тока. Принципиальная схема ЭШС показана на рис. 6.8. Электрод 1 и части свариваемого металла включаются в электрическую цепь через шлак 3, нагреваемый проходящим током выше температуры плавления свариваемого и электродного металла. В результате электродный и свариваемый металлы расплавляются и стекают на дно сварочной ванны 4, заполняя шов 7. Боковые стороны шва закрываются охлаждаемыми ползунами. 71 Рис. 6.8. Схема электрошлаковой сварки При сварке под слоем флюса дуга горит в закрытом пространстве между электродом и свариваемыми деталями. Подача электродной проволоки производится непрерывно. Закрытая дуга обеспечивает высокую степень использования мощности сварочного тока и условия для получения высококачественного однородного шва. Процесс электрошлаковой сварки начинается с зажигания электрической дуги под слоем флюса. Появление электрической дуги приводит к расплавлению металла и образованию жидкой ванночки. Затем начинает плавиться флюс и когда над жидкой ванной металла образуется жидкий слой флюса процесс из дугового переходит в электрошлаковый. Дуга уже не горит, а тепло выделяется на электропроводящем флюсе в местах соприкосновения флюса с поверхностью электрода и изделия. Автоматическая сварка под слоем флюса дает возможность работать на токах 1÷3 кА, тогда как при ручной дуговой сварке максимальный сварочный ток не превышает 700 А. При постоянной скорости подачи электрода случайное уменьшение длины дуги приводит к падению напряжения на дуговом промежутке, что вызывает увеличение сварочного тока за счет падающей характеристики источника питания. Увеличение тока повышает скорость плавления и доводит ее до совпадения со скоростью подачи. При увеличении длины дуги происходит уменьшение сварочного тока и скорости плавления электрода, что также приводит к восстановлению нормальной длины дуги. Электронно-лучевая сварка Принципиальная схема электронно-лучевой сварки показана на рис. 6.9. Под действием высокой температуры и глубокого вакуума с раскаленного катода вырываются электроны, которые направляются к свариваемому изделию. Электроны ускоряются электрическим полем и первым анодом и приобретают значительную энергию. Для получения электронного луча электроны фокусируются магнитным полем. Катушка позволяет изменять концен72 трацию электронов в луче. Сфокусированные в плотный пучок электроны ударяются о маленькую площадку на свариваемом изделии, из-за чего происходит их резкое торможение. Место попадания электронного луча разогревается до высокой температуры. Чтобы не произошло дугового разряда, создается глубокий вакуум. Рис. 6.9. Принципиальная схема электронно-лучевой сварки Лазерная сварка Световой (лазерный) электронагрев происходит под действием индуцированного излучения оптических квантовых генераторов (лазеров). Излучение представляет собой когерентный пучок оптического диапазона, отличающийся чрезвычайно малым расхождением, не зависящим от размера излучающего тела. Энергия пучка преобразуется в тепло при встрече с поверхностью нагреваемого тела. При световом нагреве достигается наибольшая из всех известных способов нагрева концентрация мощности. Лазеры обычно работают в импульсном режиме. Энергия светового импульса невелика (до 30 Дж), но благодаря очень малым диаметрам луча (1÷8 мкм) и малой длительности импульса (мкс) тело успевает нагреется до нескольких тысяч градусов, что достаточно для расплавления и испарения самых тугоплавких материалов. Рис.6.10. Принципиальная схема твердотельного лазера 1,3 ‒ зеркала; 2 ‒ стержень; 4 ‒ отражающий кожух; 5 ‒ источник питания; 6 ‒ газоразрядная лампа-вспышка 73 Лазерные установки нагрева имеют в своей основе оптические квантовые генераторы (лазеры). На рис. 6.10 показан лазер с рубиновым стержнем в качестве рабочего элемента. Стержень 2 помещен между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии от источника 6 используется газоразрядная лампа-вспышка 6, которая помещена вместе со стержнем внутрь отражающего кожуха, с поперечным сечением в форме эллипса (показано слева). На рис. 6.11 приведена схема промышленной лазерной установки [21] с системами контроля и управления. Принцип контроля и управления основан на сравнении с эталонными температурными полями, хранимыми в базе данных компьютера. В процессе пайки осуществляется непрерывный мониторинг рабочей зоны ИК камерой. Мощность и длительность излучения регулируется автоматически. Выключение лазера осуществляется при идентичности эталонного и текущего температурных полей паяемых выводов. Рис. 6.11. Принципиальная схема установки лазерной пайки 74 6.3. Системы электроснабжения сварочных установок Требования к источникам сварочного тока Для устойчивого горения дуги необходимо выполнение условия U Д I  U И . I Поэтому форма внешней характеристики источника питания должна соответствовать форме статической характеристики дуги. U (I ) U (I ) 2 3 2 K 1 1 I Рис. 6.12. ВАХ источника питания (2 и 3) при жесткой характеристике дуги 3 I Рис. 6.13. Серия ВАХ источника сварочного тока. Для ручной дуговой сварки при жесткой характеристике дуги (рис. 6.12) внешняя характеристика источника питания должна быть круто падающей (кривая 2). Чем больше крутизна в рабочей части ВАХ источника питания, тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. При падающей характеристике напряжение холостого хода источника питания значительно превышает необходимое рабочее напряжение дуги, что облегчает зажигание дуги, особенно при сварке на переменном токе. Круто падающая ВАХ также обеспечивает существенное ограничение тока короткого замывания. При автоматической дуговой сварке под слоем флюса и жесткой статической ВАХ дуги внешняя ВАХ источника питания может быть круто падающей (кривая 2) или полого падающей (кривая 3). Круто падающая характеристика предпочтительнее при автоматическом регулировании напряжения дуги. При полого падающей ВАХ возрастает саморегулирование дуги. В случае дуговой сварки в среде защитных газов на постоянном токе при большой плотности тока возникает дуга с возрастающей ВАХ. В этом случае ВАХ источника может быть жесткой или даже слегка возрастающей, что обеспечивает большую интенсивность саморегулирования дуги. Таким образом, соответствие формы внешней характеристики источника питания форме статической характеристики дуги является обязательным требованием к источнику питания сварочной установки. Второе требование заключается в том, что напряжение холостого хода должно быть выше напряжения зажигания дуги. При сварке постоянным током металлическим электродом напряжение зажигания должно составлять 30÷40 В, а для угольного электрода она повышается до 45÷50 В. При сварке переменным током напряжение зажигания составляет 50÷60 В. 75 Третье требование заключается в возможности регулировать сварочный ток. В зависимости от толщины свариваемых деталей требуется различная тепловая мощность сварочной дуги и различный сварочный ток. Причем сварка должна производиться при оптимальной длине дуги, которой соответствует определенное напряжение дуги. Для этого источник сварочного тока должен обеспечивать возможность получения серии внешних характеристик. Тогда в зависимости от требуемого сварочного тока можно работать на той или иной внешней характеристике и получать необходимую длину дуги (рис. 6.13). Графики работы нагрузки Сварочные машины и аппараты обычно характеризуются специфическим режимом повторно-кратковременной нагрузки. Источник сварочного тока нагружается только во время горения дуги. При ручной дуговой сварке максимальная длительность горения дуги определяется временем расплавления одного электрода. Минимальная длительность перерыва в горении дуг определяется временем замены электрода. Помимо замены электрода перерывы в горении дуги определяются необходимостью перестановки свариваемых деталей и передвижением сварщика. При эксплуатации сварочного оборудования необходимо, чтобы условия нагрузки соответствовали возможностям источника сварочного тока, так как длительная перегрузка сверх допустимых токов может вывести из строя сварочное оборудование. Повторно-кратковременный режим работы оборудования, кроме тока нагрузки характеризуется длительностью включенного состояния t1 и перерыва t 2 . Отношение t1 /(t1  t 2 ) называется продолжительностью включения (ПВ). Если в паспорте сварочного оборудования обозначен ток 250 А при ПВ=50%, это означает, что при токе 250 А можно работать при отношении t1 /(t1  t 2 )  0,5 . I (t )  (t )  max  (t ) I (t ) t1 t t2 Рис. 6.14. Временные зависимости тока и температуры сварочного трансформатора Общая продолжительность цикла при допустимой ПВ не может быть произвольной, так как на температуру обмоток непосредственно влияет абсолютное значение длительности включения (рис. 6.14). Поэтому, кроме ПВ, в паспорте сварочного оборудования обязательно оговаривается максимальная длительность цикла. Номинальным режимом работы однопостовых источников для обычной дуговой сварки, как правило является режим с ПВ=60% при длительности цикла 5 76 минут. Источник тока для многопостовой дуговой сварки рассчитывается на режим с ПВ=100%. Источники тока для автоматической дуговой сварки обычно имеют режим с ПВ, равной 50÷60% при длительности цикла 10 минут. Сварочные трансформаторы Технико-экономическое сопоставление электрической сварки на постоянном и переменном токе говорит о том, если сварка на переменном токе обеспечивает необходимое качество соединения, то она обладает существенным преимуществом перед сваркой на постоянном токе. Основными причинами этого являются: ‒ меньшая стоимость источника сварочного тока, питаемого непосредственно от сети переменного тока; ‒ простота устройства и высокая степень надежности работы сварочного оборудования переменного тока обуславливают меньшие эксплуатационные расходы на его обслуживание и ремонт; ‒ меньший удельный расход электроэнергии. Рис. 6.15. Схема сварочного аппарата с отдельным регулятором А ‒ сердечник с двумя обмотками: первичной I и вторичной - II; Б – дроссель  ' C k  ' 'k II k B ' '   'k II I A Рис. 6.16. Схема сварочного аппарата со встроенным регулятором Источниками питания при дуговой сварке на переменном токе являются специальные сварочные трансформаторы, обычно подключаемые к сети 0.4 кВ. Для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под слоем флюса сварочные трансформаторы должны иметь круто падающую характеристику. Такую характеристику можно получить, если: 77 ‒ трансформатор с нормальным магнитным рассеянием и дополнительной реактивной катушкой, которая выполняется отдельно (рис. 6.15) или встроенной в общий магнитопровод трансформатора (рис. 6.16); ‒ трансформатор с повышенным магнитным рассеянием. Для схемы на рис. 6.16 при согласном включении обмоток в режиме холостого хода магнитный поток трансформатора создается только током первичной обмотки и разветвляется между средним и верхним стержнями магнитоC   ' . ЭДС вторичной цепи        ,   B   '' ,     '   '' ,  провода  A A B   C11k   '. E 2  C11 В режиме нагрузки магнитный поток трансформатора создается током первичной обмотки и током, протекающим во вторичной и реактивной обмотках. Магнитный поток, создаваемый реактивной обмоткой, разветвляется между средним и нижним стержнями магнитопровода. C   ' k и  A     'k ,   B   ' '   'k ,  Потоки в отдельных стержнях   '  ) . Тогда напряжение на дуговом про   ' k ) и E  C ( ЭДС E11  C11 ( 11k 11k k       '  k )  I2 ( Z11  Z11k ) . межутке U  E 2  I 2 Z 2  C11 (   ' k )  C11k ( При изменениях режима нагрузки магнитный поток нижней части магнитопровода существенно измениться не может ввиду наличия включенной в сеть первичной обмотки трансформатора. Вследствие этого напряжение на дуговом промежутке будет зависеть только от второго и третьего слагаемых в напряжении дуги. С повышением тока нагрузки поток реактивной обмотки возрастает и  '  k ) уменьшается и может стать отрицательным. Слагаемое слагаемое C11k ( I2 ( Z11  Z11k ) отрицательно и увеличивается с ростом нагрузочного тока. Таким образом, с увеличением тока нагрузки напряжение на дуговом промежутке резко падает. Регулирование сварочного тока в трансформаторе осуществляется изменением воздушного зазора верхнего стержня магнитопровода. Для получения больших сварочных токов воздушный зазор необходимо увеличить. При настройке на большие токи трансформатор имеет пониженное напряжение холостого хода, при настройке на малые токи напряжение холостого хода увеличивается (рис. 6.17). Такая система целесообразна, так как при малых сварочных токах для поддержания устойчивой дуги необходимо повышенное напряжение зажигания. U (I )  min  max I Рис. 6.17. Внешние характеристики трансформатора 78 Лекция 7 ИНДУКЦИОННЫЙ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ 7.1. Физические принципы индукционного нагрева Индукционный нагрев проводящих тел – проводников первого и второго рода – основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных вихревых токов, нагревающих тело по закону ДжоуляЛенца. Метод индукционного нагрева основан на использовании ряда законов и явлений, таких как: закон электромагнитной индукции; поверхностный эффект; эффект близости; кольцевой эффект; эффект паза; изменение физических свойств нагреваемого тела в процессе нагрева. Поверхностный эффект Поверхностный эффект – это неравномерное распределение плотности переменного электрического тока по сечению проводника или магнитного потока по сечению магнитопровода. При протекании через проводник постоянного тока плотность тока постоянна по сечению J  I / S , где Ι ‒ ток, протекающий в проводнике; S ‒ поперечное сечение проводника. Иная картина наблюдается при протекании переменного тока. Для наглядности построим ее графическое изображение на рис. 7.1 [10]. Рис. 7.1. Распределение магнитного поля и тока по сечению проводника Пусть по бесконечному металлическому цилиндрическому проводнику протекает переменный ток I. Направление линий магнитного поля (магнитной индукции В с ) этого тока определяется по правилу правого винта. Переменное магнитное поле В с индуцирует в проводнике вихревой ток i, который создает собственное магнитное поле с вектором магнитной индукции 79 В в . Согласно правилу Ленца, магнитное поле В в должно противодействовать процессу, создавшему его. Направление вектора В в должно быть противоположно вектору магнитной индукции В с . Направление контура вихревого тока i, охватывающего линии магнитной индукции В в , также подчиняется закону правого винта. Поэтому, наводимые в проводнике вихревые токи i усиливают суммарную величину тока у поверхности проводника и ослабляют его в центральной части проводника, что создает неравномерное распределение плотности тока. При ярко выраженном поверхностном эффекте уменьшение плотности тока вглубь проводника происходит по экспоненциальному закону где J ‒ плотность тока на расстоянии y от поверхности проводника; J е ‒ плотность тока на поверхности проводника; δ ‒ величина, характеризующая степень затухания электромагнитного поля в проводнике и называемая глубиной проникновения электромагнитной волны. Глубиной проникновения считают такое расстояние по нормали от поверхности проводника, на котором плотность тока в плоском проводнике уменьшается в е = 2,718 раз по сравнению с плотностью тока на поверхности. Из теории электромагнитного поля известна глубина проникновения электромагнитной волны в однородной проводящей среде где ω=2πf ‒ круговая частота электромагнитного поля; γ=1/ρ – удельная электропроводимость, 1/(Ом/м); ρ – удельное сопротивление материала проводника, Ом/м. Используя величины где μ r – относительная магнитная проницаемость, получим Рис. 7.2. Электромагнитное поле в толстой металлической пластине 80 Определим, какая часть мощности выделяется в слое, равном глубине проникновения. С этой целью рассмотрим полубесконечное металлическое тело, на поверхность которого падает электромагнитная волна (рис. 7.2). Выделим на расстоянии y от поверхности тела xoz элементарную площадку, нормальную к вектору плотности тока J, высотой а, шириной dy. Мощность в элементарном параллелепипеде проводимостью  длиной l, равна Полная активная мощность, выделяемая в нагреваемом теле, может быть получена интегрированием от 0 до ∞ по координате y Мощность, выделяемая в слое толщиной δ, получаем интегрированием от 0 до δ Отношение мощностей равно т.е. в слое толщиной, равной глубине проникновения электромагнитной волны, выделяется 86,5 % активной мощности, получаемой полубесконечным проводящим телом. Такое отношение получается при экспоненциальном распределении плотности тока J по толщине тела. Рис. 7.3. Аппроксимация распределение тока Для практических расчетов реальное распределение плотности тока в нагреваемом теле заменяется некоторым более простым распределением, которое позволило бы получить достаточно простое аналитическое решение теплового состояния тела (температурное поле по его сечению в любой момент времени), а также рассчитать интегральные электрические параметры. При такой искусственной замене считают, что плотность J' тока, протекающего в активном слое конечной толщины δ′, распределяется равно81 мерно, а в остальной части сечения изделия ток принимается равным нулю (рис. 7.3). Толщина слоя δ′ и действующее значение плотности тока J', определяются при соблюдении условия равенства активной мощности, выделяемой в проводнике при экспоненциальном распределении плотности тока, и активной мощности, выделяемой в эквивалентном активном слое. Толщину активного слоя δ' считают равным глубине проникновения электромагнитной волны δ. Тогда плотность тока на поверхности изделия при экспоненциальном ее распределении и плотность тока эквивалентного активного слоя будут связаны выражением J′/J e = 2. Эффект близости Эффект близости представляет собой разновидность поверхностного эффекта и заключается в перераспределении плотности тока в определенных зонах проводника в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей, создаваемых всеми проводниками с током, входящими в рассматриваемую систему. а) б) в) Рис. 7.4. Распределение тока в плоских проводниках В отдельно взятом проводнике переменный ток распределяется неравномерно по сечению (по толщине, ширине или радиусу) и равномерно по поверхности (периметру), рис. 7.4а [10]. При прохождении переменного тока по двум проводникам, находящимся на близком расстоянии друг от друга, происходит перераспределение плотности тока в каждом из них. Если токи в проводниках протекают в противоположных направлениях (разность фаз токов 180°), то наибольшая плотность тока будет на сторонах, обращенных друг к другу (рис. 7.4б). Если токи в проводниках одинаковоенаправлены (разность фаз 0°), то наибольшая плотность тока будет на удаленных сторонах проводников (рис. 7.4в). Перераспределение плотности тока проводника вызвано магнитным полем, созданным током другого проводника. 82 Рассмотрим случай встречно направленных токов (рис. 7.4б). Магнитное поле тока в правом проводнике, пронизывает левый проводник в направлении вектора индукции В с . Поле В с внешнее для левого проводника и по закону электромагнитной индукции наводит в нем ЭДС, под действием которой в проводнике формируется индуцированный вихревой ток i. По правилу Ленца наведенный вихревой ток имеет такое направление, при котором его собственное магнитное поле В в всегда противодействует внешнему магнитному полю В с , вызвавшему его. Таким образом, в левом проводнике вихревой ток i усиливает ток I у поверхности, обращенной ко второму проводнику, и уменьшает его у поверхности, удаленной от него. Рассуждая аналогично, можно показать, что в правом проводнике направление вихревого тока i будет совпадать с направлением тока I у поверхности, обращенной к левому проводнику, и будет встречно у поверхности, удаленной от левого проводника. Рассмотрим токонесущий проводник у поверхности электропроводного тела, по которому первоначально ток не протекает (случай индукционной поверхностной закалки стальных изделий на рис. 7.5). Проводящее тело пронизывает внешнее магнитное поле В в , созданное током I 1 . Поле создает в электропроводящем теле ЭДС и наводит вихревой ток i 2 . Рис. 7.5. Индукционная закалка изделий По правилу Ленца собственное магнитное поле В c вихревого тока должно противодействовать внешнему магнитному полю В в . Тогда, по правилу правого винта направление вихревого тока i 2 , должно быть противоположным направлению тока I 1 в токоведущем проводнике. Таким образом, фаза тока в токоведущем проводнике (плоском индукторе) и фаза вихревого тока, индуцированного в проводящем теле (нагреваемом изделии), отличаются на 180°. Токи в индукторе и нагреваемом теле распределены неравномерно и максимум плотности тока находится на поверхностях индуктора и нагреваемого тела, обращенных друг к другу. Эффект близости проявляется тем сильнее, чем ближе проводники будут находиться друг к другу и чем больше отношение толщины проводника к глубине проникновения. 83 Кольцевой эффект и эффект паза Если прямолинейный проводник свернуть в кольцо или спираль и пропустить через него переменный ток, то наибольшая плотность тока будет на внутренней поверхности кольца или спирали (рис. 7.6). Это явление называется кольцевым эффектом, являющимся также разновидностью поверхностного эффекта. Наличие такого неравномерного распределения можно объяснить асимметрией магнитного поля кольцевого витка, относительно проводника, их образующего. Во внутренней полости кольца магнитное поле намного сильнее, чем снаружи, поэтому основная часть электромагнитной энергии поступает в проводник через его поверхность, обращенную внутрь кольца. Кольцевой эффект тем сильнее, чем больше отношение b/ R 0 – для проводника прямоугольного сечения (рис. 7.6а), и чем больше отношение R 1 / R 0 для проводника круглого сечения (рис. 7.6б). Рис. 7.6. Кольцевой эффект На распределение плотности тока в проводнике оказывает существенное влияние магнитопровод. Если проводник разместить в открытом пазу магнитопровода (рис. 7.7), то можно наблюдать явление одностороннего поверхностного эффекта – эффекта паза. Рис. 7.7. Эффект паза Наибольшая плотность тока будет получаться в той части проводника, которая находится у открытой стороны паза. В присутствии магнитопровода область проводника, которая находится в глубине паза, охватывается полным магнитным потоком, созданным током, протекающим в проводнике. Поэтому в 84 этой части индуцируется наибольшая величина ЭДС самоиндукции и создается наибольшее реактивное сопротивление. Вследствие этого ток проходит в части проводника, обладающей наименьшим реактивным сопротивлением, т.е. в зоне открытой стороны паза. 7.2. Энергетические показатели индукционной установки Для любого металлического тела, помещенного в электромагнитное поле индуктора с током I 1 и числом витков w1 активная (кВт/м2) и реактивная (кВАр/м2) мощности будут равны P  2  10 6 ( f1 w1 ) 2  r F , Q  2  10 6 ( f1 w1 ) 2  r G , где коэффициенты F и G зависят от формы и геометрических размеров тела и глубины проникновения  . а) б) Fц Gц Fпл Gпл cos( ) cos( ) 5 cos( ) 1 1 Gц 0.8 4 3 1 Gпл 1 2 3 Fц 0.8 cos( ) 0.8 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 0.2 0.2 0.2 Fпл 2 1 2 пл /  2 2 2 2rц /  Рис. 7.8. Зависимости коэффициентов от толщины пластины (а) цилиндра (б) Для толстой металлической пластины ( 2 пл /   3 ) и толстого цилиндра ( r 2 /   10 ) коэффициенты F  1 и G  1 коэффициент мощности 0.707. Для тонких пластин и цилиндров зависимости коэффициентов показаны на рис. 7.8. В системе, состоящей из индуктора и заготовки, активная мощность выделяется как в заготовке, так и в индукторе. КПД системы Рз 1   , Р з  Ри dи и и 1 dз зз где d и и d з ‒ размеры;  и и  з – удельное сопротивление;  и и  з ‒ относительная магнитная проницаемость индуктора и заготовки. При нагреве ферромагнитных материалов (  з  500  1000 ) КПД составляет 99%. При нагреве цветных металлов (  з   и ) КПД меньше 50%. КПД и коэффициент мощности уменьшаются с увеличением зазора между деталью и индуктором и заполнения индуктора. 85 7.3. Схемы индукционного нагрева Преимущества индукционного нагрева по сравнению с другими методами нагрева заключается в следующем: 1) Передача электроэнергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев материалов и значительно увеличить его скорость по сравнению с печами косвенного нагрева. 2) Максимальный уровень температур может быть высоким и ограничивается только применяемыми огнеупорными материалами. 3) При передаче электроэнергии в нагреваемое тело не нужны контактные устройства, что упрощает конструкцию и позволяет применить индукционный метод в условиях автоматизированного поточного производства, а также осуществлять нагрев в вакууме и защитных средах. 4) Благодаря явлению поверхностного эффекта на высоких частотах максимальная мощность выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия, и тем самым индукционный метод при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхности изделия, позволяя получить ее высокую твердость, при сохранении вязкой сердцевины. 5) В индукционных плавильных печах возникают электродинамические усилия, способствующие циркуляции расплава в общем объеме тигля. Это ускоряет процесс плавки и позволяет получить металл со стабильными и однородными свойствами. Рис. 7.9. Схемы индукционного нагрева На рис. 7.9 показаны принципиальные схемы установок индукционного нагрева с магнитопроводом (рис. 7.9а), без магнитопровода (рис. 7.9б), с промежуточным нагревателем (рис. 7.9в) и схема индукционно-плазменный нагрева (рис. 7.9г). На рис. 7.9 использованы следующие обозначения: 1 ‒ нагреваемое тело; 2 ‒ магнитопровод; 3 ‒ футеровка; 4 ‒ индуктор; 5 – промежуточный нагреватель; 6 ‒ кварцевая труба; 7 ‒ подвод газа. Сплошными стрелками показана передача тепла излучением; пунктирными стрелками ‒ конвекцией. Штрих-пунктирными стрелками обозначен поток ионизированного газа. 86 7.4. Физические основы диэлектрического нагрева Диэлектрический нагрев заключается в поглощении электромагнитной энергии различными материалами (главным образом материалами с плохой электрической проводимостью), помещенными в электрическое поле. Под влиянием электрического поля, имеющиеся в материале заряды, связанные межмолекулярными силами, ориентируются или смещаются в направлении поля. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией. Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную. Упругая обуславливает энергию электрического поля, а релаксационная – теплоту, выделяющуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей атомов, молекул. Половина этой работы превращается в теплоту. Если электрическое поле переменное, то происходит непрерывное перемещение зарядов и связанных с ними межмолекулярными силами молекул вслед за изменением направления электрического поля. Это перемещение молекул происходит с некоторым «трением», что и вызывает нагрев материала. Свойство материалов нагреваться в переменном электрическом поле характеризуется потерями энергии в нем A   C tg U t , где А ‒ потери энергии; ω ‒ угловая частота; С ‒ емкость конденсатора; tgδ ‒ тангенс угла поглощения; U ‒ напряжение между электродами; t ‒ время нагрева. Для плоского конденсатора С    0 S / d , где ε ‒ относительная диэлектрическая проницаемость; ε0 ‒ электрическая постоянная; S ‒ площадь электрода; d ‒ расстояние между пластинами. Мощность, выделяемая в единице объема диэлектрика и поглощаемая материалами, определяется выражением pV  2fE 2 0tg , где V ‒ объем диэлектрика; Е ‒ напряженность электрического поля. Удельная объемная мощность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е2, частоте f и фактору потерь k=εε 0 tgδ. Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости, расположения и формы электродов, образующих поле. Удельная мощность для нагрева материала pH  ( c ) /(T t ) , где ρ ‒ плотность материала; с ‒ удельная теплоемкость материала (Дж/кг·К); Δθ ‒ приращение температуры за промежуток времени Δt; η Т ‒ КПД нагрева, учитывающий потери тепла в окружающую среду. Удельная мощность для испарения влаги pH  (4.19qM ) /(T t ) , где q ‒ скрытая теплота испарения при данной температуре без учета затрат тепла на преодоление связи влаги с материалом, Дж/К; ΔМ/Δt ‒ допустимая скорость сушки материала, кг/(м3с). 7.5. Схемы диэлектрического нагрева Диэлектрический нагрев материалов обладает следующими особенностями. Нагрев токами высокой частоты (ВЧ) является прямым нагревом – электрическая энергия преобразуется в тепло непосредственно в полупро87 водниках или диэлектриках, помещенных в электрическое поле. Во многих случаях это позволяет коренным образом изменять технологию процессов и повышать качество продукции. При ВЧ нагреве расход электроэнергии непосредственно на нагрев материалов наименьшей по сравнению с другими способами, хотя общий расход электроэнергии с учетом потерь в генераторах и вспомогательных устройствах нередко оказывается больше. Токи ВЧ позволяют осуществлять избирательный нагрев благодаря концентрации мощности в нужном направлении и использованию спектральной чувствительности неоднородных по физическим свойствам материалов. При ВЧ нагреве достигается высокая концентрация мощности в единице объема нагреваемой среды, что позволяет значительно интенсифицировать производственные процессы. Появляется возможность использовать механические воздействия, возникающие в материалах при быстром неравномерном нагреве. Кроме того, ВЧ нагрев диэлектриков позволяет снизить отходы продукции, осуществить поточность и широкую автоматизацию производства. Преимущества диэлектрического нагрева заключаются в возможности концентрировать большие мощности в малых объемах материала, равномерности нагрева материала с низкой теплопроводностью при большой интенсивности нагрева, возможности избирательного нагрева и регулирования заданного температурного режима и осуществления полной механизации и автоматизации всего технологического процесса. К недостаткам диэлектрического нагрева следует отнести высокую стоимость оборудования, более высокий (во многих случаях) удельный расход электроэнергии. Поэтому его применение экономически целесообразно там, где это ведет к коренному усовершенствованию технологии процессов и где высокие капитальные и эксплуатационные затраты компенсируются повышением качества и увеличением выхода продукции, значительным ростом производительности труда. На рис. 7.10 показаны принципиальные схемы диэлектрического нагрева в электрическом поле (рис. 7.10а) и в электромагнитном поле (рис. 7.10б), осуществляемый при сверхвысокой частоте. На рис. 7.10 использованы следующие обозначения: 1 ‒ электроды; 2 ‒ нагреваемое тело; 3 ‒ волновод; 4 ‒ резонатор. Рис. 7.10. Схемы диэлектрического нагрева 88 Лекция 8 ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ И УСТАНОВКИ 8.1. Канальные печи Особенности технологического процесса Индукционные канальные печи (рис. 8.1а) (ИКП) в основном используются для плавки цветных металлов и чугуна, а также в качестве миксеров для тех же металлов. Наличие в ИКП электродинамического и теплового движения расплавленного металла или сплава обеспечивает однородность химического состава и равномерность температуры металла в ванне печи. ИКП рекомендуется использовать в тех случаях, когда к выплавляемому металлу предъявляются высокие требования [8]. Основные достоинства ИКП: 1. Минимальное испарение металла. 2. Малый расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металла. ИКП имеет высокий электрический КПД благодаря использованию замкнутого магнитопровода. Высок и тепловой КПД печи, так как основная масса расплава находится в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую футеровку. 3. Однородность химического состава металла в ванне благодаря циркуляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилиями. Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки. Основные недостатки ИКП: ‒ тяжелые условия работы футеровки; ‒ необходимость постоянно держать в печи сравнительно большое количество расплавленного металла. Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеровки каналов и ее растрескиванию. По этой причине невозможен также быстрый переход с одной марки сплава на другую. Приходится проводить ряд балластных переходных плавок, постепенно изменяя состав металла. Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу действия силового трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций. Конструктивно печь состоит (рис. 8.1б) из футерованной ванны 2, в которой помещается почти вся масса расплавляемого металла 3. Ванна сообщается с плавильным каналом 5, также заполненным расплавом. Расплав в канале и прилегающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо. Система индуктор – магнитопровод называется печным трансформатором. Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем 6. Подовый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим проемом 7, в который вставляется индуктор 4, навитый на стержень замкнутого магнитопровода 1. 89 Рис. 8.1. Индукционная канальная печь Принцип действия канальной печи требует постоянно замкнутой вторичной цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла. Все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей 20÷50 % полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жидким металлом. Застывание металла в канале не допускается, во время простоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии. Индуктор является первичной обмоткой трансформатора, а роль вторичного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал и находящийся в нижней части ванны. Ток, протекающий во вторичной цепи, вызывает нагрев расплава, при этом почти вся энергия выделяется в канале, имеющем малое сечение (в канале поглощается 90÷95 % подведенной к печи электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло-и массообмена между каналом и ванной. Рис. 8.2. Перемешивание металла в ИКП Перемещение металла обусловлено главным образом электродинамическими усилиями, и в меньшей степени конвекцией, связанной перегревом металла в канале по отношению к ванне. 90 Электродинамические силы Fr направлены от индуктора и к металлу в канале К при осевом направлении плотности тока в канале δz. Создаваемое ими давление равно нулю на внутренней поверхности канала и максимально на его наружной поверхности. Поэтому металл вытесняется в ванну из устья канала вдоль его наружной стенки и всасывается в канал вдоль его внутренней стенки (рис. 8.2). Схема замещения ИКП ИКП имеет следующие отличия от силовых трансформаторов: 1) вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один виток N 2 с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки с числом витков N 1 (рис. 8.3); 2) вторичный виток (канал) находится от индуктора на относительно большом расстоянии, так как отделен от него не только электрической, но и тепловой изоляцией (воздушным зазором и футеровкой). В связи с этим магнитные потоки рассеяния индуктора и канала значительно превышают потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток обычного силового трансформатора той же мощности, поэтому значения реактивных сопротивлений рассеяния индукционной канальной печи выше, чем у трансформатора. Это приводит к тому, что энергетические показатели ИКП (КПД и коэффициент мощности) заметно ниже, чем у обычного трансформатора. Рис. 8.3. Распределение магнитных полей в ИКП Рис. 8.4. Схема замещения и векторная диаграмма ИКП 91 Основные уравнения (уравнение токов и уравнения электрического состояния) для индукционной канальной печи аналогичны уравнениям для трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Схема замещения и векторная диаграмма ИКП приведены на рис. 8.4. Характеристика ИКП как потребителя энергии Мощность ИКП изменяется от 60 до 6000 кВт. Маломощные печи питаются от цеховой распределительной сети напряжением 0,4 кВ. Печи большой мощности подключаются к сети 10 кВ. Существуют однофазные, двухфазные и трехфазные установки. P(t) P,кВт Q,кВАр 120 60 Q(t) 60 t,мин 120 Рис. 8.5. Потребление мощности ИКП В зависимости от выплавляемого продукта естественный коэффициент мощности составляет 0,2÷0,7. Так как каналы печи всегда заполнены жидким металлом с практически неизменной температурой, то коэффициент мощности почти неизменен. Для компенсации реактивной мощности используют статические конденсаторы, подключаемые параллельно индуктору. Режим работы печей – продолжительный. График электрической нагрузки определяется суточной программой выпуска продукции. По неравномерности график нагрузки ИКП сопоставимы с ДСП (рис. 8.5). При 5 и более печах в цехе групповой коэффициент формы графика 1.6 и более. Коэффициент включения равен 1. Коэффициент максимума не превышает 1,5, а коэффициенты использования мощности индукторов составляют 0,5. По надежности электроснабжения ИКП относятся к потребителям 2 категории. 8.2. Тигельные печи Особенности технологического процесса Индукционные тигельные печи (ИТП) (рис. 8.6а) широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в вакууме и в защитных атмосферах. Тигельные индукционные печи применяют главным образом для плавки высококачественных сталей и других спе92 циальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава, что недостижимо в пламенных и дуговых печах. Достоинства ИТП [9]: • выделение энергии непосредственно в загрузке без промежуточных нагревательных элементов; • интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое выравнивание температуры по объему ванны и гарантирующая получение сплавов, однородных по химическому составу; • возможность создания в печи любой атмосферы при любом давлении; • высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности (особенно на средних частотах); • простота управления и регулирования печи широкие возможности для механизации и автоматизации процесса плавки; • возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи. Печи этого типа весьма удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность для быстрого перехода с одной марки сплава на другую. Недостатки ИТП: • высокая стоимость электрооборудования, особенно при f  50 Гц; • более низкий КПД всей установки вследствие необходимости иметь в установке источник получения высокой или повышенной частоты. В основе работы тигельной печи лежит трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Подводимая к первичной цепи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи переходит снова в электрическую, а затем в тепловую. Рис. 8.6. ИТП (а) и принципиальная схема ИТП (б): 1 – индуктор; 2 – расплав; 3 – огнеупорный тигель 93 ИТП также называют индукционными печами без сердечника. Печь представляет собой плавильный тигель цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещенный в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока (рис. 8.6б). Металлическая шихта загружается в тигель и, поглощая электрическую энергию, плавится. В тигельной печи (рис. 8.6) первичной обмоткой служит индуктор, обтекаемый переменным током, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – сам расплавляемый металл, загруженный в тигель и помещенный внутрь индуктора. Магнитный поток в тигельной печи проходит в той или иной степени по самой шихте. Поэтому для работы печи без сердечника имеют большое значение магнитные свойства, а также размеры и форма кусков шихты. Когда в качестве шихты применяют ферромагнитные металлы, то до температуры точки Кюри (740÷770 oС), их магнитная проницаемость сохраняет свою величину. Шихта играет роль не только вторичной обмотки и нагрузки, но и незамкнутого сердечника. При плавке в ИТП ферромагнитных металлов разогрев шихты до точки Кюри происходит за счет тепла, выделяемого от циркуляции вихревых токов и перемагничивания. После точки Кюри ферромагнитные тела теряют свои магнитные свойства и работа индукционной печи становится аналогичной работе воздушного трансформатора. Мощность, выделяемая вихревыми токами, которые наводятся и циркулируют в садке, зависят от частоты переменного магнитного поля. При частоте 50 Гц концентрация энергии, выделяемой вихревыми токами, незначительна и не превышает несколько ватт на см2 поверхности. Поэтому для эффективной работы печи без сердечника приходится питать их токами повышенной частоты, что достигается установкой специальных генераторов частоты. Для печей без сердечника каждой емкости печи и сопротивлению шихты соответствует своя оптимальная частота питающего тока. При частоте, ниже оптимальной, КПД печи сильно понижается, выше оптимальной – почти не изменяется. В результате анализа отмеченных выше факторов (диаметра садки и сопротивления шихты), влияющих на частоту питающего тока, было получено уравнение, которое дает минимальное значение частоты для данного металла и диаметра садки: где f min ‒ минимальная частота тока; ρ 2 ‒ удельное сопротивление расплавленного металла; d ‒ диаметр садки. Ток повышенной частоты, проходя через индуктор печи, обеспечивает наведение в садке ЭДС индукции, которая в плоскостях, параллельных плоскости витков обмотки, вызовет вихревые токи. Вследствие поверхностного эффекта наведенные в садке токи достигают максимальной величины на внешней поверхности садки и значительно уменьшаются от краев к середине. 94 Характеристика печи как потребителя энергии Мощность печей от 0,18 до 20 МВА. Для печей мощностью до 2,5 МВА используются одно и трехфазные трансформаторы, для печей свыше 4 МВА – только трехфазные. Питание печей в основном производится от сети 10 кВ. Естественный коэффициент мощности не превышает 0,1÷0,4 и его значение в процессе плавки меняется из-за изменения физических параметров шихты. P,кВт 1200 2 разливка 1 рафинирование скачивание шлака плавка загрузка 600 t,ч 3 Рис. 8.7. Потребление мощности ИТП Для компенсации реактивной мощности в комплект ИТП входит конденсаторная батарея, состоящая из групп постоянной и переменной емкости. Коэффициент мощности всех печей после компенсации равен 0,98÷1. Режим работы печей – продолжительный, а электрическая нагрузка ‒ непрерывно-циклическая, переменная. По надежности электроснабжения ИТП относятся к потребителям 2 категории. Рис 8.8. Схема силовой цепи тиристорного преобразователя частоты: I ‒ шкаф ввода питания; П ‒ выпрямитель; Ш ‒ блок реакторов; 1У ‒ инвертор; У ‒ нагрузка; L ‒ сглаживающий реактор; БП ‒ блок пуска; ВА ‒ выключатель автоматический; С ‒ емкость; R ‒ резистор; P – контактор 1 95 Потребляемая мощность по отдельным периодам плавки изменяется ступенчато (рис. 8.7). Для графика нагрузки характерны высокие значения коэффициентов формы (1,17÷1,26) и коэффициентов максимума (1,47÷1,83). Влияние на неравномерность графика нагрузки оказывает коэффициент включения (0,68÷0,8). Для питания индукционной печи напряжением повышенной частоты используется тиристорный преобразователь (рис.8.8) с явно выраженным звеном постоянного тока, в котором одна группа тиристоров работает в режиме выпрямления по мостовой схеме, а другая ‒ в режиме инвертирования. 8.3. Индукционные установки Установка индукционного нагрева (УИН) отличается от плавильной тем, что конечная температура загрузки всегда ниже температуры плавления. Важнейшим элементом любой УИН является индуктор, представляющий собой проводник или систему проводников определенной конфигурации, подключаемый к внешнему источнику переменного тока и предназначенный для дистанционного наведения в нагреваемом изделии переменного электромагнитного поля и электрического тока, разогревающего изделие. В некоторых случаях загрузку целесообразно нагревать, возбуждая электрический ток не непосредственно в ней, а в каком-либо промежуточном устройстве (электропроводном тигле). Такой вид нагрева загрузки называют косвенным. Для компенсации реактивной мощности индуктора используют группу силовых конденсаторов, соединенных параллельно и оформленных в обособленный конструктивный модуль (конденсаторную батарею). Индуктор, соединенный токопроводом с конденсаторной батареей, образует силовой резонансный контур. Токопровод, выполняемый обычно в виде пакета шин и кабелей (токи до 100 кА), иногда называют короткой сетью установки, по аналогии с короткой сетью дуговых печей. Схемы питания индукционных установок Схему питания УИН выбирают по условию согласования параметров нагрузки (индукционного нагревателя) с параметрами источника питания по напряжению и коэффициенту мощности. Приемлемость варианта схемы определяется результатами технико-экономического анализа. Схемы силового питания УИН промышленной частоты представлены на рис. 8.9. Наиболее распространенная схема питания показана на рис. 8.9а. В этой схеме резонансный контур, состоящей из индуктора и компенсирующей батареи конденсаторов С К , подключен к сети через трансформатор Т, имеющий несколько ступеней вторичного напряжения, а С К имеет регулируемую часть для подстройки контура в процессе нагрева. УИН здесь является однофазной нагрузкой для питающей сети. Трансформатор в схеме рис. 8.9б может быть нерегулируемым, а мощность индукционного нагревателя можно регулировать с помощью специального тиристорного регулятора ВР. На практике для согласования напряжений приме96 няют автотрансформаторную схему (рис. 8.9в). В автотрансформаторной схеме напряжение источника питания подают на часть витков индуктора И, а компенсирующую СК подключают к выводам индуктора И. За счет автотрансформаторного эффекта напряжение на индукторе и на конденсаторной батарее будет больше, чем напряжение источника питания. а) б) в) г) д) е) ж) з) Рис. 8.9. Схемы установок индукционного нагрева промышленной частоты Схема УИН с вольтодобавочным трансформатором ВТ показана на рис. 8.9г. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора подключена к сети, а вторичная обмотка соединена последовательно с резонансным контуром. Такую схему применяют, как при непосредственном включении резонансного контура на сетевое напряжение (рис. 8.9г), так и при питании контура через промежуточный трансформатор. Включая вольтодобавочный трансформатор согласно или встречно с сетевым напряжением, получают широкий диапазон изменения напряжения: U k  U c  U Д где U c – напряжение сети; U д – напря97 жение на вторичной обмотке, которое изменяют путем изменения числа витков обмотки. Встречаются УИН, построенные по автотрансформаторной схеме с использованием вольтодобавочного трансформатора (рис. 8.9д). Для однофазных УИН большой мощности применяют трехфазные печные трансформаторы с симметрирующими устройствами, которые предназначены для равномерного распределения однофазной нагрузки по трем фазам питающего напряжения. Наиболее распространено симметрирующее устройство по схеме Штейнмеца (рис. 8.9е). Эту схему используют также с нерегулируемым трансформатором и с выключателями – регуляторами (рис. 8.9ж). На рис. 8.9з представлена схема трехфазной УИН. Каждый индуктор подключен к линейному напряжению через вольтодобавочный трансформатор. УИН повышенной частоты подключают к электромашинным или статическим преобразователям частоты. Схема питания УИН от электромашинного преобразователя частоты показана на рис. 8.10а. Установка состоит из электродвигателя Д на общем валу с генератором повышенной частоты Г. Регулирование напряжения генератора и мощности, потребляемой УИН выполняют изменением тока возбуждения обмотки ОВ генератора. В схеме на рис. 8.10б в качестве источника питания используется статический преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока. Резонансный контур УИН подключен к сети через выпрямитель В, разделительный дроссель Др и инвертор, в котором постоянный ток преобразуется в переменный заданной частоты с возможностью ее регулирования. Конденсаторная батарея при этом не требует регулирования, поскольку контур настраивают изменением рабочей частоты статического преобразователя. а) б) Рис. 8.10. Схемы установок индукционного нагрева повышенной частоты При использовании токов высокой частоты также применяют схемы согласования параметров источника питания с параметрами нагрузки (рис. 8.11). Для схемы на рис. 8.11а выходное напряжение источника соответствует напряжению нагрузки. Схему на рис. 8.11б применяют, когда напряжение источника питания меньше напряжения нагрузки. В противном случае применяют схему на рис. 8.11в. Для согласования низковольтного источника с высоковольтной нагрузкой применяют схему на рис. 8.11г. Схему, показанную на рис. 8.11д используют для согласования низковольтного источника и низковольтного индуктора при наличии высоковольтной компенсирующей батареи. Для согласования низковольтного источника с высоковольтной нагрузкой при использовании низковольтной компенсирующей батареи применяют схему на рис. 8.11е. 98 При проектировании УИН выбирают силовые схемы электропитания и настройку колебательного контура, наиболее полно соответствующие изменяющимся параметрам нагрузки в ходе всего процесса нагрева. Это позволяет существенно улучшить технические и энергетически показатели работы установок. Также необходимо учитывать степень использования оборудования, графики нагрузок, расход электроэнергии и работу вспомогательного оборудования. Решение о целесообразности использования силовой схемы электропитания УИН принимают после технико-экономического обоснования. а) б) в) г) д) е) Рис. 8.11. Схемы полупроводниковых индукционных нагревателей повышенной частоты Индукционные установки как потребители энергии Установки промышленной частоты бывают периодического и непрерывного действия. Их мощность не превышает 1 МВт. При единичной мощности до 300 кВт они питаются от цеховой сети 0.4 кВ. Установки могут быть одно, двух и трехфазные. По надежности электроснабжения они относятся к потребителям 2 категории. Режим работы зависит от режима работы технологической линии, в состав которой входит УИН. Для компенсации реактивной мощности в комплект входит конденсаторная батарея, включаемая стационарно параллельно индуктору. Иногда между индуктором и конденсаторной батареей включается согласующий трансформатор, позволяющий понизить напряжение на индукторе и повысить его стойкость. Общим для большинства УИН промышленной частоты является вопрос о симметрии нагрузки. Большое распространение одно и двухфазных индукторов заставляет искать пути выравнивания нагрузки в трехфазной сети. Иногда и 99 трехфазные УИН могут вызвать несимметрию токов и напряжений питающей сети, если активная мощность в фазах неодинакова. Для регулирования электрического режима можно использовать переключения ступеней напряжения питающего трансформатора, переключение витков индуктора, последовательно включенный регулировочный трансформатор, тиристорные регуляторы. Применение тиристорного регулятора позволяет в широких пределах изменять электрический режим и облегчает работу силовых выключателей и контакторов конденсаторной батарей, так как создает возможность работы в бестоковую паузу. В тоже время тиристорные регуляторы отрицательно сказываются на качестве электроэнергии из-за внесения в систему искажений тока. При фазовом регулировании ток 3-ей гармоники может достигать 50% от тока основной гармоники. Поэтому на мощных печах требуется установка специальных фильтросимметрирующих устройств. Индукционные печи средней частоты имеют мощности от 50 до 4200 кВт и естественный коэффициент мощности 0,2÷0,3. Печи подключают к сети напряжением 10 кВ или 0,4 кВ через статические или электромагнитные преобразователи с частотой 500, 1000 или 2400 Гц. Режим работы печей продолжительный, а их электрические нагрузки имеют переменный циклический характер. По надежности электроснабжения такого рода установки относятся к потребителям 2 категории. Частота тока для УИН средней частоты лежит в пределах 2,4÷10 кГц. Они весьма разнообразны по мощности от 25 до 250 кВт для индукционных закалочных установок, до 700 кВт для вакуумных и от 150 до 1500 кВт для кузнечных нагревателей. Мощность наиболее крупных групп таких установок достигает 10-40 МВт. Относительно энергосистемы установки являются приемниками переменного трехфазного тока, по надежности электроснабжения – потребителями 2 категории. Их режим работы определяется режимом работы технологической линии. Коэффициент мощности установок изменяется от 0,03 при пустом индукторе до 0,1-0,3 при заполненном индукторе. Для уменьшения реактивной мощности в комплект оборудования входит конденсаторная батарея. При использовании статических преобразователей в сети возникают токи несинусоидальной формы, приводящие к искажению напряжения в точке подключения установок. Если коэффициент несинусоидальности не удовлетворяет нормативным требованиям, то возникает необходимость установки фильтров. Для компенсации реактивной мощности в цехах с УИН применяют конденсаторные батареи, которые перегружаются токами высших гармоник. Если мощность конденсаторных батарей не менее 40% суммарной мощности преобразователей, то их перегрузка не превышает 30 %, допускаемых ПУЭ. Батареи конденсаторов и элементов сети образуют резонансные контуры и для защиты конденсаторов устанавливают токоограничивающие реакторы. 100 ЛЕКЦИЯ 9 ПЛАЗМЕННЫЕ, ИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ УСТАНОВКИ 9.1. Плазменные дуговые печи Принцип действия Плазменные установки (ПУ) используют в виде источника нагрева плазменную струю, представляющую собой поток высокоионизированного нагретого до высоких температур (3500÷12000 К) газа. Плазменный нагрев широко применяется в промышленности для интенсификации процессов, для сварки, резки и поверхностной обработки. Мощности ПУ изменяются от 0.1 до 50 МВт. По способу создания плазменной струи ПУ разделяют на дуговые (ПДУ) (рис. 9.1), в которых нагрев и ионизация газа происходит за счет электрической дуги и высокочастотные (ВПУ). Дуговые генераторы плазмы (плазмотроны) представляют собой устройства с электродами, между которыми горит электрическая дуга постоянного или переменного тока. При всем многообразии конструкций дуговые плазмотроны делятся на два вида: плазмотроны косвенного действия (струйные) в которых дуга горит внутри между электродами, являющимися элементами ее конструкции; плазмотроны прямого действия (плавильные или металлургические), в которых анодное пятно вынесено на нагреваемый объект. Рис. 9.1. Дуговая плазменная печь Плавильные плазмотроны позволяют использовать излучение дуги и энергию, возникающую в анодном пятне, что повышает их энергетические характеристики. Однако область их применения ограничена обработкой только элек101 тропроводных материалов. Струйные плазмотроны используют в плазмохимических процессах, рудной электротермии и т.д. ПУ как потребители энергии Плазмотрон как приемник электрической энергии является нелинейной нагрузкой. Большинство струйных плазмотронов имеют падающую ВАХ, описываемую уравнением    I2  G    ( pd )  , U  A   Gd   d  где U ‒ напряжение, I ‒ ток, G ‒ расход плазмообразующего газа (кг/с), d ‒ диаметр электродуговой камеры, p ‒ давление на выходе камеры. Коэффициенты А ,  ,  и  зависят от конструкции плазмотрона (табл. 9.1). Таблица 9.1    Вид Газ Род тока А Однокамерный Двухка мерный Воздух Постоянный прямой полярности Постоянный обратной полярности переменный Водород Постоянный прямой полярности Метан Постоянный прямой полярности Воздух Постоянный прямой полярности переменный 1290 0,25 0,3 0,25 1970 0,17 0,15 0,25 3930 9650 0,18 0,2 0,28 0,5 0,2 0,36 135500 0,35 0,158 0,475 1360 0,2 0,25 0,35 2150 0,15 0,15 0,2 При увеличении мощности на ВАХ появляются возрастающие участки или вся ВАХ имеет возрастающий характер. Рабочие токи плазмотронов ограничены конструкцией катодов и максимально достигают 2÷5 кА. Поэтому увеличение мощности в основном осуществляется за счет повышения напряжения. Основным родом применяемого тока является постоянный ток прямой полярности. Это связано с тем, что дуга постоянного тока горит устойчиво, в ней отсутствуют колебания температуры. Однако используется и переменный ток (однофазный и трехфазный), при этом возникают проблемы обеспечения непрерывности горения дуги. При установке в контур дуги индуктивности значительно снижается коэффициент мощности (до 0,6). Поэтому часто используют плазмотроны, в которых параллельно с дугой переменного тока промышленной частоты горит вспомогательная высокочастотная дуга. Она обеспечивает непрерывное горение основной дуги и приближение кривой тока в плазмотроне к синусоиде. Однако это усложняет схемы питания плазмотронов. 102 Условие устойчивого горения дуги U дуги / I  U ист / I . Источник с ВАХ, близкой к источнику напряжения, может обеспечить устойчивую работу плазмотронов только с возрастающей ВАХ. Источник с ВАХ, близкой к источнику тока, применяется при падающей ВАХ плазмотрона. Применение параметрических источников ограничено, из-за возможности появления недопустимых перенапряжений на его элементах при обрывах дуги. ПДУ со струйными плазмотронами в большинстве случаев имеют непрерывный спокойный характер работы, длительность которой определяется ресурсом плазмотрона. В многоплазмотронных системах замена плазмотрона может осуществляться без остановки реактора. Мощные ПДУ питаются от сети напряжением 10 кВ через понижающие трансформаторы. Ввиду сравнительно низкой величины коэффициента мощности (0,85÷0,6) на шинах подстанции устанавливаются устройства компенсации реактивной мощности. В черной металлургии широкое распространение получили дуговые плазменные печи (ДПП). Они имеют несколько разновидностей: гарнисажные, печи с керамическим тиглем или с кристаллизатором. Они имеют различные технологические режимы, определяющие особенности их электроснабжения. U,В 250 мм 140 120 100 80 150 мм 100 мм 1 I,кA 2 Рис. 9.2. ВАХ плавильного плазмотрона На печах используются плавильные плазмотроны постоянного реже переменного тока. В отличие от струйных плазмотронов плавильные плазмотроны имеют слабо возрастающую ВАХ (рис. 9.2). Изменение длины дуги или плазмообразующего газа изменяет напряжение дуги, но не меняет вида ВАХ. Особенностью плавильных плазмотронов являются более низкие напряжения (600 В) и более высокие токи (до 9 кА). Мощность установки 3,5÷5 МВт. Для крупных печей используются многоплазмотронные схемы. ДПП с керамическим тиглем (рис. 9.4) являются технологическим аналогом ДСП. Однако ДПП позволяют герметизацию плавильного пространства и создания в них контролируемой атмосферы. Это позволяет сократить потери легирующих элементов и уменьшить загрязнения окружающей среды и создавать стали с нужным химическим составом. Наиболее распространенным плазмообразующим газом является аргон. Плазмотроны имеют механизмы перемещения, позволяющие менять длину дуги. Для питания обычно используется постоянный ток, поэтому ДПП имеют подовый водоохлаждаемый электрод. 103 Р, МВт U,B I,кА 2 400 4 1 200 2 t,мин 90 180 Рис. 9.3. Изменение электрических параметров ДПП с керамическим тиглем ДПП являются агрегатами, работающими по циклическому графику, при этом коэффициент включения составляет 0,7÷0,9. Коэффициенты использования и загрузки ниже, чем в ДСП, потому что напряжение столба дуги и мощность плазмотрона быстро падают с повышением температуры печной атмосферы (рис. 9.3). Значительное уменьшение мощности по ходу плавки не позволяет длительно использовать максимально допустимую мощность печи. Рис. 9.4. Схема ДПП с тиглем 1 – герметичная крышка, 2 -- плазмотрон, 3 – затвор, 4 – индукционные катушки, 5 – подовый электрод Рис. 9.5. Схема ДПП с кристаллизатором I ‒ слиток; 2 ‒ кристаллизатор: 3 ‒ плазмотрон; 4 ‒ корпус печи, 5 ‒- механизм подачи заготовки; 6 ‒ заготовка; 7 ‒ источник питания; 8 ‒ механизм вытягивания слитка Рабочая длина дуги зависит от емкости печи и на крупных печах достигает 1,5÷2 м. Наличие длинных дуг обуславливает стабильность работы ДПП, от104 сутствие в период расплавления бросков и колебаний токов, эксплуатационных КЗ. В тоже время длинные дуги вызывают повышенный износ футеровки (70 плавок у ДПП, 150 – у ДСП). ДПП с кристаллизатором используют плазменно-дуговой переплав расходуемых заготовок для получения высококачественных слитков. Переплавляемая заготовка расположена вертикально соосно с водоохлаждаемым кристаллизатором (рис. 9.5). Печь имеет несколько плазмотронов, расположенных симметрично относительно оси печи. Дуги горят на жидкую ванну металла. Для таких печей не требуются сильноточные плазмотроны (до 3 кА). ДПП с кристаллизатором имеют циклический характер нагрузки с коэффициентом включения 0,4÷0,5, что вызвано значительной длительностью вспомогательных операций. В связи с использованием вытяжки слитка мощность во время плавки изменяется слабо. При пониженных давлениях (ниже 100 Па) используются вакуумные плазмотроны с полым катодом. Они имеют аналогичную плавильным плазмотронам нормального давления слабо возрастающую ВАХ. Однако напряжение дуги в вакуумных плазмотронах значительно ниже, что и определяет их меньшую единичную мощность при одинаковом токе. 9.2. Высокочастотные ПУ Дуговые плазмотроны наряду с большими достоинствами имеют серьезный недостаток, связанный с загрязнением плазменной струи материалом электрода. Поэтому они неприменимы для получения сверхчистых материалов. В безэлектродных высокочастотных плазмотронах нагрев плазмообразющего газа осуществляется за счет энергии переменного электромагнитного или электрического поля. В индукционных плазмотронах переменное электромагнитное поле создается индуктором. В емкостных плазмотронах для передачи энергии от источника к плазме служат пластины конденсатора. Высокочастотные плазменные установки ВПУ предназначены для нагрева плазмообразующих газов, которые затем используются в различных технологических процессах. ВПУ питаются от цеховой сети 0,4 кВ и представляют для сети обычную выпрямительную нагрузку. Графики нагрузок ВПУ зависят от особенностей конкретных технологических процессов. 9.3. Установки ионного нагрева Для химико-термической обработки металлов применяют установки, в которых поверхность обрабатываемых изделий подвергается бомбардировке ионами для нагрева и активного воздействия на физико-химические процессы, происходящие в тонких поверхностных слоях. По принципу действия ионные установки близки к плазменным. Наибольшее распространение получили установки, в которых источником ионов является тлеющий разряд. Изделие является катодом и его поверхность подвергается воздействию ускоренных ионов. Установки используются для различных технологических процессов. 105 Установки ионного азотирования имеют мощность от 67 до 650 кВА. Они питаются от сети напряжением 0,4 кВ (до 170 кВА) или 10 кВ через тиристорные преобразователи. Установки представляют собой специфический приемник электроэнергии. Его работа характеризуется нестабильностью режима, возникновением технологических КЗ и спонтанными переходами к режиму холостого хода. Другим видом установок ионного нагрева являются ионно-плазменные установки для нанесения покрытий. Испарение материала, входящего в состав покрытия, осуществляется с помощью вакуумной дуги, горящей при давлении 0,5 мПа. Испаряемый металл служит катодом дугового разряда, а анодом являются стенки камеры. Высокая плотность энергии, которая выделяется в катодном пятне, обеспечивает эффективное испарение любых электропроводящих материалов. Подложка подключена к катоду высоковольтного источника постоянного тока. Ионами на подложку переносится до 80 % осаждаемого вещества. Для питания используются источники, представляющие комплекс из источника высоковольтного ускоряющего напряжения (ток до 20 А) и низковольных источников электродуговых испарителей (ток до 120 А). Источником питания электродуговых испарителей является тиристорный регулятор. Он имеет характеристику источника тока с плавным регулированием. 9.4. Электронно-лучевые установки Электронно-лучевые установки (ЭЛУ см. рис. 9.6) используют для преобразования электрической энергии в тепловую при взаимодействии материала с электронным пучком. Рис. 9.6. Электронно-лучевая установка Электронный луч представляет собой сфокусированный поток электронов, разогнанных до высоких энергий. Для эффективного прохождения луча в про106 странстве, снижения потерь и уменьшения вероятности электрического пробоя давление в камере не должно превышать 5 мПа. Высокая степень фокусировки электронного луча позволяет получить значительную концентрацию мощности и требуемую температуру нагреваемого материала. Электронный луч легко управляется, что дает возможность менять обрабатываемую поверхность и осуществлять различные технологические операции. При этом предъявляются высокие требования к стабильности мощности луча при его фокусировке на ограниченной поверхности и при обеспечении равномерности нагрева за счет его сканирования по значительной площади нагреваемого материала. Высокие технологические характеристики электронно-лучевого нагрева обеспечивают широкое использование ЭЛУ в промышленности. Они применяются для резки и сварки металлов, обработке малых отверстий, напыления покрытий и т.д. Мощность ЭЛУ колеблется от десятков до нескольких тысяч кВт. Основным элементом ЭЛУ является генератор электронного луча ‒ электронная пушка. Пушка имеет катод, нагреваемый от постороннего источника, фокусирующую систему и систему проводки луча. ЭЛУ питаются постоянным током. ВАХ идеальной электронной пушки имеет вид I  pU 1.5 , где p ‒ коэффициент. Ускоряющее напряжение (до десятков кВ) является основным параметром, от которого зависит мощность пушки и кинетическая энергия электронного луча. Ограничивающими факторами является возможность электрического пробоя промежутка и интенсивность рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии электронов с обрабатываемым материалом. Таким образом, электронно-лучевая пушка является специфическим приемником электроэнергии. Большинство мощных электротермических установок характеризуются большими токами (до100 кА) и малыми напряжениями (до 500 В). ЭЛУ наоборот имеет небольшие токи (до 100 А) и высокие напряжения (до 10 кВ). I I k  I ном I ном I  const  I H I k  I ном U  const U UH Рис. 9.7. ВАХ электронно-лучевой установки Реальные ВАХ ЭЛУ (рис. 9.7) при различных токах накала существенно отличаются от идеализированных, из-за искажения электрического поля в 107 пушке и неравномерности нагрева ее катода. На реальной характеристике отсутствует резкая граница перехода области пространственного заряда в область насыщения. Вид характеристики зависит от конструкции электронно-оптической системы и рабочей температуры катода. Как следует из ВАХ, управление мощностью ЭЛУ может быть осуществлено изменением ускоряющего напряжения во всем диапазоне режимов, а при работе в области насыщения – изменением тока накала катода. Поэтому источники питания ЭЛУ состоят из двух основных блоков: источника анодного питания с регулированием ускоряющего напряжения и источника накала с автоматической стабилизацией тока нагрузки. Спецификой работы ЭЛУ является большая вероятность возникновения электрического пробоя из-за нестабильности условий в области ускорения электронного луча. Для высоковольтного источника это вызывает возникновения режима КЗ. Поэтому источники питания снабжаются защитой от пробоев и системой автоматического повторного включения. ЭЛУ используются, например, в печах для капельного переплава (рис. 9.8). Металл расходуемой заготовки расплавляется и каплями попадает либо непосредственно в кристаллизатор (рис. 9.8а), либо в промежуточные емкости (рис. 9.8б). В печах часто используются многопушечные системы, которые осуществляют нагрев металла на различных технологических стадиях. Это дает возможность иметь значительные мощности печей и выплавлять крупные слитки. Сочетание косвенного нагрева электронной пушкой, которая позволяет раздельно регулировать скорость расплавления заготовки и температуру поверхности металла, с глубоким вакуумом дает возможность обеспечить высокую степень очищения металла от примесей. Рис. 9.8. Технологическая схема электронно-лучевых плавильных печей капельного переплава (а), с промежуточной емкостью (б). По надежности питания ЭЛУ относятся к потребителям первой категории. Перерыв питания нарушает технологический процесс и вызывает брак слитка. Особое внимание уделяется надежности электроснабжения системы водоснабжения и вакуумных систем. 108 Лекция 10 ПРИМЕРЫ ДРУГИХ ВИДОВ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ 10.1. Основы электрокинетических технологий Если частицам мелкодробленого (диспергированного) материала сообщен некоторый заряд, то на эти частицы в электрическом поле действует сила F = Eq, которая заставляет частицы двигаться. Различные формы этого движения можно использовать для выполнения разнообразных технологических операций. Широкое распространение технологий, основанных на управлении движением заряженных частиц полем, связано с преимуществами этих технологий перед традиционными методами воздействия на обрабатываемый материал. Непосредственное воздействие энергии электрического поля на обрабатываемый материал без промежуточных трансформаций энергии позволяет избежать дополнительных потерь, сопровождающих эти трансформации. В природе нет веществ (проводники, полупроводники, диэлектрики), которые тем или иным способом не могли бы быть заряжены и подвергнуты силовому воздействию электрического поля. Отсюда следует универсальность методов рассматриваемой технологии. Эта универсальность не ограничивается тем, что наиболее эффективное воздействие электрических полей осуществляется на сырье в диспергированном состоянии, т.к. взаимодействие поля с веществом происходит главным образом на границе раздела сред. Сырье либо уже находится в диспергированном состоянии, либо легко может быть приведено в такое состояние при добыче и последующей обработке. Например, добыча полезных ископаемых неизбежно сопровождается существенным измельчением руд. Степень раздробленности может быть различной: от частиц субмикронных размеров до частиц в несколько десятков миллиметров. Данные методы позволяют обеспечить легкое и универсальное управление процессами за счет возможности плавного регулирования в широких пределах величины напряжения (напряженности электрического поля). Последнее обстоятельство позволяет говорить о возможности обеспечения высокого класса точности. Силовое воздействие электрического поля на частицы сырья может реализовываться в различных формах [4] и иметь различный конечный результат. 1. Частицы вещества при помещении их в электрическое поле поляризуются. Если они продолговатой формы, то возникают силы, ориентирующие частицы по силовым линиям поля. Эта способность лежит в основе технологий изготовления текстильных и композиционных материалов. 2. Так как свойства отдельных частиц отличаются, то возникают силы, которые кроме ориентации заставляют частицы двигаться с различными скоростями и по различным траекториям. Это позволяет осуществлять сепарацию и классификацию частиц по диэлектрическим свойствам, электропроводности и размерам. 109 3. При наличии избыточного электрического заряда частицы независимо от физических свойств будут двигаться в электрическом поле по направлению к электродам, имеющим заряд противоположный по знаку заряду частиц. Это позволяет выделять частицы из несущей их газовой среды, т.е. осуществлять очистку газа от жидких и твердых диспергированных материалов. 4. Частицы, осаждаясь на электрод, удерживаются на его поверхности за счет сил зеркального отображения, создавая плотный слой. При этом имея одноименный заряд, частицы расталкиваются и обеспечивают равномерность покрытия, что используется при нанесении полимерных порошковых покрытий в электрическом поле для декоративных и антикоррозионных целей. 5. Взаимодействие зарядов, осажденных на поверхность фотополупроводников, с заряженными частицами проявляющих материалов приводит к их избирательному осаждению. Это явление было положено в основу электропечати. 6. Зарядка частиц диспергированных материалов разноименными зарядами позволяет произвести однородное смешивание материалов. Все эти электротехнологические процессы содержат три основные стадии, которые и определяют структурную схему типовой технологической установки. Рис. 10.1. Структурная схема типовой электротехнологической установки 10.2 Основы электрохимических технологий Электрохимические технологии включают в себя электролизные электрохимические и электоэрозионные технологии. Рассмотрим их на примере электролиза. Установка электролиза алюминия показана на рис. 10.2. Электролиз заключается в выделении из электролита при протекании через электролитическую ванну постоянного тока частиц вещества и осаждении их на погруженных в эту ванну электродах или переносе вещества с одного электрода через электролит на другой электрод. В обоих случаях цель процессов – получение возможно более чистых, незагрязненных примесями веществ. В электролитах наблюдается ионная электропроводность. В растворах и расплавах происходит электролитическая диссоциация – распад на положительные и отрицательно заряженные ионы. 110 Рис. 10.2. Установка электролиза алюминия Если в сосуд с электролитом поместить электроды, присоединенные к электрическому источнику, то начнет протекать ионный ток, причем положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) – к аноду. У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны у электрода и также нейтрализуются, оседая на нем. Электрический ток до внешней цепи представляет собой движение электронов от анода к катоду (рис. 10.3). При этом раствор обедняется и для поддержания непрерывности процесса электролиза приходится его обогащать. Так осуществляется извлечение веществ из электролита. Рис. 10.3. Схема электролизной ванны 1 ‒ электролизная ванна, 2 – электролит, 3 – анод, 4 – катод, 5 ‒ источник Если анод может растворяться в электролите, то его частицы проходят через электролит и также осаждаются на катоде. Так происходит процесс переноса материала с анода на катод. Если электрод поместить в раствор с ионам того же вещества, из которого он изготовлен, то при некотором потенциале между электродом и раствором не происходит ни растворения электрода, ни осаждения на нем вещества из рас111 твора. Такой потенциал называется нормальным потенциалом вещества. Значение нормальных потенциалов зависит от концентрации ионов и температуры. Если на электрод подать более отрицательный потенциал, то начнется выделение вещества, если более положительный, то начнется растворение вещества. Если в электролите имеются ионы разных металлов, то первыми на катоде выделяются ионы, имеющие меньший отрицательный нормальный потенциал. Нормальные потенциалы веществ являются минимальными, при которых начинается процесс электролиза. Для развития процесса требуется значительно большее значение потенциала. Разность между потенциалом электрода и нормальным потенциалом называют перенапряжением. При протекании тока через электрохимические системы электродный процесс состоит из [22]: ‒ транспорта реагирующего вещества из объема электролита к электроду; ‒ электрохимической реакции (разряд и ионизация); ‒ фазовых превращений (встраивание в кристаллическую решетку). Первые две стадии свойственны любому электродному процессу. Третья – отдельным процессам. Скорость процесса, состоящего из нескольких последовательных стадий, определяется скоростью наиболее медленной стадии. Мерой эффективности электрохимической реакции является плотность тока j . Напряжение между электродами U  E ( I )  RI состоит из E (I ) ‒ э.д.с. необходимой для протекания указанных процессов и RI ‒ потерь напряжения в электролите. Для транспорта реагирующих веществ с анода на катод должна быть создана дополнительная ЭДС Etr ( j )  A ln(1  kj )  A ln(1  kj ) . Для электрохимической реакции необходима ЭДС E r ( j )  a  b lg(k1 j ) . Для процесса кристал1 1   a3 j . Все укализации необходима ЭДС E k ( j )  a 1 b1 lg k 2 j a 2  b2 lg k 2 j занные в формулах коэффициенты не зависят от плотности тока и определяются температурой, концентрацией вещества и т.д. Для теоретических расчетов предполагают, что определяющей является одна из указанных стадий процесса. В общем случае процесс сложен и для его анализа используются вольтамперные характеристики, полученные экспериментально (рис. 10.4). На участке аб ток возрастает из-за увеличения количества ионов, участвующих в реакции 1. На участке бв данная реакция достигает насыщения из-за конечной скорости транспорта ионов. На участке вг на электродах начинается еще одна побочная реакция, для протекания которой ранее не хватало приложенного напряжения. Рабочей точкой характеристики является точка б. Отклонение в сторону меньших токов приводит к уменьшению производительности, а в сторону больших токов – к возникновению побочной реакции (появляются примеси). 112 I б г в а U Рис. 10.4. ВАХ электролизного процесса Таким образом, источник питания для электролиза должен быть постоянным и его характеристика должна быть близка к источнику тока. A B C R XL O1 XC XC R XL XC XL O2 R O3 Рис. 10.5. Принципиальная электрическая схема параметрического источника тока В схемах питания электролизных установок применяют параметрические источники тока и вольтодобавочные трансформаторы. На рис. 10.5 показана схема параметрического источника питания, обеспечивающего постоянство тока нагрузки при изменении ее сопротивления. Это достигается за счет равенства регулируемых сопротивлений блоков конденсаторов и реакторов. 10.3. Основы электромеханических технологий Электромеханические технологии включают в себя электромагнитные, электрогидравлические, ультразвуковые и магнитно-импульсные технологии. Рассмотрим их на примере магнитно импульсной обработки материалов [4]. Магнитно-импульсная обработка материалов основана на использовании электродинамических сил, которые в импульсных режимах могут достигать гигантских значений. Если давления, создаваемые электродинамическими силами, превышают предел прочности, то происходит деформация заготовки. Этот процесс часто называют магнитной штамповкой. При магнитно-импульсной обработке происходит преобразование электрической энергии конденсаторной батареи при разряде на индуктор или на заготовку в энергию импульсного магнитного поля, совершающего работу деформирования электропроводной заготовки. В проводящем теле, расположенном вблизи проводника с переменным током, возникают вихревые токи. Взаимодействие тока в проводнике с наведенным в заготовке током сопровождается появлением отталкивающей силы F  0,5 I 2 dL / dx , где dL/dx − изменение индуктивности системы проводникзаготовка в направлении х, перпендикулярном поверхности проводника. Сред113 нее давление на проводник и заготовку равно силе F, деленной на площадь проводника S. Величина давления на заготовку толщиной δ может быть определена по формуле p  0.50 H 2 , если электромагнитное поле не проникает сквозь заготовку (Δ<<δ). В случае проникновения поля (Δ≈δ) давление определяется разностью плотностей энергии на поверхностях заготовки p  0.5 0 ( H 12  H 22 ) . На рис.10.6 приведены наиболее типичные схемы разрядных контуров установок для магнитно-импульсной обработки материалов. В наиболее простых схемах обрабатываемая заготовка 3 включается последовательно в цепь разряда, состоящую из заряженного конденсатора С и разрядника Р. В установке (рис.10.6а) электродинамические силы создаются за счет взаимодействия тока в заготовке 3 с магнитным полем, созданным током в обратном проводе, проложенном рядом с 3. Заготовка движется в направлении действия электродинамических сил, показанных стрелками. В зависимости от задачи обработки за 3 размещается матрица той или иной формы. Аналогично осуществляются и другие операции магнитно-импульсной обработки. В этом случае вместо 3 включается подвижная мембрана, передающая импульсное давление на предмет обработки. Рис. 10.6. Разновидности магнитно-импульсной обработки Операции обжима заготовок из проводящего материала наиболее просто осуществляются на установках на рис.10.6б. Обратный токопровод выполняется обычно в виде трубки и вместе с 3 образует коаксиальную малоиндуктивную 114 систему. Основным недостатком этого способа обработки являются трудности получения требуемых больших разрядных токов, что связано со сложностями конструктивного выполнения источника тока, и обеспечения контакта токопроводящих проводников с заготовкой. В установках с индукторами И (рис.10.6в) в значительной степени облегчается решение этих проблем. Многовитковый индуктор И вместе с 3 образует понижающий трансформатор. Суммарный ток заготовки может во много раз превышать ток первичной цепи. С помощью индукторов И осуществляются операции обработки в соответствии со схемами рис.10.6в-е. При обработке заготовок с малыми размерами используются концентраторы К магнитного потока (рис.10.6д), представляющие собой массивные детали сложной формы из хорошо проводящего и механически прочного материала. Концентратор представляет собой незамкнутый виток. Вместе с многовитковым намотанным на него индуктором концентратор образует понижающий трансформатор, а вместе с заготовкой − трансформатор с коэффициентом трансформации, близким к единице. Электрические схемы замещения разрядных установок, используемые для расчетов переходных процессов, приведены на рис. 10.7. В них входят внутренние индуктивность и активное сопротивление установок L у и R у , индуктивности и активные сопротивления заготовок L з и R з . При использовании индукторов необходимо учитывать их индуктивности L и и активные сопротивления R и , а также взаимную индуктивность M и,з (рис. 10.7б). Наиболее сложной является схема замещения разрядной цепи с концентратором (рис. 10.7в). В нее также входят взаимные индуктивности индукторконцентратор M и,к и концентратор-заготовка М к,з , а также активное сопротивление концентратора R к , индуктивности участков концентратора, граничащих с обмоткой L и,к, с заготовкой L к,з и в щели L к . Рис. 10.7. Схемы замещения разрядных цепей установок с пропусканием тока через заготовку (а) с индуктором (б) и концентратором (в) 115 Все эти схемы приводятся к одной, состоящей из последовательно соединенных конденсатора С, заряженного до напряжения U, суммарных индуктивности L и активного сопротивления R. Разрядный ток в магнитно импульсных установках имеет колебательный характер. Нелинейности элементов R и L обычно слабо сказываются на форме тока, поэтому он может быть найден из решения переходного процесса для линейной цепи где ω = 1/LC. Электродинамические силы в простейших случаях (рис.10.5а) находятся по уравнению Аналогично можно рассчитать электродинамические силы при использовании индукторов или концентраторов. Генераторами импульсных токов в магнитно-импульсных установках являются малоиндуктивные емкостные накопители энергии. Зарядное напряжение накопителей обычно составляет 5÷20 кВ. Накопители комплектуются из импульсных конденсаторов. В установках с большой накапливаемой энергией конденсаторы объединяются в блоки. Блочный принцип построения накопителя позволяет достичь малых значений индуктивности и сопротивления разрядной цепи L у и R у , избежать опасности взрыва конденсаторов в случае их повреждения в процессе зарядки. Внутренняя индуктивность разрядной цепи установки может быть сведена до 10−8 Гн. Накопитель заряжается от источника высокого постоянного напряжения, включающего в себя повышающий трансформатор, выпрямитель, защитные резисторы и устройства для регулирования зарядного напряжения. Необходимым элементом установки является заземляющее устройство, разряжающее конденсаторы через резистор с малым сопротивлением и закорачивающее выводы конденсаторов после окончания работы. Зарядное устройство и накопитель энергии размещаются в металлическом заземленном корпусе. Разрядный контур соединяется с заземленным корпусом установки в одной точке − обычно в месте присоединения индуктора. Ответственным элементом установки является индуктор или концентратор. Он рассчитывается и изготовляется для каждого типа заготовки или технологической операции и заменяется при переходе на обработку другой детали. Индуктор при разрядах подвергается воздействию таких же электродинамических сил, что и заготовка. Кроме того, его изоляция испытывает электрические нагрузки. Поэтому обеспечение термической, механической и электрической стойкости индуктора является сложной технической задачей. 116 Заключительная лекция ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК 11.1 Влияние электроустановок на качество ЭЭ Колебания напряжение У большинства ЭТУ снижение напряжения вызывает значительное уменьшение потребляемой мощности, возможен брак, существенно затягивается технологический процесс, а в ряде случаев он полностью останавливается. При снижении напряжения на 8÷10% технологический процесс в печах сопротивления и индукционных печах невозможно довести до конца. Неблагоприятно сказывается отклонение напряжения и на электрической сварке. Снижение напряжения ухудшает качество сварных швов. При снижении напряжения на 10% продолжительность времени сварки увеличивается на 20% за счет времени подогрева швов. Неблагоприятно сказываются на работе электроприемников и колебания напряжения, основной причиной возникновения которых являются резкопеременные нагрузки (ДСП, сварочные трансформаторы, двигатели прокатных станов и т.д.). Электротермические и электросварочные установки по-разному воспринимают колебания напряжения в зависимости от инерционности процессов преобразования электрической энергии. Дуговые сталеплавильные, руднотермические, электрошлаковые, индукционные плавильные печи, крупные печи сопротивления практически не реагируют на колебания напряжения. В тоже время в малоинерционных установках для плавки нагрева и сварки (электронно-лучевых, плазменных, лазерных, установках зонного нагрева), прецизионных и маломощных печах сопротивления изменения напряжения даже с достаточно высокими скоростями могут вызвать нарушение технологического процесса и ухудшение качества продукции. Несинусоидальность напряжения Главным источником высших гармоник в системах электроснабжения промышленных предприятий являются приемники с нелинейной характеристикой. К таким в первую очередь относятся преобразовательные установки для питания дуговых установок постоянного тока (вакуумные, плазменные и т.д.), тиристорные источники повышенной и пониженной частоты для технологических процессов, тиристорные преобразователи для регулирования электропривода. Эти нагрузки достигают очень больших значений (до 2000 МВт) и могут составлять подавляющую часть нагрузки предприятий некоторых отраслей промышленности (например, электролизеры алюминиевых заводов). Высшие гармоники в питающем напряжении вредно воздействуют на ряд приемников. Появляются дополнительные потери в электрических машинах, сетях 117 и трансформаторах, пропускная способность которых снижается. Значительно сокращается срок службы изоляции электрических двигателей, кабелей и конденсаторов. Появляется вероятность возникновения резонансных явлений в батареях конденсаторов, что часто является причиной их выхода из строя. Ухудшается работа устройств автоматики, значительно возрастают погрешности приборов. Несимметрия напряжения Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в аварийных ситуациях (при обрыве фазы или несимметричных КЗ) и в обычных рабочих режимах. Несимметрия возникает при подключении мощной однофазной нагрузки (электрошлаковых, руднотермических, индукционных печей промышленной частоты), при неравномерном распределении по фазам однофазных или двухфазных приемников (сварочные аппараты, освещение), при несимметрии параметров элементов сети, при несимметричных режимах работы крупных дуговых и руднотермических печей. Несимметрия напряжения вредно сказывается на работе электроприемников. В асинхронных двигателях появление напряжений обратной последовательности вызывает противодействующий вращательный момент. Уменьшение полезного момента зависит от квадрата коэффициента несимметрии напряжения. Ток обратной последовательности вызывает дополнительный нагрев ротора и статора, усиленное старение изоляции и уменьшение мощности двигателя. Например, при несимметрии напряжения 4% срок службы двигателей уменьшается на 5÷10%. При возникновении несимметрии напряжения реактивная мощность симметричной конденсаторной батареи снижается, так как она ограничена наиболее загруженной фазой. Снижается эффективность работы многофазных выпрямителей. Уменьшается допустимая мощность выпрямителей, резонансы на отдельных гармониках могут привести к выходу из строя элементов схем. Пульсации в выпрямленном напряжении В ЭТУ постоянного тока наличие пульсаций может привести к нарушению технологического процесса и ухудшению качества продукции. В вакуумных дуговых печах при коэффициенте пульсаций выше 7% возможно возникновения дефектов структуры выплавляемого слитка. Еще выше требования к качеству электроэнергии постоянного тока в электронно-лучевых установках, где коэффициент пульсаций недопустим выше 1%. 11.2. Меры по обеспечению качества ЭЭ Регулирование нагрузки На крупных предприятиях, для которых ограничен максимум нагрузки, с помощью технико-экономических расчетов определяют способ ограничения – отключение на время ограничения отдельных приемников или заданное снижение мощности крупных потребителей. Характерным примером являются заводы с РТП, суммарная нагрузка которых составляет 60÷70% нагрузки питающих узлов. Это определяет решающую роль та118 ких заводов при регулировании режимов электроснабжения. В связи с тем, что мощность РТП достигает 90% всей загрузки завода, основная часть ограничений приходятся на РТП. Снижение мощности завода может производиться различными способами: отключение одной или нескольких печей, поочередное отключение печей на некоторый период, частичное снижение мощности всех печей. Оптимальный способ ограничения определяется технико-экономическими расчетами. Другим способом регулирования нагрузки является согласование графиков нагрузки мощных потребителей. Например, смещение по времени периодов расплавления в ДСП позволяют улучшить показатели несинусоидальности и несимметрии напряжения. Регулирование напряжения Для обеспечения требуемых значений напряжения у электроприемников применяют централизованное регулирование на шинах центра питания или местное регулирование напряжения за счет изменения коэффициента трансформации или изменения протекающей по элементам реактивной мощности. При выборе конкретного варианта регулирования следует выполнять технико-экономическое сравнение вариантов. Централизованное регулирование осуществляется с помощью управления возбуждением генераторов электростанций системы и ТЭЦ предприятий. Наиболее простым и дешевым способом регулирования напряжения является изменение коэффициента трансформации силовых трансформаторов. Особенно действенно оно при автоматическом регулировании под нагрузкой трансформаторов ГПП. В ходе технологического процесса также возникает необходимость изменения напряжения в широком диапазоне. Например, во время расплавления в ДСП НН печного трансформатора 400 В, а в период рафинирования – 250 В. В настоящее время для эффективного решения задач регулирования используются устройства, созданные на основе силовой электроники [18‒20]. Например, для устранения отклонений и низкочастотных колебаний применяют статические компенсаторы реактивной мощности (СТАТКОМ на рис. 11.1). Они обладают высоким быстро- Рис. 11.1. СТАТКОМ с емкостным надействием за счет импульсной модулякопителем ции на высокой частоте. В зависимости ток сети iC , ток нагрузки i H , ток комот ситуации компенсатор может рабо- пенсатора i , параметры фильтра C и K ф тать в режиме емкостного или индукL ф , емкость конденсатора С d , напряжетивного тока. ние и индуктивность сети U c и Lc 119 Фильтрация высших гармоник Снижение уровней высших гармоник в системе электроснабжения может осуществляться несколькими путями: ‒ уменьшением содержания высших гармоник в нагрузке за счет создания высокоэффективных источников питания; ‒ фильтрацией высших гармоник; ‒ уменьшением влияния высших гармоник на питающую сеть за счет применения схемных решений электроснабжения. Увеличение числа фаз выпрямителей является действенной мерой снижения несинусоидальности кривых тока преобразователей и напряжения сети. Однако преобразовательные трансформаторы для большого числа фаз выпрямленного напряжения получаются сложными, поэтому используют не более чем 12фазный режим выпрямления. Для активного воздействия на гармоники применяют силовые резонансные фильтры (рис. 11.2а), настроенные на частоту определенной гармоники. Фильтры являются также источниками реактивной мощности на основной частоте, что позволяет использовать их для компенсации реактивной мощности нагрузки. Фильтрацию высших гармоник можно осуществить [18‒20] при помощи СТАТКОМа (рис. 11.1), который является активным (управляемым) фильтром всех гармоник одновременно. СТАТКОМ генерирует ток, равный и противоположный по знаку току высших гармоник. Складываясь, искаженный ток нагрузки и ток СТАТКОМа дают синусоидальный неискаженный ток сети. Эффективным является также комбинация активного и пассивного фильтров (например, схема на рис. 11.2б). Рис. 11.2. Схемы фильтров а) пассивного б) пассивного и активного Симметрирование нагрузки Самым простым способом симметрирования нескольких однофазных и двухфазных нагрузок является равномерное распределение их по фазам трехфазной сети. Сложнее обстоит дело, когда имеются сравнительно мощные единичные неполнофазные приемники. В этом случае устранить или уменьшить влияние несимметрии нагрузки можно при помощи специальных устройств. Наиболее эффективными схемами симметрирования является схема Штейнмеца и схема с реактором делителем. Для установок с коэффициентом мощности, 120 близким к 1 (печи сопротивления) применяется схема Штейнмеца. Для установок с коэффициентом мощности 0,8÷0,9 рекомендуется схема с реактором делителем. В ЭТУ, имеющих относительно постоянный график нагрузки (индукционные печи, электрошлаковые печи, печи сопротивления) обычно применяют неуправляемые устройства, установленные на стороне высокого напряжения печного трансформатора. Для ЭТУ с изменяющимся графиком нагрузки используют управляемые схемы. Управление устройством осуществляется отключением части секций параллельно включенных конденсаторов и переключением отпаек реакторов. Такие переключения целесообразны только при длительных изменениях параметров нагрузки, связанных с технологическим процессом. Для динамической компенсации мощности искажений применяются статические компенсирующие устройства [18-20] (рис. 11.3), выполненные с применением силовой электроники. Для компенсации токов и напряжений обратной последовательности компенсирующее устройство должно генерировать сигнал равный по мощности s сигналу обратной последовательности нагрузки. В этом случае из сети потребляется только прямая последовательность мощностью s . Рис. 11.3. Распределение потоков мощности при компенсации тока обратной последовательности. 121 Библиографический список 1. Электротехника: Учебное пособие для студентов вузов. В 3-х книгах. Книга 3-я: Электроприводы. Электроснабжение/ Под ред. Бутырина П.А., Гафиятуллина Р.Х., Шестакова А.Л. – Челябинск – Москва: Изд-во ЮУрГУ, 2005. – 640 c. 2. Правила устройства электроустановок / Федер. служба по экол., технол. и атом. контролю. – СПб.: ДЕАН, 2008. – 701 с. 3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей: М.: Омега-Л, 2004. – 266 с.; М.: Омега-Л, 2005. – 259 с.; Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 315 с.; М.: ИНФРА-М, 2006. – 261 с.; М.: ИНФРА-М, 2007. – 261 с.; М.: Ростов н/Д: Март, 2006. –269 с.; Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2008. – 251 с. 4. Высоковольтные электротехнологии Учебное пособие / под. ред. И.П. Верещагина М: Издательский дом МЭИ, 1999. ‒ 204 с. 5. Ополева, Г.Н. Электротехнологические установки: Учебное пособие / Г.Н. Ополева – Иркутск: ИрГУПС, 2010. – 74 с. 6. Лысаков, А.А. Электротехнология: Учебное пособие / А.А. Лысаков – Ставрополь 2010 – 30 с. 7. Гробова, Л.С. Электротермические установки (электрические печи сопротивления): Учебное пособие / Л.С. Гробова, Б.А.Сокунов, Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. ‒ 122 с. 8. Гробова, Л.С. Индукционные канальные печи: Учебное пособие. 2-е изд. доп./ Л.С. Гробова, Л.И. Иванова, Б.А .Сокунов. Екатеринбург: Изд-во УГТУУПИ, 2002. ‒ 105 с. 9. Гробова, Л.С. Индукционные тигельные печи: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Л.С. Гробова, Л.И. Иванова, Б.А. Сокунов, С.Ф. Сарапулов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ, 2002. ‒ 87 с. 10. Головенко, Е.А. Электротермические процессы и установки: Учебное пособие по теоретическому курсу / В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. ‒ 360 с. 11. Миронов, Ю.М. Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок. Учебное пособие для вузов. / Ю.М. Миронов, А.Н. Миронова М. Энергоатомиздат. 1991. – 376 с. 12. Миронова, А.Н. Электрооборудование электротехнологических установок: Учебное пособие. / А.Н. Миронова, Е.Ю. Смирнова Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2003. ‒ 64 с. 13. Евтюкова, И.П. Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов / И.П. Евтюкова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова, А.Д. Свенчанский; под редакцией А.Д. Свенчанского. – М.: Энергоиздат, 1982. – 400 с. 14. Липкин, Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учебник для техникумов. / Б.Ю. Липкин – М.: Высшая школа, 1981. – 376 с. 15. Божко, В.М. Эффективные режимы работы электротехнологических установок / И.В. Жежеленко, В.М. Божко, Г.Я. Вагин, М.Л. Рабинович. – К.: Техника 1987 – 183 с. 122 16. Минеев, Р.В. Повышение эффективности электроснабжения электропечей / Р.В. Минеев, А.П. Михеев, Ю.Л. Рыжнев. – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 208 с. 17. Кудрин, Б.И. Электроснабжение: Учебник. / Б.И. Кудрин – М.: Академия, 2012. – 352 с. 18. Кваснюк, А.А. Силовая электроника: Учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. – М.: Изд-во МЭИ, 2009. – 632 с 19. Зиновьев, Г.С. Силовая электроника: учебное пособие для бакалавров. / Г.С. Зиновьев – М.: Юрайт, 2012. – 667 с. 20. Бурман, А.П. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности энергетических систем / А.П. Бурман, Ю.К. Розанов, Ю.Г. Шакарян – М.: Издательский дом МЭИ 2012. – 336 с. 21. Ланин, В.Н. Лазерная пайка при сборке электронных модулей. Технологии в электронной промышленности, 6 2007. с. 40-44. 22. Краснов, К.С. Физическая химия. Кн. 2. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ: Учебник для вузов / К.С. Краснов, Н.К. Воробьев, И.Н. Годнев ‒ М.: Высш. шк., 1995. ‒ 319 с. 23. Ситчихин, Ю.В. Электротехнологические промышленные установки (электродуговые печи) Учебное пособие для студентов-заочников / Ситчихин Ю.В. ‒ Челябинск: ЧПИ, 1986. ‒ 48 с. Оглавление Вводная лекция. Технологический процесс………………………..……. 1. Классификация электротехнологических установок…………………….. 2. Энергетическая диаграмма технологического процесса………………… 3. Менеджмент технологического процесса………………………………… 4. Взаимосвязь СЭС и технологического процесса………………………… Лекция 1. Основы электротермии………………………………………… 1.1. Основы кинетики нагрева……………………………………………….. 1.2. Способы теплопередачи…………………………………………………. 1.3.Преобразование электрической энергии в тепло……………………….. 1.4. Электротермические установки…………………………………………. 1.5. Материалы для электротермии………………………………………….. Лекция 2 Нагрев сопротивлением и дуговой нагрев…………………… 2.1. Схемы нагрева сопротивлением………………………………………… 2.2. Электрическая дуга………………………………………………………. 2.3. ВАХ дуги постоянного тока…………………………………………….. 2.4. Дуга переменного тока…………………………………………………… 2.5. Схемы дугового нагрева…………………………………………………. Лекция 3. Печи сопротивления…………………………………………….. 3.1. Классификация печей сопротивления…………………………………... 3.2. Нагрев изделий в печи…………………………………………………… 3.3. Электрический расчет печей сопротивления………………………….. 3.4. Проектирование печей сопротивления………………………………… 3.5. Рациональная эксплуатация электрических печей…………………….. 123 3 4 6 7 9 10 12 14 16 18 20 22 23 24 26 27 29 3.6. Электрооборудование ЭПС……………………………………………… 3.7. ЭПС как потребители энергии…………………………………………… Лекция 4. Дуговые сталеплавильные печи………………………………. 4.1. Конструкция ДПС прямого действия…………………………………… 4.2. Технология плавки стали в ДСП………………………………………… 4.3. Режим работы ДСП………………………………………………………. 4.4. Электрооборудование ДСП……………………………………………… 4.5. Оптимальные режимы ДСП……………………………………………… 4.6. Влияние ДСП на качество электроэнергии …………………………….. 4.7. ДСП постоянного тока…………………………………………………… Лекция 5. Электрические печи с дуговым нагревом и нагревом сопротивлением………………………………………………………………… 5.1. Руднотермические печи………………………………………………….. 5.2. Электрошлаковые печи………………………………………………….. 5.3. Дуговые вакуумные печи ……………………………………………….. Лекция 6. Электросварочные установки ………………………………… 6.1. Сварка давлением………………………………………………………… 6.2. Сварка плавлением……………………………………………………….. 6.3. Системы электроснабжения сварочных установок……………………. Лекция 7. Индукционный и диэлектрический нагрев…………………. 7.1. Физические принципы индукционного нагрева……………………….. 7.2. Энергетические показатели индукционной установки ……………….. 7.3. Схемы индукционного нагрева………………………………………….. 7.4. Физические основы диэлектрического нагрева………………………… 7.5. Схемы диэлектрического нагрева……………………………………….. Лекция 8. Индукционные печи и установки……………………………... 8.1. Канальные печи ………………………………………………………….. 8.2. Тигельные печи…………………………………………………………… 8.3. Индукционные установки………………………………………………... Лекция 9. Плазменные, ионные и электронно-лучевые установки ….. 9.1. Плазменные дуговые печи………………………………………………. 9.2. Высокочастотные ПУ……………………………………………………. 9.3. Установки ионного нагрева……………………………………………… 9.4. Электронно-лучевые установки ………………………………………… Лекция 10. Примеры других видов электротехнологий………………... 10.1. Основы электрокинетических технологий……………………………. 10.2. Основы электрохимических технологий……………………………… 10.3. Основы электромеханических технологий …………………………… Лекция 11. Электромагнитная совместимость электроустановок…… 11.1. Влияние электроустановок на качество ЭЭ…………………………… 11.2. Меры по обеспечению качества ЭЭ…………………………………… Библиографический список………………………………………………… 124 31 32 33 35 37 43 45 52 54 58 62 66 70 75 79 85 86 87 89 92 96 101 105 106 109 110 113 117 118 122