Виды электротермических установок

Виды электротермических установок. Электрооборудование печей сопротивления. Электрооборудование дуговых электропечей. Электротермической установкой (ЭТУ) называют комплекс, состоящий из электротермического оборудо­вания (электрической печи или электротермического устройства’, в которых электрическая энергия преобра­зуется в тепловую), и электрического, механического и другого оборудования, обеспечивающего осуществление рабочего процесса в установке. В основе работы установок этой группы лежит нагрев изделий и материалов с помощью электрической энергии (ЭЭ). Преобразование ЭЭ в тепло, а значит и нагрев, возможны следующими способами: - Нагрев сопротивлением происходит за счет выделения теплоты в проводящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля-Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия. В установках прямого действия теплота выделяется непосредственно в нагреваемом изделии. В установках косвенного действия тепловая энергия выделяется в специальных нагревательных элементах (НЭ) и затем передается в нагреваемый объект. В обоих случаях нагреваемый объект может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии - Индукционный нагрев происходит за счет преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую посредством наведения в нагреваемом теле вихревых токов. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля-Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия. - Дуговой нагрев происходит за счет теплоты электрической дуги, возникающей между электродами. Применяется в установках прямого и косвенного действия. Примечание — Это основные способы, которые в дальнейшем будут рассмотрены более подробно на примере установок и регуляторов. - Диэлектрический нагрев происходит за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации. В этом случае полупроводник или непроводящий материал помещают в высокочастотное электрическое поле. - Электронно- или- ионно-лучевой нагрев происходит за счет тепловой энергии, возникающей при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью нагреваемого объекта. - Плазменный нагрев основан на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное поле (электромагнитное или электрическое). Полученная таким образом низкотемпературная плазма используется для нагрева различных сред. - Лазерный нагрев происходит за счет поглощения высококонцентрированных потоков световой энергии поверхностью нагреваемых объектов. Такие потоки энергии получают в лазерах — оптических квантовых генераторах. Электротермические установки электроустановки нагрева сопротивлением Принцип действия таких установок основан на законе Джоуля-Ленца. Количество теплоты, выделяющейся в проводнике, при прохождении по нему электрического тока зависит от сопротивления проводника, электрического тока в цепи, времени его прохождения. Источником теплоты в установках являются нагревательные элементы (НЭ). Выбор материала и конструкции НЭ определяется особенностями технологического процесса и конструкции установки. По температурным пределам работы НЭ подразделяют на 3 группы: - низкотемпературные, нагрев до 230-430 °С; - среднетемпературные, нагрев до 630-1030 °С; - высокотемпературные, нагрев до 2230-3030 °С. Для изготовления НЭ с рабочей температурой до 1230 °С наиболее распространенным материалом являются: • нихромы —сплав никеля (75-78 %) и хрома (около 25 %); • фехрали —- сплав железа (73 %), хрома (13 %), алюминия (4 %); • хромоникелевые жаропрочные стали — сплав железа (до 61 %), хрома (22-27 %), никеля (17-20 %). Для высокотемпературных НЭ наиболее распространены карборунды (спекание кремнезема и угля — SiC), керамика, графит, тугоплавкие металлы (молибден, тантал, вольфрам) и др. По форме среднетемпературные НЭ выполняются в виде зигзагов (проволочных и ленточных) или спиралей, а высокотемпературные — в виде стержней круглого или квадратного сечения и труб. Для низкотемпературного нагрева широко применяются трубчатые электронагреватели — ТЭНы. ТЭН представляет собой металлическую трубку, заполненную теплопроводным электроизоляционным материалом, в которой находится электронагревательная спираль. ТЭНы электробезопасны, могут работать в любой среде, стойки к вибрациям. Мощность до 15 кВт, напряжение до 380 В, ресурс до 40 тыс. ч, рабочая температура до 730 °С. Примерами электроустановок нагрева сопротивлением являются: электрические печи сопротивления (ЭПС) и различные нагревательные устройства, обеспечивающие технологические процессы производства. ЭПС применяются для технологических операций в машиностроении, металлургии, легкой промышленности и т. п. По исполнению печи выпускаются косвенного и прямого действия, по назначению — нагревательные и плавильные, по режиму работы — периодически и непрерывно действующие. По конструкции: • периодического действия — колпаковые, элеваторные, камерные, шахтные; • непрерывного действия — конвейерные, толкательные, протяжные. ЭПС для плавки металлов. Предназначены для выплавки олова, свинца, цинка и других металлов с температурой плавления до 530 "С. По конструктивному исполнению такие печи делят на тигельные и камерные (или ванные). Тигельная ЭПС представляет собой металлический сосуд — тигель, помещенный в цилиндрический корпус, выполненный из огнеупорного материала (футеровка). НЭ расположены на футеровке снаружи тигля. КПД печи 50-55 %, удельный расход ЭЭ при плавке алюминия 700-750 кВт • ч/кг. Камерная ЭПС предназначена для переплавки алюминия на слитки. Она имеет больший объем, КПД до 60-65 %, удельный расход ЭЭ составляет 600-650 кВт • ч/кг. Во всех типах ЭПС возможен внутренний и внешний обогрев. При внутреннем обогреве нагреватели ТЭНы размещены в расплавленном металле и работают при температуре не выше 570 °С При внешнем расположении открытых высокотемпературных нагревателей можно получить температуру в рабочем пространстве печи до 930 °С Принципиальная электрическая схема управления ЭПС (рис. 1.2-4) Предназначена для управления защиты и сигнализации однозонной камерной ЭПС. Основные элементы схемы: AT — автотрансформатор трехфазный, для питания нагревателя печи; АД с ЭМТ — асинхронный двигатель с электромагнитным тормозом, для подъема и опускания двери камеры, реверсивный; КП и КО — контакторы подъема и опускания двери камеры; ВКП и ВКО — выключатели конечные поднятого и опущенного состояния двери; КЛ — контактор линейный для подключения и отключения AT к сети; РП — реле промежуточное, для коммутации цепи КЛ; ДГ — датчик температуры печи. Органы управления. УП — универсальный переключатель («ручное»-0-«автоматическое»), для выбора режима управления; НТК— прибор теплоконтроля, для управления в автоматическом режиме; Кн.П, Ки.О, Кн.С — кнопки «Подъем», «Опускание», «Стоп» двери. Режимы работы: - автоматический — основной, от ПТК; - ручной — резервный, от У П. Нагреватели печи ЭНС получают питание через автотрансформатор АТ от сети 380 В. Включение и отключение нагревателей произво­дится контактором КЛ. Силовые цепи защищены авто­матическим выключателем ВА1. Реверсивный асинхронный двигатель с короткозамк­нутым ротором Д для механизма подъема и опускания Дверцы печи включается контакторами КП (подъем) и КО (опускание). В отключенном состоянии двигатель Д затормаживается механическим тормозом, снабженным электромагнитом ЭмТ. Автоматический выключатель ВА2 служит для защиты двигателя Д и его цепи управ­ления. Конечные выключатели ВКП и ВКО контролируют верхнее и нижнее положения дверцы: размыкающий кон­такт В КП открывается в верхнем положении, размыка­ющий контакт ВКО — в нижнем. Управление приводом дверцы — ручное дистанционное, при помощи кнопок КнП (подъем), КнО (опускание), КнС (стоп). Схема цепей управления и сигнализации питается на­пряжением 220 В и содержит: автоматический выключа­тель ВАЗ; прибор теплового контроля ПТК (с датчиком температуры печи ДТ); катушки контактора КЛ и про­межуточного реле РП; сигнальные лампы ЛЗ (зеленая), ЛК (красная) и Л Ж (желтая). Схема обеспечивает руч­ное дистанционное и автоматическое управление тепло­вым процессом печи. Выбор вида управления осуществля­ется универсальным переключателем У77 на три положе­нии. При нейтральном положении 0 рукоятки УП нагрева­тели печи отключены, горит лампа ЛЗ. При ручном управлении рукоятка УП становится в положение Р, включается реле РП и своим контактом замыкает цепь катушки контактора КЛ. Контактор вклю­чается, подавая питание на нагреватели, лампа ЛЗ гас­нет, лампа ЛК загорается. Очевидно, что включение кон­тактора КЛ возможно только при закрытой (опущенной) дверце печи. Такая блокировка осуществлена замыка­ющим контактом конечного выключателя ВКО. В режи­ме ручного управления прибор теплового контроля ПТ К не оказывает влияния на ход теплового процесса. Он лишь дает оператору информацию о температуре печи. При автоматическом управлении рукоятка УП ста­вится в положение А. Теперь сигнал на включение и от­ключение реле РП, а следовательно, и на включение и отключение нагревателей выдается прибором ПТ К. Реле РП включается, если замкнут контакт Мин этого прибора, и отключается при размыкании контакта Мин (подроб­нее о работе ПТ К см. ниже). Если температура печи по каким-то причинам превысит максимально допустимую, замкнется контакт Макс ПТК и загорится лампа Л) , привлекая внимание обслуживающего персонала. Электрооборудование установок дуговых печей. Ус­тановка дуговой печи включает в свой состав, кроме собственно печи и ее механизмов с электро- или гидро­приводом, также комплектующее электрооборудование: печной трансформатор; токопроводы от трансформатора к электродам печи — так называемую короткую сеть; распределительное устройство (РУ) на стороне высшего напряжения трансформатора с печными выключателя­ми; регулятор мощности; щиты и пульты управления, контроля и сигнализации; программирующее устройство для управления режимом работы печи и др. Установки дуговых печей — крупные потребители электроэнергии; их единичные мощности измеряются тысячами и десятками тысяч киловатт. Поэтому питание печей произво­дится от сетей 6, 10 и 35 кВ через понизительные печные трансформаторы (максимальные значения вторичного линейного напряжения трансформаторов лежат обычно в пределах до 320 В у печей малой и средней емкости и до 510 В у крупных печей). В этой связи для устано­вок печей характерно наличие специальной печной под­станции с трансформатором и РУ; в новых установках применяются шкафы комплектных распределительных устройств. (КРУ), выполненных по унифицированным схемам. Печные подстанции располагают в непосредст­венной близости от печей. Щиты и пульты управления для установок ДСП размеща­ют в пределах печной подстанции с обслуживанием пультов из цеха (с рабочей площадки). Для более круп­ных печей могут предусматриваться отдельные пульто­вые помещения с удобным, обзором рабочих окон печей. В электроприводах механизмов печи применяют обычно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ро­тором напряжением 380 В на мощности от 1—2 кВт в небольших печах до 20—30 кВт в более крупных печах. Двигатели приводов перемещения электродов — посто­янного тока с питанием от электромашинных или маг­нитных усилителей, а также от тиристорных преобразо­вателей. Эти приводы входят в состав самостоятельного агрегата — регулятора мощности печи. В печах емкостью более 20 т с целью увеличения производительности и облегчения труда сталеваров пре­дусматриваются устройства для перемешивания жидкой ванны металла, основанные на принципе бегущего маг­нитного поля. Под днищем печи из немагнитного мате­риала размещается статор с двумя обмотками, токи которых, сдвинуты по фазе на 90°. Создаваемое статор­ными обмотками бегущее поле приводит в движение слои металла. При переключении обмоток возможно из­менение направления движения металла. Частота тока в статоре перемешивающего устройства от 0,3 до 1,1 Гц. Питание устройства производится от электромашинного преобразователя частоты. Двигатели, обслуживающие механизмы дуговых пе­чей, работают в тяжелых условиях (пыльная среда, близкое расположение сильно нагретых конструкций пе­чи), поэтому они имеют закрытое исполнение с теплостойкой изоляцией (краново-металлургических серий). Печные трансформаторные агрегаты. В установках дуговых печей используются специально предназначен­ные для них трехфазные- масляные трансформаторы. Напряжение на печи в ходе плавки требуется изме­нять в довольно широких пределах. На первом этапе плавки, когда происходит расплавление скрапа, в печь должна вводиться максимальная мощность, чтобы уско­рить этот процесс. Но при холодной шихте дуга неустой­чива. Поэтому для увеличения мощности необходимо повышать напряжение. Продолжительность этапа рас­плавления составляет 50% и более от общего времени плавки, при этом потребляется 60—80% электроэнергии. На втором и третьем этапах — при окислении и рафини­ровании жидкого металла (удалении вредных примесей и выжигании лишнего углерода) дуга горит спокойнее, температура в печи выше, длина дуги увеличивается. Во избежание преждевременного выхода из строя футе­ровки печи дугу укорачивают, снижая напряжение. Кро­ме того, для печей, в которых могут выплавляться раз­ные марки металла, соответственно изменяются условия плавки, а значит, и требуемые напряжения. Для обеспечения возможности регулирования напря­жения печей питающие их трансформаторы выполняют с несколькими ступенями низкого напряжения, обычно с переключением отпаек обмотки высокого напряжения (12 ступеней и более). Трансформаторы мощностью до 10 000 кВ-А снабжены переключающим устройством ПБВ. Более мощные трансформаторы имеют переключающее устройство РПН. Для небольших печей применяют две — четыре ступени, а также простейший способ регулирования на­пряжения — переключение обмотки высокого напряже­ния (ВН) с треугольника на звезду. Для обеспечения устойчивого горения дуги перемен­ного тока и ограничения толчков тока при коротких за­мыканиях (к. з.) между электродом и шихтой 2—3-крат­ным значением номинального тока электрода общее относительное реактивное сопротивление установки дол­жно составлять 30—40%. Реактивное сопротивление печных трансформаторов равно 6—10%, сопротивление короткой сети для малых печей 5—10%. Поэтому со стороны ВН трансформатора для печей емкостью до 40 т предусматривают реактор с сопротивлением около 15—25%, входящий в комплект трансформаторного агрегата. Реактор выполнен как дроссель с ненасышающимся сердечником. Электрическая схема силовой цепи дуговой печи Маломасляный или воздушный печной выключатель ВП1 предназначен для оперативного включения и отключения печного трансформатора ТрП при всех нагрузках— от холостого хода до коротких замыканий. Разъединитель В служил- для по¬дачи и снятия напряжения при отключенном выключателе ВП1. Перед печным трансформатором включен токоограничивающий реактор РТО, который по окончании расплавления шихты шунтируется выключателем ВП2. При этом первичная обмотка трансформатора пересоединяется с треугольника на звезду при помощи переключателя П (на время переключения цепь питания печи обесточивается при помощи ВП1). Трансформаторы тока Т77—ТТЗ и ТТ4—ТТ6 на первичной и вторичной сторонах печного трансформа-тора и трансформаторы напряжения ТИ1 и ТН2 служат для подключения измерительных приборов и аппаратуры управления и защиты. Установки дуговых печей оснащаются релейной защитой от токов к. з. на стороне В И трансформатора ТрП и от перегрузки, которая может иметь место при работе печи. Защита от к. з. отключает установку, воздействуя на выключатель ВП1, и выполняется как токовая защита мгновенного действия. Защита от перегрузки обычно воздействует с выдержкой времени на сигнал. Все трансформаторы для питания дуговых печей снабжают газовой защитой. Газовая защита, как основная защита печного трансформатора, выполнена двухступенчатой: первая ступень воздействует на сигнал, вторая отключает установку. Короткая сеть дуговой установки состоит из ошиновки 1 в трансформаторной камере, гиб кой кабельной гирлянды 2, трубошин 3, электрододержателя 4 и электрода 5, перемещающихся вместе с ка¬реткой 6. На "Печах емкостью до 10 т используют схему «звезда на электродах» , когда вторичные обмотки печного трансформатора соединены в треугольник на выходе из камеры. Другие схемы короткой сети, позволяющие уменьшить ее реактивное сопротивление, применяют на более мощных печах. Рисунок – Схема силовой цепи дуговой печи