Elektrická zařízení elektrických obloukových pecí

Zařízení obloukové pece

Hlavním účelem obloukových pecí je tavení kovů a slitin. Existují přímé a nepřímé obloukové pece. V obloukových pecích s přímým výpalem hoří oblouk mezi elektrodami a roztaveným kovem. V pecích s nepřímým obloukem — mezi dvěma elektrodami. Nejrozšířenější jsou přímotopné obloukové pece používané pro tavení železných a žáruvzdorných kovů. Nepřímé obloukové pece se používají k tavení neželezných kovů a někdy i litiny.

Oblouková pec je obložená skořepina uzavřená klenbou, elektrody jsou spouštěny dovnitř otvorem v klenbě, který zapadá do držáků elektrod, které jsou spojeny s vodítky. K tavení vsázky a zpracování kovu dochází vlivem tepla elektrických oblouků hořících mezi vsázkou a elektrodami.

K udržení oblouku se přivádí napětí 120 až 600 V a proud 10-15 kA. Nižší hodnoty napětí a proudů platí pro pece o výkonu 12 tun a výkonu 50 000 kVA.

Konstrukce obloukové pece zajišťuje odvodnění kovu pomocí drenážního čerpadla. Struska je čerpána přes pracovní okénko vyříznuté v plášti.

Elektrická oblouková pec: 1 — ocelové tělo; 2 — žáruvzdorná vyzdívka; 3 — střecha pece; 4 — elektrody; 5 — mechanismus pro zvedání elektrod; 6 — duha

Technologický proces tavení kovu v obloukové peci

Zpracování pevné vsázky naložené v obloukové peci začíná od fáze tavení, v této fázi je v peci zapálen oblouk a začíná tavení vsázky pod elektrodami. Jak se náboj roztaví, elektroda klesá a vytváří urychlovací jamky. Charakteristickým znakem tavného stupně je nepříjemné hoření elektrického oblouku. Nízká stabilita oblouku je způsobena nízkou teplotou v peci.

Přechod oblouku z jedné nálože na druhou, stejně jako četná přerušení oblouku z provozních zkratů, které jsou způsobeny kolapsy a pohyby vodivých kusů nálože. Ostatní stupně obrábění kovů jsou v kapalném stavu a vyznačují se tichým hořením oblouků. Vyžaduje se však široký rozsah provozního řízení a vysoká přesnost udržování příkonu do pece. Regulace výkonu zajišťuje požadovaný průběh metalurgické reakce.

Uvažované vlastnosti technologického procesu vyžadují od obloukové pece:

1) Schopnost rychle reagovat na provozní zkraty a přerušení oblouku, rychle obnovit normální elektrické podmínky a omezit provozní zkratové proudy na přijatelné limity.

2) Flexibilita ovládání příkonu pece.

Elektrická zařízení obloukových pecí

Instalace obloukové pece zahrnuje kromě samotné pece a jejích mechanismů s elektrickým nebo hydraulickým pohonem i doplňkové elektrické zařízení: pecní transformátor, vodiče od transformátoru k elektrodám obloukové pece — t. zv. síť, distribuční jednotka (RU) na vysokonapěťové straně transformátoru s vypínači trouby; regulátor výkonu; palubní desky a konzoly, ovládání a signalizace; programovací zařízení pro ovládání provozního režimu pece atd.

Instalace obloukových pecí jsou velkými spotřebiteli elektřiny, jejich jednotkové kapacity se měří v tisících a desetitisících kilowattů. Spotřeba elektrické energie na roztavení tuny pevné náplně dosahuje 400-600 kWh-h. Pece jsou proto napájeny ze sítí 6, 10 a 35 kV přes pecní snižovací transformátory (maximální hodnoty napětí sekundárního vedení transformátorů jsou obvykle v rozsahu do 320 V u pecí malých a středních kapacita a až 510 V pro velké pece) .

V tomto ohledu se pece vyznačují přítomností speciální rozvodny pece s transformátorem a rozvaděčem. V nových instalacích jsou použity skříně z kompletních distribučních jednotek (KRU) vyrobené podle jednotných schémat. V těsné blízkosti pecí jsou umístěny trafostanice pecí. Panely a ovládací panely pro instalaci obloukových ocelových pecí s kapacitou do 12 tun jsou umístěny v rozvodně pece s ovládacími panely obsluhy z dílny (z pracovní plošiny). U větších pecí lze zajistit samostatné velíny s pohodlným výhledem na pracovní okna pece.

Elektrické obloukové pece spotřebovávají značné proudy, měřené v tisících a desetitisících ampérů. Takové proudy vytvářejí velké úbytky napětí i při malých činných a indukčních odporech napájecích obvodů elektrod. V důsledku toho je pecní transformátor umístěn v těsné blízkosti pece ve speciální peci. Obvody spojující pecní transformátor a elektrody pece, které mají krátkou délku a složitou strukturu, se nazývají krátká síť.

Krátká síť obloukové pece se skládá z přípojnice v komoře transformátoru, pružné kabelové větve, trubkových přípojnic, držáku elektrody a elektrody pohybující se spolu s vozíkem. V obloukových pecích s kapacitou do 10 tun se používá schéma "hvězda elektrod", kdy jsou sekundární vinutí pecního transformátoru zapojena do trojúhelníku na výstupu z komory. Pro výkonnější pece se používají jiná schémata krátké sítě, umožňující snížit její reaktanci.

V elektrických pohonech mechanizmů pecí se běžně používají indukční motory s kotvou nakrátko dimenzované na 380 V při 1–2 kW v malých pecích až do 20–30 kW ve větších pecích. Motory pohonů pro pohyblivé elektrody - stejnosměrný proud napájený elektrickým strojem nebo magnetickými zesilovači a také tyristorovými měniči. Tyto pohony jsou součástí samostatné jednotky — regulátoru výkonu pece.

V pecích s kapacitou nad 20 tun jsou pro zvýšení produktivity a usnadnění práce ocelářů vybavena zařízeními pro míchání kapalné lázně kovu na principu putujícího magnetického pole.Stator se dvěma vinutími je umístěn pod dnem pece z nemagnetického materiálu, jehož proudy jsou fázově posunuty o 90°. Pohyblivé pole vytvořené statorovými vinutími pohání kovové vrstvy. Při přepínání cívek je možné měnit směr pohybu kovu. Frekvence proudu ve statoru míchacího zařízení je od 0,3 do 1,1 Hz. Zařízení je napájeno frekvenčním měničem elektrického stroje.

Motory obsluhující mechanismy obloukových pecí pracují ve ztížených podmínkách (prašné prostředí, těsné umístění vysoce zahřátých konstrukcí pecí), proto mají uzavřenou konstrukci s tepelně odolnou izolací (jeřábovo-metalurgická řada).

Transformátorové jednotky pece

Instalace obloukových pecí používají speciálně navržené třífázové transformátory ponořené do oleje. Výkon pecního transformátoru je po kapacitě druhým nejdůležitějším parametrem obloukové pece a určuje dobu tavení kovu, která výrazně ovlivňuje výkon pece Celková doba tavení oceli v obloukové peci je až do 1-1,5 hodiny u pecí do 10 tun a do 2,5 hodiny u pecí do 40 tun.

Napětí na obloukové peci se při tavení musí měnit v poměrně širokém rozsahu. V první fázi tavení, kdy dochází k tavení šrotu, musí být do pece zaveden maximální výkon, aby se tento proces urychlil. Ale se studeným nábojem je oblouk nestabilní. Pro zvýšení výkonu je tedy nutné zvýšit napětí. Doba trvání fáze tavení je 50 % nebo více z celkové doby tavení, přičemž se spotřebuje 60-80 % elektřiny.Ve druhém a třetím stupni - při oxidaci a rafinaci tekutého kovu (odstranění škodlivých nečistot a spalování přebytečného uhlíku) oblouk hoří tišeji, teplota v peci je vyšší a délka oblouku se zvětšuje.

Aby se zabránilo předčasnému poškození vyzdívky pece, oblouk se zkrátí snížením napětí. Navíc u pecí, ve kterých lze tavit různé druhy kovů, se odpovídajícím způsobem mění podmínky tavení a tím i požadovaná napětí.

Aby byla zajištěna možnost regulace napětí obloukových pecí, jsou transformátory napájející je vyrobeny s několika stupni nízkého napětí, obvykle s přepínáním odboček pro vinutí vysokého napětí (12 a více kroků). Transformátory s kapacitou až 10 000 kV-A jsou vybaveny vybavovacím zařízením. Výkonnější transformátory mají zátěžový spínač. U malých pecí se používají dva až čtyři stupně a také nejjednodušší způsob regulace napětí — přepínání vysokonapěťového (VN) vinutí z trojúhelníku do hvězdy.

Pro zajištění stabilního hoření střídavého oblouku a omezení přepětí při zkratování mezi elektrodou a vsázkou 2–3násobkem jmenovitého proudu elektrody by měla být celková relativní reaktance instalace 30–40 %. Reaktance pecních transformátorů je 6-10%, krátký síťový odpor pro malé pece je 5-10%. Proto je na VN straně transformátoru pro pece o kapacitě do 40 tun umístěn předřazený reaktor s odporem cca 15-25%, který je součástí stavebnice transformátorového bloku. Reaktor je navržen jako nenasycená aktivní tlumivka.

Všechny výkonové transformátory obloukové pece jsou vybaveny ochranou proti plynu. Plynová ochrana jako hlavní ochrana pecního transformátoru se provádí ve dvou fázích: první fáze ovlivňuje signál, druhá vypíná instalaci.

Automatická regulace výkonu obloukových pecí. Pro zajištění běžného a výkonného provozu jsou obloukové pece vybaveny automatickými regulátory výkonu (AR), které udržují stálost daného výkonu elektrického oblouku. Činnost automatického regulátoru výkonu obloukové pece je založena na změně polohy elektrod vůči zátěži - u přímotopných obloukových pecí nebo vůči sobě navzájem u nepřímotopných obloukových pecí, tzn. v obou případech obloukové pece využívají regulaci délky. Hnacím ústrojím jsou nejčastěji elektromotory.

Regulace elektrických režimů elektrické obloukové pece

Zkoumání struktur umožňuje ukázat možné způsoby, jak upravit jeho elektrický režim:

1) Změna napájecího napětí.

2) Změna odporu oblouku tzn. změna jeho délky.

Obě metody se používají v moderních instalacích. Hrubé nastavení režimu se provádí přepínáním stupňů sekundárního napětí transformátoru, přesně - pomocí pohybového mechanismu. Mechanismy pohybu elektrod jsou ovládány pomocí automatických regulátorů výkonu (AWS).

Pracoviště obloukových pecí musí poskytovat:

1) Automatické zapálení oblouku

2) Automatické odstranění přerušení oblouku a provozních zkratů.

3) Rychlost odezvy je asi 3 sekundy, když jsou eliminována přerušení oblouku provozního zkratu

4) Aperiodický charakter regulačního procesu

5) Schopnost plynule měnit příkon pece v rozmezí 20-125 % jmenovitého a udržovat jej s přesností 5 %.

6) Zastavení elektrod, když napájecí napětí zmizí.

Aperiodický charakter regulačního procesu je nezbytný pro vyloučení spouštění elektrod tekutého kovu, které jej může karbonizovat a kazit tavení, a také pro vyloučení prasknutí elektrod při jejich kontaktu s pevnou vsázkou. Splnění tohoto požadavku poskytuje ochranu proti výše uvedeným režimům v případě havarijního nebo provozního odstavení pece.

Elektrické obloukové pece jako spotřebitelé elektřiny

Elektrické obloukové pece jsou silným a nepříjemným spotřebitelem energetického systému. Pracuje s nízkým účiníkem = 0,7 — 0,8, výkon odebíraný ze sítě se při tavení mění a elektrický režim je charakterizován častými proudovými rázy, až přetržením oblouku, provozními zkraty. Oblouky generují vysokofrekvenční harmonické, které jsou nežádoucí pro ostatní spotřebiče a způsobují dodatečné ztráty v elektrické síti.

Pro zvýšení účiníku mohou být kondenzátory připojeny k přípojnicím hlavní napájecí rozvodny, napájející skupiny pecí, protože s proudovými rázy reaktivní síla kolísá ve velkých mezích, je nutné zajistit možnost rychlé změny této kapacity. Pro takovou regulaci můžete použít vysoké napětí tyristorové spínačeřízeno obvodem, aby se CM udržela blízko 1. K potlačení vyšších harmonických se používají filtry naladěné na nejintenzivnější harmonické.

Široké uplatnění má rozvody pecních rozvoden pro nezávislé napájení připojené k dalším spotřebičům pro napětí 110, 220 kV. V tomto případě lze zkreslení proudových a napěťových křivek pro ostatní spotřebiče udržet v přijatelných mezích.