04. nagrzewanie łukowe

NAGRZEWANIE ŁUKOWE
Nagrzewanie łukowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na efekcie Joule'a w gazach dopływających swobodnie do przestrzeni wyładowczej.
Łukiem elektrycznym nazywa się wyładowanie powodowane termoemisją,
emisją pod wpływem pola elektrycznego, a takŜe wyładowanie, podczas
którego wymienione rodzaje emisji występują równocześnie. Zapoczątkowanie wyładowania uzyskuje się róŜnymi sposobami w zaleŜności od ciśnienia gazu, wartości prądu, konstrukcji i przeznaczenia urządzenia łukowego.
Wyładowanie łukowe wielkoprądowe inicjowane jest najczęściej w wyniku
zwarcia elektrod. Tego rodzaju zwarcie nosi nazwę eksploatacyjnego.
Łuk jest więc w pierwszym rzędzie źródłem ciepła, lecz takŜe źródłem promieniowania świetlnego i akustycznego. Przedstawia on sobą plazmę o równomiernej koncentracji elektronów i jonów dodatnich. Moce łuków wielkoprądowych sięgają wartości 100 MW, ich temperatury są zaleŜne głównie
od składników atmosfery o najniŜszych potencjałach jonizacji, a ponadto od
natęŜenia prądu, średnicy kolumny łukowej, warunków odpływu ciepła
oraz od ciśnienia, które przyjmuje wartości od atmosferycznego do 0,5 Pa
(w łukowych piecach próŜniowych).
Temperaturę łuku z pewnym przybliŜeniem T, moŜna określić przy uŜyciu
formuły
Tł = 800Uł
gdzie Uł jest potencjałem jonizacji gazu w obszarze wyładowania wyraŜonym w V.
Potencjały jonizacji gazów zawierają się w przedziale 3,87÷
÷24,5 V, temperatura łuku moŜe więc osiągać Tł = 20000 K (przy ciśnieniu atmosferycznym i
w warunkach swobodnego wypromieniowania energii z kolumny).
W piecach łukowych do produkcji stali (stalowniczych piecach łukowych)
pracujących przy ciśnieniu atmosferycznym, temperatura kolumny łuku
jest rzędu 8000 K.
W piecach do produkcji Ŝelazostopów, najniŜsze potencjały jonizacji zawarte są w przedziale 6÷
÷10 V, a więc temperatura łuku wynosi 5000÷
÷8000 K.
1
W piecach do produkcji karbidu najniŜszy potencjał jonizacji ma Ca,
mianowicie 6,1 V, stąd temperatura łuku – około 5000 K.
W piecach do wytwarzania Ŝelazokrzemu i Ŝelazomanganu temperatura
łuku jest wyŜsza: 6000÷
÷7000 K.
Moc cieplna wydzielająca się w obszarze wyładowania łukowego jest
odprowadzana w trojaki sposób, a mianowicie przez konwekcję i
promieniowanie oraz w wyniku zjawisk przyelektrodowych (przekazywanie
elektrodom energii kinetycznej przez jony i elektrony). Na rysunku 5.2
przedstawiony jest przykładowy bilans mocy łuku prądu przemiennego o
napięciu Uł =143 V i prądzie Ił = 7 kA.
Rys. 5.2. Bilans mocy łuku prądu przemiennego, Rł – promieniowanie
kolumny łuku, Rp – promieniowanie nagrzanych gazów
Charakterystyki łuku wielkoprądowego
Charakterystyką łuku nazywa się związek między napięciem łuku Uł i
prądem łuku. RozróŜnia się charakterystyki statyczne i dynamiczne łuku.
Charakterystyką statyczną jest zaleŜność Uł(Ił) w warunkach równości
między mocą dostarczaną do łuku i mocą od niego odprowadzaną (stan
równowagi energetycznej).
Charakterystyką dynamiczną jest zaleŜność między napięciem i prądem
łuku przy tak duŜej szybkości zmian prądu w czasie (dIł/dτ ≠ 0), Ŝe nie jest
moŜliwe zachowanie stanu równowagi energetycznej w kolumnie łuku ze
względu na jego bezwładność cieplną. Stąd m.in. charakterystyka łuku
prądu przemiennego dla wartości chwilowych jest charakterystyką
dynamiczną.
2
Rys. 5.3. Cztery rodzaje łuku w stalowniczym piecu łukowym prądu stałego
Rys. 5.4. Charakterystyki statyczne luku pieca stalowniczego prądu stałego:
a) przy łuku całkowicie odkrytym (I rodzaju); b) przy łuku
częściowo otulonym (II rodzaju); c) przy łuku całkowicie otulonym
(III rodzaju); d) przy pracy bezłukowej (IV rodzaju)
lł – długość łuku, lŜ – grubość warstwy ŜuŜla, σŜ, – konduktywność
ŜuŜla, l - odległość między czołem elektrody i powierzchnią kąpieli
stalowej
3
Łuk bezpośredni prądu przemiennego w urządzeniach do wytwarzania stali
występuje w układzie elektroda grafitowa – wsad stalowy w stanie stałym
lub ciekłym Wsad stanowi punkt zerowy odbiornika złoŜonego z trzech
łuków zasilanych za pośrednictwem toru wielkoprądowego z trójfazowego
transformatora obniŜającego napięcie do kilkudziesięciu – kilkuset woltów
(rys. 5.7). Prądy łuku o wartościach przekraczających 100 kA nie naleŜą do
rzadkości.
Rys. 5.7. Łuki bezpośrednie w stalowniczym urządzeniu łukowym
1 – transformator, 2 – tor wielkoprądowy, 3 – elektroda, 4 – łuk,
5 – wsad
Rys. 5.8. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych charakteryzujących łuk
w piecu stalowniczym w okresie roztapiania złomu (wielkości
względne): a) napięcie łuku uł / uł (τ ) dla uł = 610.2 V; b) prąd
łuku
ił / ił (τ )
dla
ił =
80.9 kA; c) konduktancja łuku
Gł = 307 S; d) moc łuku pł / pł
dla
Gł / Gł dla
pł = 30.7 MW
4
Łuk prądu przemiennego w urządzeniach do redukcyjnego wytapiania
substancji z rud i z produktów ich przeróbki oraz w urządzeniach do
topienia rud
Rys.5.13. Odbiorniki z częściową przemianą energii w łuku i ich schematy
zastępcze: a) łukowo- rezystancyjny i jego schemat zastępczy b); c)
łukowo-rezystancyjno-elektrodowy i jego schemat zastępczy d)
1 – spieczona warstwa wsadu (ścianki „tygla"), 2 – wsad stopiony, 3
– łuk, 4 – elektroda, 5 – wsad stały, 6 – ŜuŜel, 7 – mikrołuki; Rł –
rezystancja łuku (mikrołuków), Rw, – rezystancja wsadu stałego Rm
– międzyelektrodowa rezystancja wsadu, Rk – rezystancja ośrodka
ciekłego
Rys. 5.14. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych w piecu łukoworezystancyjno-elektrodowym do wytwarzania krzemomanganu:
a) względne napięcie odbiornika uł / uł (τ ) dla uł = 155 V;
b) względny prąd odbiornika
ił / ił (τ ) dla ił = 49,5 kA
5
Główne łukowe procesy technologiczne
1. Wytapianie i roztapianie metali ze złomu
Rys. 5.15. Przykładowy przebieg kompletnego procesu wytapiania stali w
piecu łukowym średniej mocy
Pł – moc czynna luku, τ – czas, U2 – napięcie wtórne fazowe
transformatora zasilającego piec (wyŜsze od napięcia łuku o spadek
w wielkoprądowym torze zasilającym)
2. Przetapianie metali
W szczególności Ti, W, Mo, Nb, Zr, Ni, stali i stopów specjalnych Ŝaroodpornych, nierdzewnych, łoŜyskowych realizuje się w łukowych piecach
próŜniowych.
3. Obróbka pozapiecowa stali
- Technika odgazowania w kadzi umieszczonej w komorze próŜniowej z nagrzewaniem łukiem prądu przemiennego w atmosferze powietrza, przy
jednoczesnym elektromagnetycznym mieszaniu ciekłej stali w kadzi (proces
ASEA — SKF).
- Technika odgazowania w kadzi umieszczonej w komorze próŜniowej z nagrzewaniem
łukiem
prądu
przemiennego
przy
jednoczesnym
przedmuchiwaniu argonem od dołu kadzi (proces VAD).
-Technika rafinacji i wykończenia w piecu kadziowym (nazywanym
niekiedy piecokadzią) z nagrzewaniem łukiem prądu przemiennego lub
stałego w atmosferze powietrza przed lub po obróbce próŜniowej (proces
LF).
6
Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu przemiennego
Rys. 5.19. Stalownicze urządzenia łukowe z trójfazowym piecem
wytopowym
1 – transformator piecowy, 2 – część giętka toru wielkoprądowego
(kable chłodzone wodą), 3 – część sztywna toru (rury chłodzone
wodą), 4 – elektrody, 5 – uchwyty elektrod, 6 – odprowadzenie
gazów i pyłów piecowych, 7 – rynna spustowa, 8 – sklepienie pieca, 9
– kocioł pieca, 10 – jedna z dwóch kołysek stanowiących podstawę
platformy 11 i umoŜliwiających przechylanie pieca, 12 – sterownia
7
Rys. 5.22. Moce urządzeń łukowych trzeciej generacji S oraz średnice
wewnętrzne kotłów piecowych D w funkcji pojemności wsadowej
pieców m
Rys. 5.25. Schematy układów elektrycznych urządzeń łukowych: a); b)
układy jednotransformatorowe c) układ dwutransformatorowy; d);
e); f) układy jednotransformatorowe z trójnym uzwojeniem
regulacyjnym
1 – odłącznik, 2 – wyłącznik zabezpieczający, 3 – wyłącznik
manewrowy,
4
–
transformator
piecowy
regulacyjny
dwuuzwojeniowy, 5 – transformator regulacyjny dwuuzwojeniowy,
6 – transformator piecowy dwuuzwojeniowy, 7 – transformator
piecowy z uzwojeniem trójnym regulacyjnym, 8 – transformator
piecowy z uzwojeniem trójnym regulacyjnym i wyłącznikiem
manewrowym na uzwojeniu pośrednim, 9 – tor wielkoprądowy, 10 –
uziemnik, 11 – piec łukowy
8
Rys. 5.26. Schemat zasilania pieca łukowego z sieci średniego napięcia
1 – odłącznik, 2 – przekładnik napięciowy, 3 – przekładnik
prądowy, 4 – wyłącznik pneumatyczny (manewrowy i
zabezpieczający), 5 – dławik z łącznikiem zwierającym 6 (tylko w
urządzeniach o małej mocy), 7 – odgromnik, 8 – transformator
piecowy, 9 – przekładnik prądowy, 10 – tor wielkoprądowy, 11 –
elektrody, 12 – piec łukowy, 13 – układ kompensacji mocy biernej i
filtracji wyŜszych harmonicznych
Wartość maksymalna napięcia wtórnego przewodowego U2p,max zaleŜy od
mocy pozornej urządzenia S i od reaktancji toru elektrycznego X (suma
reaktancji wszystkich elementów obwodu od dławika -jeśli występuje w
obwodzie – do wsadu)
U 2p,max = 2SX
Biorąc pod uwagę, Ŝe wartości X zawierają się w przybliŜeniu w granicach
3÷
÷5 mΩ
Ω w transformatorach urządzeń o największych mocach U2p,max ≈
1000 V.
9
Iloraz mocy transformatora i pojemności wsadowej pieca jest wyróŜnikiem
czterech kategorii urządzeń łukowych o mocy:
- normalnej (RP) – 80 ÷ 350 kV·A/Mg,
- wielkiej (HP) – 170 ÷ 470 kV·A/Mg,
- ultrawielkiej (UHP) – 250÷650 kV·A/Mg,
- super ultrawielkiej (SUHP) – 400÷1000 kV·A/Mg.
Charakterystyki robocze stalowniczego urządzenia łukowego prądu
przemiennego
Mianem charakterystyk roboczych stalowniczego urządzenia łukowego
określa się związki między podstawowymi wielkościami elektrycznymi i
cieplnymi określającymi stan pracy urządzenia w funkcji prądu łuku.
Rys. 5.42. Schemat elektryczny urządzenia łukowego: a) pełny; b)
uproszczony
R1, X1 – parametry toru elektrycznego po stronie wysokiego napięcia; Rd, Xd
– parametry dławika; Rt1, Xt1, Rt2, Xt2 – parametry transformatora
piecowego po stronie wysokiego i niskiego napięcia; Rw, Xw – parametry
toru wielkoprądowego; Rt1 – rezystancja łuku; R0, X0 – parametry jałowe
transformatora; R, X – parametry całkowite toru elektrycznego; U2 –
napięcie fazowe wtórne transformatora; Ił – prąd łuku; Uł – napięcie łuku
Prąd zwarcia eksploatacyjnego występujący przy Rł = O tzn. gdy elektroda
zwiera się ze wsadem
Iz =
U2
R 2 + X2
10
Rys. 5.44. Charakterystyki robocze urządzenia łukowego
I ł ,min = U 2
I ł ,max =
Pł,max
Psc
3U 22 R + 2 X 2 Psc
U2
2Z (R + Z )
3U 22 Z
3U 22
= 3I Z =
=
2Z ( R + Z ) 2( R + Z )
2
ł
11
Stalownicze urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu stałego
Rys. 5.47. Szkic urządzenia łukowego z jednoelektrodowym piecem
wytopowym prądu stałego
1 – chłodzone części elektrody kombinowanej, 2 – część grafitowa elektrody, 3 – dopływ Ar lub N2, 4 – część przewodząca trzonu (anoda), 5 –
elektroda denna, 6 – tor wielkoprądowy, 7 – ceramiczny przepust elektrodowy
Rys. 5.49. Schematy zasilania jednoelektrodowych pieców łukowych prądu
stałego (DC-AF)
1 – transformator piecowy, 2a – prostownik sześciopulsowy, 2b – prostownik dwunastopulsowy, 3 – część giętka toru wielkoprądowego, 4 – piec jednoelektrodowy, 5 – dławik, 6 – filtr 5-tej harmonicznej, 7 – filtry 7, 11, i 13tej harmonicznej
12
Urządzenia łukowe w systemie elektroenergetycznym
Urządzenie łukowe jako odbiornik o charakterze indukcyjnym jest eksploatowane najczęściej przy cosϕ = 0,65÷
÷0,80, co oznacza, Ŝe pobierana z
sieci moc czynna jest równa w przybliŜeniu mocy biernej. Jeśli nie stosuje
się kompensacji mocy biernej, to jej dostarczenie do urządzenia łukowego
powoduje – w porównaniu z obciąŜeniem czysto rezystancyjnym –
dodatkowe spadki napięć, a tym samym straty w urządzeniach do
wytwarzania, przesyłu oraz rozdziału energii elektrycznej.
Rodzaje oddziaływań na system elektroenergetyczny
1. Spadki napięć
2. Wahania napięcia
Rys. 5.60. Granica dostrzegalności migotania światła
1 – przy sinusoidalnym kształcie wahań napięcia sieci, 2 – przy kształcie
prostokątnym
Rys. 5.61. Migotanie światła w zaleŜności od wahań napięcia sieci przy
eksploatacji pieców łukowych UHP
Zjawisko migotania światła nie będzie dostrzegalne jeśli moc zwarciowa
sieci będzie większa od mocy zwarciowej urządzenia łukowego 36÷
÷60 razy.
3. Asymetria napięcia
4. Prądy o częstotliwości ponadpodstawowej
13
Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do
ich realizacji
Główne procesy technologiczne:
1. Redukcyjne wytapianie substancji z rud i z produktów przeróbki rud.
Jest to kategoria procesów polegających na wytwarzaniu przy udziale
energii cieplnej substancji prostych oraz złoŜonych, otrzymywanych w
wyniku redukcji rud tlenkowych względnie siarczkowych, stanowiących
wraz z reduktorem, a w niektórych przypadkach takŜe z innymi
składnikami, np. topnikami, wsad piecowy. Do procesów takich zalicza się
m.in. wytapianie Ŝelazostopów, Ŝółtego fosforu, karbidu, cynku, surówki.
Do podstawowej kategorii procesów redukcyjnych zalicza się wytwarzanie:
- Ŝelazostopów,
- Ŝółtego fosforu,
- karbidu,
- cynku,
- surówki.
2. Topienie rud
Jest to kategoria procesów polegających na topieniu rud bez prowadzenia
reakcji chemicznych.
Do podstawowej kategorii tych procesów zalicza się:
- wytwarzanie kamienia miedziowo-niklowego,
- wytwarzanie kamienia miedziowego,
- topienie naturalnego tlenku magnezu.
Procesy te realizuje w urządzeniach w skład których wchodzą: piec z
układem elektrod, mechanizmy ich przesuwu i opuszczania, układy
chłodzenia, mechanizmy załadunku i dozowania wsadu, odciągi i
urządzenia odpylające, niekiedy mechanizm obrotu wanny, układ zasilania
w energię elektryczną i układy pomiarowo-sterujące. Urządzenia i układy
te cechuje wielka róŜnorodność rozwiązań. Moce na jakie są budowane
zawierają się w przedziale 0,3÷120 MVA.
14
Rys. 5.69. Kształty wanien pieców łukowo-rezystancyjno-elektrodowych i
sposób rozmieszczenia w nich elektrod
Rys. 5.70. Piece lukowo-rezystancyjno-elektrodowe: a) otwarty (odkryty);
b) półzamknięty; c) zamknięty
1 – elektroda, 2 – wsad, 3 – kadź, 4 – kołpak, 5 – sklepienie
Elektrody we współczesnych piecach są wykonywane jako ciągłe i samospiekające i tylko w szczególnych przypadkach zastępowane są elektrodami
węglowymi lub grafitowymi. Nazywane takŜe elektrodami Söderberga,
mają przekrój kołowy o średnicach do 3 m lub prostokąty z zaokrąglonymi
naroŜami o wymiarach przekroju poprzecznego sięgających 3 x 0,85 m. Są
to elektrody pełne, najbardziej rozpowszechnione. Stosowane są takŜe elektrody drąŜone o średnicy zewnętrznej do 3,2 m i średnicy otworu ≈ 1m
[218]. Otwór ten jest wykorzystywany do zasypywania wsadu. Prądy elektrod w obecnie budowanych piecach sięgają 185 kA.
15
Rys. 5.75. Piec zamknięty z lądowaniem wsadu zsypami rurowymi przez
okrągłe otwory w sklepieniu
1 – zsyp rurowy, 2 – lej załadowczy, 3 – elektroda, 4 – uszczelnienie
elektrody, 5 – sklepienie, 6 – przewody odciągowe gazów i pyłów,
7 – rynna spustowa, 8 – płyta Ŝelazobetonowa, 9 – czop nośny
wanny, 10 – rolki obrotu wanny, 11 – napęd układu obrotu wanny.
16
Rys.
5.81. Częściej spotykane układy transformator-piec: a) z
transformatorem trójfazowym i torem bifilarnym zamkniętym w
trójkąt na elektrodach; b) z trzema transformatorami symetrycznie
rozmieszczonymi wokół pieca, tor bifilarny zamknięty w trójkąt na
elektrodach; c) z trzema transformatorami jednofazowymi o stałej
przekładni symetrycznie rozmieszczonymi wokół pieca zasilanymi z
regulacyjnego
transformatora
trójfazowego,
z
torem
wielkoprądowym zamkniętym w trójkąt na elektrodach; d) z
transformatorem trójfazowym i kompensacją mocy biernej; e) z
trzema transformatorami jednofazowymi o regulowanym napięciu i
torach wielkoprądowych bifilarnych
17
Rys.
5.82. Elektryczny schemat zastępczy urządzenia łukoworezystancyjno-elektrodowego Xt, Rt – reaktancja i rezystancja toru
elektrycznego (transformatora i toru wielkoprądowego); Rn –
rezystancja międzyelektrodowa górnego obszaru wsadu; Xw –
reaktancja wanny łącznie z reaktancja elektrody; Re – rezystancja
elektrody; Rm– rezystancja międzyelektrodowa dolnego obszaru
wsadu; Rτ – rezystancje łuku, Rw – rezystancja wsadu bocznikująca
łuk; Rk – rezystancja kąpieli
Rys. 5.85. Charakterystyki robocze urządzenia łukowo-rezystancyjnoelektrodowego do wytwarzania Ŝelazokrzemchromu i Ŝelazokrzemu
18