04. nagrzewanie łukowe
Transkrypt
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