Equips elèctrics de forns d'arc elèctric
Dispositiu de forn d'arc
L'objectiu principal dels forns d'arc és fondre metalls i aliatges. Hi ha forns d'arc directe i indirecte. En els forns d'arc de foc directe, l'arc es crema entre els elèctrodes i el metall fos. En forns d'arc indirecte: entre dos elèctrodes. Els més estesos són els forns d'arc d'escalfament directe utilitzats per a la fusió de metalls ferrosos i refractaris. Els forns d'arc indirecte s'utilitzen per fondre metalls no fèrrics i de vegades ferro colat.
El forn d'arc és una carcassa folrada tancada per una volta, els elèctrodes es baixen a l'interior a través d'una obertura a la volta que s'enganxa als suports d'elèctrodes que estan connectats a les guies. La fusió de la càrrega i el processament del metall té lloc a causa de la calor dels arcs elèctrics que cremen entre la càrrega i els elèctrodes.
S'aplica una tensió de 120 a 600 V i un corrent de 10-15 kA per mantenir l'arc. Valors més baixos de tensions i corrents s'apliquen als forns amb una capacitat de 12 tones i una capacitat de 50.000 kVA.
El disseny del forn d'arc proporciona el drenatge del metall mitjançant una bomba de drenatge. L'escòria es bombeja a través d'una finestra de treball tallada a la carcassa.
Forn d'arc elèctric: 1 — cos d'acer; 2 — revestiment refractari; 3 — sostre del forn; 4 — elèctrodes; 5 — mecanisme per aixecar els elèctrodes; 6 — arc de Sant Martí
Procés tecnològic de fusió del metall en un forn d'arc
El processament de la càrrega sòlida carregada al forn d'arc comença des de l'etapa de fusió, en aquesta etapa l'arc s'encén al forn i comença la fusió de la càrrega sota els elèctrodes. A mesura que la càrrega es fon, l'elèctrode baixa, formant pous d'acceleració. Un tret característic de l'etapa de fusió és la crema desagradable d'un arc elèctric. La baixa estabilitat de l'arc es deu a la baixa temperatura del forn.
La transició de l'arc d'una càrrega a una altra, així com nombroses interrupcions de l'arc per curtcircuits operatius, que són provocades per col·lapses i moviments de peces conductores de la càrrega. Altres etapes de treball del metall es troben en estat líquid i es caracteritzen per la crema silenciosa d'arcs. Tanmateix, es requereix una àmplia gamma de control operacional i una alta precisió per mantenir l'entrada de potència al forn. El control de potència assegura el progrés requerit de la reacció metal·lúrgica.
Les característiques considerades del procés tecnològic requereixen del forn d'arc:
1) Capacitat de respondre ràpidament als curtcircuits operatius i interrupcions de l'arc, restaurar ràpidament les condicions elèctriques normals i limitar els corrents de curtcircuit de funcionament a límits acceptables.
2) Flexibilitat per controlar l'entrada de potència del forn.
Equips elèctrics de forns d'arc
La instal·lació d'un forn d'arc inclou, a més del propi forn i els seus mecanismes amb accionament elèctric o hidràulic, i equipament elèctric addicional: un transformador de forn, cables des del transformador fins als elèctrodes del forn d'arc, els anomenats xarxa, unitat de distribució (RU) al costat d'alta tensió del transformador amb interruptors de forn; regulador de potència; quadres de comandament i consoles, control i senyalització; dispositiu de programació per controlar el mode de funcionament del forn, etc.
Les instal·lacions de forns d'arc són grans consumidores d'electricitat, les seves capacitats unitàries es mesuren en milers i desenes de milers de quilowatts. El consum d'electricitat per fondre una tona de farciment sòlid arriba als 400-600 kWh-h. Per tant, els forns s'alimenten des de xarxes de 6, 10 i 35 kV a través de transformadors reductors de forn (els valors màxims de tensió de la línia secundària dels transformadors solen estar en el rang de fins a 320 V per als forns petits i mitjans). capacitat i fins a 510 V per a grans forns).
En aquest sentit, les instal·lacions de forns es caracteritzen per la presència d'una subestació especial de forns amb un transformador i un aparell de commutació. A les noves instal·lacions s'utilitzen armaris d'unitats completes de distribució (KRU) realitzats segons esquemes unificats. Les subestacions de forn es troben molt a prop dels forns. Els panells i panells de control per a la instal·lació de forns d'acer d'arc amb una capacitat de fins a 12 tones es col·loquen dins de la subestació del forn amb els panells de control de servei de la botiga (des de la plataforma de treball). Per als forns més grans, es poden proporcionar sales de control separades amb una visió convenient de les finestres de treball del forn.
Els forns d'arc elèctric consumeixen corrents importants, mesurats en milers i desenes de milers d'amperes. Aquests corrents creen grans caigudes de tensió fins i tot amb petites resistències actives i inductives dels circuits d'alimentació dels elèctrodes. Com a resultat, el transformador del forn es col·loca molt a prop del forn en una subestació especial del forn. Els circuits que connecten el transformador del forn i els elèctrodes del forn i que tenen una longitud curta i una estructura complexa s'anomenen xarxa curta.
La xarxa curta d'un forn d'arc consta d'una barra colectora en una cambra del transformador, una cadena de cable flexible, barres de tubs, un suport d'elèctrode i un elèctrode que es mou juntament amb el carro. En els forns d'arc amb una capacitat de fins a 10 tones, s'utilitza un esquema "estrella d'elèctrodes", quan els bobinatges secundaris del transformador del forn es connecten en un delta a la sortida de la cambra. Altres esquemes d'una xarxa curta, que permeten reduir la seva reactància, s'utilitzen per a forns més potents.
Els motors d'inducció de gàbia d'esquirol de 380 V a 1-2 kW en forns petits fins a 20-30 kW en forns més grans s'utilitzen habitualment en accionaments elèctrics de mecanismes de forn. Motors d'accionaments per a elèctrodes en moviment: corrent continu subministrat per una màquina elèctrica o amplificadors magnètics, així com per convertidors de tiristors. Aquestes unitats formen part d'una unitat independent: un regulador de potència del forn.
En els forns amb una capacitat de més de 20 tones, per augmentar la productivitat i facilitar el treball dels siderúrgics, es proporcionen dispositius per barrejar un bany líquid de metall basat en el principi d'un camp magnètic mòbil.Un estator amb dos bobinatges es col·loca sota la part inferior del forn de material no magnètic, els corrents del qual estan fora de fase de 90 °. El camp de desplaçament creat pels bobinatges de l'estator impulsa les capes metàl·liques. En canviar les bobines, és possible canviar la direcció del moviment del metall. La freqüència del corrent a l'estator del dispositiu d'agitació és de 0,3 a 1,1 Hz. El dispositiu està alimentat per un convertidor de freqüència d'una màquina elèctrica.
Els motors que serveixen els mecanismes dels forns d'arc funcionen en condicions difícils (entorn polsegós, ubicació propera d'estructures de forn molt escalfades), per tant, tenen un disseny tancat amb aïllament resistent a la calor (sèrie grua-metal·lúrgica).
Unitats transformadores de forn
Les instal·lacions de forns d'arc utilitzen transformadors trifàsics immersos en oli dissenyats especialment. La potència del transformador del forn és, després de la capacitat, el segon paràmetre més important del forn d'arc i determina la durada de la fusió del metall, que afecta significativament el rendiment del forn. El temps total per fondre l'acer en un forn d'arc ha augmentat. fins a 1-1,5 hores per a forns amb una capacitat de fins a 10 tones i fins a 2,5 hores per a forns amb una capacitat de fins a 40 tones.
La tensió al forn d'arc durant la fusió ha de canviar en un rang força ampli. En la primera etapa de fusió, quan la ferralla es fon, s'ha d'introduir la màxima potència al forn per accelerar aquest procés. Però amb una càrrega freda, l'arc és inestable. Per tant, per augmentar la potència, cal augmentar la tensió. La durada de l'etapa de fusió és del 50% o més del temps total de fusió, mentre que es consumeix el 60-80% de l'electricitat.A la segona i tercera etapes, durant l'oxidació i el refinament del metall líquid (eliminació d'impureses nocives i crema de l'excés de carboni), l'arc crema més silenciosament, la temperatura al forn és més alta i la longitud de l'arc augmenta.
Per evitar danys prematurs al revestiment del forn, l'arc s'escurça reduint la tensió. A més, per als forns en què es poden fondre diferents tipus de metall, les condicions de fusió canvien en conseqüència i, per tant, les tensions necessàries.
Per tal de proporcionar la capacitat de regular la tensió dels forns d'arc, els transformadors que els alimenten es fabriquen amb diverses etapes de baixa tensió, generalment amb commutació de les aixetes per al bobinat d'alta tensió (12 o més passos). Els transformadors amb una capacitat de fins a 10.000 kV-A estan equipats amb un dispositiu d'activació. Els transformadors més potents tenen un interruptor de càrrega. Per als forns petits, s'utilitzen de dues a quatre etapes, així com el mètode més senzill de regulació de la tensió: canviar el bobinatge d'alta tensió (HV) de delta a estrella.
Per garantir una combustió estable de l'arc de CA i limitar les sobretensions durant el curtcircuit entre l'elèctrode i la càrrega amb 2-3 vegades el corrent nominal de l'elèctrode, la reactància relativa total de la instal·lació hauria de ser del 30-40%. La reacció dels transformadors del forn és del 6-10%, la resistència de la xarxa curta per als forns petits és del 5-10%. Per tant, al costat d'HV del transformador per a forns amb una capacitat de fins a 40 tones, es proporciona un reactor amunt amb una resistència d'uns 15-25%, que s'inclou al kit de blocs de transformadors. El reactor està dissenyat com un estrany de nucli insaturat.
Tots els transformadors de potència del forn d'arc estan proveïts de protecció contra gas. La protecció de gas, com a protecció principal del transformador del forn, es realitza en dues etapes: la primera etapa afecta el senyal, la segona apaga la instal·lació.
Control automàtic de potència dels forns d'arc. Per garantir un funcionament normal i d'alt rendiment, els forns d'arc estan equipats amb reguladors automàtics de potència (AR), que mantenen la constància de la potència donada de l'arc elèctric. El funcionament del regulador de potència del forn d'arc automàtic es basa en canviar la posició dels elèctrodes en relació amb la càrrega: en forns d'arc d'escalfament directe o entre si en forns d'arc d'escalfament indirecte, és a dir. en ambdós casos, els forns d'arc utilitzen regulació de longitud. Els dispositius de conducció solen ser motors elèctrics.
Regulació dels modes elèctrics d'un forn d'arc elèctric
L'examen de les estructures permet mostrar les possibles maneres d'ajustar el seu mode elèctric:
1) Canvi de la tensió d'alimentació.
2) Canvi en la resistència de l'arc, és a dir. canvi en la seva longitud.
Tots dos mètodes s'utilitzen en instal·lacions modernes. L'ajust aproximat del mode es realitza canviant les etapes de la tensió secundària del transformador, precisament, utilitzant el mecanisme de moviment. Els mecanismes de moviment dels elèctrodes es controlen mitjançant reguladors automàtics de potència (AWS).
El lloc de treball dels forns d'arc ha de proporcionar:
1) Encesa automàtica de l'arc
2) Eliminació automàtica de trencaments d'arc i curtcircuits operatius.
3) La velocitat de resposta és d'uns 3 segons quan s'eliminen les interrupcions de l'arc del curtcircuit operatiu
4) El caràcter aperiòdic del procés de regulació
5) Capacitat de canviar sense problemes la potència d'entrada del forn, dins del 20-125% del nominal i mantenir-la amb una precisió del 5%.
6) Aturar els elèctrodes quan desapareix la tensió d'alimentació.
La naturalesa aperiòdica del procés de control és necessària per excloure la baixada dels elèctrodes del metall líquid, que pot carbonitzar-lo i fer malbé la fusió, així com per excloure la ruptura dels elèctrodes quan entren en contacte amb la càrrega sòlida. El compliment d'aquest requisit proporciona protecció contra els modes anteriors en cas d'emergència o parada operativa del forn.
Forns d'arc elèctric com a consumidors d'electricitat
Els forns d'arc elèctric són un consumidor potent i desagradable del sistema elèctric. Funciona amb un factor de potència baix = 0,7 - 0,8, l'energia consumida de la xarxa varia durant la fusió i el mode elèctric es caracteritza per freqüents pujades de corrent, fins a la ruptura de l'arc, curtcircuits operatius. Els arcs generen harmònics d'alta freqüència que no són desitjables per a altres consumidors i provoquen pèrdues addicionals a la xarxa elèctrica.
Per augmentar el factor de potència, els condensadors es poden connectar a les barres de la subestació elèctrica principal, alimentant els grups de forns, ja que amb xocs actuals potència reactiva fluctua dins de grans límits, cal garantir la possibilitat de canviar ràpidament aquesta capacitat. Per a aquesta regulació, podeu utilitzar alta tensió interruptors de tiristorscontrolat pel circuit per mantenir el CM proper a 1. Per combatre els harmònics més alts, s'utilitzen filtres afinats als harmònics més intensos.
S'utilitza àmpliament la distribució de subestacions de forn per a una font d'alimentació independent connectada a altres consumidors per a tensions de 110, 220 kV. En aquest cas, la distorsió de les corbes de corrent i tensió per a altres consumidors es pot mantenir dins dels límits acceptables.