Дуговая печь – это печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги. Основным назначением такой печи является плавление высоколегированных сталей, но также возможна плавка и других материалов. Первую промышленную дуговую печь построили в позапрошлом столетии во Франции.

По своей конструкции промышленные дуговые печи разделяются на три категории:

1. печи прямого нагрева – электрическая дуга горит между электродами и расплавленным металлом (рис. 1, a).

2. печи косвенного нагрева – электрическая дуга горит только между электродами. Передача тепла от дуги нагреваемому изделию происходит посредством излучения (рис. 1, б).

3. печи с закрытой дугой – нагреваемый материал находится вокруг электродов, дуга горит под материалом. Передача тепла от дуги нагреваемому изделию происходит посредством излучения, также от прохождения электрического тока по расплавленному материалу (рис. 1, в).

рис. 1

Дуговые печи находят применение в металлургии для выплавки стали и чугуна, а также в химической промышленности для производства карбида кальция, фосфора и т.д.

Электрическая энергия от печного трансформатора подаётся на электроды посредством медных шин или кабелей с водяным охлаждением. Электроды обычно угольные, реже графитовые, имеют круглое сечение. Для регулирования температуры электроды автоматически поднимаются и опускаются. Они соединены с трансформатором кабелями, также с водяным охлаждением. Самыми распространёнными являются трёхфазные дуговые печи, дуга в которых горит между тремя электродами и расплавленным металлом (печь прямого нагрева).

Дуговая печь представляет собой мощный высокомеханизированный и автоматизированный агрегат, который позволяет эффективно использовать работу печи.

Конструктивно дуговые печи выполняются в круглом корпусе, который имеет огнестойкую футеровку. В стенках печи есть одно или два окна и выпускное отверстие с жёлобом для слива металла. В своде дуговой печи находятся отверстия для электродов, отверстия снабжены водяным охлаждением. Дуговая печь устанавливается на подвижное основание, которое при помощи электро- или гидропривода позволяет наклонять её.

Ёмкость дуговой печи может варьироваться от нескольких до 400 тонн, а температура до 1800°C. дуговые печи, используемые в лабораториях, могут иметь ёмкость в несколько десятков граммов, но температура в них может достигать 3000°C.

Современные печи снабжаются трансформаторами мощностью до 85000 kVA, вторичное напряжение которых варьируется от 400 до 900 V, а вторичный ток до 44 kA. Для расплавления 150 - 300 тонн металла требуется 30-40 минут. Расход электроэнергии составляет примерно 300 kWh на одну тонну металла.

1. графитовый электрод диаметром 710mm
2. держатель электрода
3. крышка
4. промежуточное кольцо с водяным охлаждением
5. корпус
6. вспомогательная дверь с водяным охлаждением
7. электропривод для поворота печи
8. электропривод для наклона печи
9. сливной жёлоб
10. подвижный токопровод с водяным охлаждением

Электрооборудование и схемы дуговых печей

Трёхфазная дуговая печь прямого нагрева предназначена для плавки стали, в основном, высоколегированных сталей. Температура в таких печах составляет 1600 °C и выше. Корпус печи (1) состоит из сферической нижней части (17) и цилиндрического корпуса с огнеупорной изоляцией (3), жёсткость которому придаёт кольцо (4).

Слив расплавленного металла (15) происходит через жёлоб (2). В корпусе печи есть окно (14). Оно предназначено для визуального наблюдения за процессом плавки. Свод печи (6) препятствует утечке газов и тепла. Открывание и закрывание свода происходит при помощи цепей (12), прикреплённых к кольцу (5). Угольные электроды (7) находятся в гнёздах (8), их включение в сеть производится посредством гибкого кабеля. Регулирование высоты электродов происходит при помощи механизма с электро- или гидроприводом, который состоит каретки (10), двигающейся по стойке (9), установленной на платформе (11). Платформа (11) в свою очередь установлена на опорной стойке (13). Для наклона печи при сливе металла предназначены ролики (18), наклон осуществляется реечным или винтовым устройством или с помощью гидропривода.

При помощи этого же механизма можно наклонить печь на 10-15° в направлении окна (14) для удаления шлака.

Для загрузки печи предусмотрена специальная корзина (19), которая перемещается, например, при помощи мостового крана. Дно корзины состоит из сегментов, для загрузки и разгрузки корзины сегменты открываются наружу.

Загрузка печи скрапом происходит сверху, для чего поднимаются электроды и свод печи, затем вся верхняя часть вместе с платформой поворачивается в горизонтальной плоскости на 80 – 100° в сторону. Закрывание печи происходит в обратном порядке.

Ёмкость печи – это максимальное количество металла, которое можно расплавить в печи за один процесс плавки.

Дуговая печь косвенного нагрева (рис. 1-18) является однофазной и предназначена для плавки цветных металлов, рабочая температура такой печи составляет 1300 – 1400 °C.

В такой печи дуга горит над расплавленным металлом, поэтому она и называется печью косвенного нагрева. Благодаря этому уменьшается угар и испарение металла.

Цилиндрический или бочкообразный корпус печи (1) с футеровкой (2) из огнеупорного материала (2) снабжен кольцами (5), которые покоятся на четырёх опорах посредством роликов (3). В центральной части корпуса находится окно (11), которое предназначено для загрузки печи и слива металла через жёлоб (13). Окно оборудовано дверцей (12). Графитовые электроды (9) находятся в гнёздах (10) по горизонтальной оси корпуса. Электроды соединятся в сеть посредством гибких кабелей, для регулирования расстояния между электродами

предусмотрены механизмы как с ручным (8) так и электрическим (7) приводом, а также направляющие (6) (на данной схеме регулирование правого механизма производится только вручную). В ходе плавки происходит постоянное покачивание корпуса печи на роликах (3) при помощи реверсивного электропривода (4). Это необходимо, прежде всего, для охлаждения футеровки печи, поскольку температура расплавленного металла ниже температуры футеровки, а также для перемешивания металла. Благодаря этому продлевается срок службы дуговой печи.

Электрооборудование дуговых печей

Электрооборудование дуговых печей состоит из печи, вспомогательных механизмов с электро- или гидроприводом, печного трансформатора, токопроводы ( так называемая короткая сеть) (гибкий кабель или шины), высоковольтного распределительного устройства, регулятора мощности, а также щита управления с контрольными, регулирующими, измерительными аппаратами. Дуговые печи являются очень мощными потребителями электроэнергии (1000 – 10000 kW). Например, для расплавления одной тонны скрапа расходуется 400 – 600 kWh электроэнергии. Поэтому для питания печей используются понижающие трансформаторы с первичным напряжением 6, 10 или 35 kV и вторичным напряжением от 320 V (малые и средние печи) до 510 V (большие печи).

Для питания дуговых печей используются специальные подстанции, состоящие из трансформатора и индивидуального распределительного устройства, которые для уменьшения электрических потерь всегда располагаются в непосредственной близости от печи (печей).

В электроприводах оборудования дуговых печей обычно используются трёхфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В зависимости от мощности самой печи мощности таких двигателей составляют от 1-2 до 20-30 kW. Для регулирования высоты электродов используются двигатели постоянного тока (ДПТ). В сравнении с трёхфазными двигателями ДПТ имеют более широкий диапазон регулирования скорости вращения. Скорость вращения ДПТ регулируется при помощи статических силовых преобразователей (например, тиристорные). Раньше для этих целей применялись электромашинные усилители. Для перемешивания расплавленного металла в печах ёмкостью более 20 тонн предназначены различные устройства, работающие по принципу вращающегося магнитного поля. Под днищем печи, которое изготовлено из немагнитного материала, расположен статор с двумя обмотками, токи в которых сдвинуты на 90º. Благодаря этому возникает вращающееся магнитное поле, направление вращения которого при необходимости можно изменить путём переключения обмоток. Частота тока в обмотках 0,3 – 1,1 Hz, для их питания используются электромашинные усилители или тиристорные преобразователи.

Двигатели электроприводов оборудования дуговых печей работают в очень тяжёлых условиях (запылённость, высокая температура), поэтому эти двигатели имеют жаростойкую изоляцию и закрытую конструкцию.

Трансформаторы дуговых печей

Для питания дуговых печей используются трёхфазные масляные трансформаторы специального назначения, помимо ёмкости печи, мощность этих трансформаторов является одним из основных параметров, от которого зависит продолжительность плавки. Например, в печи ёмкостью до 10 тонн расплавление металла занимает 1 – 1,5 часа, в печах ёмкостью до 40 тонн – 2,5 часа.

На всём протяжении процесса плавки напряжение питания дуговой печи необходимо регулировать в широких пределах. На первом этапе происходим расплавление скрапа, потребляемая мощность печи при этом больше всего. В то же самое время горение дуги нестабильно, что в свою очередь требует повышенного напряжения. Расплавление скрапа по продолжительности примерно 50 % от всего процесса, а потребление мощности примерно 60 – 80 % от общего потребления. На втором и третьем этапе горение дуги стабилизируется, температура повышается и дуга удлиняется. На этих этапах происходит окисление и очистка расплавленного металла (выжигание вредных примесей и лишнего углерода). Затем напряжение печи уменьшается, что необходимо для укорачивания дуги, для уменьшения влияния избыточной температуры на футеровку и продление её срока службы.

Для обеспечения регулирования напряжения питания дуговой печи в первичной обмотке печного трансформатора предусмотрены отводы, которые позволяют регулировать напряжение питания дуги (12 и более ступеней). Вторичное линейное напряжение трансформаторов мощностью до 8000 kVA - U_min = 100-120 V и U_max = 220-320 V, у трансформаторов большей мощности U_min = 130-185 V и U_max = 370-510 V. Трансформаторы мощностью до 10000 kVA снабжены устройством, позволяющим регулировать напряжение трансформатора без нагрузки. Более мощные трансформаторы имеют устройство, позволяющее регулировать напряжение под нагрузкой. В случае с малыми печами используется от двух до четырёх ступеней регулирования, также используется более простой способ – переключение обмотки высшего напряжения из треугольника в звезду.

Для обеспечения стабильного горения дуги на переменном токе, а также для ограничения токов короткого замыкания и скачков напряжения относительное реактивное сопротивление всей установки должно быть 30 – 40 %. Реактивное сопротивление печных трансформаторов обычно составляет 6 – 10 % и реактивное сопротивление шинных мостов малых печей – в пределах 5 – 10 %. По этой причине в первичную цепь трансформатора включается реактор, который входит в комплект трансформаторной подстанции, его реактивное сопротивление составляет 15 – 25 %. Реактор представляет собой дроссель с ненасыщенным сердечником.

.

Пример электрической схемы силовых цепей дуговой печи (рис. 1-19):

Перечень элементов электрической схемы дуговой печи:

S1 – разъединитель
S2 – выключатель мощности (воздушный или масляный)
T1 – трансформатор напряжения (первичная обмотка печного трансформатора)
T2 – T4 – трансформаторы тока (первичная обмотка печного трансформатора)
L1 – L3 – реакторы
S3 – выключатель мощности
S4 – переключатель
T5 – печной трансформатор
T6 – T8 – трансформаторы тока (вторичная обмотка печного трансформатора)
T9 – трансформатор напряжения (вторичная обмотка печного трансформатора)

Действующая дуговая печь. Источник: www.youtube.com