ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области металлургии и литейного производства, а именно к устройству электродуговых печей постоянного тока.
Известна электродуговая печь постоянного тока, содержащая корпус плавильной камеры, свод и сводовый электрод, первый и второй подовые электроды, три электромагнита постоянного тока, множество термочувствительных элементов в виде термопар, блок управления электромагнитами, низковольтный источник постоянного тока. Множество термопар расположены выше уровня расплавленного материала на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга так, чтобы рабочие их спаи касались непосредственно нагреваемой поверхности слоя футеровки. Во избежание оплавления слоя футеровки термопары осуществляют контроль температуры на нем. Для возвращения электрической дуги к центру плавильной камеры в случае ее отклонения по внешнему ее диаметру установлены три электромагнита, центры которых расположены выше максимального уровня расплава металла внутри плавильной камеры, а оси указанных электромагнитов расположены под углом 120 градусов относительно друг друга. Регулирование положения дуги осуществляется в зависимости от перегрева области слоя футеровки, прилежащей к той или иной термопаре (см. полезная модель РФ RU №115453 U8, кл. F27B 3/08, публ. 27.04.2012 г.).
Недостатком известного устройства является не высокий диапазон управления расстоянием отклонением электрической дуги от центра электродуговой печи.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату принятым за прототип является электродуговая сталеплавильная печь постоянного тока, содержащая корпус плавильной камеры, свод и сводовый электрод, первый и второй подовые электроды, три электромагнита постоянного тока, множество термочувствительных элементов в виде термопар, блок управления электромагнитами, низковольтный источник постоянного тока. Множество термопар расположены выше уровня расплавленного материала на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга так, чтобы рабочие их спаи касались непосредственно нагреваемой поверхности слоя футеровки. Во избежание оплавления слоя футеровки термопары осуществляют контроль температуры на нем. Для возвращения электрической дуги к центру плавильной камеры в случае ее отклонения по внешнему ее диаметру установлены три электромагнита, центры которых расположены выше максимального уровня расплава металла внутри плавильной камеры, а оси указанных электромагнитов расположены под углом 120 градусов относительно друг друга. Регулирование положения дуги осуществляется в зависимости от перегрева области слоя футеровки, прилежащей к той или иной термопаре, (см. патент РФ на изобретение RU №2486717 C2, кл. H05B 7/18, публ. 27.06.2013 г.)
Недостатком известного устройства является не высокий диапазон управления расстоянием отклонением электрической дуги от центра электродуговой печи.
В процессе работы электродуговой печи постоянного тока после нескольких плавок начинается процесс выгорания футеровки, расположенной выше поверхности расплавленного металла. Наблюдения этого процесса показали, что электрическая дуга между центральным электродом - катодом и расплавом металла отклоняется от центрально-вертикального направления к одному из краев ванны расплавленного металла, где и происходит выгорание футеровки. Это приводит к выходу из строя всей печи и необходимости внепланового ремонта. Установлено, что отклонение электрической дуги происходит всегда примерно в один и тот же сектор или близко к нему. Диапазон отклонения электрической дуги в известных устройствах иногда недостаточен для эффективного управления в следствии невозможности создания высоких магнитных полей с помощью обычных электромагнитов с обмотками из медного провода.
Этот недостаток имеется во всех электродуговых печах постоянного тока. Исследования процесса отклонения дуги показали, что причиной отклонения является наличие внешнего магнитного поля, которое, проникая внутрь плавильной камеры, воздействует на электрическую дугу, представляющую собой поток заряженных частиц. Известно, что на движущуюся в магнитной поле заряженную частицу действует сила Лоренца, которая меняет траекторию движения заряженной частицы, не изменяя ее энергии. Дальнейшие исследования показали, что источником внешнего магнитного поля являются металлические конструкции, обрамляющие плавильную камеру. Намагничивание стальных конструкций происходит под действием магнитного поля подводящих токопроводов, по которым при работе печи протекают постоянные токи порядка 30-40 тысяч Ампер. Постепенное накопление намагниченности во внешних стальных конструкциях превращает их по сути в постоянные магниты. Магнитное поле внешних стальных конструкций без ослабления проникает через корпус плавильной камеры внутрь.
Возможность проникновения внешних магнитных полей внутрь плавильной камеры можно показать следующим образом. Известно, что напряженность (H) магнитного поля от проводника током (I) определяется выражением:
H=2I/4πR,
где I - ток в проводнике;
R - расстояние от проводника до данной точки.
3
В связи с этим при токе в угольном электроде I=36·10 А и R=2 м (радиус плавильной камеры), напряженность магнитного поля на корпусе сталеплавильной камеры равна:
3
3
H=2·36·10/4·π·2≈2,87·10 (А/м)
Соответственно индукция в стальном корпусе плавильной камеры составит:
o
-6
3
B=μ·μ·H=1000·1,256·10·2,87·10=3,6 (Тл), где
μ=1000 - относительная магнитная проницаемость материала корпуса печи;
o
-6
μ=1,256·10 (Гн/м) - абсолютная магнитная проницаемость (магнитная постоянная).
Магнитное поле, наводимое на корпусе плавильной камеры током центрального угольного электрода, превышает нормы для магнитного насыщения корпуса, а, следовательно, корпус плавильной камеры находится в насыщенном состоянии. Магнитнонасыщенный корпус плавильной камеры утрачивает свойство создавать размагничивающее поле для любого внешнего магнитного поля и внешнее поле стальных конструкций проникает внутрь корпуса без ослабления.
Результирующее магнитное поле от сложения внешнего и внутреннего магнитных полей взаимодействует с потоком заряженных частиц в электрической дуге и следствием этого взаимодействия является отклонение электрической дуги к краю плавильной камеры. В этом случае происходит перегрев соответствующей части футеровки и ее выгорание, что приводит к преждевременному выходу из строя всей печи.
Предлагаемая полезная модель решает задачу устранения существующих недостатков в работе дуговой электропечи, что позволит существенно увеличить срок службы футеровки и получить несомненный экономический эффект, связанный с уменьшением числа внеплановых ремонтов, а, следовательно, непроизводительных простоев электродуговой печи постоянного тока и получением дополнительного объема необходимого металла.
Технический результат изобретения заключается в увеличении срока износа слоя футеровки путем увеличении излучения дуги на металл и снижение излучения дуги на свод и слой футеровки плавильной камеры, повышении интенсификации процесса плавки за счет оперативности центрирования дуги при ее отклонении в плавильных камерах различных габаритов, снижении энергозатрат, повышении производительности дуговых сталеплавильных печей и КПД.
Технический результат устройства достигается тем, что в электродуговую печь постоянного тока, содержащую корпус плавильной камеры, образованный металлической оболочкой со слоем футеровки из огнеупорного неэлектропроводящего материала, рабочее окно, сливной желоб, свод и сводовый электрод, расположенный по оси плавильной камеры, по меньшей мере два подовых электрода, смещенных относительно оси плавильной камеры, электромагниты с катушками, термопары, рабочие спаи которых расположены непосредственно на поверхности слоя футеровки, в том числе под тонким слоем ее обмазки, а остальная часть термопар закреплена слоем обмазки футеровки на торце плавильной камеры, рабочие спаи термопар установлены на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга, блок управления электромагнитами, число входов которого равно числу термопар, а число выходов равно числу электромагнитов, блок управления электромагнитами представляющей собой многовходовый программируемый микроконтроллер имеющий выходы, выполненные в виде коммутирующих элементов типа твердотельное реле, блок управления электромагнитами выполнен заодно целое с дополнительным низковольтным источником постоянного тока, центры электромагнитов постоянного тока расположены на одинаковом уровне по высоте в горизонтальной плоскости, поверхности электромагнитов, обращенные к плавильной камере, параллельны оси плавильной камеры, а намотка их катушек выполнена в одном направлении, центры электромагнитов расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в окружность, содержащую эти центры так, что градусная мера по окружности между двумя соседними центрами составляет 120 градусов, поверхности электромагнитов, обращенные к плавильной камере, параллельны касательным, проведенным через центры электромагнитов к окружности, содержащие данные центры, а оси этих электромагнитов, проходящие через их центры перпендикулярно указанной поверхности электромагнитов, расположены в одной плоскости с пересечением в центре плавильной камеры, причем угол между их осями составляет 120 градусов, а выводы катушек электромагнитов подсоединены к выходам блока питания, электромагниты расположены на боковых сторонах корпуса плавильной камеры не ниже максимального рабочего уровня расплавленного металла и выполнены с возможностью работы на постоянном токе, множество термопар установлены выше максимального рабочего уровня расплавленного металла с возможностью измерения температуры на поверхности слоя футеровки корпуса плавильной камеры, введены три (управляющих электрической дугою) электромагнита постоянного тока выполненные со сверхпроводящими обмотками на базе сверхпроводящего материала.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному.
Фиг. 1 изображает в изометрии электродуговую печь постоянного тока (с разрезом).
Фиг. 2 изображает электродуговую печь постоянного тока, вид сверху.
На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:
1 - металлическая оболочка (корпуса плавильной камеры);
2 - слой футеровки (из огнеупорного неэлектропроводящего материала);
3 - свод (крышка);
4 - сводовый электрод (центрированный катод);
5 - первый подовый электрод (первый анод);
6 - второй подовый электрод (второй анод);
7 - токоподвод к сводовому электроду 4;
8 - токоподводы к первому и второму подовым электродам 5, 6;
9 - электромагниты постоянного тока со сверхпроводящими обмотками;
1
2
3
24
10 - термопары (t, t, t…t -
- номера термопар от первой до двадцать четвертой);
11 - блок управления электромагнитами 9 со сверхпроводящими обмотками (выполненный в виде многовходового программируемого микроконтроллера);
12 - сливной желоб;
13 - рабочее окно;
14 - минимальный рабочий уровень расплавленного материала (плоскость расплава на его минимальном уровне);
15 - максимальный рабочий уровень расплавленного металла (плоскость расплава на его максимальном уровне);
16 - ось плавильной камеры;
17 - рабочая поверхность электромагнита;
18 - правильный треугольник;
19 - касательные;
20 - окружность;
21 - ферромагнитные сердечники электромагнитов постоянного тока со сверхпроводящими обмотками 9;
22 - общий магнитопровод электромагнитов постоянного тока со сверхпроводящими обмотками 9;
23 -металлические конструкции, обрамляющие плавильную камеру;
24 - дополнительный низковольтный источник постоянного тока;
25 - выходы блока 11 управления электромагнитами постоянного тока 9 со сверхпроводящими обмотками.
Электродуговая печь постоянного тока содержит корпус плавильной камеры, образованный внешней металлической оболочкой 1 и внутренним слоем футеровки 2 из огнеупорного неэлектропроводящего материала, свод (крышку) 3 и, по меньшей мере, один сводовый электрод 4, являющийся центрированным катодом для получения электрической дуги, первый и второй подовые электроды 5, 6, смещенные относительно вертикальной оси 16 плавильной камеры и являющиеся анодами, токоподводы 7, 8 соответственно к сводовому электроду 4 и подовым электродам 5, 6, три электромагнита 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками, множество термочувствительных элементов (ТЧЭ) 10, блок 11 управления электромагнитами 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками, число входов которого равно числу термочувствительных элементов 10, а число выходов равно числу указанных электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками так, что все его входы подсоединены к соответствующим выводам термочувствительных элементов 10, а выводы катушек электромагнитов 10 подсоединены к выходам указанного блока 11, сливной желоб 12 для слива металла, рабочее окно 13 для наблюдения за процессом плавки.
Электромагниты 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками расположены на боковых сторонах корпуса плавильной камеры не ниже максимального рабочего уровня 15 расплавленного металла. Множество термочувствительных элементов 10 расположены выше максимального рабочего уровня 15 расплавленного металла. Блок 11 управления электромагнитами 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками представляет собой многовходовый программируемый микроконтроллер, с питанием от дополнительного низковольтного источника 24 постоянного тока, при этом он имеет выходы 25, выполненные в виде коммутирующих элементов типа твердотельное реле. Блок 11 управления может быть выполнен заодно целое с указанным источником 24 постоянного тока.
Термочувствительные элементы 10 представляют собой термопары, рабочие спаи которых расположены непосредственно на поверхности слоя 2 футеровки, а остальная их часть (проводники) надежно закреплена, например, слоем материала обмазки (например, шамотной глины) футеровки 2 на кольцевом торце плавильной камеры. Термопары предпочтительно разместить на расстоянии не более 0,5 метров друг от друга по внутренней поверхности плавильной камеры ближе к верху слоя 2 футеровки так, чтобы рабочие их спаи касались непосредственно нагреваемой поверхности слоя 2 футеровки, не имея гальванической связи с расплавом металла. Рабочие спаи термопар можно также закрепить тонким слоем (от одного до двух миллиметров) обмазки футеровки.
Электромагниты 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками установлены на внешней стороне корпуса плавильной камеры и их поверхности 17, обращенные к плавильной камере, расположены параллельно вертикальной ее оси 16.
Центры электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками расположены на одинаковом уровне по высоте в горизонтальной плоскости, причем указанная горизонтальная плоскость, содержащая центры электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками, расположена выше плоскости расплава металла в плавильной камере на его максимальном уровне 15. Кроме того, центры электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками расположены в вершинах правильного треугольника 18, вписанного в окружность 20, содержащую эти центры так, что градусная мера по окружности между двумя соседними центрами составляет 120 градусов.
Поверхности 17 электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками параллельны касательным 19, проведенным через их центры к окружности 20, содержащие данные центры, а оси этих электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками, проходящие через их центры перпендикулярно поверхности 17 электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками, расположены в одной плоскости с пересечением в центре плавильной камеры, причем угол между осями составляет 120 градусов.
Катушки электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками намотаны сверхпроводящим проводом, что позволит снизить их сопротивление, потери на нагрев провода, увеличить рабочие токи и напряженность магнитного поля, расширить диапазон управления положением дуги относительно центра печи. Использование сверхпроводящего провода позволит существенно улучшить энергетические показатели печи. Сверхпроводящий провод может быть изготовлен например по технологии CIC - cable in conduit «кабель-кандуит» (кабель в оболочке), приведенной в патенте РФ («Сверхпроводящий провод типа «кабель кондуит» для обмоток магнитных систем», RU №2456696 H01B 12/08, публ. 27.06 2012 г.) или по нанокомпозиционный технологии приведенный в патенте РФ («Сверхпроводящий провод на основе Nb3Sn», RU №2522901 кл. H01B 12/06 публ. 20.07.2014 г.).
Все три электромагнита 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками установлены на корпусе электродуговой печи так, что намотка их катушек расположена в одном направлении. Начала и концы сверхпроводящих обмоток катушек электромагнитов 9 постоянного тока подключены к выходам блока 11 управления, к входам которого подключены выходные концы термопар.
Электромагниты 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками могут быть выполнены дополнительно с ферромагнитными сердечниками 21 (в виде стержней), один конец каждого из которых закреплен на внешней стороне корпуса плавильной камеры, а вторые концы могут быть замкнуты между собой общим магнитопроводом 22.
Устройство работает следующим образом. При поднятом и отодвинутом своде 3 происходит загрузка шихты таким образом, чтобы поверхность расплава находилась в пределах от минимального рабочего уровня 14 до максимального рабочего уровня 15 расплавленого металла. Затем свод 3 закрывают и сводовый электрод 4 опускают в рабочее пространство плавильной камеры. После зажигания дуги сводовый электрод 4 поднимают вверх, дуга сводового электрода 4 горит над шихтой, прорезая в ней колодец. В этот момент работают оводовый электрод 4, первый и второй подовые электроды 5, 6, что обеспечивает вертикальное горение дуги.
В процессе расплавления часть стен плавильной камеры освобождается от шихты и попадает под прямое излучение дуги, то есть она уже не экранирована шихтой и интенсивно излучает на слой 2 футеровки стен плавильной камеры. Таким образом, полезная мощность дуги уменьшается, коэффициент полезного действия составляет 0,56-0,59. Температура слоя 2 футеровки повышается также при отклонении дуги от центра под действием магнитных полей металлических конструкций 23, обрамляющих плавильную камеру снаружи. Во избежание оплавления слоя футеровки 2 термочувствительные элементы 10 в виде термопар осуществляют контроль температуры на указанном слое футеровки 2. Для возвращения электрической дуги к центру плавильной камеры в случае ее отклонения по внешнему диаметру корпуса плавильной камеры установлены три электромагнита 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками (соленоиды), центры которых расположены выше максимального уровня 15 расплава металла внутри плавильной камеры, а оси указанных электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками расположены под углом 120 градусов относительно друг друга. Таким образом, достигается симметрия установки электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками, оси действий которых пересекаются в центре плавильной камеры под центральным сводовым электродом 4. Суммарное магнитное поле электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками регулируется токами, протекающими по их катушкам. Регулирование осуществляется по специальному алгоритму в зависимости от перегрева области слоя 2 футеровки, прилежащей к той или иной термопаре.
В блоке 11 управления электромагнитами 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками токовые сигналы термопар обрабатываются, сравниваются попарно между собой и по очереди с эталонными данными, находящимися в блоке 11, и по результатам, полученным при анализе по определенному алгоритму, формируются выходные сигналы, поступающие на входы трех электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками.
Выходные сигналы блока И управления электромагнитами 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками предпочтительно формировать в виде постоянных токов определенных направлений. Протекающие по катушкам электромагнитов постоянного тока 9 со сверхпроводящими обмотками токи создают магнитные поля, направления которых совпадают с направлениями осей электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками (соленоидов), проникают внутрь плавильной камеры и образуют векторную сумму индукций , ,  магнитных полей соответственно для первого, второго и третьего электромагнитов (фиг. 2).
1
2
3
Суммарная индукция равна нулю, если токи в электромагнитах 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками (соленоидах) равны нулю или имеют одинаковую величину и направление в каждой катушке электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками (соленоидов): I=I=I=0 и .
1
2
3
i
i
i max
i
В случае отклонения электрической дуги к какому-либо краю плавильной камеры соответствующий сектор слоя 2 футеровки начинает перегреваться и соответственно с термочувствительного элемента 10 (термопары), расположенного в этом секторе, в блок 11 управления электромагнитами 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками поступает сигнал, свидетельствующий о нарушении режима работы электродуговой печи. В соответствии с поступившим сигналом на выходе блока 11 управления формируется управляющий сигнал, представляющий собой систему токов I, I, I, значения и направления которых определяются величиной и знаком коэффициента передачи тока (K, где i=1,3) в катушки электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками, т.е. I=I·K, i=1,3.
В соответствии с этим суммарная индукция магнитного поля, создаваемого токами, определится как векторная сумма индукций от катушек электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками с токами:
;
- векторная сумма.
1
2
3
24
В блоке 11 управления электромагнитами постоянного тока 9 со сверхпроводящими обмотками определяются величины и направления токов в катушках электромагнитов 9 постоянного тока со сверхпроводящими обмотками при повышении температуры горячего спая какой-либо термопары (t, t, t…t) выше заданной температуры:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
Взаимодействие суммарного магнитного поля с потоком заряженных частиц - электрической дугой определяет силу Лоренца, действующую на электрическую дугу в обратном направлении, и электрическая дуга смещается к центру плавильной камеры. Этим решается одна из важнейших задач - увеличение срока службы электродуговой печи постоянного тока между соседними плановыми регламентными работами с получением высокого экономического эффекта.
Электродуговая печь имеет простую конструкцию, что обеспечивает ее долговечность. Использование кратковременного режима включения электромагнитов позволяет снизить затраты на электроэнергию. Предлагаемое устройство просто в изготовлении, легко монтируется, не требует обслуживания в процессе эксплуатации, исключает влияние паразитных магнитных полей на дугу, стабилизация положения которой в плавильной камере устраняет разрушающее ее воздействие на футеровку. По сравнению с прототипом достигается увеличение КПД, исключение разрушения футеровки, возможность переоборудования любых электродуговых печей постоянного тока с одним или двумя подовыми электродами. Использование предлагаемого устройства наиболее эффективно при создании высокомощных большегрузных дуговых сталеплавильных печей постоянного тока в цехах металлургических и машиностроительных предприятий.
Достоверный контроль температуры футеровки с оперативным управлением положения дуги позволяет увеличить излучение дуги на металл, снизить излучение на свод (крышку) и стены (футеровку), вследствие чего повысится КПД, снизится расход электроэнергии и повысится производительность печи. Предлагаемое устройство позволяет достичь следующих результатов: повышение КПД на 12÷17%, повышение производительности примерно в два раза за счет двукратного увеличения срока службы слоя футеровки и, как следствие, сокращение удельного расхода электроэнергии не менее чем на 7-8%. Кроме того, компенсация внешних магнитных полей улучшает экологическую чистоту пространства вокруг электродуговой печи.