ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ
ELECTRIC CIRCUIT FOR ELECTRIC ARC FURNACE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электрической цепи для электродуговой печи переменного тока и позволяет изменять геометрию вторичной цепи печи для регулирования сопротивления по меньшей мере одной из фаз.
Уровень техники
Дуговые печи применяются в железообрабатывающей промышленности для производства сырьевых материалов или сплавов путем расплавления компонентов нагревом. В последние годы применение дуговых печей для производства стали значительно возросло. Это обусловлено ростом количества производств, размерами печей и преимуществами, предлагаемыми данными устройствами, среди которых:
- возможность нагрева до более высоких температур (выше температур, достигаемых при использовании топливных печей);
- простое, точное регулирование рассеиваемой мощности;
- очень высокая плотность энергии благодаря электродуговой плазме;
- более низкие финансовые вложения, необходимые для постройки печи.
Дуговая печь является единственным видом оборудования, где независимо от загружаемого материала могут быть произведены все существующие марки сталей, от обычных сталей до высококачественных марок стали.
Дуговые печи, наиболее широко применяемые в железообрабатывающей промышленности, можно разделить на следующие типы:
- печи прямого действия (или с открытой дугой);
- печи косвенного действия (или с ненаправленной дугой), в которых электрическая дуга не входит в контакт со скрапом, а тепло передается излучением;
- печи сопротивления (или с погружной дугой), в которых дуга погружена в расплавленный материал.
Печи прямого действия являются наиболее распространенными в производстве стали, температура в таких печах достигает выше 3000°С, загрузочная емкость печей варьируется от 100 до 300 тонн, в печах данного типа (с трехфазным питанием) дугу устанавливают между тремя графитовыми электродами и скрапом, либо ванной расплавленной стали.
Три электрода запитаны трехфазным электрическим током, как правило, имеющим частоту сети, где с позиции электротехники шихта, то есть материал, подлежащий расплавлению, является средней точкой при соединении звездой, а каждая из трех дуг, устанавливаемых между каждым электродом и металлом в изоляционном огнеупорном котле, представляет собой однофазный заряд.
В электроустановках питания известных печей прямого действия трансформатор печи обычно имеет обмотки по схеме «звезда-треугольник», поскольку такая обмотка показывает сравнительно лучший результат при несимметричном трехфазном питании на вторичной обмотке. Действительно, униполярный ток несимметрии может свободно циркулировать на вторичных обмотках трансформатора, не нарушая синусоидальный сигнал напряжения, более того, реактивность обмотки представляет собой реактивность, необходимую для образования дуги.
Более высокая электропроводимость обеспечивает установление более устойчивой дуги; так, сравнительно меньшая проводимость ведет к большему сопротивлению дуги, и стабильность достигается благодаря высокой термоэмиссионной мощности электрода, низкому ионизационному потенциалу газа и высокой температуре плазмы, что в свою очередь вызвано низкой проводимостью газов. В любом случае в электроустановках питания дуги обозначены предельные значения длины дуги, напряжения холостого хода и сопротивления стабилизации, при несоблюдении которых дуга либо не будет установлена, либо не будет поддерживаться. Факторами, влияющими на стабильность дуги при питании переменным током, являются:
длина дуги: более короткие дуги обладают большей стабильностью (как и в системах постоянного тока);
среда, в которой устанавливают дугу: в среде с более высокой ионизацией образуется более стабильная дуга (как и в системах постоянного тока);
частота тока: дуга более стабильна при более высоких частотах, поскольку в этом случае показатель ∂v/∂t выше и выше скорость увеличения напряжения после перехода тока через нуль. Это облегчает процесс высвобождения заряда электродами и процесс повторной установки дуги. Кроме того, при более высоких частотах благодаря тепловой инерции создаются более благоприятные условия для повторной установки дуги.
Из уровня техники известны недостатки, связанные с вторичными цепями с трехфазным питанием в печах переменного тока. Вторичная цепь питания печи представляет собой участок цепи, пролегающий от трансформатора печи до электрической дуги. Данный участок содержит:
- жесткое неподвижное соединение между трансформатором и гибкими кабелями, обеспечивающее подсоединение фаз или замыкание треугольника в соответствии с вторичным подключением трансформатора;
- гибкие кабели, обеспечивающие стационарное подсоединение трансформатора к электрододержателям и позволяющие осуществлять перемещение электрододержателей по вертикали с целью изменения положения электродов по отношению к печи в вертикальной плоскости;
- электрододержатели, по одному на каждую фазу, в общем плане состоящие из жесткого поперечного элемента, который может быть передвинут по меньшей мере в вертикальной плоскости при помощи соответствующих систем управления, и имеющие на концах подсоединение к гибким кабелям с одной стороны и захваты для фиксации электрода с другой;
- изготовленные, как правило, из графита расходуемые электроды, от которых начинается установление дуги.
Трансформатор, применяемый в качестве регулятора вторичного напряжения, то есть напряжения последовательной нагрузки цепи к дуге, характеризуют:
- мощные токи вторичной обмотки с вероятностью частых коротких замыканий (зачастую вторичное сопротивление является очень низким);
- мощные электродинамические нагрузки;
- необходимость регулировать вторичное напряжение в пределах достаточно широкого диапазона значений, с учетом высокой изменчивости общего эквивалентного сопротивления под нагрузкой далее по цепи.
В условиях присутствия значений вторичных токов и высокого коэффициента снижения напряжения вторичная цепь почти всегда состоит из параллельных, либо нескольких отдельных, или, по меньшей мере, парных витков. Мощность печи регулируют, изменяя напряжение питания и силу тока на электродах. Напряжение регулируют переключением под нагрузкой, для чего почти всегда используют дополнительные разъемы первичной цепи трансформатора.
Поэтому в электрических печах, например, печах трехфазного тока, необходима как можно более сбалансированная вторичная цепь, то есть цепь, имеющая в целом одинаковое сопротивление во всех фазах, для того, чтобы обеспечить неизменный поток электроэнергии и, таким образом, отсутствие несимметрии циркулирующих токов. Несимметрия токов между разными фазами вторичной цепи становится причиной перегрева и возникновения точек пережога в печи и, как следствие, негативно сказывается на качестве и производительности процесса плавления из-за несимметричного распределения электрической дуги. При более высоком циркулирующем токе данный недостаток выражен еще больше. В частности, существует риск возникновения так называемой «дикой» фазы, когда одна из наружных фаз имеет повышенную мощность в случае несимметрии сопротивлений, в то время как другая фаза имеет пониженную мощность. Помимо недостатков, связанных с качеством и производительностью плавления, это также приводит к быстрому износу огнеупорных материалов на стороне фазы с повышенной мощностью.
Как правило, несимметрия фаз, рассчитываемая в соответствии с описанием специальных стандартов (например, см. стандарт Италии CEI EN 60676), не должна превышать 7%, однако иногда устанавливают более жесткие требования, согласно которым несимметрия гарантированно должна быть ниже 3-4%. В любом случае следует отметить, что несимметрию измеряют в стандартных условиях, то есть условиях, когда в электрододержателях установлены новые электроды; причем электроды закреплены таким образом, что электрододержатели находятся параллельно друг другу, а длина электродов от электрододержателя до наконечника одинакова во всех трех фазах. Принято считать нормой, что значение несимметрии в условиях реальной эксплуатации будет выше из-за наличия допусков на изготовление и/или сборку компонентов, перемещения кабелей во время работы, меняющейся с течением времени длины электродов, высоты электрододержателей и других факторов.
Изменение индуктивного сопротивления одной или нескольких фаз путем изменения геометрии самих фаз для снижения несимметрии известно из уровня техники (см., например, документ ЕР 0738099). В соответствии с известным решением геометрию трех фаз меняют у электрододержателей, которые, однако, подвержены смещению друг относительно друга и абсолютному перемещению в зависимости от высоты электрода и этапа процесса. Тот факт, что точка регулирования траектории подвержена изменениям, влечет за собой вариативность результатов самой регулировки: заданная модификация траектории фазы может иметь результаты, отличающиеся в зависимости от окружающих условий. Более того, участок цепи, на котором производят регулирование, расположен близко к печи и, соответственно, в загрязненной зоне, чувствительной к газам, что может значительно сократить срок службы электромеханических элементов системы регулирования.
Другое известное решение, касающееся контроля несимметрии фаз дуговой печи, предложено в заявке US 5940426, где описано использование адаптеров, особым образом выполненных и применяемых на электродах печей как постоянного, так и переменного тока. Такие адаптеры, помимо функции простого поддерживания, образуют дополнительный реактор в контуре электроснабжения печи. Однако несимметрия фаз может быть уменьшена только частично и, более того, данное решение требует повторного вычисления и соответствующего изменения конфигурации проводящих элементов, содержащихся в каждом адаптере. Это усложняет условия эксплуатации и увеличивает связанные с данным применением затраты.
Еще одно устройство, используемое во вторичной цепи трансформатора для управления сопротивлением, описано в публикации DE 3814261 A1. В документе раскрыто применение подвижного контакта для замыкания цепи, представленного витком, имеющим заранее определенный размер. Этого достигают путем установки концов витков в опоры. В этом случае геометрия цепи является заранее определенной и остается неизменной, и таким образом отсутствует возможность динамически воздействовать на сопротивление и, следовательно, контролировать несимметрию фаз.
Однако во всех описанных выше решениях невозможно воздействовать на сопротивление фаз во время работы установки и, таким образом, работа печи должна быть остановлена.
Еще одно решение приведено в документе US 4663764, согласно которому симметрии трех дуг во время работы печи достигают, пытаясь компенсировать несимметрию сопротивления фазы. Для этого электроды передвигают, уравнивая длины дуг и воздействуя по отдельности на каждый из трех регуляторов трансформатора для изменения по меньшей мере одного из вторичных напряжений. Таким образом, данное решение представляет собой систему регулирования рабочей точки, то есть систему для электрического уравнивания параметров трех дуг. Однако такое решение не позволяет обеспечить симметричную с позиции электротехники вторичную цепь.
Путем изменения вторичных напряжений можно достичь более сбалансированных параметров дуги, однако данное решение также имеет недостаток, заключающийся в необходимости использовать специальный трансформатор с отдельными, имеющими собственное управление переключателями ответвлений. Кроме того, недостатками данного решения являются более высокие затраты и более сложная конструкция, невозможность использования запасных трансформаторов, которые не являются аналогичными указанному выше специальному трансформатору и другие.
При этом переключатели ответвлений работают непрерывно, выполняя большое количество операций, в том числе операции нормальной эксплуатации и операции, необходимые из-за вышеупомянутых регулировок электродов и регуляторов. Это приводит к необходимости более часто проводить техническое обслуживание переключателей и соответственному увеличению затрат. Эксплуатация при несимметричных трехфазных напряжениях может подразумевать эксплуатацию трансформатора под большей нагрузкой, либо необходимость использовать трансформатор увеличенного размера, например, с увеличенными магнитными цепями.
Наконец, данное решение не может обеспечить непрерывное регулирование параметров процесса из-за недостаточно быстрого срабатывания переключателей ответвлений, и таким образом, невозможно достичь непрерывного балансирования.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание вторичной цепи электродуговой печи, выполненной с возможностью регулировки сопротивления заданным образом, то есть независимо от положения электрододержателей, длины электродов и других внешних факторов.
Еще одной задачей заявленного изобретения является обеспечение вторичной цепи электродуговой печи, которая позволяет гарантировать несимметрию фаз не более 3% с тенденцией понижения до 0%.
Другой задачей изобретения является обеспечение вторичной цепи электродуговой печи, которая позволяет поддерживать низкую несимметрию фаз также и во время работы установки.
Еще одна цель изобретения заключается в создании вторичной цепи электродуговой печи, которая гарантированно может быть применена в существующих установках, то есть при так называемом «переоборудовании» на местах, где существуют проблемы с расстоянием между печью и стеной трансформаторной камеры, либо существующих конструкций, которые не могут быть модифицированы требуемым образом и имеют проблему несимметрии фаз.
Изобретение позволяет решить указанные и другие задачи за счет вторичной цепи с переменным сопротивлением одной или нескольких фаз электродуговой печи, причем вторичная цепь связана с трансформатором, имеющим выходные соединения, и содержит:
(a) жесткое неподвижное соединение для каждой фазы, подключенной к трансформатору;
(b) гибкие кабели, ближние концы которых соединены с неподвижным соединением;
(c) электрододержатели, соединенные с противоположными концами гибких кабелей;
(d) токопроводящие электроды, зафиксированные в соответствующих электрододержателях,
причем жесткое неподвижное соединение по меньшей мере одной фазы содержит по меньшей мере один виток с регулируемой геометрией, в котором сопротивление является непрерывно или дискретно регулируемым для получения необходимой величины сопротивления.
Изобретение предусматривает систему регулирования сопротивления одной или нескольких фаз вторичной цепи электродуговой печи для ограничения несимметрии между фазами. Регулирование производят путем изменения геометрии по меньшей мере одного витка, установленного на жесткой части вторичной цепи, что обеспечивает одинаковое воздействие на общее сопротивление, вне зависимости от положения электрододержателей, длины электродов или других факторов. Регулировка может быть произведена на одном или нескольких участках соединительной цепи. Кроме того, такую регулировку можно произвести различными методами, например, путем изготовления витка с варьируемыми размерами, или путем выполнения нескольких витков и соединения тех из них, которые подходят для требуемой регулировки, либо путем изготовления витка, который может быть наклонен для достижения необходимой регулировки.
Также вышеуказанные задачи достигают за счет способа адаптивного регулирования сопротивления вторичной цепи в соответствии с приведенным выше описанием. Способ содержит следующие этапы:
(i) рассчитывают сопротивление фазы, необходимое для достижения заранее установленной величины несимметрии;
(ii) определяют взаимосвязь между необходимым сопротивлением и регулированием геометрии витка и соответственно настраивают виток;
(iii) измеряют сопротивления фаз и рассчитывают несимметрию;
(iv) регулируют виток на основании величины несимметрии для достижения соответствующего изменения сопротивления;
(v) повторно измеряют сопротивления фаз и повторно рассчитывают несимметрию;
(vi) повторяют выполнение этапов (i) - (v) до достижения несимметрии, наиболее близкой к заранее установленной величине несимметрии.
В соответствии с приведенным далее подробным описанием адаптивное регулирование несимметрии заявленным способом может быть выполнено и во время работы дуговой печи, без необходимости выключать печь.
В соответствии с изобретением параметры дуги могут быть скорректированы, при этом нет необходимости использовать специальные трансформаторы с отдельными переключателями ответвлений, имеющие отдельное управление, то есть сохраняется преимущество применения стандартных трансформаторов и систем регулирования.
Краткое описание чертежей
Далее приведено подробное описание заявленного изобретения со ссылкой на чертежи, на которых представлены возможные варианты реализации изобретения.
На чертежах показаны:
Фиг. 1 - вид спереди витка печи, в соответствии с изобретением, в котором верхняя часть содержит передвижной поперечный элемент.
Фиг. 2 - схема дуговой печи, в которой выделены позиции элементов, образующие вторичную цепь и являющиеся предметом изобретения.
Осуществление изобретения
Как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, элементы и соответствующие соединения вторичной цепи электродуговой цепи обеспечивают подключение трансформатора 31 непосредственно к одной или нескольким фазам F1-F3 цепи. В свою очередь данные фазы подключены гибкими кабелями 33 к держателям 34 электродов 35, установленным внутри плавильной камеры печи 17. Характер соединений между трансформатором 31 и фазами F1-F3, а также между указанными фазами F1-F3, гибкими кабелями 33 и электродами 35 является определяющим для управления полученным в результате сопротивлением системы.
Вариант реализации изобретения, показанный на Фиг. 1, предусматривает наличие практически прямоугольного витка 11, верхняя сторона которого или поперечный элемент 12 может быть отрегулирован по высоте. Благодаря боковым крепежным элементам поперечный элемент 12 может быть установлен в различных положениях. Заданное направление поперечного элемента 12 относительно других элементов витка 11 не является обязательным, и таким образом поперечный элемент 12 может быть повернут, например, на 180° вверх относительно положения, показанного на Фиг. 1, для того, чтобы поднять элемент еще выше и следовательно увеличить ширину витка 11 по направлению вверх (согласно Фиг. 1). Так, регулируя положение поперечного элемента 12 и, таким образом, ширину витка 11, становится возможным отрегулировать общее сопротивление соответствующей фазы: при подъеме поперечного элемента вверх увеличивается ширина витка, повышая, таким образом, сопротивление вторичной цепи, к которой относится данный виток, и, наоборот, при перемещении поперечного элемента вниз возможно уменьшить сопротивление вторичной цепи.
Контакт между передвижным поперечным элементом 12 и сторонами 14 витка 11, вдоль которых элемент может быть сдвинут или перемещен, происходит у фланцев 131, 132, имеющих предпочтительно форму перфорированных листов или скользящих контактов. Система содержит крепежные элементы для фиксации передвижного поперечного элемента 12 на заранее установленном расстоянии от нижней стороны 13 витка 11, напротив верхней стороны поперечного элемента 12.
В данном варианте реализации изобретения виток 11 расположен перпендикулярно цепям других фаз F1, F2 и F3: это позволяет минимизировать их влияние друг на друга. По варианту изобретения, представленному на Фиг. 1, регулирование производят с дискретным расстоянием между точками, заданным положением крепежных элементов, например, болтов между поперечным элементом 12 и сторонами 14 витка 11. Согласно второму варианту реализации изобретения регулирование можно осуществлять в непрерывном диапазоне значений, например, путем использования скользящих контактов, позволяющих выполнять более точную настройку, а именно, позволяющих фиксировать поперечный элемент 12 на сторонах 14 витка 11 в сплошном диапазоне точек. Благодаря заявленному изобретению можно обеспечить несимметрию фаз не выше 3-4%, поскольку возможно установить оптимальное положение поперечного элемента 12, который позволяет получить величину несимметрии, близкую к нулю.
По второму варианту реализации изобретения виток 11 не содержит передвижной поперечный элемент 12, но может быть установлен под наклоном: направление наклона витка 11 регулируют с целью изменения взаимной индуктивности между различными цепями компонентов систем и регулируя, таким образом, сопротивление фазы витка 11.
В третьем варианте реализации изобретения сопротивление фазы витка 11 регулируют, перемещая передвижной поперечный элемент 12 или наклоняя виток 11.
Используя систему, заявленную в изобретении, можно производить установки с очень низкой величиной несимметрии. Более того, соответствующую фазу регулировки сопротивления можно выполнять без остановки, то есть во время работы установки. Заявленный способ может быть выполнен после первого включения печи или после замены деталей, которая может привести к изменениям вторичной цепи, например, замены электрододержателей. Непрерывное регулирование сопротивления фаз, то есть регулирование в течение всего процесса без необходимости выключения печи, может быть достигнуто, например, за счет использования скользящих контактов, либо изменения направления наклона витка 11, причем данное регулирование можно произвести, используя, например, исполнительные механизмы, такие как гидравлические цилиндры или прочие типы исполнительных механизмов. Последние также применимы и при дискретном регулировании.
Систему регулирования, заявленную в изобретении, предпочтительно, но необязательно устанавливать внутри трансформаторной камеры, как это показано на Фиг. 2, для защиты устройства и его наиболее хрупких элементов от условий среды сталеплавильного производства, от газов и пыли. Такое расположение также позволяет избежать помех вследствие близости печи и обеспечить более удобный доступ к оборудованию регулирования.
Ниже описан заявленный способ регулирования. В первую очередь, рассчитывают сопротивление фаз для системы и промежутков таким образом, чтобы получить необходимую величину несимметрии (например, <4%). Соответственно, определяют взаимосвязь между сопротивлением, требуемым для необходимой несимметрии, и положением поперечного элемента, причем каждое положение соответствует известному, отличающемуся от прочих сопротивлению, и закрепляют поперечный элемент в установленном положении. После этого измеряют сопротивления Z фаз и рассчитывают несимметрию по следующей формуле:
AS%
max
min
avg
Z-(Z-Z)/Z,
где:
max
Z - макс. сопротивление фазы,
min
Z - мин. сопротивление фазы и
avg
Z - среднее арифметическое сопротивлений всех фаз.
AS%
Если система управления печи определяет, что величина несимметрии Z слишком высока, положение поперечного элемента витка регулируют таким образом, чтобы уменьшить несимметрию: так, в варианте изобретения, представленном на Фиг. 1, поперечный элемент поднимают наверх для того, чтобы увеличить сопротивление соответствующей фазы, либо опускают вниз, чтобы уменьшить сопротивление.
AS%
После этого сопротивления Z фаз измеряют повторно, и повторно рассчитывают величину несимметрии Z. Данную последовательность этапов регулирования повторяют до тех пор, пока величина несимметрии не станет максимально близкой к нулю, или во всех случаях требуемой величине несимметрии.