Принцип действия ДСП. Экзотермические электрофизические процессы дугового разряда.

ДСП 1-го, 2-го, 3-го, 4-го поколений. Современные ДСП.

I поколения где Sn – номинальная мощность; Mo – вместимость.	Sn/Mo ≤ 0,25
II поколения – появляются стены сложного профиля.	Sn/Mo = 0,25–0,5
III поколения – водоохлаждаемый свод.	Sn/Mo = 0,5–0,75
VI поколения – длительность плавки, донный выпуск, внепечная обработка.	Sn/Mo ≥ 0,75

Современные ДСП.

Сверхмощные дуговые печи переменного и постоянного тока ха­рактеризуются высокими коэффициентами использования установленной энергетической мощности (не ниже 0,9), долей токового времени плавки (не ниже 0,75) и производительностью (не ниже 100 т/ч). Они используются в основном как высокопроизводительные агрегаты для выплавки по­лупродукта. Обеспечение заданного состава и температуры стали выделя­ется в самостоятельное звено и реализуется средствами внепечной обра­ботки. Подобное разделение оправдано с энергетической точки зрения, поскольку обеспеченная высшим энергетическим потенциалом дуговая печь не имеет права использовать этот потенциал только в течение при­мерно половины цикла плавки, как это происходит на печах, работаю­щих по устаревшим технологиям. Более того, современный набор техно­логий внепечной обработки позволяет выполнить эти операции в ковше более эффективно, чем в дуговой печи. Поэтому разработки конструкции современных дуговых печей и технологий плавки стали в них нацелены на повышение производительности агрегатов и оптимизацию энергопотребления при выполнении неизменно ужесточающихся требований по охране окружающей среды.

 

Конструкция и футеровка свода ДСП разных поколений.

Свод имеет такое же назначение, как и стены, но работает в еще более тяжелых условиях: более высокие тепловые нагрузки от дуг и от зеркала ванны из-за больших значений локальных и средних угловых коэффициентов; более резкие колебания температуры внутренней поверхности свода при открывании печи путем поворота свода. Конструкция свода осложняется необходимостью иметь отверстия для электродов (с соответствующей электроизоляцией, если материал свода обладает проводимостью), газоотсоса, кислородной фурмы, ТКГ и тд.

В зависимости от величины тепловой мощности печи свод может быть:

1-кирпичным сферическим (купольной) формы на печах обычной и повышенной мощности (1е и 2е покол.);

2-металлическим водоохлаждаемым на печах высокой и сверхвысокой мощности (3е и 4е покол.).

Целесообразно иметь h_пс/D_св=0,1…0,15 в зависимости от механической прочности огнеупорного кирпича.

Своды дуговых печей набирают преимущественно из термостойкого периклазохромитового кирпича марки ПСХУТ. Свод набирают вне печи на специальном шаблоне, имеющем форму внутренних очертаний свода с соотв знаками для необходимых отверстий.

Схема кладки может быть секторно-арочной, кольцевой или комбинированной с применением фасонных кирпичей. Сферичности кирпичной кладки достигают сочетанием прямого и клинового (торцевой клин) кирпича. Наибольшая прочность периклазохромитовых сводов достигается при h_пс= D_св /(7…8).

Стойкость периклазохромитовых сводов в зависимости от вместимости печи и сортамента выплавляемой стали составляет от 200…250 на малых печах, до 50…100 плавок-на крупных.

На печах высокой и сверхвысокой мощности целесообразно применять металлические водоохлаждаемые своды. Для уменьшения тепловых потерь рабочую поверхность водоохлаждаемым панелей следует обмазывать огнеупорным бетоном толщиной 50…70 мм. Металлоконструкцию изготовляют из немагнитных материалов в виде электроизолированных секций. Электродные отверстия выполняют либо в центральной сферической секции, что снижает эффективность применения водяного охлаждения свода в наиболее теплонапряженной его части, либо между футерованными фигурными секциями металлического свода.

В настоящее время применяют комбинированные водоохлаждаемые своды.

Прямой направленный РТО.

Возникает, когда короткие дуги при низких ступенях напряжения горят под толстым слоем шлака в вогнутом мениске на зеркале жидкометаллической ванны и передают тепловой поток излучения металлу и шлаку вблизи электродов. Нагрев металла происходит за счет внутренней теплопередачи теплопроводностью и электродинамической конвекции. Шлак нагревается за счет более нагретого металла. Свободное излучение дуги на футеровку практически отсутствует и Т_ф<Т_шлака<Т_ме.

 

D_{зоны горения} = D_{электрода}+4L_дуги (следует писать L малое) 

L_дуги = U_дуги – (U_катода+U_анода)/gradU_столба   

 (возможно, здесь U _{катодного пятна} и U _{анодного пятна})

 

Режим прямого направленного РТО способствует повышению стойкости футеровки, но затягивает расплавление шихты на откосах ванны в конце периода плавления, создает градиент температуры по радиусу шлаковой ванны и затрудняет проведение технологического процесса плавки. Ну а при недостаточной мощности дуг возможно даже снижение температуры жидкого металла!

Косвенный направленный РТО.

Возникает при работе печи на длинных дугах, на высоких ступенях напряжения, с малым количеством шлака, когда преобладает свободное тепловое излучение дуг в рабочее пространство печи, на футеровку стен и свода. Нагретая до 1900…2100 К футеровка становится мощным излучателем для зеркала шлаковой ванны; металл нагревается частично от горящих зон под дугами за счет теплопроводности и электродинамической конвекции и в основном теплопроводностью через шлаковую ванну, т.е. Т_ф>Т_шлака>Т_ме.

Всё это плохо для стойкости огнеупорной футеровки, но хорошо для более равномерной передачи тепла на поверхность ванны, повышению температуры и химической активности шлака.

При косвенном РТО тепловой поток на ванну поступает через всю площадь зеркала.

D_о = D_ме +(h_шлака+h₃ + h₄)

Тут: D_о – диаметр ванны на уровне откосов;

               D_ме – диаметр зеркала ванны;

    h_шлака – толщина слоя шлака, определяемая по технологически необходимому количеству шлака;

    h₃ – высота от зеркала шлаковой ванны до уровня порога рабочего окна 20…40 мм;

     h₄ – высота от уровня порога до рабочего окна до уровня откосов (30…70мм).

КИП ДСП

Схема цепей измерения тока и напряжения через соответствующие трансформаторы тока ТТ и напряжения ТН (рис 55) обеспечивает безопасность и возможность установки КИП на значительном расстоянии от точек измерения электрических параметров на щите амперметров ЩА и щите управления, защиты и сигнализации ЩУЗС около пульта управления ДСП.

Измерительный ТН имеет номинальное вторичное напряжение 100 В. Вследствие малого внутреннего падения напряжения в ТН первичную обмотку подключают к ЛЭП через плавкие предохранители. Для безопасности обмотки ТН заземляют.

На стороне ВН устанавливают ТН типа 3 х 3НОМ, к которому подключают параллельно вольтметр линейного напряжения питающей сети U1л, обмотки напряжения показывающего и регистрирующего ваттметров, счётчиков активной и реактивной энергии, фазометра, измеряющего коэф-т мощности.

На стороне НН устанавливают ТН типа НОС, к которым подключают параллельно вольтметры фазного напряжения(для каждой дуги) и цепи напряжения АРЭР.

Измерительный ТТ имеет номинальный вторичный ток 5А. Особенностью ТТ является работа в режиме к.з.. Случайный разрыв вторичной цепи (при демонтаже КИП) и даже увеличение сопротивления подключённых КИП сверх максимально допустимого вызывают остаточное намагничивание магнитопровода ТТ (снижение точности измерения), перегрев и порчу электроизаляции(опасность поражения высоким напряжения при соприкосновении с КИП). Поэтому для правильной эксплуатации необходимо при монтаже КИП закарачивать вторичную обмотку; иметь достаточное число ТТ, в том числе и ТТ с двумя вторичными обмотками; вторичные обмотки для электробезопасности заземлять.

На стороне ВН устанавливают высоковольтные проходные ТТ типа ТПОЛ, к которым последовательно подключают амперметр первичного тока I1л, токовые обмотки показывающего и регистрирующего ваттметром, счётчиков активной и реактивной энергии, фазометра, измеряющего коэф-т мощности. Дополнительные вторичные обмотки этих ТТ предназначены для реле мах тока типа РТ-40.

На шинах вторичного токоподвода малых ДСП для измерения силы тока до 25кА  

устанавливают (рис 55,а) низковольтные ТТ типа ТНШЛ, к которым последовательно подключают амперметры вторичного тока(I_д1,I_д2 или I_д3), токовые цепи АРЭР и реле мах тока типа РТ-80.

Для измерения токов выше 25 кА на крупных ДСП высоковольтные ТТ встраивают (рис 55,б) в спец. дополнительную обмотку электропечного трансформатора, в которой из-за постоянного коэффициента трансформации силы тока пропорциональна силе тока, протекающего в соответствующем электроде, т.е. I_д1,I_д2 или I_д3

ВАХ дугового разряда.

 

Свободно горящая дуга постоянного тока имеет падающую статическую ВАХ(см рис 10) по причине уменьшения продольного grad U в столбе из-за усиления ионизации по мере роста силы тока. С дальнейшем увеличением Iд в мощных многоамперных дугах ДСП напряжение U_д практически остаётся постоянным (показ. С.И.Тельным). Такая горизонтальная ВАХ соотв. ур-ю (33). При сжатии дуги в плазмотронах ПДП реализуется возрастающая ВАХ в рез-те повыш. grad U по мере увелич. расхода плазмообразующего газа. В ДВП дуги, горящие в разряжённых парах металлов, имеют слабо возрастающую ВАХ.

Устойчивое горение дуги м.б. обеспечено согласованием её ВАХ с ВАХ ист. питания(внешняя ВАХ), чтобы напряжение, подведённое к электродам, было =U_д для заданной силы тока I_д согласно ВАХ дуги. В случае применения ИП постоянного напряжения внешняя ВАХ в виде U_и.п.=f₁(I)=const имеет вид линии, параллельной оси абсцисс (рис 11) Для согласования такой независимой внешней ВАХ с падающей ВАХ дуги необходимо снижение избыточного напряжения цепи (U_и.п–U_д) на специальном активном сопротивлении R_б(балластное) включённом последовательно с дугой. Электрорежим можно регулировать 3‑мя способами.

1) регулирование напряжение ИП (при R_б =const) (рис 12,а)

2) рег-ие величины R_б (при U_и.п.=const) (рис 12,б)

3) изменение длины дуги, т.е. изм. ВАХ (рис12,в)

Недостатком описанной схемы обеспечения устойчивого горения дуги явл. наличие в цепи R_б, электрические потери в котором снижают электрический КПД

Поэтому на промышленных печах применяют специальные источники питания с круто падающими внешними ВАХ U_и.п.=f(I), т.е. источники тока, обеспечивающие стабилизацию тока(Iд=const) в широких пределах изменения напряжения. 

Принцип действия ДСП. Экзотермические электрофизические процессы дугового разряда.

Процесс основан на преобразовании электроэнергии в тепловую за счет экзотермических и электрофизических процессов. ДСП как правило трехфазные, работающие на переменном токе. В печах переменного тока три дуги горят между тремя графитированными электродами и металлом, который выполняет роль нулевой точки электрической схемы «звезда». В печах постоянного тока одна дуга горит между графитированным электродом – катодом и металлом, который явл-ся анодом.

Электрическая дуга – разновидность самостоятельного электрического разряда, который характеризуется:

1)малым падением напряжения в прикатодной области;

2) большой силой разрядного тока (50 тыс.А, 100тыс.);

3)падающая ВАХ

 

Области дуги:

1.Катодное пятно К (в К происходит выделение потенциальной энергии)

2. Прикатодное падание напряжения ∆U_k

3. Столб дуги С

4. Прианодное падение напряжения ∆U_А

5. Анодное пятно, А

В катоде происходит эмиссия электронов: термоэлектронная, автоэлектронная

Ток эмиссии является функцией температуры и работы выхода.

Работа выхода определяется зарядом электрона и соответствующим потенциалом

I_эм=f(T_O,Wb)                      работа в печи начинается с короткого замыкания

P_k=I_кз²R_k                       эмиссия-процесс эндотермический (требует затрат энергии)

W_b=eU_B

Автоэлектронная эмиссия: I_эм=f(Е,Wb)

1) в К происходит выделение потенциальной энергии (происходит преобразование кинетической энергии ионов в тепловую)

2) Имеет место 2 тока: I_e~40% (электронный) I_p~60% (ионный, ток переноса или конвекционный ток)

Здесь формируется пространственный положительный заряд.

прикатодная область (∆U_k=10В)

l_k-длина прикатодной области соответствует длине свободного пробега электрона

l_k ~10⁴…10⁵ на этом расстоянии ∆U_k=10В =>Протяженность Эл. Поля E~10⁸B/м автоэлектронная эмиссия будет преобладать.

В ДСП смешанный механизм эмиссии:

Есть тоннельная эмиссия (эффект Шоттки)

U`_B=1.55…1.70B

3) Теплогенерация отсутствует. В столбе дуги имеет место механизм ударной ионизации.

Слабоионизированная среда – плазма.

Ионизация находится в равновесии с рекомбинацией в столбе дуги.

Рекомбинация – воссоединение электрона и иона (выделение тепла)

Температура столба дуги

 -    ионизационный потенциал

Мопротивление дуги переменное  закону Ома не подчиняется

Если I падает -> падает напряжение и температура -> растет grad

4) В этой одласти существует пространственный отрицательный заряд

(∆U_а=30В)

Теплогенерация в (4) -> ∆К_е ∆П_е

Т_а> Т_к

ДСП пост тока работают при прямой поляризации

 

ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.