Особенности электрооборудования

Электрическая схема ДВП имеет следующие отдельные цепи:

1) силовая цепь питания постоянным током от полупроводникового выпрямительного агрегата;

2) трехфазная силовая цепь самого агрегата;

3) вторичные цепи управления элементами агрегата;

4) цепи аппаратов управления, защиты, сигнализации и контроля электрического режима ДВП;

5) цепи автоматического регулятора режима ВДП;

6) силовые цепи приводов механизмов ДВП и вакуумных насосов;

7) вторичные цепи управления этими приводами.

Промышленные ДВП питают от шин комплектных распределительных устройств (КРУ) цеха напряжением 6 или 10 кВ по схемам электроснабжения потребителей первой категории. Шкаф КРУ имеет высоковольтный маломасляный выключатель типа ВМП-10КУ с электромагнитным приводом, который выполняет оперативно-защитные функции, поскольку на современных ДВП коммутационная аппаратура в цепях постоянного тока не предусматривается.

Силовая цепь ДВП включает источник питания, вторичный токопровод, токопроводящие участки металлоконструкции ДВП – токоведущий шток с электрододержателем, расходуемый электрод, слиток, кристаллизатор, рабочую камеру.

Исходя из технологической необходимости поддержания заданного значения силы тока дуги I_д (для обеспечения заданной массовой скорости ВДП Q_m),для питания ДВП применяют регулируемые выпрямительные агрегаты с крутопадающей или вертикальной внешней характеристикой U_и.п= f₁(I), построенные по принципу источника тока I = f₂(U) = const.

В случае питания малых (лабораторных) ДВП от источника с жесткой внешней характеристикой в силовую цепь последовательно c дугой включают регулируемое добавочное (балластное) сопротивление R_бст.

Силу выпрямленного тока до 50 кА измеряют с помощью шунтов типа 75 ШСМ (ГОСТ 8042–93).

Для управления ВДП применяют автоматический регулятор длины разрядного промежутка типа АРДВ-Р2, разработанный в ВНИИЭТО.

Регулятор АРДВ-Р2 обеспечивает:

– автоматическое зажигание дуги;

– ликвидацию КЗ путем подъема расходуемого электрода на рабочей и монтажной скорости;

– коррекцию скорости подачи электрода в зависимости от частоты следования импульсов напряжения, возникающих при шунтировании разрядного промежутка каплями металла. Это позволяет выбирать рациональный режим переплава, при котором нет сильного разбрызгивания капель жидкого металла и не возникает объемная ионизация или «боковая дуга» (при чрезмерной длине дуги);

– коррекцию напряжения по мере сплавления расходуемого электрода (пропорционально линейному передвижению токоведущего штока).

Как уже отмечалось (см. гл. II, § 2), в ДВП дуга имеет слабо возрастающую вольт-амперную характеристику (рис. 102), описываемую уравнением с учетом (30) и (32):

U_д = U_к + U_а + kI_д, (222)

где k – коэффициент, характеризующий сопротивление дугового разряда в ДВП, В/кА, и определяемый по формулам, предложенным Л.Н. Белянчиковым,

k = 0,06(1 + 5 )D_кл/ ≈ 0,1D_кл/

и М.Я. Смелянским,

k = 2 l_д / D_эд;

l_д – длина дуги, м;

D_кл и D_эд – диаметр кристаллизатора и расходуемого электрода соответственно, м;

I_д – сила тока дуги, кА.

Электрический режим ВДП определяет не только технико-экономические показатели работы ДВП (производительность, удельный расход электроэнергии), но и качество выплавляемых слитков. С учетом (213) в ДВП условия кристаллизации характеризуют отношением I_д/D_кл. Обычно при ВДП сталей и сплавов на основе никеля I_д/D_кл ~ ~ 10...20 кА/м. Для некоторых марок сталей, проявляющих слабую склонность к образованию ликвационных дефектов, применяют электрический режим с повышенной силой тока (35...45 кА/м).

Для обеспечения максимальной степени стабильности условий кристаллизации и условий рафинирования металла рекомендуют специальный график электрического режима в ДВП (рис. 103), предусматривающий изменение силы тока при выведении усадочной раковины (этап τ_выв) по экспоненциальному закону. В ряде случаев на этом этапе применяют более простой режим, сначала снижая силу тока линейно с I_д.раб до минимального значения I_кц, при котором прекращается плавление расходуемого электрода, а затем выдерживая металл для постепенного уменьшения глубины жидкометаллической ванны (h_м → 0).

Рис. 103. График электрического режима ВДП:
τ₀ – начальный этап прогрева расходуемого электрода; τ_нач – начальный этап формирования жидкометаллической ванны; τ_раб – рабочий этап; τ_выв – этап выведения усадочной раковины;
h_м – глубина жидкометаллической ванны

Промышленные ДВП питают от полупроводниковых выпрямительных агрегатов, представляющих собой комплект силового и вспомогательного электрооборудования.

Трехфазный преобразовательный трансформатор имеет две схемы соединения обмотки ВН: «треугольник» на 6 кВ и «звезда» на 10 кВ, переключение 17 ступеней напряжения (от 79 до 25 В) под нагрузкой, обмотку НН в виде нескольких групп соединения «звезда – обратная звезда» с уравнительным реактором в зависимости от силы выпрямленного тока.

Выпрямитель, построенный по принципу источника тока, может быть:

а) на управляемых магнитных элементах (дроссельных или индуктивно-емкостных);

б) на управляемых полупроводниковых элементах (транзисторных или тиристорных).

Выпрямители, изготовляемые в виде силовых шкафов, комплектуют из единичных вентильных секций, рассчитанных на номинальную силу выпрямленного тока 12,5 кА и номинальное напряжение 48; 75; 115 и 150 В. Каждая секция имеет шесть выпрямительных ветвей, образующих «звезду» и обратную «звезду», каждая из которых обеспечивает однополупериодное выпрямление трехфазного переменного тока. Как уже отмечалось, на выходе каждой «звезды» обмотки НН преобразовательного трансформатора включены реакторы, ограничивающие уравнительные токи (отсюда название уравнительного реактора) из-за возможного небаланса тока по «звездам» и предотвращающие нежелательное подмагничивание магнитной системы преобразовательного трансформатора.

Специфической особенностью статических выпрямителей является пульсирующее напряжение выпрямленного тока, определяющее качество схемы выпрямления. Поэтому в источниках питания ДВП применяют сглаживающие реакторы типа СРОС-3200, также ограничивающие скорость нарастания силы тока в цепи ДВП при капельных КЗ (индуктивность реактора равна 0,125 мГн).

Из-за малой перегрузочной способности полупроводниковых вентилей как по прямому току, так и по обратному напряжению в каждой выпрямительной ветви вентильной секции применяют параллельное соединение до 12 вентилей.

Отечественная электротехническая промышленность выпускает выпрямительные агрегаты на токи 12,5; 25; 37,5 и 50 кА.

Источники питания обеспечивают автоматическое регулирование (в диапазоне от 4 до 100 %) и стабилизацию (с точностью ±1 %) силы тока: за счет системы импульсно-фазового управления тиристорами (в агрегатах ТПВ), обеспечивающей КПД до 0,93, а также с помощью управляемых реакторов с подмагничиванием типа РТМП, включенных на стороне ВН преобразовательного трансформатора в «звезду» с реактором типа РТМ и конденсаторной батареей (в агрегатах ПИТ).

Необходимо отметить, что агрегаты ПИТ не могут работать в режиме «холостого хода», который является аварийным из-за чрезмерного роста напряжения на последовательно соединенных реактивных элементах (резонанс напряжения). Источники питания типа ПИТ обязательно должны иметь быстродействующую защиту от перенапряжения на случай обрыва дуги, а преобразовательный трансформатор – устройство для переключения ступеней напряжения только под нагрузкой. Операция включения ПИТ возможна только при короткозамкнутом разрядном промежутке.

Резонансная схема ПИТ обеспечивает компенсацию реактивной индуктивной мощности преобразовательного трансформатора с выпрямителем. Поэтому агрегаты ПИТ имеют емкостной коэффициент мощности λ~ 0,9, становясь генератором реактивной емкостной мощности, которую можно использовать в системе электроснабжения ДВП от цеховой подстанции. Коэффициент мощности агрегата ТПВ составляет 0,88 в номинальном токовом режиме, но при значительном уменьшении силы тока (глубокое регулирование) падает до 0,6, что является недостатком такого источника питания ДВП.

В первых промышленных конструкциях ДВП использовали токопровод к поддону с помощью гирлянды гибких кабелей (рис. 104, а). Возникавшие при этом несимметричные магнитные поля вызывали смещение дуги, электродинамическое перемешивание ванны жидкого металла и во многих случаях – возникновение дефектов в слитке. Это вызвало необходимость симметрирования токопровода печи.

Рис. 104. Схемы вторичного токопровода ДВП:
а – к поддону; б – к кристаллизатору; в – к рабочей камере

Верхний токоподвод осуществляют симметрично со всех сторон к штоку, а нижний подсоединяют не к поддону, а симметрично к верхнему фланцу кристаллизатора через специальное токовыравнивающее кольцо (рис. 104, б). Это несколько снижает воздействие магнитного поля токопровода на ванну металла. Однако полного устранения вращения ванны и ликвационных дефектов удается добиться лишь при бифилярной схеме токопровода (рис. 104, в). При этом ток к кристаллизатору подводят через вакуумную камеру с помощью специального фланца на ее верхнем торце или на торце специального цилиндра, коаксиального штоку и имеющего контакт с рабочей камерой. При использовании отъемного кристаллизатора для уменьшения контактного сопротивления фланец кристаллизатора прижимают к фланцу камеры с помощью мощного гидравлического устройства.

Суммарное активное сопротивление вторичного токопровода ДВП типа ДСВ составляет 0,5…1 мОм и распределяется по отдельным участкам следующим образом, %: шинный пакет 15...20; гибкие кабели 8...17; токоведущий шток 30...35; муфта (электрододержатель) 10...20; контактные соединения 2...3; расходуемый электрод (в начале плавки/в конце плавки) 30/5.

Энергетический баланс
и технико-экономические показатели работы

Электрическая энергия W_c, забираемая из сети электропечной установкой ДВП за время цикла τ_ц ВДП, расходуется следующим образом:

(223)

где W_пол – полезный расход энергии на изменение энтальпии наплав- ленного слитка массой т_о:

; (224)

ΣW_т.п – расход энергии на компенсацию тепловых потерь из рабо- чего пространства ДВП, складывающихся из потерь расхо- дуемого электрода излучением (W_изл.к) и теплопроводно- стью, потерь теплопроводностью через слиток (W_тлп.а), также в результате излучения (W_изл.а) и испарения (W_фаз.а) с зеркала жидкометаллической ванны;
ΣW_э.п – расход энергии на компенсацию электрических потерь в токоведущих частях ДВП (W_n),вторичном токопроводе (W_тпр) и в источнике питания (W_и.п).

Соотношение статей расходной части энергетического баланса ДВП типа ДСВ (при питании от полупроводниковых выпрямительных агрегатов) составляет, %:

Электрические потери:........................................... 20…25

источник питания............................................. 5…10

вторичный токопровод.................................... ~5

токоведущие части ДВП................................. ~10

Тепловые потери:................................................... 32…40

расходуемый электрод.................................... 6…8

слиток............................................................... 12…18

излучение с зеркала ванны.............................. 10…20

испарение.......................................................... 0…1,5

Полезное тепло....................................................... 40…55

Согласно приведенным данным баланса ДВП, электрический КПД η_э составляет 0,75…0,8; тепловой КПД η_т ≈ 0,5…0,6 и общий КПД η_общ ≈ 0,4…0,55. Удельный расход технологической электроэнергии (на переплав) достигает 850…1100 кВт·ч/т, в результате чего доля затрат на технологическое топливо в общей сумме расходов по переделу достигает 70…80 %. Кроме этого, расход электроэнергии для питания приводов вакуумных насосов и различных механизмов ДВП составляет 400…600 кВт·ч/т.

Для расчета производительности ДВП необходимо знать продолжительность периодов процесса ВДП, цикл которого τ_цк состоит из периодов, когда происходит:

1) выгрузка слитка из печи, чистка рабочей камеры и загрузка электрода в печь (так называемый межплавочный простой печи);

2) откачка воздуха из печи до рабочего остаточного давления и проверка натекания;

3) плавка;

4) охлаждение слитка.

Продолжительность первого периода (межплавочного простоя) зависит от типа и уровня механизации указанных операций.

Если ДВП оборудована сменными кристаллизаторами, электрододержатель токоведущего штока оснащен специальным клиновым зажимом или любым другим устройством, позволяющим устанавливать расходуемый электрод за несколько минут, то продолжительность этого периода может быть сокращена до 15 мин (~10³с).

Время второго периода определяется объемом рабочей камеры и производительностью откачной системы. Проверка натекания обычно занимает около 5 мин. Исходя из опыта эксплуатации различных ДВП, время откачки (вместе с проверкой натекания) (с) можно определить из выражения

τ_кач ≈ 1,5(2 + D_кл)10³, (225)

где D_кл в метрах.

Третий период (плавка) состоит из четырех этапов (см. рис. 103): разогрева расходуемого электрода τ₀, начального этапа τ_нач, рабочего этапа τ_раб и выведения усадочной раковины τ_выв.

Плавка начинается с этапа разогрева расходуемого электрода. В это время уже горит электрическая дуга, но плавления электрода еще не происходит. Энергия расходуется на повышение энтальпии и потери излучением с нагретых участков электрода. Этот этап заканчивается в момент образования на торце электрода первой капли жидкого металла.

Продолжительность этапа разогрева τ₀ зависит от силы тока I_д, удельного сопротивления переплавляемой стали и массы (размеров поперечного сечения) расходуемого электрода.

В начальный этап ВДП на аноде происходит процесс формирования жидкометаллической ванны, когда при неизменном электрическом режиме ДВП происходит увеличение массы жидкого металла по мере наплавления слитка. При этом объем ванны стремится к некоторому стабильному значению, характерному для данных условий переплава (электрический режим, массовая скорость, условия охлаждения слитка), когда наплавляется слиток массой т_нач.

За время выведения усадочной раковины наплавляется масса металла т_выв.

Длительность рабочего этапа плавки для наплавления массы металла τ_раб можно определить по заданной массовой скорости переплава Q_m:

. (226)

Продолжительность четвертого периода цикла ВДП (охлаждение слитка) во многом зависит от конструкции печи и от свойств металла.

Возможно сокращение τ_охл при охлаждении слитка вне печи, для чего сменные кристаллизаторы оборудуют специальными вакуумными шлюзами. Тогда время периода складывается из времени, необходимого для напуска в печь воздуха и для смены кристаллизатора, и составляет ~10 мин (600 с).

Таким образом, длительность цикла

(227)

где τ₁ – время всех периодов, длительность которых зависит от внеш- них факторов и при полной механизации вспомогательных операций может достигать 40 мин;
τ₂ – время периода, длительность которого зависит от режима ВДП и от размера слитка.

После переплава стали в ДВП получают так называемые черные слитки, которые обдирают для удаления поверхностных дефектов, а после проката отрезают уже от катаных штанг головную и нижнюю части слитков, так что выход годного металла составляет только 75...80 %. Для технико-экономических расчетов вводят понятие «чистого» слитка, т.е. такого слитка, который не только ободран, но у которого уже удалены головная и нижняя части.

Поэтому различают понятия «производительность в черных слитках»

М_г¢ = m¢/(τ₁ + τ₂) (228)

и «производительность в чистых слитках»

М_г²= т²/(τ₁+ τ₂), (229)

где т¢и т²– соответственно масса «черного» и «чистого» слитков.

В расчетах можно принять, что при обдирке в стружку уходит около 7 % металла, а общая длина отрезанных частей слитка примерно равна его радиусу:

т²= 0,93 (1 – 0,5D_cл/l_cл) m'; (230)
М_г²= 0,93 (1 – 0,5D_cл/l_cл) М_г'. (231)

Улучшение технико-экономических показателей ДВП возможно за счет следующих мероприятий:

1) механизация вспомогательных операций по обслуживанию ДВП, применение двух сменных кристаллизаторов (отечественная печь типа ДСВ-8-Г10);

2) повышение скорости кристаллизации слитков при переплаве сталей, склонных к ликвационным дефектам, за счет использования гелия, жидкого висмута и других эффективных охладителей;

3) широкое применение средств воздействия на структуру слитка (знакопеременное магнитное поле соленоида, ультразвуковая обработка);

4) переплав под слоем шлака (за счет специального покрытия – обмазки поверхности кристаллизатора);

5) применение фигурных поддонов, дифференцированных токовых режимов (при изменении активного сопротивления вторичного токопровода) и рациональных режимов выведения усадочной раковины, позволяющих исключить обрезь хвостовой и головной частей слитка и повысить выход годного металла на 12...15 %;

6) применение расходуемых электродов, отливаемых на МНРС и пригодных для переплава без предварительной обдирки;

7) применение повышенной силы тока для ВДП сталей, слабо подверженных ликвационным дефектам, в результате чего массовая скорость переплава Q_m увеличивается в 2–3 раза, а производительность в 1,8–2,8 раза.

Индукционные вакуумные печи

Общие сведения

Индукционные тигельные печи (см. гл. V) благодаря малым габаритам и относительно малой массе футеровки с меньшим количеством адсорбированных газов наиболее удобны для конструирования плавильных вакуумных печей. По режиму работы индукционные вакуумные печи (ИВП*) разделяют на печи:

1) периодического действия, в которых операции по загрузке шихты в тигель, установке изложниц, форм и кокилей, очистке, заправке и подготовке тигля к очередной плавке проводят в разгерметизированной ИВП;

2) полунепрерывного действия, в которых все вышеперечисленные операции проводят без нарушения вакуума в ИВП. Такие печи имеют многокамерную конструкцию, в которой помимо основной (плавильной) камеры, должны быть дополнительные шлюзовые камеры загрузки и изложниц, оборудованные вакуумными технологическими затворами и дающие возможность загружать тигель шихтовыми материалами, подавать порожние и извлекать заполненные изложницы, не нарушая вакуума в плавильной камере.

По конструктивному исполнению ИВП классифицируют:

1. По взаимному расположению индуктора и кожуха:

а) печи (рис. 105, а), в которых индуктор расположен вне вакуумного пространства, а тигель установлен внутри неэлектропроводного кожуха (обычно кварцевая труба). В таком исполнении изготовляют небольшие лабораторные ИВП вместимостью до 5 кг с остаточным давлением до 10^–2 Па;

б) печи (рис. 105, б – г) с индуктором, расположенным в вакуумном пространстве. Эти печи имеют наиболее широкое распространение. Помещенный в вакуум индуктор можно максимально приблизить к металлу в тигле, тем самым значительно повысив электрический КПД по сравнению с вариантом, представленным на рис. 105, а.

Рис. 105. Схемы ИВП периодического (а – в) и полунепрерывного (г) действия
с индуктором, расположенным вне (а) и внутри (б – г) вакуумного пространства;
с наклоном корпуса (б) и тигля (в); 1 – тигель; 2 – индуктор; 3 – кожух; 4 – изложница (литейная форма); 5 – камера загрузки; 6 – дозатор

2. По относительному перемещению печи и тигля:

а) печи (рис. 105, б), в которых для слива металла кожух печи наклоняют вместе с тиглем и качающейся изложницей, прикрепленной на цапфах к кожуху;

б) печи (рис. 105, в),в которых для слива наклоняют только тигель, а кожух остается неподвижным, что позволяет организовать разливку в несколько изложниц. Эти печи широко используют в качестве ИВП полунепрерывного действия.

3. По способу слива металла из тигля:

а) печи с разливкой через донное отверстие тигля, которое перекрывают внутренним стопором (аналогично сталеразливочным ковшам), внешним стопором (установленным под тиглем и откидывающимся в сторону при разливке) или металлической пробкой из переплавляемого металла, которую расплавляют с помощью добавочного индуктора;

б) печи с разливкой через сливной носок при наклоне тигля (см. рис. 105, б – г);

в) печи с сифонным сливом.

4. По способу крепления изложниц в печах с поворотным (наклоняющимся) кожухом:

а) изложницу подвешивают на цапфах (см. рис. 105, б) так, что при наклоне печи она сохраняет вертикальное положение, обеспечивая оптимальные условия слива металла из тигля;

б) изложница жестко закреплена относительно тигля под углом 90° в плавильной камере;

в) изложница жестко закреплена относительно тигля под углом 90° в выносной разливочной камере, что позволяет заменить изложницу, не снимая крышки плавильной камеры.

ИВП, предназначенные для фасонного литья, различают по способу разливки металла: в форму или в центробежную машину.

Значение вместимости (от 2,5 кг до 60 т) ИВП для плавки стали (тип ИСВ) соответствует десятичному ряду геометрической прогрессии со знаменателем (так называемый ряд R5 по ГОСТ 8032–84).