Электрододержатель и механизм передвижения электрода
Электрододержатель служит для крепления графитированного электрода, создавая необходимую силу трения для уравновешивания силы тяжести электрода (электрододержатель фрикционного* типа), и для подвода к нему электрического тока.
Электрододержатель работает в тяжелых условиях: воздействие горячих печных газов (при недостаточном уплотнении зазора «электрод – свод»), повышенная температура и запыленность окружающей среды, тепловой поток от нагретого электрода, интенсивное тепловыделение по закону Джоуля – Ленца при протекании через электрододержатель тока силой 50…100 кА и более.
Поэтому конструкция электрододержателя должна быть надежной, долговечной, механически прочной и жесткой, обеспечивать хороший контакт с поверхностью электрода, иметь минимальные электрические потери.
Электрододержатель состоит из корпуса, рукава, механизма зажима электрода и токоподвода.
Корпус имеет две выполняющие разные функции части: подвижную, упирающуюся в электрод с помощью механизма зажима и выполняющую роль зажима, и неподвижную, к которой прижимают электрод, подводят электрический ток и которую, как правило, охлаждают водой для уменьшения окисления контактных щек электрододержателя.
При разной кинематике электрододержателя (рис. 49) подвижная часть корпуса может быть в виде:
1) зажимной скобы («хомута»), охватывающей половину периметра сечения электрода. Скоба, выполненная из листовой немагнитной стали толщиной 20…30 мм, работает так же, как и вся рычажная система, связывающая ее с механизмом зажима, на растяжение, что упрощает конструкцию и уменьшает расход материалов;
2) нажимной колодки, упирающейся в электрод. По конструктивным причинам ее контактная поверхность меньше, чем у зажимной скобы. Колодка укреплена на нажимном штоке, который под действием механизма зажима испытывает продольный изгиб, что усложняет его конструкцию и крепление в рукаве электрододержателя.
Рис. 49. Схемы электрододержателей:
а – с зажимной скобой; б, в – с нажимной колодкой; 1 – скоба;
2 – электрод; 3 – неподвижная часть; 4 – рукав; 5 – пружина;
6 – пневмоцилиндр; 7 – электроизоляция; 8 – каретка; 9 – колодка
Усилие зажима электрода определяют следующим образом:
1) для электродов малых диаметров – из условия минимального контактного сопротивления, при этом усилие должно быть не менее 10 кН;
2) для электродов больших диаметров – из условия создания достаточной силы трения, уравновешивающей силу тяжести электрода.
Поскольку коэффициент трения между графитированным электродом и корпусом электрододержателя составляет 0,1…0,15 (в зависимости от состояния соприкасающихся поверхностей), то усилие зажима должно в 6,5–10 раз превышать силу тяжести электрода.
Механизм зажима электрода должен создавать постоянное, независимое от внешних условий (например, различное тепловое расширение электрода и корпуса электрододержателя) усилие зажима, обеспечивать ход подвижной части корпуса на 20…50 мм для отжима с целью изменения длины (перепуск) электрода при дистанционном управлении операцией с пульта ДСП. На современных ДСП наиболее распространены пружинно-пневматические (гидравлические) механизмы зажима электрода (см. рис. 49): зажим – за счет потенциальной энергии предварительно сжатых пружин, отжим – с помощью пневмо(гидро)цилиндра, сжимающего пружины. На крупных ДСП, укомплектованных НАС, возможна замена пневмопривода с давлением 0,3…0,4 МПа на гидропривод с давлением 6,5 МПа с целью уменьшения диаметра отжимающего цилиндра.
Рукав электрододержателя является составной частью несущей конструкции, предназначенной для передвижения электрода с помощью соответствующего механизма. На рукаве также монтируют участок вторичного токопровода в виде водоохлаждаемых трубошин от подвижного башмака до контактных щек электрододержателя. На ДСП применяют два типа несущей конструкции:
1) горизонтальный рукав прикреплен в виде консоли к каретке (см. рис. 49, а), передвигающейся вверх и вниз по неподвижной вертикальной стойке (рис. 50, а);
2) горизонтальный рукав и вертикальная стойка соединены жестко в единую Г-образную конструкцию, передвигающуюся вверх и вниз внутри неподвижной шахты по схеме «труба в трубе» (рис. 50, б).
Рукав изготовляют из немагнитной стали в виде толстостенной трубы большого диаметра, усиленной ребрами жесткости в вертикальной плоскости, или сварной балки коробчатого сечения. Коробчатое сечение при одинаковом моменте сопротивления имеет меньшую массу, т.е. требует меньшего расхода материалов.
Рукав прикрепляют к каретке или верхнему фланцу вертикальной стойки жестко через электрическую изоляцию в виде асбестоцементной плиты и изоляционных втулок из стеклоткани на кремнийорганической основе (так называемая главная, или основная, электроизоляция – см. рис. 49, позиция 7).
Каретки могут быть литые (на малых ДСП), сварные из профильной и листовой стали или разъемные. Конструкция каретки под действием силы тяжести графитированного электрода испытывает изгибающий момент, а при наклоне – еще и крутящий момент. Поэтому для уменьшения трения при передвижении вдоль неподвижной стойки каретка имеет 16 (по 4 на каждой стороне) направляющих упорных ролика (см. рис. 50). Оси этих роликов помещены в эксцентриках, служащих для регулирования расстояния между осями роликов по горизонтали и изменения в небольших пределах угла наклона каретки относительно горизонтальной плоскости. Более легкий ход каретки достигается при большем расстоянии по высоте h (см. рис. 50), но это связано с увеличением габаритов каретки и стойки.
Рис. 50. Схемы несущих конструкций:
а – с кареткой; б – с Г-образной стойкой; 1 – рукав; 2 – каретка;
3 – стойка; 4 – упорные ролики; 5 – зубчатая рейка;
6 – электропривод; 7 – противовес; 8 – шахта; 9 – гидроцилиндр
На таких ДСП все три вертикальные стойки прямоугольного сечения сверху и снизу соединены в единую механически связанную раму. При изготовлении такой рамы из обычной углеродистой (ферромагнитной) стали наличие верхнего ферромагнитного крепления создает вокруг токоведущих трубошин на каретке замкнутый магнитный контур «нижнее крепление – стойка – верхнее крепление – стойка». Для уменьшения магнитных потоков и обусловленных ими электрических потерь на перемагничивание между верхним креплением и стойками устанавливают медные (диамагнитные) прокладки толщиной не менее 10 мм.
Поверхности, предназначенные для катания направляющих роликов, должны быть строго параллельны и хорошо простроганы. Высота стойки определяется величиной хода каретки, т.е. тем наибольшим расстоянием, на которое передвигают каретку из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение, что, в свою очередь, определяется высотой рабочего пространства печи от нижней точки ванны до уровня пят свода.
Полость стойки прямоугольного сечения используют для размещения противовеса (см. рис. 50), необходимого для уменьшения мощности электромеханического привода механизма передвижения.
Вертикальную стойку Г-образной несущей конструкции изготовляют из стальной трубы с двумя ребрами жесткости, являющимися опорной поверхностью 12 направляющих упорных роликов при движении в шахте.
Отсутствие верхнего крепления для подвижных Г-образных стоек в условиях сложных вышеописанных механических нагрузок на несущую конструкцию электродов определяет необходимость создания массивной и прочной сварной конструкции шахты. Шахта, будучи связана жестко с кронштейном, несущим свод, является составляющей частью поворотной системы свода, опирающийся на опорно-поворотный вал (см. рис. 45, позиция 20).
Телескопический принцип движения (по схеме «труба в трубе», см. рис. 50, б) несущей конструкции при той же высоте хода уменьшает габаритную высоту ДСП и исключает электрические потери в стальных конструкциях из-за отсутствия замкнутых магнитных контуров вокруг трубошин.
На современных ДСП Г-образная несущая конструкция имеет токопроводящий рукав (см. § 6) коробчатого сечения или стальной, плакированный слоем меди толщиной до 5 мм, или алюминиевый, имеющий вдвое меньшую массу и инерционность.
Механизм передвижения электрода, будучи исполнительным механизмом АРЭР, имеет исключительно важное значение для работы ДСП, так как он в основном определяет качество автоматического регулирования электрического режима плавки, а следовательно, подаваемую в печь мощность, λ и ηэ.
К механизму передвижения электрода предъявляют следующие требования:
1) быстрый разбег и быстрое торможение, чтобы обеспечить своевременное передвижение электродов, исключить их поломки при опускании и т.п.;
2) достаточно большая скорость передвижения электродов (в особенности вверх) для быстрой корректировки электрического режима, а также для сокращения простоев (например, при перепуске электродов);
3) минимальная инерционность движущихся частей механизма; максимально жесткая кинематическая связь привода механизма с электродом; минимальные зазоры (люфты*) между частями механизма;
4) невозможность самопроизвольного опускания электродов под действием силы тяжести несущей конструкции;
5) надежность в работе, удобство при обслуживании и ремонте.
На ДСП применяют механизм передвижения электродов с электрическим или гидравлическим приводом.
Несущая конструкция в виде Г-образной стойки удобно сочетается с гидроприводом (см. рис. 50, б). Гидропривод в виде уравновешивающих (компенсационных) гидроцилиндров с давлением рабочей жидкости 6,5 МПа обеспечивает скорость подъема электрода 6…12 и даже 15 м/мин (до 250 мм/с). Такая большая скорость необходима для быстрой ликвидации коротких замыканий, особенно в период расплавления твердой металлошихты, что улучшает электротехнические показатели работы ДСП (λ, ηэ и Wу). Спуск электрода происходит под действием силы тяжести электрода и несущей конструкции со скоростью порядка 1…2 м/мин.
На действующих ДСП старой конструкции применен механизм передвижения электродов с электрическим приводом. Электропривод состоит из шунтового двигателя постоянного тока мощностью до 12 кВт, червячного или червячно-цилиндрического самотормозящего редуктора и механической жесткой передачи с помощью зубчатой рейки, связанной с несущей конструкцией.
По данным И.В. Лапшина, в приводе возможно применение более экономичных и удобных в эксплуатации двигателей переменного тока с использованием для регулирования скорости вращения в определенном диапазоне способа частотного управления асинхронным двигателем в результате взаимосвязанного изменения частоты и напряжения питания статора (скалярное управление).
Для уменьшения мощности приводного двигателя в состав механизма, помимо несущей конструкции, входит противовес, устанавливаемый в полости вертикальной стойки (см. рис. 50, а)или в соответствующей ячейке шахты при Г-образной стойке. Для предотвращения поломки графитированного электрода, упирающегося в шихту (при ручном управлении) или в неэлектропроводный материал (при автоматическом управлении), предусмотрено принудительное передвижение несущей конструкции как вверх, так и вниз с помощью пружины-демпфера, установленной в месте крепления зубчатой рейки, с последующим воздействием на путевой выключатель и отключением приводного электродвигателя.