Nagrzewanie łukowe
• Nagrzewanie łukowe wykorzystuje przemianę energii elektrycznej w ciepło łuku. Moc cieplna wydzielająca się w łuku jest odprowadzana przez konwekcję, promieniowanie oraz poprzez zjawiska przyelektrodowe (przekazywanie energii elektrodom przez jony i elektrony). Nagrzewanie wsadu dokonywane jest głównie przez konwekcję.
• Szczególnie rozpowszechnionymi w przemyśle są urządzenia grzewcze z łukiem prądu przemiennego.
• Największe stalownicze urządzenia łukowe − 360t, 200MVA.
• Łukiem elektrycznym nazywa się wyładowanie spowodowane:
− termoemisją,
− emisją pod wpływem pola elektrycznego,
− oboma rodzajami emisji równocześnie.
Łuk przedstawia sobą plazmę, czyli zjonizowany gaz będący mieszaniną elektronów, jonów dodatnich i cząsteczek neutralnych. Ich koncentrację w łuku można uznać za równomierną. Każda substancja w odpowiednio wysokiej temperaturze może przejść w stan plazmy w wyniku jonizacji termicznej, przy czym pozostanie elektrycznie quasi-neutralna.
Plazma występująca w łuku elektrycznym jest niskotemperaturową (rzędu
104 K), tylko częściowo zjonizowaną, z dużym udziałem cząsteczek obojętnych, w odróżnieniu od plazmy wysokotemperaturowej (powyżej 106 K), w której stopień jonizacji wynosi prawie 100%.
Łuk jest źródłem promieniowania cieplnego, świetlnego i akustycznego.
• Temperaturę łuku elektrycznego można określić z przybliżonego wzoru:
Tł = 800 Uj
w którym Uj = 3,87 ÷ 24,5 V − potencjał jonizacji gazu w obszarze wyładowania, stąd temperatura łuku może sięgać 20000K. W piecach stalowniczych temperatura tzw. „kolumny łuku” jest rzędu 8000K. Zasadniczy wpływ na tą temperaturę mają potencjały jonizacji Fe, Mn oraz Mg, których pary znajdują się w obszarze wyładowania.
• Zapoczątkowanie wyładowania w układzie dwóch elektrod uzyskuje się najczęściej przez zwarcie elektrod (tzw. zwarcie eksploatacyjne). Prąd zwarcia nagrzewa silnie elektrody w miejscu styku. Odsunięcie elektrod wywołuje emisję termiczną elektronów z powierzchni tej elektrody, która stanowiła katodę. Wskutek dużego natężenia pola elektrycznego w rejonie zwarcia następuje jonizacja zderzeniowa gazu i wytworzenie łuku.
W przypadku łuku prądu przemiennego w momencie zmiany polaryzacji elektrod łuk gaśnie. Ponowny zapłon następuje przy napięciu wyższym niż zgaśnięcie, przy czym obie elektrody muszą mieć odpowiednio wysoką temperaturę, aby emitować elektrony. W rezultacie, w początkowym okresie
łuk pali się niestabilnie, często gaśnie bez ponownego zapłonu po zmianie polaryzacji. Dla zapalenia łuku należy powtórzyć zwarcie eksploatacyjne.
Może być to dokonywane automatycznie przez odpowiedni układ regulacji.
• Układ regulacji palenia łuku (tzw. automatyka elektrod) ma na celu utrzymanie stałej impedancji łuku Uł /Ił.
• W trójfazowych piecach stalowniczych zwarcie eksploatacyjne polega na zwarciu co najmniej dwóch elektrod z wsadem. Od chwili wystąpienia zwarcia
automatyka elektrod rozpoczyna „wycofywanie” elektrod, co powoduje zapalenie się łuku.
• Stabilność łuku jest określona nieprzerwanym płonięciem łuku. Dla uzyskania stabilności należy zapewnić:
− indukcyjność obwodu, w którym pali się łuk, większą od minimalnej
wymaganej,
− odpowiednią moc łuku,
− odpowiednią pojemność cieplną elektrod.
• Na rysunkach przedstawiono:
− przebiegi chwilowe napięcia, prądu, konduktancji i mocy łuku w fazie roztapiania złomu, po stopieniu złomu i w fazie kąpieli stalowej przykrytej żużlem spienionym.
− charakterystyki dynamiczne łuku uł /ił odpowiadające przebiegom czasowym.
Podobne do przedstawionych przebiegi zarejestrowane w różnych fazach pracy pieca mogą być podstawą analizy własności stochastycznych wielkości
elektrycznych, charakteryzujących pracę pieca przed całkowitym roztopieniem złomu.
Charakterystyki statyczne określają zachowanie łuku dopiero po wejściu w fazę kąpieli stalowej. Postać tych charakterystyk zależy od:
− długości łuku,
− rodzaju elektrod,
− konfiguracji elektrod,
− zdolności emisji termicznej elektrod
− środowiska wyładowania,
− ciśnienia,
− charakteru przebiegu w czasie (prąd stały, zmienny) i td.
Elektrody grafitowe nagrzewają się bardziej niż wsad, który ma lepszą przewodność i pojemność cieplną. Grafit i stal mają więc różną intensywność emisji termicznej elektronów, co ma wpływ na charakterystyki łuku.
Dla celów sterowania pracą pieca łukowego istotne są charakterystyki regulacyjne, to znaczy relacja pomiędzy wartością skuteczną prądu, napięcia i długością łuku. Związek pomiędzy napięciem łuku i jego długością można przedstawić zależnością:
uł = a + b⋅lł
gdzie a − suma spadku napięcia na anodzie i katodzie (ok.40V),
b − natężenie pola elektrycznego w kolumnie (ok.1000V/m).
W czasie roztapiania wsadu oraz przy długich łukach wzrostowi napięcia łuku odpowiada zmniejszenie prądu i odwrotnie. Brak przy tym jednoznacznego związku pomiędzy tymi wielkościami.
• Przykład budowy urządzenia z piecem o łuku bezpośrednim.
Elektrody usytuowane pionowo w wierzchołkach trójkąta równobocznego. Najczęściej grafitowe, cylindryczne, o maksymalnej średnicy 0.7m. Każda z elektrod ma możliwość ruchu w kierunku swej osi.
Wsad umieszcza się w cylindrycznym kotle zamkniętym zdejmowalną pokrywą.
Średnica kotłów − przy 100MVA ok. 5m.
Dno pieca wykonane jest ze stalowego płaszcza wyłożonego materiałem ceramicznym (ok.0.7m, magnezyt, krzemionka). Ściany boczne wykonane podobnie jak dno. Mogą być chłodzone wodą. Są wówczas pozbawione ceramiki. Sklepienie ma kształt czaszy kulistej. Umożliwia szybkie ładowanie pieca od góry i ewentualną szybką wymianę zużytego sklepienia.
• Rozwój urządzeń z piecem łukowym
I generacja − do ok.1960r. Regulacja mocy łuku typu impedacyjnego tzn. utrzymywane uł/ił = const. Moc jednostkowa s = SN transf / pojemność pieca ≤ 200kVA/t. Przeciętny czas wytopu 4÷6h. Tor wielkoprądowy koplanarny, częściowo chłodzony wodą.
II generacja − od 1960r. − UHP, s = 400÷500kVA/t, tor wielkoprądowy triangulowany (lepsza symetria). Zastosowano wyciągi gazów i pyłów oraz elektrody 0.6m na prądy 70÷80kA. Przewymiarowane transformatory zasilające. Czas wytopu ok.2,5h.
III generacja − od 1973r. Odpowiednie przygotowanie wsadu (między innymi dodatkowe nagrzewanie), wdmuchiwanie tlenu i tp. Chłodzenie wodą ścian wanny, rezygnacja z wymurówki nad poziomem żużla. s = 650÷800kVA/t, czas wytopu 80÷90 min.
IV generacja − lata 90-te. Dalsza optymalizacja i poprawa warunków pracy, zmniejszenie strat cieplnych. Rezygnacja z pieców powyżej 300t (do 80÷150t).
• W urządzeniach do wytapiania stali wykorzystywany jest łuk bezpośredni prądu przemiennego w układzie: elektroda grafitowa − wsad stalowy w stanie stałym lub ciekłym. Urządzenie stanowi odbiornik energii elektrycznej zawierający układ trzech łuków, zasilanych za pośrednictwem toru wielkoprądowego z 3-fazowego transformatora obniżającego napięcie do kilkudziesięciu lub kilkuset woltów. Wsad stanowi punkt zerowy odbiornika.
Prądy sięgają 100kA.
• Układy elektryczne urządzeń z piecami łukowymi
W przeszłości, gdy moce pieców były porównywalne z mocą zwarciową, podłączano je do sieci średniego napięcia 3,5÷63kV przez dwuuzwojeniowy transformator regulacyjny.
W miarę wzrostu mocy przyłączano piece do sieci WN 110, 220kV przez dwa transformatory regulacyjny i piecowy, ze względu na problemy izolacyjne związane z przepięciami.
Obecnie stosuje się transformatory trójuzwojeniowe z uzwojeniem regulacyjnym połączonym z transformatorem dodawczym.
W urządzeniach o mocach < 10MVA stosuje się po stronie WN dławik dla poprawy stabilności łuku oraz ograniczenia prądów zwarć eksploatacyjnych.
Jest on zwierany po roztopieniu wsadu.
• Tor wielkoprądowy.
Elementy:
− kompensator - elastyczne taśmy łączące wyprowadzenia transformatora z
krótkim nieruchomym odcinkiem toru. Kompensują zmiany temperaturowe
wymiarów
− nieruchomy odcinek toru (pakiet szyn)
− nieruchomy łącznik
− giętka część toru - wiązka gołych kabli miedzianych chłodzonych wodą lub w
sposób naturalny, zabezpieczonych przed zetknięciem
− ruchomy łącznik
− ruroprzewody chłodzone wodą
− uchwyt elektrody połączony z ruroprzewodami
− elektrody
Wielkie prądy płynące w torze wywołują silne pola magnetyczne. Duża reaktancja toru zmniejsza cosϕ urządzenia i stwarza asymetrię, co skutkuje nierównomiernością mocy łuków. Powoduje to przyspieszone zużywanie wymurówki w pobliżu "fazy mocnej". Poprawę przyniosły triangulowane tory (asymetria 3÷5%). Reaktancja toru ma bezpośredni związek z prądami zwarcia eksploatacyjnego i stabilnością łuku. Jej wartość powinna być większa od 30% reaktancji całego toru elektrycznego. Niespełnianie tego warunku zmusza do włączania dławika.
• Oddziaływanie na sieć energetyczną
Stan pracy urządzenia ustala się przez wybór długości łuku i napięcia zasilającego, a więc prądu łuku. Napięcie reguluje się zaczepami transformatora, długość łuku − położeniem elektrod względem wsadu. Maksimum mocy czynnej urządzenia uzyskuje się przy cosϕ ≅ 0,7. Na ogół eksploatowane jest przy cosϕ = 0.65÷0.8, a więc w warunkach gdy mocy czynna jest prawie równa biernej. Wymaga to kompensacji mocy biernej.
W przypadku pojedynczego pieca moc bierna w fazie roztapiania oscyluje wokół wartości średniej ze znaczną amplitudą, co może wywołać dostrzegalne wahania napięcia sieci. Np. migotanie światła będzie już dostrzegalne, gdy:
moc zwarciowa sieci / moc zwarciowa urządzenia łukowego ≥ 400 ⋅ (wsp. wrażliwości 0.09÷015)
skąd moc zwarciowa powinna być ≥ 36÷60 mocy zwarciowej urządzenia.
Jeśli te wymagania są trudne do spełnienia, istnieje konieczność zastosowania szybkiej kompensacji mocy biernej.
1
3