0.5. NAGRZEWANIE ŁUKOWE

Nagrzewanie łukowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na efekcie Jo­ule'a w gazach dopływających swobodnie do przestrzeni wyładowczej.

Łukiem elektrycznym nazywa się wyładowanie powodowane termoemisją, emisją pod wpływem pola elektrycznego, a także wyładowanie, podczas którego wymienione rodzaje emisji występują równocześnie. Zapoczątko­wanie wyładowania uzyskuje się różnymi sposobami w zależności od ciśnie­nia gazu, wartości prądu, konstrukcji i przeznaczenia urządzenia łukowego.

Wyładowanie łukowe wielkoprądowe inicjowane jest najczęściej w wyniku zwarcia elektrody ze wsadem lub elektrod. Tego rodzaju zwarcie nosi nazwę eksploatacyjnego.

Łuk jest więc w pierwszym rzędzie źródłem ciepła, lecz także źródłem pro­mieniowania świetlnego i akustycznego. Przedstawia on sobą plazmę o rów­nomier­nej koncentracji elektronów i jonów dodatnich. Moce łuków wielko­prądowych sięgają wartości 150 MW, ich temperatury są zależne głównie od składników atmosfery o najniższych potencjałach jonizacji, a ponadto od natężenia prądu, średnicy kolumny łukowej, warunków odpływu ciepła oraz od ciśnienia, które przyjmuje wartości od atmosferycznego do 0,5 Pa (w łukowych piecach próżniowych).

Temperaturę łuku z pewnym przybliżeniem T, można określić przy użyciu formuły

T_ł = 800U_ł

gdzie U_ł jest potencjałem jonizacji gazu w obszarze wyładowania wyrażo­nym w V.

Potencjały jonizacji gazów zawierają się w przedziale 3,87÷24,5 V, tempera­tura łuku może więc osiągać T_ł = 20000 K (przy ciśnieniu atmosferycznym i w warunkach swobodnego wypromieniowania energii z kolumny).

W piecach łuko­wych do produkcji stali (stalowniczych piecach łukowych) pracujących przy ciśnieniu atmosferycznym, temperatura kolumny łuku jest rzędu 8000 K.

W piecach do produkcji żelazostopów, najniższe potencjały jonizacji zawarte są w przedziale 6÷10 V, a więc temperatura łuku wynosi 5000÷8000 K.

W piecach do produkcji karbidu najniższy potencjał jonizacji ma Ca, miano­wicie 6,1 V, stąd temperatura łuku - około 5000 K.

W piecach do wytwa­rzania żelazokrzemu i żelazomanganu temperatura łuku jest wyższa: 6000÷7000 K.

Moc cieplna wydzielająca się w obszarze wyładowania łukowego jest odprowadzana w trojaki sposób, a mianowicie przez konwekcję i promieniowanie oraz w wyniku zjawisk przyelektrodowych (przekazywanie elektrodom energii kinetycznej przez jony i elektrony). Na rysunku 5.1 przedstawiony jest przykładowy bilans mocy łuku prądu przemiennego o napięciu U_ł =143 V i prądzie I_ł = 7 kA.

Rys. 5.1. Bilans mocy łuku prądu przemiennego, R_ł - promieniowanie kolumny łuku, R_p - promieniowanie nagrzanych gazów

Stosuje się zarówno łuk prądu stałego, jak i przemiennego. Łuk prądu stałego jest wykorzystywany w stalowniczych piecach łukowych z atmosferą naturalną (DC-AF), w łukowych piecach próż­niowych, w wysokonapięciowych piecach łuko­wych do realizacji reakcji chemicznych w fazie gazowej oraz w łukowych piecach kadziowych (DC-LF). Łuk prądu przemiennego sto­suje się w stalowniczych piecach łukowych (AC-AF) — najbar­dziej rozpowszechnionych, w piecach łukowo-rezystancyjno-elektrodowych przeznaczo­nych do redukcyjnego wytapiania metali z rud do topienia rud, w łukowych piecach kadziowych (AC-LF), w pozapiecowej ob­róbce stali.

Charakterystyki łuku wielkoprądowego

Charakterystyką łuku nazywa się związek między napięciem łuku U_ł i prądem łuku. Rozróżnia się charakterystyki statyczne i dynamiczne łuku.

Charakterystyką statyczną jest zależność U_ł(I_ł) w warunkach równości między mocą dostarczaną do łuku i mocą od niego odprowadzaną (stan równowagi energetycznej).

Charakterystyką dynamiczną jest zależność między napięciem i prądem łuku przy tak dużej szybkości zmian prądu w czasie (dI_ł/dτ ≠ 0), że nie jest możliwe zachowanie stanu równowagi energetycznej w kolumnie łuku ze względu na jego bezwładność cieplną. Stąd m.in. charakterystyka łuku prądu przemiennego dla wartości chwilowych jest charakterystyką dynamiczną.

W piecach o dużej mocy mamy do czynienia z czteroma rodzajami łuku (gdy wyładowanie odbywa się miedzy elektrodami a wsadem) - rys.5.2.

Rys. 5.2. Cztery rodzaje łuku w stalowniczym piecu łukowym prądu stałego

Rys. 5.3. Charakterystyki statyczne luku pieca stalowniczego prądu stałego: a) przy łuku całkowicie odkrytym (I rodzaju); b) przy łuku częściowo otulonym (II rodzaju); c) przy łuku całkowicie otulonym (III rodzaju); d) przy pracy bezłukowej (IV rodzaju)

l_ł - długość łuku, l_ż - grubość warstwy żużla, σ_ż, - konduktywność żużla, l - odległość między czołem elektrody i powierzchnią kąpieli stalowej

Łuk bezpośredni prądu przemiennego w urządzeniach do wytwarzania stali występuje w układzie elektroda grafitowa - wsad stalowy w stanie stałym lub ciekłym Wsad stanowi punkt zerowy odbiornika złożonego z trzech łuków zasilanych za pośrednictwem toru wielkoprądowego z trójfazowego transformatora obniżającego napięcie do kilkudziesięciu - kilkuset woltów (rys. 5.4). Prądy łuku o wartościach przekraczających 100 kA nie należą do rzadkości.

Rys. 5.4. Łuki bezpośrednie w stalowniczym urządzeniu łukowym

1 - transformator, 2 - tor wielkoprądowy, 3 - elektroda, 4 - łuk,

5 - wsad

Rys. 5.5. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych charakteryzujących łuk w piecu stalowniczym w okresie roztapiania złomu (wielkości względne):

a) napięcie łuku
dla
;

b) prąd łuku
dla
; c) konduktancja łuku
dla
;

d) moc łuku
dla

Łuk prądu przemiennego w urządzeniach do redukcyjnego wytapiania substancji

z rud i z produktów ich przeróbki oraz w urządzeniach do topienia rud

Rys.5.6. Odbiorniki z częściową przemianą energii w łuku i ich schematy zastępcze: a) łukowo- rezystancyjny i jego schemat zastępczy b); c) łukowo-rezystancyjno-elektrodowy i jego schemat zastępczy d)

1 - spieczona warstwa wsadu (ścianki „tygla"), 2 - wsad stopiony, 3 - łuk, 4 - elektroda, 5 - wsad stały, 6 - żużel, 7 - mikrołuki; R_ł - rezystancja łuku (mikrołuków), R_w, - rezystancja wsadu stałego R_m - międzyelektrodowa rezystancja wsadu, R_k - rezystancja ośrodka ciekłego

Rys.5.7. Przebiegi czasowe wielkości elektrycznych w piecu łukowo- rezystancyjno-elektrodowym do wytwarzania krzemomanganu:

a) względne napięcie odbiornika
dla

b) względny prąd odbiornika
dla
.

Główne łukowe procesy technologiczne

1. Wytapianie i roztapianie metali ze złomu

Rys. 5.8. Przykładowy przebieg kompletnego procesu wytapiania stali w piecu łukowym średniej mocy

P_ł - moc czynna łuku, τ - czas, U₂ - napięcie wtórne fazowe transformatora zasilającego piec (wyższe od napięcia łuku o spadek w wielkoprądowym torze zasilającym)

2. Przetapianie metali

W szczególności Ti, W, Mo, Nb, Zr, Ni, stali i stopów specjalnych żaroodpornych, nierdzewnych, łożyskowych realizuje się w łukowych piecach próżniowych.

3. Obróbka pozapiecowa stali

- Technika odgazowania w kadzi umieszczonej w komorze próżniowej z na­grzewaniem łu­kiem prądu przemiennego w atmosferze powietrza, przy jednoczesnym elektromagnetycz­nym mieszaniu ciekłej stali w kadzi (proces ASEA - SKF).

- Technika odgazowania w kadzi umieszczonej w komorze próżniowej z na­grzewaniem łu­kiem prądu przemiennego przy jednoczesnym przedmuchiwaniu argonem od dołu kadzi (proces VAD).

-Technika rafinacji i wykończenia w piecu kadziowym (nazywanym niekiedy piecokadzią) z nagrzewaniem łukiem prądu przemiennego lub stałego w atmosferze powietrza przed lub po obróbce próżniowej (proces LF).

Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu przemiennego

Rys. 5.9. Stalownicze urządzenia łukowe z trójfazowym piecem wytopowym

1 - transformator piecowy, 2 - część giętka toru wielkoprądowego (kable chłodzone wodą), 3 - część sztywna toru (rury chłodzone wodą), 4 - elektrody, 5 - uchwyty elektrod, 6 - odprowadzenie gazów i pyłów piecowych, 7 - otwór spustowy, 8 - sklepienie pieca, 9 - kocioł pieca, 10 - jedna z dwóch kołysek stanowiących podstawę platformy 11 i umożliwiających przechylanie pieca, 12 - sterownia

Rys. 5.10. Łukowy piec stalowniczy wyposażony w lance i palniki intensyfikujące proces wytapiania stali

Rys. 5.11. Moce urządzeń łukowych trzeciej generacji S oraz średnice wewnętrzne kotłów piecowych D w funkcji pojemności wsadowej pieców m

Rys. 5.12. Widok kadzi stalowniczego pieca łukowego ze spustem ekscentrycznym

Rys. 5.13. Kadź i pokrywa stalowniczego pieca łukowego

Rys. 5.13. Schematy układów elektrycznych urządzeń łukowych: a); b) układy jednotransformatorowe c) układ dwutransformatorowy; d); e); f) układy jednotransformatorowe z trójnym uzwojeniem regulacyjnym

1 - odłącznik, 2 - wyłącznik zabezpieczający, 3 - wyłącznik manewrowy,

4 - transformator piecowy regulacyjny dwuuzwojeniowy, 5 - transformator regulacyjny dwuuzwojeniowy, 6 - transformator piecowy dwuuzwojeniowy, 7 - transformator piecowy z uzwojeniem trójnym regulacyjnym,

8 - transformator piecowy z uzwojeniem trójnym regulacyjnym i wyłącznikiem manewrowym na uzwojeniu pośrednim, 9 - tor wielkoprądowy,

10 - uziemnik, 11 - piec łukowy

Rys. 5.14. Schemat zasilania pieca łukowego z sieci średniego napięcia

1 - odłącznik, 2 - przekładnik napięciowy, 3 - przekładnik prądowy,

4 - wyłącznik pneumatyczny (manewrowy i zabezpieczający), 5 - dławik z łącznikiem zwierającym 6 (tylko w urządzeniach o małej mocy), 7 - odgromnik, 8 - transformator piecowy, 9 - przekładnik prądowy, 10 - tor wielkoprądowy, 11 - elektrody, 12 - piec łukowy, 13 - układ kompensacji mocy biernej i filtracji wyższych harmonicznych

Rys. 5.15. Zasada kompensacji mocy biernej urządzeń łukowych

Q - moce bierne: Q_u - urządzenia łukowego,

Q_L - dławika sterowanego, Q_C - baterii kondensatorów,

Q - pobierana z sieci

5.16. Widok urządzenia kompensacyjnego

Wartość maksymalna napięcia wtórnego przewodowego U_2p,max zależy od mocy pozornej urządzenia S i od reaktancji toru elektrycznego X (suma reaktancji wszystkich elementów obwodu od dławika -jeśli występuje w obwodzie - do wsadu)

Biorąc pod uwagę, że wartości X zawierają się w przybliżeniu w granicach 3÷5 mΩ w transformatorach urządzeń o największych mocach U_2p,max ≈ 1000 V.

Iloraz mocy transformatora i pojemności wsadowej pieca jest wyróżnikiem czterech kategorii urządzeń łukowych o mocy:

- normalnej (RP) - 80 ÷ 350 kV·A/Mg,

- wielkiej (HP) - 170 ÷ 470 kV·A/Mg,

- ultrawielkiej (UHP) - 250÷650 kV·A/Mg,

- super ultrawielkiej (SUHP) - 400÷1000 kV·A/Mg.

Charakterystyki robocze stalowniczego urządzenia łukowego prądu przemiennego

Mianem charakterystyk roboczych stalowniczego urządzenia łukowego określa się związki między podstawowymi wielkościami elektrycznymi i cieplnymi określającymi stan pracy urządzenia w funkcji prądu łuku.

Rys. 5.17. Schemat elektryczny urządzenia łukowego: a) pełny; b) uproszczony

R₁, X₁ - parametry toru elektrycznego po stronie wysokiego napięcia; R_d, X_d - parametry dławika; R_t1, X_t1, R_t2, X_t2 - parametry transformatora piecowego po stronie wysokiego i niskiego napięcia; R_w, X_w - parametry toru wielkoprądowego; R_t1 - rezystancja łuku; R₀, X₀ - parametry jałowe transformatora; R, X - parametry całkowite toru elektrycznego; U₂ - napięcie fazowe wtórne transformatora; I_ł - prąd łuku; U_ł - napięcie łuku

Prąd zwarcia eksploatacyjnego występujący przy Rł = O tzn. gdy elektroda zwiera się ze wsadem

Rys. 5.18. Charakterystyki robocze urządzenia łukowego

Łatwo wykazać, że maksymalna moc łuku ma miejsce przy
, a wobec tego

Stalownicze urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu stałego

Rys. 5.19. Szkic urządzenia łukowego z jednoelektrodowym piecem wytopowym prądu stałego

1 - chłodzone części elektrody kombinowanej, 2 - część grafitowa elek­trody, 3 - dopływ Ar lub N₂, 4 - część przewodząca trzonu (anoda), 5 - elektroda denna, 6 - tor wielkoprądowy, 7 - ceramiczny przepust elektro­dowy

Rys. 5.20. Widok jednoelektrodowego stalowniczego pieca łukowego prądu stałego

Rys. 5.21. Schematy zasilania jednoelektrodowych pieców łukowych prądu stałego (DC-AF)

1 - transformator piecowy, 2a - prostownik sześciopulsowy, 2b - prostow­nik dwunastopulsowy, 3 - część giętka toru wielkoprądowego, 4 - piec jed­noelektrodowy, 5 - dławik, 6 - filtr 5-tej harmonicznej, 7 - filtry 7, 11, i 13-tej harmonicznej

Prądem stałym zasilane są też łukowe piece próżniowe.

Urządzenia łukowe w systemie elektroenergetycznym

Urządzenie łukowe jako odbiornik o charakterze indukcyjnym jest eks­ploatowane najczęściej przy cosϕ = 0,65÷0,80, co oznacza, że pobierana z sieci moc czynna jest równa w przybliżeniu mocy biernej. Jeśli nie stosuje się kompensacji mocy biernej, to jej dostarczenie do urządzenia łukowego powoduje - w porównaniu z obciążeniem czysto rezystancyjnym - dodatkowe spadki napięć, a tym samym straty w urządzeniach do wytwarzania, przesyłu oraz rozdziału energii elektrycznej.

Rodzaje oddziaływań na system elektroenergetyczny

1. Spadki napięć

2. Wahania napięcia

3. Asymetria napięć

4. Prądy o częstotliwości ponadpodstawowej

5. Zjawisko migotania światła

Rys. 5.23. Granica dostrzegalności migotania światła

1 - przy sinusoidalnym kształcie wahań napięcia sieci, 2 - przy kształcie prostokątnym

Rys. 5.24. Migotanie światła w zależności od wahań napięcia sieci przy eksploatacji pieców łukowych UHP

Zjawisko migotania światła nie będzie dostrzegalne jeśli moc zwarciowa sieci będzie większa od mocy zwarciowej urządzenia łukowego 36÷60 razy.

Technologie łukowo-rezystancyjno-elektrodowe

i urządzenia do ich realizacji

Główne procesy technologiczne:

1. Redukcyjne wytapianie substancji z rud i z produktów przeróbki rud.

Jest to kategoria procesów polegających na wytwarzaniu przy udziale energii cieplnej substancji prostych oraz złożonych, otrzymywanych w wyniku redukcji rud tlen­kowych względnie siarczkowych, stanowiących wraz z reduktorem, a w niektórych przypadkach także z innymi składnikami, np. topnikami, wsad piecowy. Do procesów takich zalicza się m.in. wytapianie żelazostopów, żółtego fosforu, karbidu, cynku, surówki.

Do podstawowej kategorii procesów redukcyj­nych zalicza się wytwa-rzanie:

- żelazostopów,

- żółtego fosforu,

- karbidu,

- cynku,

- surówki.

2. Topienie rud

Jest to kategoria procesów polegających na topieniu rud bez prowadzenia reakcji chemicznych.

Do podstawowej kategorii tych procesów zalicza się:

- wytwarzanie kamienia miedziowo-niklowego,

- wytwarzanie kamienia miedziowego,

- topienie naturalnego tlenku magnezu.

Procesy te realizuje w urządzeniach w skład których wchodzą: piec z układem elektrod, mechanizmy ich przesuwu i opuszczania, układy chłodzenia, mechanizmy załadunku i dozowania wsadu, odciągi i urządzenia odpylające, niekiedy mechanizm obrotu wanny, układ zasilania w energię elektryczną i układy pomiarowo-sterujące. Urządzenia i układy te cechuje wielka różnorodność rozwiązań. Moce na jakie są budowane zawierają się w przedziale 0,3÷120 MVA.

Rys. 5.25. Kształty wanien pieców łukowo-rezystancyjno-elektrodowych i sposób rozmieszczenia w nich elektrod

Rys. 5.26. Piece lukowo-rezystancyjno-elektrodowe: a) otwarty (odkryty); b) półzamknięty; c) zamknięty

1 - elektroda, 2 - wsad, 3 - kadź, 4 - kołpak, 5 - sklepienie

Elektrody we współczesnych piecach są wykonywane jako ciągłe i samo­spiekające i tylko w szczególnych przypadkach zastępowane są elektrodami węg­lowymi lub grafitowymi. Nazywane także elektrodami Söderberga, mają przekrój kołowy o średnicach do 3 m lub prostokąty z zaokrąglonymi narożami o wymiarach przekroju poprzecznego sięgających 3 x 0,85 m. Są to elektrody pełne, najbardziej rozpowszechnione. Stosowane są także elek­trody drążone o średnicy zewnętrznej do 3,2 m i średnicy otworu ≈ 1m. Otwór ten jest wykorzystywany do zasypywania wsadu. Prądy elek­trod w obecnie budowanych piecach sięgają 185 kA.

Rys. 5.27. Obieg surowców, energii, gazów i produktu

w piecu do produkcji żelazostopów

Rys. 5.28. Piec zamknięty z lądowaniem wsadu zsypami rurowymi przez okrągłe otwory w sklepieniu

1 - zsyp rurowy, 2 - lej załadowczy, 3 - elektroda, 4 - uszczelnienie elektrody, 5 - sklepienie, 6 - przewody odciągowe gazów i pyłów,

7 - rynna spustowa, 8 - płyta żelazobetonowa, 9 - czop nośny wanny, 10 - rolki obrotu wanny, 11 - napęd układu obrotu wanny.

Rys. 5.29. Częściej spotykane układy transformator-piec: a) z transformatorem trójfazowym i torem bifilarnym zamkniętym w trójkąt na elektrodach; b) z trzema transformatorami symetrycznie rozmieszczonymi wokół pieca, tor bifilarny zamknięty w trójkąt na elektrodach; c) z trzema transformatorami jednofazowymi o stałej przekładni symetrycznie rozmiesz­czonymi wokół pieca zasilanymi z regulacyjnego transformatora trójfazowego, z torem wielkoprądowym zamkniętym w trójkąt na elektrodach; d) z transformatorem trójfazowym i kompensacją mocy biernej; e) z trzema transformatorami jednofazowymi o regulowanym napięciu i torach wielkoprądowych bifilarnych

Rys. 5.30. Elektryczny schemat zastępczy urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowego X_t, R_t - reaktancja i rezystancja toru elektrycznego (transformatora i toru wielkoprądowego); R_n - rezystancja międzyelektrodowa górnego obszaru wsadu; X_w - reaktancja wanny łącznie z reaktancja elektrody; R_e - rezystancja elektrody; R_m- rezystancja międzyelektrodowa dolnego obszaru wsadu; R_τ - rezystancje łuku, R_w - rezystancja wsadu bocznikująca łuk; R_k - rezystancja kąpieli

Rys. 5.31. Charakterystyki robocze urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowego do wytwarzania żelazokrzemchromu i żelazokrzemu

1

Rys. 5.22. Łukowy piec

próżniowy

1. pręt elektrodowy

2. głowica pieca

3. króciec elektrodowy

4. elektroda

5. nieruchoma część krystalizatora

6. ciekły metal

7. zastygły metal

Ciśnienie w piecu

p=0.000001 bara=0.1 Pa

---