ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
В.И. Сафонов
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ
●
Учебное пособие
Челябинск
2014

УДК 621.311.1(075.8)
С217
Одобрено
учебно-методической комиссией
энергетического факультета
Рецензенты:
А.С . Знаев, Н.Н. Беглецов
С217
Электротехнологические установки: учебное пособие / В.И. Сафонов –
Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. – 1 2 4 с.
Пособие содержит конспект лекций по дисциплинам «Электротехнологические
промышленные установки» и «Физические основы электротехнологий». Первая
из дисциплин входит в программу подготовки бакалавров, а вторая – в
программу подготовки магистров по направлению 140400 «Электроэнергетика
и электротехника». В пособии обсуждаются особенности технологических
процессов в электрических печах и установках, определяющие их
электромагнитную совместимость. Основное внимание уделено мощным
электротермическим печам и системам электроснабжения этих печей. Пособие
предназначено для студентов очной и заочной форм обучения.
УДК [621.311.1(075.8)]
© Издательский центр ЮУрГУ, 2014

Вводная лекция
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
1. Классификация электротехнологических установок
Электротехнологическими установками называются установки, в кото-
рых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии с одно-
временным выполнением технологического процесса.
По характеру действия на обрабатываемое вещество все электротехнологиче-
ские условно делятся на: электротермические установки; электрохимические
и электрофизические установки; электромеханические установки; электро-
кинетические установки.
Электротермические установки – это установки, в которых электриче-
ская энергия служит для нагрева материалов и изделий. В электротермиче-
ских установках преобразование электрической энергии в тепловую произво-
дится следующими способами: нагрев сопротивлением; индукционный нагрев;
диэлектрический нагрев; дуговой нагрев; электронно- и ионно-лучевой нагрев;
плазменный нагрев; лазерный нагрев.
В электрохимических и электрофизических установках используется
электрохимическое действие тока. К ним относятся: электролизные; электро-
химические; электроэрозионные; электрохимико-механические установки.
В электромеханических установках действие электрического тока при-
водит к каким-то механическим усилиям. К ним относятся: магнито-
импульсные; электромагнитные; электрогидравлические; ультразвуковые.
Электрокинетические установки – это установки, в которых используется
электронноионная технология, включающая в себя электризацию частиц и
формирование их движения в электрическом поле. Развитие получили сле-
дующие виды установок. Электрогазоочистка – выделение из газового (воз-
душного) потока твердых тел или жидких частиц. Электросепарация – разделе-
ние многокомпонентных систем на составные части. Электроокраска – нанесе-
ние твердых или жидких покрытий на изделия и др.
Электротехнологические установки крайне разнообразны и многочисленны.
Полное изложение информации о всех технологических установках может за-
нять десятки томов энциклопедии. Поэтому необходимо выделить критерии
отбора информации об установках для энергетиков.
2. Энергетическая диаграмма технологического процесса
Рассмотрим, например, энергетическую диаграмму плавки металла (рис.
В1). На диаграмме показаны все преобразования энергии от ГПП предприятия
до выпуска готовой продукции. На каждом этапе процесс сопровождается по-
терями энергии. При этом потери энергии в системе электроснабжения СЭС и
в технологический установке взаимосвязаны. Необходимо говорить об общем
КПД преобразования энергии.
3

Рис. В1. Энергетическая диаграмма технологического процесса
3. Менеджмент технологического процесса
Однако на производстве за часть процесса преобразования энергии отвечает
энергетик, а за часть процесса – технолог. Области ответственности каждого из
специалистов показаны на рис. В2‒В5. При составлении упрощенных диаграмм
процессов у каждого процесса определялся вход, выход, управляющие воздей-
ствия и главное должность одного сотрудника, отвечающего за этот процесс.
Если у процесса появлялось несколько ответственных, он разделялся на не-
сколько самостоятельных процессов.
Директор предприятия отвечает за выпуск продукции (рис. В2), технолог ‒
за управление технологическим процессом (рис. В3). Роль энергетика в этих
процессах заключается в том, что он обеспечивает одно из управляющих воз-
действий (хотя и самое важное). Энергетик отвечает за электроснабжение тех-
нологического процесса (рис. В4) и управление СЭС предприятия (рис. В5).
Все специалисты вместе решают задачу минимизации потерь энергии при
выполнении требований к качеству выпускаемой продукции.
4

Чтобы успешно решать эту задачу технолог и энергетик должны понимать
друг друга. Таким образом, энергетику необходима только та информация о
технологии, которая позволяет ему решать общие с технологом вопросы
энергосбережения.
сырье
технологический
процесс
продукция
электроэнергия
U,P и т.д.
другие управляющие
воздействия
информация
о процессе
f(U,P и т.д.)
владелец процесса директор
Рис. В2. Обобщенная модель технологического процесса
формирование
управляющих
воздействий
электроэнергия
информация
о процессе
другие
управляющие
воздействия
требования к
технологии
владелец процесса технолог
Рис. В3. Управление технологическим процессом
электроснабжение
технологического
процесса
электроэнергия
от сети
информация о качестве
электроэнергии
управляющие воздействия
владелец процесса энергетик
электроэнергия
для технологического
процесса
Рис. В4. Электроснабжение технологического процесса
требования к
технологии
корректировка
качества
электроэнергии
информация о качестве
электроэнергии
владелец процесса энергетик
управляющие
воздействия
информация о
технологическом процессе
требования
от сети
Рис. В5. Управления системой электроснабжения
5

4. Взаимосвязь СЭС и технологического процесса.
Взаимосвязь СЭС и технологического процесса показана на рис. В6. Во вре-
мя выполнения технологического процесса может возникать необходимость в
изменении параметров источника питания (величины напряжения, тока и т.д .)
по определенной программе. В некоторых случаях параметры источника пита-
ния должны сохраняться, несмотря на изменения характера технологического
процесса. Параметры электрической сети при этом также могут изменяться.
Эти и другие задачи решаются (автоматически или в ручном режиме) системой
электроснабжения технологической установки.
Технология
Продукция
управляющие
сигналы
напряжение
ток
информация о
технологическом процессе
СЭС
напряжение
ток
ток
1
управление
технологией
1
2
2
управляющие
сигналы
3
информация о
СЭС
управление СЭС
управление СЭС
3
Сырье
Рис. В6. Взаимосвязь СЭС и технологического процесса
СЭС предприятия должна преобразовывать энергию сети в энергию
для технологического процесса при изменениях в сети и технологическом
процессе максимально экономно и с соблюдением требований технологии
и электрической сети.
В курсе «Электротехнологические установки» рассмотрены несколько ха-
рактерных примеров технологических установок. Во-первых, взяты установки,
потребляющую значительную мощность (по сравнению с другими потребите-
лями предприятия). Во-вторых, взяты установки, для которых необходимо вы-
полнения особых требований к качеству электроснабжения технологиче-
ского процесса. Третьим критерием выбора является особенно сильное влия-
ние технологического процесса на качество электроснабжения других по-
требителей.
Для всех примеров изложение материала начинается с физических принци-
пов технологического процесса, на основании которых формулируются требо-
вания к источнику питания технологической установки. Далее рассматривается
электромагнитная совместимость электрической сети и технологической уста-
новки, принципы построения СЭС и конкретное оборудование СЭС.
6

Лекция 1
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИИ
1.1. Основы кинетики нагрева
Уравнение теплового баланса нагреваемого тела имеет вид:
где Q1 ‒ тепло, полученное при преобразовании электрической энергии в теп-
ловую (полное тепло); Q2 ‒ тепло, затраченное на нагрев материала (полезное
тепло); Q3 ‒ потери тепла в окружающую среду. Преобразуя закон сохранения
энергии, получим уравнение теплового баланса в форме
где Р – мощность; τ ‒ время нагрева; m ‒ масса; c ‒ удельная теплоемкость на-
греваемого материала; k ‒ коэффициент теплоотдачи; F ‒ площадь теплоот-
дающей поверхности; t и t 0 ‒ текущая и начальная температура нагрева.
Обозначим постоянную времени нагрева и конечную температуру
Постоянная времени нагрева – это отношение тепловоспринимающей
способности вещества к теплоотдающей. Постоянная времени нагрева опре-
деляется по экспериментальным кривой нагрева или по аналитической зависи-
мости. Уравнение теплового баланса преобразуется к виду
Решая дифференциальное уравнение, получим зависимость температуры
нагрева от времени:
Тепловой КПД электронагревательной установки
При отсутствии тепловых потерь в окружающую среду полезная мощность
1.2. Способы теплопередачи
Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной час-
ти пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной
его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие раз-
ности температур отдельных тел или участков тел.
Различают стационарный и нестационарный теплообмен. При стационар-
ном теплообмене температура всех точек не изменяется, следовательно, неиз-
менен и запас энергии в системе. При нестационарном теплообмене отдельные
точки нагреваются (или остывают) и запас энергии в системе изменяется.
7

Существуют три различных способа передачи тепла: теплопроводность,
излучение и конвекция.
Теплопроводность – передача теплоты при непосредственном сопри-
косновении частиц вещества. На основании гипотезы Фурье количество теп-
ловой энергии, переданной путем теплопроводности равно
dF
d
n
t
q






,
где  – коэффициент теплопроводности,
n
t
 / ‒ градиент температуры в на-
правлении распространения тепловой энергии, 
d ‒ время,
‒
площадка,
перпендикулярная направлению теплового потока.
dF
Конвекция – передача теплоты вместе с движением частиц вещества
наблюдается только в жидкостях и газах. Различают естественную конвекцию,
возникающую из-за движения среды при разности плотностей и принудитель-
ную конвекцию, создаваемую искусственным путем.
Количественно передача теплоты конвекцией от твердого тела, омываемого
жидкостью или газом, описывается формулой
F
t
t
q
)
(г
ст


,
где  ‒ коэффициент теплоотдачи конвекцией, ,
‒
температура стенки и
газа,
ст
t
г
t
F ‒ поверхность теплоотдачи.
Процесс конвективного теплообмена весьма сложен и зависит от ряда фак-
торов. Коэффициент теплоотдачи зависит от температур теплоотдающей и
тепловоспринимающей сред, геометрических размеров и формы твердого тела,
теплофизических свойств омываемой среды, коэффициента теплопроводности,
удельной теплоемкости, вязкости, плотности, а также скорости и характера
движения среды. При принудительной конвекции коэффициент теплопровод-
ности зависит в первую очередь от скорости движения среды.
Тепловое излучение – передача энергии в виде электромагнитных волн.
Этот процесс происходит в средах, прозрачных для тепловых лучей.
Тепловая энергия на поверхности нагретого тела превращается в энергию
электромагнитных волн с длиной волны 0,4÷40 мкм (0,4÷0,8 мкм – видимый свет,
0,8÷40 мкм – инфракрасное излучение) и распространяется со скоростью света.
Энергия электромагнитных волн, встречая на своем пути твердые тела, час-
тично поглощается ими, превращаясь в теплоту, частично отражается от них и
частично пропускается сквозь тело, если оно прозрачное. Основной закон теп-
лового излучения (закон Стефана-Больцмана) определяет удельный поток лу-
чистой энергии, испускаемой во всем диапазоне длин волн абсолютно черным
телом (не отражает и не пропускает энергию)
4
)
100
/
(T
c
qs

,
где T ‒ температура тела (К),
7,5

s
c
‒
излучательная способность абсолютно
черного тела (Вт/(м
2
К4)). Для серых тел с коэффициентом теплового излучения
 закон Стефана-Больцмана имеет вид
и позволяет определить
поток лучистой энергии, испускаемой телом по всем направлениям.
4
)
100
/
(T
c
qs


8

В чистом виде теплопроводность, конвекция и излучение встречаются редко.
Чаще происходит совместное действие двух или трех видов передачи теплоты.
1.3. Преобразование электрической энергии в тепло
Схема прямого преобразования, когда энергия различных форм электри-
чества (электрического тока, электрических полей, магнитных полей, потока
электронов) поглощается телами и превращается в них в теплоту.
Схема косвенного преобразования, когда теплота выделяется в элек-
тронагревателе и передается загрузке теплообменом.
Способы преобразования электрической энергии в тепловую и области их
применения представлены в табл. 1 .1 [13].
Таблица 1.1
Род нагрева
Способ превращение энергии
Область применения
Нагрев со-
противле-
нием
Электрическая энергия превращает-
ся в тепловую при протекании тока
Нагрев металлов под тер-
мообработку; плавка ме-
таллов; сушка материалов
Нагрев
электриче-
ской дугой
Электрическая энергия превращает-
ся в тепловую в дуговом разряде
Плавка металлов; плаз-
менное напыление и т.д .
Нагрев ду-
гой и сопро-
тивлением
Электрическая энергия превращает-
ся в тепловую в дуговом разряде и
при протекании тока
Получение ферросплавов,
чугуна, фосфора, абрази-
вов и т.д.
Нагрев
в
переменном
магнитном
поле
Электрическая энергия превращает-
ся в энергию переменного магнит-
ного поля, а затем в тепловую в
помещенных в это поле телах
Плавка четных и цветных
металлов; нагрев металлов
под термообработку; по-
верхностная закалка
Нагрев
в
переменном
электриче-
ском поле
Электрическая энергия превращает-
ся в энергию переменного электри-
ческого поля, а затем в тепловую в
помещенных в это поле телах
Нагрев диэлектриков и
пластмасс, сушка мате-
риалов,
стерилизация
продуктов
Нагрев элек-
тронным
(ионным)
пучком
Электрическая энергия превращает-
ся в энергию электронного (ионно-
го) пучка, а затем в тепловую в
бомбардируемых этим пучком телах
Плавка и нагрев в вакуу-
ме, напыление
Лазерный
нагрев
Электрическая энергия превращает-
ся в энергию лазерного излучения,
а затем в тепловую в освещаемых
этим излучением телах
Обработка
тугоплавких
металлов, точная обработ-
ка
Плазмен-
ный нагрев
Электрическая энергия превращает-
ся в энергию ионизированного га-
за, а затем в тепловую
Плазменный нагрев
9

Преобразование электрической энергии в тепло может осуществляться в
один или несколько этапов. Наиболее простые одноэтапные преобразования в
сопротивлении и электрической дуге. Однако такая технология не может при-
меняться для нагрева высококачественных изделий, из-за непосредственного
контакта электродов и нагреваемого материала.
Рис. 1.1 . Способы преобразования электрической энергии в теплоту
1), 2)‒ сопротивлением электроконтактный и электродный; 3) – индукционный
косвенный; 4) ‒ сопротивлением косвенный; 5) ‒ электродуговой косвенный; 6)
‒
термоэлектрический; 7) ‒ диэлектрический; 8) ‒ электродуговой прямой
Двухэтапные преобразования энергии (в электромагнитное поле, а затем в
тепло) позволяют избежать загрязнения образцов при нагревании. Также
двухэтапные технологии (электронный пучок, лазер) позволяют добиться вы-
сокой концентрации энергии, что компенсирует низкий коэффициент полез-
ного действия при преобразовании энергии. Некоторые способы преобразова-
ния электроэнергии в теплоту показаны на рис. 1.1.
1.4. Электротермические установки
Электронагрев (электротермия) объединяет разнообразные технологиче-
ские процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в
качестве основного энергоносителя.
Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств:
‒
существенное снижение загрязнения окружающей среды;
‒
получение строго заданных значений температур, в том числе и превосхо-
дящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива;
‒
создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков;
‒
достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве;
‒
контроль и точное регулирование длительности выделения энергии;
‒
гибкость в управлении потоками энергии;
‒
возможность нагрева материалов изделий в газовых средах и вакууме;
‒
выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе.
10

Внедрение электротермии также обеспечивает экономию материальных и
трудовых ресурсов, что в конечном результате приводит к повышению эконо-
мической эффективности.
Электротермические установки (ЭТУ) ‒ это электротермическое обору-
дование в комплексе с элементами сооружений, приспособлениями и ком-
муникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспортными и др.),
обеспечивающими его нормальное функционирование.
Электротермическое оборудование (ЭТО) – это оборудование, предна-
значенное для технологического процесса тепловой обработки с использо-
ванием электроэнергии в качестве основного энергоносителя.
Электротермическое оборудование разделяют на электрические печи, элек-
тротермические устройства. Отличительной особенностью электрической пе-
чи является наличие нагревательной камеры, в которую помещается нагре-
ваемое тело. Под «нагревательной камерой» понимается конструкция, обра-
зующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем заданный тепло-
вой режим. Электротермические устройства выполняют без нагреватель-
ной камеры.
На рис. 1 .2 представлена классификация наиболее распространенных видов
электрических печей.
печи
сопротивления
дуговые печи
индукционные
печи
установки
электронно-
лучевого
нагрева
с кольцевым катодом
с радиальной пушкой
с аксиальной пушкой
прямого нагрева
косвенного нагрева
дуговые печи
сопротивления
дуговые печи косвенного
действия
дуговые печи
прямого
действия
рудовосстановительные
печи
дуговые
сталеплавильные печи
дуговые вакуумные
печи
дуговые плазменные
печи
индукционные
печи с
магнитопроводом
индукционные
тигельные печи
индукционные
вакуумные печи
Рис. 1.2. Классификация электрических печей
11

В основу классификации ЭТО положены следующие признаки:
1. Способ электрического нагрева. Это основной классификационный
признак, по которому различают следующие группы электронагревательных
установок: 1) сопротивления; 2) электродугового нагрева; 3) индукционного
нагрева; 4) диэлектрического нагрева; 5) электронного нагрева; 6) лазерного
нагрева; 7) смешанного нагрева.
2. Принцип нагрева. По этому признаку каждая из основных классифика-
ционных групп разделяется на установки прямого и косвенного нагрева.
3. Принцип работы. По этому признаку различают установки периодиче-
ского действия и непрерывного действия.
4. Род тока и частота. По частоте используемого для нагрева электрическо-
го тока различают установки: 1) постоянного тока; 2) низкой (промышленной)
частоты (50 Гц); 3) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц); 4) высокой час-
тоты (до 100 МГц); 5) сверхвысокой частоты (свыше 100 МГц).
5. Способ теплопередачи. Установки косвенного электронагрева различают
по способу передачи тепла: 1) контактного нагрева (теплопроводностью); 2)
конвективного нагрева; 3) лучистого (инфракрасного) нагрева; 4) смешанного
нагрева.
1.5. Материалы для электротермии
В электротермических установках применяются материалы, способные ра-
ботать при высоких температурах. К ним относятся огнеупорные и тепло-
изоляционные материалы, назначение которых состоит в том, чтобы отделить
рабочее пространство от окружающей среды и уменьшить тепловые потери.
Применяются также жароупорные материалы, способные выдерживать меха-
нические нагрузки при высоких температурах, и материалы, из которых из-
готовляются нагревательные элементы.
Свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов
Огнеупорность - способность материала противостоять действию высоких
температур, не расплавляясь. Огнеупорность несколько ниже температуры
плавления. Из огнеупорных материалов изготовляют внутренние части стен и
детали рабочих камер печей.
Прочностные свойства керамических материалов оцениваются пределами
временной прочности при сжатии, изгибе, скручивании, растяжении, реже при
сдвиге. Обычно значения этих величин заметно превышают те реальные на-
пряжения, которые может испытывать материал в работе.
Термостойкость ‒ способность материала выдерживать, не разрушаясь,
резкие колебания температуры.
Химическая стойкость материала определяется его способностью противо-
стоять разрушающему действию жидких, твердых или газообразных веществ.
Материалы, применяемые в электропечах, должны противостоять разрушающе-
му воздействию газов, расплавов, не должны взаимодействовать с нагреватель-
ными элементами печей и сами оказывать на них вредное влияние.
12

13
От огнеупорных материалов требуется малая теплопроводность, так как
они отделяют зону наибольших температур от окружающей среды. Малая теп-
лоемкость огнеупоров снижает аккумулированную футеровкой теплоту и тем
самым уменьшает затраты электроэнергии, особенно у печей периодического
действия.
Малая электрическая проводимость и достаточная электрическая
прочность при низких и высоких температурах необходимы потому, что огне-
упорные материалы служат естественным изолятором, разделяющим и изоли-
рующим токонесущие части друг от друга.
К теплоизоляционным материалам, которые предназначены для уменьше-
ния тепловых потерь электропечи, предъявляются следующие требования: малая
теплопроводность, малая удельная теплоемкость, определенная огнеупор-
ность, определенная механическая прочность, дешевизна и доступность.
Свойства материалов для нагревательных элементов
Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи
и, как правило, предопределяют работоспособность установки в целом.
К этим материалам предъявляются следующие требования:
1. Достаточная жаростойкость.
2. Достаточная жаропрочность - механическая прочность при высоких темпе-
ратурах, необходимая, чтобы нагреватели могли поддерживать сами себя.
3. Большое удельное электрическое сопротивление. Чем меньше удель-
ное электрическое сопротивление, тем больше длина нагревателя и меньше его
поперечное сечение. Сечение нагревателя должно быть достаточно большим
для обеспечения необходимого срока службы. Длинный нагреватель не всегда
возможно разместить в печи. Таким образом, желательно, чтобы материалы на-
гревательных элементов имели высокое значение удельного электрического
сопротивления.
4. Малый температурный коэффициент сопротивления. Данное требо-
вание должно выполняться для того, чтобы мощность, выделяемая нагревате-
лями в горячем и холодном состояниях, была одинаковой или отличалась не-
значительно. Если температурный коэффициент сопротивления велик, для
включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансфор-
маторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.
5. Постоянство электрических свойств. Некоторые материалы (карбо-
рунд) с течением времени стареют, т. е. увеличивают электрическое сопротив-
ление, что усложняет условия их эксплуатации. Требуются трансформаторы с
большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.
6. Обрабатываемость. Металлические материалы должны обладать пла-
стичностью и свариваемостью, чтобы из них можно было изготовить сложные
по конфигурации нагревательные элементы. Неметаллические нагреватели
прессуются или формуются.
Основными материалами для нагревательных элементов являются сплавы
на основе железа, никеля, хрома и алюминия.

Лекция 2
НАГРЕВ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ДУГОВОЙ НАГРЕВ
2.1. Схемы нагрева сопротивлением
В ЭТО сопротивления происходит выделение теплоты в твердых или
жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при
протекании по ним электрического тока. На рис. 2.1 приведены схемы на-
грева сопротивлением.
Количество теплоты, выделенное в нагреваемом материале или среде,
пропорционально квадрату силы тока I, сопротивлению нагреваемого мате-
риала R и времени нагрева t:
Рис. 2.1. Способы нагрева сопротивлением
а) прямой; б) косвенный; в) конвекцией с калорифером; г) электродный в жид-
кой среде; д) в жидкой среде с внешним обогревом; е) в псевдокипящем слое,
ж) электрошлаковый.
На рис. 2.1. [7] показаны некоторые способы нагрева сопротивлением. Кон-
структивные элементы установок: 1 ‒ контактная система; 2 ‒ нагреваемое те-
ло; 3 ‒ нагреватель; 4 ‒ футеровка; 5 ‒ рабочее пространство; 6 ‒ вентилятор; 7
‒
калорифер; 8 ‒ электрод; 9 ‒ жидкость; 10 ‒ мелкие частицы; 11 ‒ решетка; 12
‒
расходуемый электрод; 13 ‒ слиток; 14 ‒ шлаковая ванна; 15 ‒ водоохлаждае-
мый кристаллизатор; 16 – жидкая металлическая ванна; 17 – поддон. Направле-
ние теплопередачи в установках показано стрелками: сплошные стрелки (излу-
чение); пунктирные (конвекция); штрих пунктирные (теплопроводность).
14

Ток может протекать по самому нагреваемому телу - прямой нагрев или
по специальному нагревателю, от которого выделяемое тепло передается к
нагреваемому телу теплообменом, такой нагрев называется косвенным. При
косвенном нагреве различают три вида теплообмена: излучением, конвекцией и
теплопроводностью
Прямой нагрев сопротивлением подразделяется на два способа: нагрев ме-
таллических тел (электроконтактный); нагрев проводящих материалов с ион-
ной проводимостью (электродный).
Электроконтактный нагрев сопротивлением применяют для сквозного на-
грева, контактной сварки. При контактной сварке или сварке сопротивлением
места соприкосновения деталей нагреваются до температуры пластического со-
стояния путем пропускания через них электрического тока. Переходное сопро-
тивление в месте соприкосновения деталей значительно превосходит их сопро-
тивление, поэтому сами детали непосредственно от тока нагреваются очень ма-
ло, тогда как в стыках выделяется большое количество энергии.
Основные преимущества электроконтактного нагрева:
‒
способ более универсален, чем индукционный, где при нагреве разных де-
талей каждый раз приходится менять индуктор;
‒
большая скорость нагрева (10÷40°С/с), что позволяет получать более каче-
ственную по сравнению с нагревом в печах структуру металла.
К недостаткам электроконтактного нагрева относятся:
‒
возможность нагрева только деталей простой формы;
‒
необходимость в специальных трансформаторах на большие вторичные
токи;
‒
необходимость каждый раз зажимать детали, поэтому контактный нагрев бо-
лее целесообразен для мелкосерийного производства.
Электродный нагрев применяют для нагрева электропроводящих материа-
лов, обладающих ионной проводимостью. По принципу действия электродный
нагрев относится к прямому т.к . сам материал является средой, в которой элек-
трическая энергия превращается в тепловую. Электроды служат лишь для под-
вода электрического тока к нагреваемому материалу.
При косвенном способе нагрева под действием электрического тока нагре-
вается проводник и отдает своё тепло в окружающую среду путем теплопро-
водности, конвекции и излучения. Косвенный нагрев сопротивлением приме-
няют в различных технологических процессах низко – и высокотемпературного
нагрева.
Электрические нагреватели сопротивления просты по устройству и по стои-
мости уступают лишь электродным нагревателям. Установки косвенного нагре-
ва достаточно безопасны в эксплуатации, что очень важно при отсутствии по-
стоянного обслуживающего персонала. Регулирование мощности нагрева во
многих случаях легко достигается простым переключением нагревателей.
К недостаткам косвенного нагрева можно отнести:
‒
сравнительно низкий срок службы нагревателей;
‒
затруднительность или зачастую невозможность ремонта нагревателей;
15

‒
более высокий по сравнению с прямым нагревом удельный расход элек-
троэнергии.
2.2. Электрическая дуга
Электрическая дуга (дуговой разряд), представляющая собой самостоя-
тельный электрический разряд в смеси газов или паров металла между
электродами, находящимися под напряжением, характеризуется малым
анодно-катодным падением напряжения (10÷20 В) и высокой плотностью
тока (100÷1000 А/см
2
).
Электрическая дуга характеризуется высокой плотностью тепловой
энергии, передаваемой нагреваемому телу потоком ускоренных в электри-
ческом поле ионов и концентрированным инфракрасным излучением стол-
ба дуги. Имея температуру от 5000 до 12000° С [6], дуга способна плавить и
испарять самые тугоплавкие металлы и сплавы.
В обычных условиях межэлектродное пространство является изолятором.
Чтобы зажечь дугу и поддерживать ее устойчивое горение необходимо в межэ-
лектродном пространстве иметь заряженные частицы. За счет того, что к межэ-
лектродному пространству приложено напряжение происходит ионизация ду-
гового промежутка. Энергия необходимая для ионизации называется работой
ионизации. Чем меньшую энергию нужно для ионизации дугового проме-
жутка, тем быстрее загорается дуга и горит более устойчиво. Для этих целей
в межэлектродное пространство добавляют присадки, которые имеют меньшую
энергию ионизации.
Напряжение между электродами горящей дуги с увеличением тока понижа-
ется до некоторого предельного значения и снова повышается при уменьшении
тока. Первый пробой искрового промежутка начинается при сравнительно
высоком напряжении зажигания и токе, равном нулю. Происходящее затем
нарастание тока вызывает быстрое увеличение проводимости воздуха и, сле-
довательно, уменьшение напряжения дуги. В твердых проводниках падение
напряжения определяется главным образом плотностью тока, в дуге же прово-
димость и даже площадь поперечного сечения изменяются вместе с током.
Рис. 2.2. Схема распределения потенциала вдоль дуги
и схема электрической дуги
На рис. 2.2 показана схема распределения потенциала вдоль дуги. Выделяют
три области распределения потенциала вдоль дуги: анодное падение е а, катод-
16

ное падение е к, падение напряжения е l на длине l дугового столба. В простран-
стве, где происходит разряд, выделяют катодную область 4 (катодное пятно),
столб 2 дуги, анодную область 1 (анодный кратер). Боковой поверхностью
разрядного промежутка являются раскаленные газы 3 (светящаяся оболочка),
не принимающие участия в прохождении тока.
Под действием электрического поля из раскаленного катодного пятна вы-
брасываются электроны. Сталкиваясь с нейтральными молекулами, они расще-
пляют их, то есть ионизируют. При движении электронов и ионов в дуге отри-
цательно заряженные частицы накапливаются у анода, а положительно заря-
женные частицы ‒ у катода. Этим пространственным скоплением зарядов обу-
словлено резкое падение потенциала вблизи анода и катода. Материал электро-
да переносится от анода к катоду, поэтому на поверхности анода появляется
углубление, а на поверхности катода ‒ выступ, представляющий собой яркий
светящийся участок.
Для электрической дуги основными являются термоэлектронная и элек-
тростатическая эмиссия. С увеличением температуры катода Т (К) ток термо-
электронной эмиссии быстро возрастает
)
/
exp( 1
2
1
1
T
B
T
A
j


.
С увеличением напряженности поля Е (до 106 В/см) у поверхности катода
быстро возрастает электростатическая составляющая тока
)
/
exp( 2
2
2
2
Е
B
Е
A
j


,
где
,
и
,
коэффициенты, зависящие от материала электродов и со-
става окружающей среды.
1
A2A
1
B2B
В зависимости от материала электродов плотность тока в катодном ядре со-
ставляет 1500÷7000 А/см
2
.
В анодном кратере, имеющем по сравнению с ка-
тодным пятном большую поверхность, плотность тока снижается примерно в
10 раз.
Столб дуги, представляющий собой ярко светящуюся смесь электронов,
положительных ионов и возбужденных нейтральных атомов, называется
плазмой. Он непрерывно теряет заряженные частицы вследствие их рекомби-
нации и диффузии в окружающую среду. При стационарном процессе убыль
заряженных частиц компенсируется ионизацией в столбе дуги.
Длина катодного участка около 10‒5
м. Катодное падение напряжения нахо-
дится в пределах 10÷20 В (в зависимости от материала электродов, рода тока и
состояния газа). Температура катода в результате интенсивной бомбардировки
положительными ионами достигает 2500÷2800 К.
Длина анодного участка больше катодного и превышает 10‒5
м. Анодное па-
дение напряжения составляет 2÷6 В. Температура анода выше температуры ка-
тода и достигает 2700÷4500 К.
Сумма катодного и анодного падения напряжения не зависит от тока и на-
пряжения между электродами и составляет 22 В (уголь – сталь), 9 В (уголь –
основной шлак), 30 В (уголь – кислый шлак). Электрические дуги между этими
материалами характерны для дуговой сталеплавильной печи.
17

Напряженность электрического поля в основном столбе дуги находится в
пределах 1500÷5000 В/м. Температура в канале этого участка дуги достигает
6000÷12000 К.
Таким образом, горение электрической дуги сопровождается следующими
эффектами, обусловливающими области ее применения:
1) большим выделением тепла на электродах. На этом основана техника
электродуговой сварки и плавка металлов в электродуговых печах прямо-
го нагрева;
2) высокоинтенсивным инфракрасным излучением. Это свойство ис-
пользуется в электродуговых печах косвенного нагрева;
3) мощным потоком видимого света. Это свойство дуги используется в
электродуговых осветительных приборах (прожекторах);
4) интенсивным ультрафиолетовым излучением. Как генератор ультра-
фиолетовых лучей электрическая дуга не используется из-за низкого КПД.
2.3. ВАХ дуги постоянного тока
Напряжение на дуге и проводимость столба дуги зависят от значения тока.
Эту зависимость при медленном изменении тока называют статической вольт-
амперной характеристикой (ВАХ) дуги (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Статическая ВАХ дуги постоянного тока
Статическая характеристика дуги условно делится на три области: область I
(малых токов – до 80÷100 А), область II (средних токов 80÷800 А) и область
ІІІ (больших токов – от 800 А и выше).
На первом участке увеличение тока приводит к снижению напряжения дуги,
так как при этом возрастают площадь поперечного сечения столба дуги и
интенсификация процессов ионизации. Это способствует росту электропро-
водности канала дугового разряда.
На втором участке наступает равновесие процессов ионизации и деиони-
зации в разрядном промежутке, площадь поперечного сечения столба дуги
увеличивается и напряжение ее стабилизируется, т.е . становится независя-
щим от значения тока.
На третьем участке увеличение тока приводит к росту напряжения на дуге,
так как катодное пятно занимает всю площадь торцов электродов, а сопро-
тивление канала разряда стабилизируется.
18

Связь общего напряжения на дуге с напряжения на отдельных ее элементах
в области малых токов устанавливает формула Г. Айртон:
где α − суммарное анодно-катодное падение напряжения (В); β − градиент по-
тенциала в столбе дуги (В/м); l − длина дуги; γ и δ − мощности, затрачиваемые
на вырывание электронов из катодного пятна (Вт/А) и на продвижение элек-
тронов в межэлектродном промежутке (Вт/(А м)); IД − ток дуги.
При средних токах напряжение на дуге не зависит от тока
l
U



Д
.
Для интенсивно охлаждаемых дуг и для дуг, горящих при низких давлениях,
ВАХ имеет слегка возрастающий характер.
На схеме замещения дуга может быть представлена как регулируемое со-
противление
. Мощность электрической дуги
Д
R
Д
ДI
U
P
Д
.
В технике используются четыре основных способа регулирования мощно-
сти электрической дуги [23].
1) Изменением напряжения источника питания. Если напряжение источ-
ника питания увеличить с
до
, то для статически устойчивой ветви
характеристики будет
. Таким образом
(рис. 2.4а). Способ при-
меняется во всех электротермических установках и характеризуется отсутстви-
ем дополнительных потерь энергии при регулировании.
1
ист
U
1
Д
I

ист2
U
2
Д
I
1
2P
P
а)
U
Uист2
I
Uист1
IД1 IД2
1
2
б)
U
LД2
I
Uист
IД1
IД2
1
2
LД1
в)
U
Uист2
I
Uист1
IД1 IД2
1
2
г)
U
UД
I
Uист
IД1 IД2
12
UR
UД+UR
Рис. 2.4. Регулирование мощности дуги
2) Изменением длины дуги. При увеличении длины дуги с
до
при
будет
. Таким образом
1
Д
L
2
Д
L
const
Uист

1
2
Д
Д
I
I
1
2P
P  (рис. 2.4б). Способ обеспе-
чивает регулирование широких пределах перемещением электродов печи, ис-
пользуется в электродуговых установках постоянного и переменного тока.
19

3) Изменением внешней характеристики источника. Новому положению
равновесия (рис. 2.4в) соответствует увеличение тока. Для устойчивого горения
дуги должно выполняться условие для динамических сопротивлений дуги и ис-
точника
I
U
I
U
И




Д
. Регулирование характеристики источника осуществляется
с помощью тиристоров или электромагнитных устройств. Способ используется
в дуговых вакуумных и плазменно-дуговых установках, в электросварке.
4) Путем регулирования величины добавочного сопротивления. При
увеличении добавочного сопротивления суммарная ВАХ изменится (рис. 2.4г).
Этой характеристике будет соответствовать меньший ток и мощность дуги.
Способ неэкономичен и применяется только в маломощных электросварочных
установках.
2.4. Дуга переменного тока
При питании дуги переменным током условия ее горения существенно меня-
ются, так как дуга дважды в течении периода гаснет и вновь зажигается. По-
этому при переменном токе статическая ВАХ дуги не имеет смысла, можно гово-
рить только о связи действующих значений напряжения и тока. Условия горения
дуги переменного тока характеризуют динамические ВАХ (рис. 2 .5). Маломощ-
ная дуга на воздухе интенсивно охлаждается (рис. 2 .5а) поэтому ток в ней проте-
кает с перерывами.
а)
uД
iД
t
uД
iД
б)
uД
iД
t
uД
iД
в)
uД
iД
t
uД
iД
Рис. 2.5. ВАХ дуги переменного тока
Мощная теплоизолированная дуга (рис. 2.5б) имеет меньшие перерывы то-
ка, напряжение в период горения дуги неизменно. Мощная хорошо теплоизо-
лированная дуга (рис. 2.5в) имеет линейную динамическую ВАХ, а токи и на-
пряжения дуги близки к синусоидальным.
На форму кривых тока и напряжения дуги сильно влияют параметры ее элек-
трического контура, в частности его индуктивность (рис. 2.6а). При отсутствии
20

индуктивности в контуре ток дуги дважды прерывается, так как дуга может
гореть только в промежутки времени, когда напряжение источника больше на-
пряжения, необходимого для горения дуги. Время зажигания дуги определяется
из уравнения
Д
1)
sin(
U
t
Um


и продолжительность бездугового промежутка в
течении периода равна
)
arcsin(
4
Д
m
U
U
t



.
При наличии в цепи индуктивности между током и напряжением источни-
ка появляется сдвиг фаз. В этом случае процесс описывается дифференциальным
уравнением
dt
di
L
u
t
Um


Д
)
sin(
.
Решение этого уравнения в промежутке
Д
Д
U
t
u

)(
имеет вид
t
t
t
t
m
t
L
U
t
L
U
t
i
0
Д
0
)
cos(
)(





.
Учитывая что ток равен нулю в момент времени, определяемый выражением
0
0
t


, перепишем решение в виде
)
(
)
cos(
cos
)(
0
0
t
L
U
t
L
U
L
U
t
i
Д
m
m











.
Через половину периода ток дуги снова станет равным нулю. Поэтому
)
(
cos
2
0
0
0
0










L
U
L
U
Д
m
или
m
U
U
2
cos
Д
0


.
Для зажигания дуги в момент времени , необходимо чтобы
0t
Д
0)
sin(
U
Um


.
Решение двух последних уравнений позволяет получить условие непрерывного
горения дуги
54
,
0
/Д

m
U
U
.
а)
б)
iД
t
uД
uист
uД
t
iД
uист
Рис. 2.6. Зажигание дуги при активной (а) и активно-индуктивной (б) нагрузке
При достаточной индуктивности зажигание дуги происходит без переры-
ва. При переходе напряжения через 0, горение дуги поддерживается за счет
энергии магнитного поля. Такой режим горения дуги более устойчив. Он возни-
кает при коэффициенте мощности установки, меньшем 0,85.
21

2.5. Схемы дугового нагрева
На рис. 2.7. [7] показаны принципиальные схемы установок с дуговым на-
гревом. Дуговой нагрев разделяется на прямой (рис. 2.7.а) и косвенный (рис.
2.7 .б). При прямом нагреве дуга горит между заготовкой или расплавленным
металлом и электродом, при косвенном нагреве дуга горит между электродами.
Дуговой разряд может гореть в специально созданной атмосфере или вакууме
(рис. 2.7д). Дуговой разряд используется также для создания плазмы (рис. 2.7в).
Конструктивные элементы установок: 1 ‒ электрод; 2 ‒ электрическая дуга;
3 ‒ расплавленный металл; 4 ‒ футеровка; 5 ‒ корпус печи; 6 ‒ газовая полость;
7 ‒ слой шихты; 8 – охлаждаемый кристаллизатор; 9 ‒ слиток металла; 10 ‒ ва-
куумная система; 11 ‒ оптическая система; 12 ‒ нагреваемое тело; 13 ‒ дуговая
камера; 14 ‒ технологическая камера; 15 ‒ струя плазмы; 16 ‒ корпус плазмо-
трона (анод); 17 ‒ электроизоляционный узел; 18 ‒ подвод газа. Сплошными
стрелками показана теплопередача излучением, пунктиром – поток газа.
Рис. 2.7. Схемы дугового разряда
а) прямой; б) косвенный; в) смешанный; г) дуговой плазмотрон;
д) вакуумно-дуговой; е) оптический дуговой
22

Лекция 3
ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
3.1. Классификация печей сопротивления
В блоке электротермического оборудования группа электрические печи
сопротивления (ЭПС) достаточно распространена. ЭПС применяются для
термической (или химико-термической) обработки металлов и сплавов.
ЭПС бывают низкотемпературные (600÷700 0С), среднетемпературные
(700÷1250 0С) и высокотемпературные (выше 1250 0С). По характеру нагрузки
ЭПС разделяют на печи периодического действия (садочные) и печи непре-
рывного действия (методические).
Среди печей периодического действия различают [7]: камерные, камерные с
выдвижным подом, шахтные, колпаковые и элеваторные. Схемы ЭПС перио-
дического действия показаны на рис. 3.1. Конструктивные элементы установок:
1 ‒ каркас печи с футеровкой; 2 ‒ нагреваемая загрузка; 3 ‒ дверца; 4 ‒ загру-
зочный проем; 5 ‒ выдвижной под; 6 ‒ рельс; 7 ‒ крышка; 8 ‒ опускающийся
под; 9 ‒ механизм опускания; 10 ‒ стенд; 11 ‒ съемный колпак. Стрелкой пока-
зано направление движения загрузки при подаче ее в рабочее пространство пе-
чи.
Рис. 3.1. Конструкция ЭПС периодического действия
а) камерная с загрузкой через окно; б) камерная с выдвижным подом; в) шахт-
ная; г) элеваторная; д) колпаковая;
В ЭПС периодического действия изделия загружаются в рабочее про-
странство и нагреваются в нем, не перемещаясь. Температуры различных то-
чек рабочего пространства в ЭПС периодического действия в каждый момент
времени одинаковы или имеют определенные значения, однако могут изме-
няться во времени.
Среди ЭПС непрерывного действия различают: конвейерные, рольганговые,
барабанные, протяжные, толкательные, карусельные, ручьевые и туннельные.
Схемы некоторых видов ЭПС непрерывного действия показаны на рис. 3.2 .
В ЭПС непрерывного действия изделия загружаются в печь непрерывно
или периодически перемещаются по длине электропечи, нагреваются и вы-
ходят с другого конца нагретыми до определенной температуры. Температуры
23

различных точек рабочего пространства в ЭПС непрерывного действия могут
быть различными или одинаковыми, однако они не изменяются во времени.
Конвейерная печь: 1 – теплоизо-
лирующий корпус; 2 – загрузоч-
ное окно; 3 – нагреваемое изде-
лие; 4 – нагревательные элемен-
ты; 5 − конвейер
Толкательная печь: 1 – толкатель
с приводным механизмом; 2 – на-
греваемые изделия; 3 – теплоизо-
лирующий корпус; 4 – нагрева-
тельные элементы; 5 – подина пе-
чи; 6 – закалочная ванна
Протяжная печь: 1 – теплоизоли-
рующий корпус; 2 – нагреватель-
ные элементы; 3 – муфель;4 – на-
греваемое изделие
Рис. 3.2 . Конструкция ЭПС непрерывного действия
Электропечь непрерывного действия, как правило, имеет несколько тепло-
вых зон с самостоятельным регулированием температуры, что дает воз-
можность создавать различные температурные режимы. Длина зоны обычно
равна 1,5÷2 м, а в тех случаях, когда не требуется обеспечивать заданный гра-
фик нагрева, длина зоны может быть увеличена до 2,5÷3 м, и наоборот, когда
необходимо точно выдержать заданную кривую нагрева изделий, длину зоны
следует уменьшить до 0,8÷1,2 м.
3.2. Нагрев изделий в печи
В электрических печах периодического действия нагрев происходит в два
этапа [10] (рис. 3 .3). Первый этап — от начала нагрева до достижения в
камере печи заданной температуры — характеризуется тем, что вследст-
вие низкой температуры садки она поглощает всю выделяющуюся в камере
печи полезную мощность (мощность печи минус тепловые потери). В этот
период температура печи поднимается к заданному значению и терморегуля-
тор не работает. Мощность печи остается постоянной и нагрев осуществ-
ляется при постоянном тепловом потоке.
Значение этого теплового потока легко определяется из формулы
изд
пот
печи
п
/)
(
F
P
P
q


,
где qп — постоянный тепловой поток, воспринимаемый единицей поверх-
ности нагреваемых изделий; Рпечи — мощность печи; Рпот — мощность тепло-
вых потерь печи; Fизд — тепловоспринимающая поверхность изделий. Для вы-
сокотемпературной печи влиянием естественной конвекции можно пренеб-
речь и тепловой поток к изделию будет иметь вид:
24

Рис. 3.3. Функциональная схема включения ЭПС
В – выключатель; ЭП – ЭПС; РТ – регулятор температуры; КВ – катушка
отключения выключателя. Измерение температуры и мощности при двухпози-
ционном регулировании: 1 − температура печи; 2 – температура нагреваемого
тела; 3 – средняя мощность печи
где Тп и Т изд — текущие значения температур печи и изделия. Приведенный ко-
эффициент излучения








1
1
1
76
,
5
печи
печи
изд
изд
пр


F
F
С
.
Степень черноты стен печной камеры и нагревателей близка к 0.9. Если теп-
ловоспринимающая поверхность изделий Fизд существенно меньше Fпечи , то с
достаточной для практических целей точностью
можно
принять
изд
изд
пр
76
,
5
С
С



. В тех случаях, когда значения F изд и F печи близки друг к дру-
гу, приведенный коэффициент излучения
1
/1
/1
76
,
5
печи
изд
пр





С
.
Конец первого и начало второго этапа характеризуются достижением за-
данного значения температуры рабочего пространства (рис. 3.2).
Количество тепла, воспринятое изделием за период первого этапа, будет
равно:qпF изд τ 1 , где τ 1 − длительность первого этапа. Это тепло пойдет на на-
грев изделий от начальной температуры Т’ изд до Т” изд , поэтому длительность
первого эта
изд
п
F
па
изд
изд
1
/)
'
''
(
q
Т
Т
Gc



, где G — масса изделий; с − средняя
удельная теплоемкость.
Для низкотемпературных печей и для печей с принудительной цирку-
ляцией необходимо учитывать конвекцию. Коэффициент теплоотдачи кон-
векцией αконв может быть рассчитан в зависимости от характера конвекции,
формы изделий и параметров среды. В печах с естественной конвекцией он ме-
25

няется сравнительно мало и может быть принят равным 10 Вт/(м
2
·°С). Учиты-
вая это для момента времени, соответствующего достижению температурой пе-
чи заданного значения, получим
Выражение действительно при равенстве поверхностей изделий, восприни-
мающие тепло излучением и конвекцией, что обычно для тонких изделий.
По достижении печью заданного значения температуры начинает работать
терморегулятор, поддерживая ее неизменной, мощность печи при этом начи-
нает снижаться. В течение второго этапа работы нагрев изделий осуществляет-
ся при постоянной температуре печи.
3.3. Электрический расчет печей сопротивления
Всю выделяющуюся в нагревателе мощность (рис. 3.4) можно разбить на
три составляющих:
-
полезную мощность P пол , воспринимаемую изделием от нагревателя;
-
мощность тепловых потерь P пот , воспринимаемую футеровкой;
-
мощность переизлучения между футеровкой и изделием.
Тогда можно представить энергетический баланс нагревателя (Т1), нагре-
ваемого изделия (Т2) и футеровки (Т3) следующим образом:
Рис. 3.4. Теплообмен в камере ЭПС
Энергетический баланс нагревателя
Энергетический баланс изделия
26

Энергетический баланс футеровки
Используя любые два из них, получим температуру нагревателя
Идеальный нагреватель – это нагреватель, обладающий следующими
свойствами: расположен в идеальный печи, у которой нет тепловых потерь;
является сплошным; расположен в плоскости поверхности изделия; все по-
верхности изделия являются серыми с ε = 0,8
Мощность идеального нагревателя находится по формуле
Следовательно, можно ввести понятие удельной поверхностной мощности
идеального нагревателя, т.е . количества тепла, отдаваемого с единицы по-
верхности
После преобразований мы можем получить
Анализ выражений показывает, что удельная поверхностная мощность ре-
ального нагревателя зависит от: температур нагреваемого изделия и нагрева-
теля; степени черноты изделия и нагревателя; геометрии нагревателя, футе-
ровки и изделия
Определенную трудность в применении полученных выше выражений
представляет вычисление взаимных поверхностей излучения F 12 , F 13 , F 32 .
3.4. Проектирование печей сопротивления
Рассмотрим методику [10] инженерного расчета электрических пара-
метров (мощности и напряжения) нагревателей электрических печей сопро-
тивления. Для этого необходимо установить количество тепловых зон в элек-
тропечи и выбрать схему соединения нагревателей зоны.
27

Количество тепловых зон принимается на основании общих рекомен-
даций: в печах с высокими камерами, в шахтных и колпаковых высота зоны
1÷1,5 м., в протяженных в длину и печах непрерывного действия – длина зоны
1,5÷2,5 м. В крупных печах периодического действия мощности зон могут быть
приняты равными. Необходимо выделять тепловые зоны для перемещающихся
частей печей, например выдвижного пода.
Если при проектировании рассчитывалось время нагрева в печи непрерывно-
го действия, то из этого расчета получается количество зон и их мощность. В ос-
тальных случаях установленная мощность тепловых зон распределяется так,
чтобы максимальное значение было в первой зоне у загрузочного окна, а далее
мощность уменьшается в каждой следующей зоне на 10÷15 %.
При питании от сети 0,4 кВ, мощность трехфазной зоны может составлять
100÷160 кВт, но не более 250 кВт. При питании от трехфазной сети 0,4 кВ мо-
гут быть применены две схемы соединения нагревателей: треугольник и звезда.
Маломощные зоны или печи могут быть однофазными. Для однофазной зоны,
как правило, принимается напряжение 220 В. В отдельных обоснованных слу-
чаях, например для питания нагревателей маломощных зон в печах непрерыв-
ного действия, допускается применение понижающих трансформаторов.
Рис. 3.5. Номограмма для расчета электрических параметров ЭПС
28

Рассмотрим выбор размеров нагревателя по номограммам (рис. 3.5). Номо-
граммы связывают электрические и геометрические параметры нагрева-
теля. По мощности P, напряжению на нагревателе U и допустимой удельной
поверхностной мощности W определяются диаметр d и длина L проволочно-
го нагревателя из никельхромовых сплавов.
С помощью номограмм можно просмотреть несколько вариантов питания
нагревателя. Выбирается нагреватель более массивный с большим сроком
службы, более удобный для размещения и соответствующий предварительно
выбранной конструкции (проволочный зигзаг d = 6,3÷11 мм, спираль d =4÷5,6
мм). Далее выполняется уточненный расчет параметров нагревателя: сопротив-
ления
, развернутой длины
, где ρ - удельное сопротив-
ление материала при рабочей температуре и расчетной удельной поверхност-
ной мощности
P
U
R
/2

W


4/
2
R
d
L
dL
P/

.
Проверка нагревателя на аварийный режим производится для печей пе-
риодического действия и для последних зон нагрева печей непрерывного дей-
ствия. При задержке изделия в печи или в зоне (поломка механизма передви-
жения) температура его поверхности может достигнуть температуры печи и на-
греватели могут перегреться. Полученная температура нагревателя не должна
превышать максимально допустимую для данного сплава.
Расчетный срок службы нагревателя определяют по формуле
где К к − коэффициент конструкции, учитывающий затемнение отдельных уча-
стков нагревателя, К L – коэффициент, зависящий от длины нагревателя. 1
−
нормативный срок службы.
При проектировании электропечи сопротивления периодического действия
обычно задается ее часовая производительность и ее единовременная за-
грузка. Если загрузка неизвестна, то ее задают и выполняют проверку соответ-
ствия загрузки заданной производительности печи.
Конструируют печную камеру, определяют ее размеры и параметры, учиты-
вая следующие положения:
• внутренние размеры камеры печи должны быть по возможности малы и
соответствовать размерам загрузки; наличие неиспользованного пространства в
камере печи приводит к увеличению ее внешних размеров и тепловых потерь.
• внешние габариты печи определяются ее внутренними размерами и тол-
щиной кладки. Кладка должна обеспечить низкие температуры кожуха печи
(не выше 60°С при температуре окружающего воздуха в 20°С). Не следует при
проектировании электрических печей экономить на теплоизоляции, так как
она очень быстро окупает себя.
3.5 Рациональная эксплуатация электрических печей
Стоимость процессов нагрева или плавления материалов или изделий в
электрических печах сопротивления во многих производствах является весь-
ма существенной составляющей стоимости выпускаемой продукции. Печи
29

сопротивления являются крупным потребителем электроэнергии, поэтому
организация рациональной эксплуатации таких печей имеет существенное зна-
чение.
Проводимые в электрических печах процессы являются весьма энергоемки-
ми, поэтому главным путем уменьшения себестоимости процесса нагрева явля-
ется снижение удельного расхода электроэнергии.
Для этой цели необходимо:
‒
обеспечение надежности работы электротермического оборудования;
‒
повышение производительности печей;
‒
уменьшение тепловых потерь печей;
‒
уменьшение потерь на аккумуляцию тепла;
‒
использование тепла нагретых изделий и тары.
Надежность работы всякой электрической печи сопротивления определяет-
ся главным образом стойкостью ее нагревательных элементов и жароупорных
деталей. Правильный расчет нагревательных элементов и правильная их
эксплуатация, в первую очередь работа их при рекомендуемых, а не макси-
мально допустимых температурах, обеспечат устойчивую работу нагревате-
лей в течение нескольких лет.
При превышении номинальной температуры
срок службы нагревателей
сокращается по сравнению с номинальным сроком
, из-за увеличения ско-
рости химических реакций, приводящих к старению элемента
ном
t
ном
Т
)
/)
(
exp(
ном
ном
ном
t
t
t
k
Т
Т



,
где – коэффициент, зависящий от материала нагревателя.
k
Энергия, затрачиваемая на нагрев изделий, прямо пропорциональна произ-
водительности, а тепловые потери от последней не зависят. Поэтому при
уменьшении производительности снижается тепловой КПД и возрастает
удельный расход электроэнергии. Увеличение производительности печи без
каких-либо материальных затрат возможно только в том случае, когда печь об-
ладает запасом мощности.
Мощность, потребляемая печью за период нагрева, изменяется от номиналь-
ной мощности печи
до мощности потерь в конце периода нагрева
.
печи
Р
пот
Р
Для процессов, не требующих длительной выдержки, средняя мощность за
цикл работы составляет
. Максимальная часовая производительность в
этом случае равна
печи
Р
85
,
0
85
,
0( Pпечи
Т
max
/)w
P
g
пот


, где
−
теоретический удельный
расход энергии (кВт ч/кг). Минимальный удельный расход энергии
T
w
пот
min
85
,
0
85
,
0
P
P
P
w
w
печи
печи
T


.
При цикле работы печи, включающем длительную выдержку, макси-
мальная производительность снижается
выд
н
н
пот
печи
w
P
P
g






Т
max
85
,
0
.
30

где н
 − время нагрева,
выд

−
время выдержки. Минимальный удельный
расход электроэнергии
н
выд
н
печи
печи
T
P
P
P
w
w





пот
min
85
,
0
85
,
0
.
Если номинальная мощность зоны соответствует потребляемой, то на-
греватели постоянно включены. Редкие отключения контактора свидетельст-
вуют о хорошем использовании мощности печи. Частые включения и большое
время выключенного состояния по сравнению с включенным, говорят о нали-
чии запаса мощности.
3.6. Электрооборудование ЭПС
Применяемое в ЭПС электрическое оборудование подразделяется на:
‒
силовое (
трансформаторы, понижающие и регулировочные авто-
трансформаторы, блоки питания, приводящие в действие механизмы электро-
приводов, силовая коммутационная и защитная аппаратура);
‒
аппаратуру управления (комплектные станции управления);
‒
контрольно-измерительные приборы (КИП);
‒
пирометрическое.
Большинство печей выполняют на напряжение питающей сети и подклю-
чаются к сети без специальных трансформаторов.
Регулировочные трансформаторы и автотрансформаторы применяются
для питания соляных ванн и установок прямого нагрева, а также для печей со-
противления с вольфрамовыми, графитовыми и молибденовыми нагревателя-
ми. Применение понижающих печных трансформаторов позволяет увели-
чить рабочие токи и применять для изготовления нагревателей проводники
большего сечения, что повышает их прочность и надежность.
Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автоматиче-
ского регулирования температуры, что позволяет приводить в соответствие
мощность печи с требуемым температурным режимом, что ведет к снижению
удельного расхода электроэнергии по сравнению с ручным регулированием.
380 В
АВС
АВК
ТА
ЭПС
Рис. 3.6. Схема электроснабжения ЭПС
Регулирование рабочей температуры в печах сопротивления производится
изменением поступающей в печь мощности следующими способами:
31

32
‒
периодическим подключением и отключением печи к питающей сети
(двухпозиционное регулирование);
‒
переключением нагревателей печи со звезды на треугольник, либо с по-
следовательного соединения на параллельное (трехпозиционное регулиро-
вание).
Принципиальная схема электроснабжения ЭПС показана на рис. 3.6.
3.7. Печи сопротивления как потребители энергии
ЭПС имеют номинальные мощности от нескольких киловатт до десятков
мегаватт [11]. Питание ЭПС осуществляется трехфазным переменным током
промышленной частоты, в основном от цеховых сетей напряжением 0,4 кВ.
Коэффициент мощности близок к 1. Исключение составляют печи с пони-
зительным или регулировочным трансформатором, а также печи с токо-
проводами на большие токи. Так в печах для графитации электродов из-за
особенностей технологического процесса коэффициент мощности падает до
0,53 и требуется компенсация реактивной мощности.
ЭПС могут иметь различные графики нагрузок, форма и показатели кото-
рых зависят от вида ЭПС, характера технологического процесса, режима вклю-
чения, числа зон и методов регулирования температуры.
У методических ЭПС режим работы продолжительный, носит непре-
рывный характер. Садочные печи имеют циклические режимы и графики
нагрузок. Степень неравномерности зависит от способа регулирования
температуры. Для однозонной ЭПС с двухпозиционным регулированием ко-
эффициент формы графика составляет 1,16÷1,33. На практике обычно исполь-
зуют многозонные печи или несколько печей на участок. Это приводит к вы-
равниванию общего графика нагрузки. При числе зон или печей 4 и более ко-
эффициент формы графика не превышает 1,05.
Для конвейерных и камерных печей сопротивления, работающих непрерыв-
но без отключения, коэффициент использования по нагревателям высок и со-
ставляет 0,6÷0,8. Наиболее низкие значения коэффициента использования име-
ют шахтные (0,45) и колпаковые (0,5) печи, что связано с наличием продолжи-
тельных пауз в циклах нагрузки. У мощных методических и вакуумных печей
сопротивления общая мощность приводов механизмов, насосов и т.д . составля-
ет до 30 и более процентов мощности печи, при этом их коэффициент спроса
падает до 0,3, а коэффициент мощности до 0,7.
По надежности электроснабжения ЭПС являются потребителями 1 и 2 ка-
тегории. Поскольку мощность ЭПС пропорциональна квадрату напряжения и
при снижении напряжения производительность установок резко падает, они
предъявляют повышенные требования к точности поддержания питающе-
го напряжения.

Лекция 4
ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
По способу преобразования электрической энергии в тепловую и передаче
тепла расплавленному материалу различают электродуговые печи прямого,
косвенного и смешанного действия.
Печи прямого действия работают на открытой дуге, горящей между
электродами и металлом. Основной тип установок прямого действия – дуго-
вые сталеплавильные печи (ДСП) (рис. 4 .1).
Рис. 4.1. Дуговая сталеплавильная печь
4.1. Конструкция ДСП прямого действия
Печи (рис. 4.2) состоят из следующих основных частей: каркаса; механизма
наклона; футеровки; свода, механизма перемещения свода; электродов; элек-
трододержателей и механизма их перемещения; установки электромагнитного
перемешивания металла; системы водяного охлаждения, гидравлического при-
вода механизмов, электрооборудования.
Механизм наклона. Для слива металла печь наклоняют на 40÷45° в сторо-
ну сливного носка, а для скачивания шлака – на 10÷15° в сторону рабочего ок-
на. Печь наклоняют с определенной скоростью механизмом с электромехани-
ческим или гидравлическим приводом, находящимся сбоку.
Механизм перемещения свода. При загрузке печей применяют специаль-
ные механизмы для подъема и поворота свода. Наиболее широко используют
метод загрузки сверху. При загрузке шихты свод вместе с электродами подни-
мают и поворачивают на 80÷100°. Открытую печь загружают с помощью спе-
33

циальных загрузочных корзин. По окончании загрузки свод возвращают в ис-
ходное положение. После этого может быть начат рабочий цикл.
Рис. 4.2 . Конструкция ДСП
Электроды в дуговых печах служат для ввода электроэнергии внутрь
рабочего пространства печи. Применяются угольные или графитированные
электроды (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Электродержатели (ЭД). Электроды крепятся в специальных ЭД, которые
предназначены для удержания электродов и подвода к ним тока. Каждый
ЭД закреплен на стойке, которая может перемещаться в вертикальном направ-
лении. ЭД связаны с механизмом перемещения электродов. Ток подводится к
ЭД с помощью пакета медных шин.
Установки электромагнитного перемешивания металла позволяют уско-
рить выведение вредных газов и компонентов из расплава, выровнять химический
состав расплава. Жидкий металл в ванне приводится в движение с помощью элек-
тромагнитных устройств переменного тока с перемежающимся магнитным полем
при частотах 0,4÷1,0 Гц. Промышленные установки электромагнитного переме-
шивания состоят из трех компонентов: индуктора, источника питания и систе-
мы охлаждения. Индукторы электромагнитного перемешивания выполняют в ви-
де цилиндрических или плоских конструкций. В первом случае индукторы распо-
лагаются на боковой поверхности корпуса, во втором – под донной поверхностью.
Мощность индукторов составляет 0,5÷0,6 МВт, напряжение фазы – 115÷180 В, ко-
эффициент мощности – 0,5÷0,6. В качестве источников питания индукторов ис-
пользуют электромагнитные преобразовательные агрегаты и тиристорные преобра-
34

зователи частоты. Стоимость установки электромагнитного перемешивания метал-
ла составляет 30÷100% стоимости печи, а расход энергии в ней – 3÷5% от полного
расхода энергии.
4.2. Технология плавки стали в ДСП
Плавка состоит из следующих периодов: заправка печи; загрузка шихты;
плавление; окислительный период; восстановительный период; выпуск стали.
Плавление. После окончания завалки электроды опускают почти до касания
с шихтой и включают ток. Под действием высокой температуры дуги шихта под
электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной
части подины. Электроды постепенно опускаются, проплавляя в шихте «ко-
лодцы» и достигая крайнего нижнего положения. По мере увеличения количе-
ства жидкого металла электроды поднимаются. Это достигается при помощи ав-
томатических регуляторов для поддержания определенной длины дуги.
Плавление ведут при максимальной мощности трансформатора.
Продолжительность периода плавки определяется мощностью трансфор-
матора и составляет от 1,1 до 3,0 ч. Напряжение во время плавки поддержива-
ется в пределах 360÷400 В. Расход электроэнергии за время плавления состав-
ляет 400÷480 кВт·ч/т.
Окислительный период. Задачи окислительного периода: уменьшить со-
держание в металле фосфора, водорода и азота; нагреть металл до температуры,
близкой к температуре выпуска. Потребляемая мощность снижается до 0,7÷0,8
от максимальной, напряжение поддерживается в пределах 240÷300 В. Дли-
тельность окислительного периода составляет 60÷90 минут.
Восстановительный период. Задача восстановительного периода --доведение
химического состава стали до заданного. Потребляемая мощность снижается до
0,4÷0,5 от максимальной, напряжение поддерживается в пределах 180÷240 В.
Длительность восстановительного периода составляет 40÷100 мин.
Для улучшения перемешивания металла и интенсификации медленно иду-
щих процессов в восстановительный период рекомендуется применять элек-
тромагнитное перемешивание, особенно на большегрузных печах, где удель-
ная поверхность контакта металла со шлаком значительно меньше, чем в печах
малой емкости.
4.3. Режимы работы ДСП
Печи работают непрерывно. Длительные отключения печи происходят
только при ее ремонтах. Число кратковременных отключений в процессе
одной плавки достигает нескольких десятков.
Нагрузка ДСП непрерывно-циклическая. Цикличность работы характери-
зуется чередованием плавок с остановками печи для слива металла, заправки
печи и завалки шихты.
На рис. 4.3 показан примерный график изменения средней мощности ДСП-
100 с трансформаторами мощностью 25 МВА за один технологический цикл
плавки продолжительностью 4,5 ч. На графике видно несколько отключений
35

агрегата на 10÷20 мин и указаны причины отключений. Технологические от-
ключения на время от 1 до 10 мин не показаны (их число значительно больше,
и они увеличивают переменный характер нагрузки).
Рис. 4.3. График работы ДСП
На графике (рис. 4.3) показаны усредненные нагрузки. В действительности
нагрузка имеет неустойчивый резкопеременный характер, неравномерный
по фазам. Закон распределения отклонений нагрузки от ее математического
ожидания в индивидуальном графике отличается от нормального. Однако для
группы печей 6 и более закон распределения отклонений в суммарной нагрузке
можно считать нормальным.
Коэффициенты формы для индивидуальных графиков нагрузки 1,16÷1,59
(печи малой мощности) 1,18÷1,86 (печи средней мощности) 1,16÷1,64 (печи
большой мощности).
С увеличением числа печей в группе коэффициент формы графиков сум-
марной нагрузки снижается, стремясь к единице
, где параметры
n
n
Be
K


1
Ф

В 0,3÷1,
5,0


для активной и
4,0


для реактивной мощности.
Коэффициент включения для индивидуальных графиков равен 0,5÷0,9
(нижнее значение относится к печам большой мощности). При увеличении ко-
личества печей и сдвиге графиков их нагрузок коэффициент включения увели-
чивается и при
его можно считать равным 1.
5

n
Коэффициент максимума для ДСП обычно принимается усредненным за
30 минут. Для большинства печей 30 минутный максимум нагрузки превышает
номинальную мощность трансформатора. С увеличением количества печей и
сдвиге графиков их нагрузок коэффициент максимума уменьшается с 4 при 1-
ой печи до 1,6 при 10-ти печах.
Низкие значения коэффициента использования установленной мощности
трансформаторов объясняются рядом причин. В первую очередь это связано со
36

значительным различием мощностей в разные этапы плавки. Печи с полным
технологическим циклом (с рафинированием) всегда недоиспользуют возмож-
ности трансформатора. Увеличение мощности для повышения производитель-
ности печи без снижения длительности рафинировочных периодов приводит к
уменьшению коэффициента использования. Для наибольшего использования
возможностей печного трансформатора его номинальную мощность необхо-
димо брать на 20 ниже его нагрузки в период расплавления. Существенное
влияние на коэффициент использования оказывают длительности аварийных и
плановых простоев.
Коэффициент загрузки печного трансформатора лежит в пределах 0,4÷0,45
и существенно зависит от коэффициента включения. С увеличением числа печей
в группе коэффициент загрузки приближается к коэффициенту использования.
4.4. Электрооборудование ДСП
ДСП относятся ко второй категории по надежности электроснабжения.
Печи условно разделяются на три группы:
–
печи малой емкости (0,5÷6 т) с трансформаторами мощностью 1÷3 МВА,
подключаемыми к шинам 10 кВ заводских подстанций;
–
печи средней емкости (10÷50 т) с трансформаторами мощностью 3÷15 МВА
и напряжением первичной обмотки 10 кВ;
–
печи большой емкости (80, 100 и 200 т) с трансформаторами мощностью
25÷125 МВА на напряжения 35, 110, 220 кВ.
В мировой практике наблюдается тенденция увеличения емкости печей
до 300÷400 т с увеличением мощности печных трансформаторов.
К основному электрооборудованию ДСП относят: печь с электродами и
ванной; понизительный трансформатор; реакторы; короткую сеть; ком-
мутационную, измерительную и защитную аппаратуру.
Принципиальная электрическая схема показана на рис 4.4 [5]. Первичная
цепь печи состоит из последовательно соединенных проводов и аппаратов высо-
кого напряжения, реактора и первичной обмотки трансформатора. Вторичная
цепь состоит из последовательно соединенных вторичной обмотки трансформа-
тора, токопроводов короткой сети, соединяющих вторичные выводы трансфор-
матора с электродами печи; электродов и электрических дуг. Цепи измерения и
защиты подключены к трансформаторам тока и напряжения.
Для поддержания оптимального режима печи устанавливаются автоматиче-
ские регуляторы мощности печи. Такие регуляторы воздействуют на механизм
передвижения электродов, изменяют длину дуги и поддерживают заданное
значение мощности ДСП. Для повышения точности регулирования созданы ав-
томатизированные системы управления ДСП. Печные трансформаторы для пе-
чей небольшой и средней мощности выполняют трехфазными. Для печей
большой мощности применяются группы однофазных трансформаторов, ко-
торые позволяют получить повышенный коэффициент мощности за счет более
рациональной конструкции короткой сети и независимого регулирования
мощности и напряжения каждой фазы.
37

Рис. 4.4. Система электроснабжения ДСП
Печные трансформаторы
Печные трансформаторы имеют следующие особенности:
–
высокое значение номинального тока вторичной обмотки (до 100 кА)
–
большой коэффициент трансформации;
–
число ступеней и диапазон регулирования напряжения гораздо больше, чем
у силовых трансформаторов (напряжение регулируется до 500 %);
–
трансформаторы обладают высокой стойкостью против эксплуатацион-
ных коротких замыканий (КЗ) с кратностью тока (2,5÷3)Iн , имеют высокую
механическую прочность.
38

Мощные печные трансформаторы имеют принудительное охлаждение с
искусственной циркуляцией масла через теплообменник, снабжены устройст-
вами РПН, производящими до 160 переключений в сутки. Обмотки трехфаз-
ных трансформаторов соединяются по схеме «треугольник – треугольник» с
возможностью переключения по схеме «треугольник – звезда», что позво-
ляет переводить печь с линейного напряжения на фазное и увеличить диапа-
зон регулирования.
Резко неравномерный график нагрузки трансформатора делает нецелесооб-
разным выбирать номинальную мощность трансформатора равной максималь-
ной мощности в период расплавления, так как в течении остальной части цикла
трансформатор оказывается недогруженным. Поэтому мощность печного
трансформатора выбирают меньше максимальной в стадии расплавления,
учитывая возможность 20% длительной перегрузки.
Условные обозначения для печных трансформаторов: буква Э означает, что
трансформатор печной; 0 – для однофазных и Т – для трехфазных; естественная
циркуляция воздуха и масла – М, принудительная – ДЦ, принудительная цир-
куляция воды и масла Ц; Н – с устройством РНП; К – комплект из нескольких
агрегатов. В цифровой части буквенного обозначения указывается типовая
мощность (в кВА) и первичное напряжение (в кВ).
Реактор
Реактор служит для ограничения бросков тока при эксплуатационных КЗ
и стабилизации горения дуг за счет создания падающей характеристики цепи
питания. У работающих непрерывно дуговых печей режим работы реактора пре-
рывистый, условия его работы тяжелые, поэтому он должен удовлетворять по-
вышенным требованиям термической и механической прочности. Реактор вклю-
чается между сетью и линейными зажимами обмотки высокого напряжения
трансформатора или в «фазу» – последовательно с данной обмоткой. Чаще всего
реактор располагают в общем кожухе с печным трансформатором.
Толчки тока эксплуатационных КЗ, согласно ПУЭ, не должны превышать
, поэтому суммарное индуктивное сопротивление контура дуги должно
быть более
35% от активного сопротивления контура.
H
I5,3

%
100
)
/
( max
I
IH
В печах большой мощности это условие выполнено за счет большого ин-
дуктивного сопротивления короткой сети и реактор можно не применять.
Для печей малой и средней мощности реактивное сопротивление печных
трансформаторов 6÷10%, короткой сети 5÷10%, реактора 15÷20%. Реактор
включается в период расплавления, в остальные периоды шунтируется
выключателем.
Коммутационная аппаратура
Согласно ПУЭ для печных трансформаторов ДСП должны быть:
1) максимальная токовая защита без выдержки времени от двух- и трех-
фазных КЗ в обмотке и на выводах, отстроенная от токов эксплуатационных КЗ
и бросков намагничивающего тока при включении установок;
39

2) газовая защита от повреждения внутри бака, сопровождающегося вы-
делением газа, и от понижения уровня масла в баке;
3) защита от однофазных замыканий на землю в обмотке и на выводах
печных трансформаторах, присоединенных к электрической сети с эффективно
заземленной нейтралью;
4) защита от перегрузок для установок всех видов дуговых печей. Для
ДСП рекомендуется предусматривать защиту с зависимой от тока характери-
стикой выдержки времени. Защита должна действовать с разными выдержками
времени на сигнал и отключение.
5) защита от повышения температуры масла в системе охлаждения печ-
ного трансформатора с использованием датчиков максимально допустимой
температуры;
6) защита от нарушения циркуляции масла и воды в системе охлаждения
для печного трансформатора с принудительной циркуляцией масла и воды.
Высоковольтный печной выключатель обеспечивает включение и выключе-
ние печного трансформатора в нормальном режиме а также автоматическое от-
ключение при длительных эксплуатационных КЗ. Для масляных выключателей,
работающих в условиях частых отключений и включений (25 тыс. в год) необ-
ходимо контролировать химический состав масла в них. Предпочтительнее
воздушные и вакуумные выключатели.
Короткая сеть
Короткой сетью называют токопровод от выводов вторичной стороны
трансформаторов до электродов дуговой печи. Короткая сеть состоит из участ-
ков жестко закрепленных шинопроводов и гибких проводов, соединяющих концы
шинопроводов с электродами (рис. 4.5). Токопроводы короткой сети пропускают
очень большие токи (до 100 кА и выше), имеют большое сечение и выполнены
в виде пакетов медных лент, медных шин или водоохлаждаемых труб.
Несмотря на небольшую длину короткой сети, ее активное и особенно ин-
дуктивное сопротивления являются определяющей составляющей общего со-
противления участков печной установки. Они оказывают существенное
влияние на энергетические показатели работы печи: мощность, коэффици-
ент мощности, КПД и т.д .
Средние значения параметров коротких сетей ДСП:
Ом,
Ом. Если для печей малой мощности, индуктивное сопротивле-
ние короткой сети используется для ограничения токов КЗ, то в печах большой
мощности снижение индуктивного сопротивления является важной задачей.
3
10
)5,1
5,0(




R
3
10
)5
2(




X
Требования к короткой сети: наименьшая длина; наименьшее индуктив-
ное сопротивление; симметричность; минимальная стоимость эксплуатации.
Для уменьшения индуктивного сопротивления проводники с токами:
-
сдвинутыми на 1800
необходимо располагать как можно ближе друг от друга;
-
одного направления необходимо располагать как можно дальше друг от друга.
Схема замещения короткой сети показана на рис. 4.6 . Запишем уравнения
по второму закону Кирхгофа
40

Рис. 4.5. Схема короткой сети
1—выводы трансформатора, 2 – шинный пакт, 3 – гибкие кабели, 4 – медные
трубошины, 5 – электрододержатель.
1
R
11
X
12
X
21
X
13
X
32
X
22
X
2
R
3
R
33
X
23
X
31
X
A
B
C
1
Д
R
2
Д
R
3
Д
R
Рис. 4.6. Схема замещения короткой сети
3
13
2
12
1
11
1
Д
1
1
1
I
jX
I
jX
I
jX
U
R
I
U











,
3
23
2
22
1
21
2
Д
2
2
2
I
jX
I
jX
I
jX
U
R
I
U











,
3
33
2
32
1
31
3
Д
3
3
3
I
jX
I
jX
I
jX
U
R
I
U











.
Преобразуя систему уравнений, получаем
))
(5,0
(
)
(3
5,0
(
13
12
11
13
12
1
1
1
Д
1
X
X
X
j
X
X
R
I
U
U










,
))
(5,0
(
)
(3
5,0
(
21
23
22
21
23
2
2
2
Д
2
X
X
X
j
X
X
R
I
U
U










,
))
(5,0
(
)
(3
5,0
(
32
31
33
32
31
3
3
3
Д
3
X
X
X
j
X
X
R
I
U
U










.
Таким образом, получаем в фазах дополнительные активные сопротивления,
если взаимные индуктивные сопротивления фаз не равны (короткая сеть не
симметрична). Эти сопротивления возникают из-за передачи мощности между
фазами при их индуктивной связи. В результате получается, что мощность од-
ной фазы («дикая фаза») будет значительно больше средней, а другой фазы
(«мертвая фаза») – значительно меньше средней. Токи короткой сети очень ве-
лики и это явление может привести к существенной несимметрии напряжений
сети и работе ДСП в режиме, существенно отличающемся от оптимального.
Автоматизация управления ДСП
К основным задачам автоматизированного управления процессом плавки
в ДСП можно отнести следующие:
41

–
централизованный контроль за ходом технологического процесса с сигна-
лизацией и регистрацией отклонений от заданных параметров;
–
контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неис-
правностей и непредвиденных остановок;
–
управление металлургическим процессом и энергетическим режимом;
–
сбор и обработка информации с выдачей необходимой документации.
Задачи управления металлургическим процессом:
–
расчет оптимального состава шихты и управление загрузкой печи;
–
прогнозирование момента окончания технологических периодов.
Задачи управления энергетическим режимом:
–
максимальное использование мощности печи;
–
минимальные удельные расходы энергоносителей;
–
нормальная эксплуатация электрического и другого печного оборудования.
В автоматическом режиме решаются задачи:
–
поддержание мощности печи на уровне, определяемом программой;
–
регулирование напряжения трансформатора;
–
быстрое устранение всех отклонений от нормального режима.
Поставленные задачи решаются с помощью автоматических регуляторов
мощности, автоматических регуляторов напряжения трансформаторов.
Технические характеристики ДСП переменного тока прямого действия при-
ведены в табл. 4.2 [5].
Таблица 4.2
Тип печи
Ном. мощ-
ность тр-ра
кВА
ВН тр-ра ,
кВ
Пределы
изменения
U2
Ток втор.
обмотки,
кА
Уд. расход
ЭЭ, кВт/т
ДС-0,5
400
6; 10
213–110
1,085
650
ДСП-0,5ИЗ
630
6; 10
216–98
нд
560
ДСП-1,5
1000
6; 10
225–118
2,57
550
ДСП-1,5ИЗ
1250
6; 10
225–103
нд
480
ДСП-3
1800
6; 10
242–122,5
2,25
525
ДСП-6И3
2000
6; 10
243-116
нд
465
ДСП-6
2800
6; 10
257–197,5
6,3
нд
ДСП-12
5000
6; 10
278–202
10,4
500
ДСП-12Н3
8000
6; 10
318-120
нд
435
ЖДСП-20
9000
6; 10
318–116
16,35
470
ДСП-25
16000
6; 10
384–148
24–10
нд
ДСП-25Н2
15000
35
370-128
нд
430
ДСП-40
15000
35
386-126
23,5
нд
ДСП-50Н2
20000
35
407-144
нд
415
ДСП-50
20000-29150
35
486-152 27,7-34,6 460-440
ДСП-80
32000
35
478—161
38,8
420
ДСП-100
45000
35
591-164
43,9
нд
ДСП-200
45000
35
нд
нд
400
42

4.5. Оптимальные режимы ДСП
Расход электроэнергии на 1 т и производительность печи зависит от тех-
нологических факторов и правильно выбранного электрического режима
печи. Регулировать электрический режим можно, изменяя либо питающее на-
пряжение, либо длину и ток дуги. Первым способом пользуются несколько
раз за плавку, обычно при переходе с одного этапа плавки к другому. Второй
способ позволяет регулировать режим печи непрерывно и плавно, опуская и
поднимая электроды при помощи системы автоматического регулирования и
поддерживая токи фаз печи на заданном уровне.
Для определения способа регулирования необходимо знать зависимость ос-
новных параметров печи (активной и реактивной мощности, электрического
КПД и т.д .) от тока.
Характеристики печи могут быть получены на основании упрощенной схе-
мы замещения, составленной с учетом следующих допущений:
1) система симметрична и сопротивления фаз линейны;
2) напряжения источника неизменны;
3) потери в стали трансформатора отсутствуют.
Схема замещения показана на рис. 4.7. В схеме сопротивления R и
пред-
ставляют собой сумму сопротивлений трансформатора, реактора (приведенные
к стороне НН) и сопротивления короткой сети.
X
X
Д
R
R
U
I
Д
U
Рис. 4.7. Упрощенная схема замещения установки
Из векторной диаграммы напряжений получаем напряжение дуги
IR
IX
U
I
U



2
2
Д
)
(
)(
.
К электрическим показателям печи относятся:
‒
полная мощность (мощность источника)
;2
3
)(
3
)(
RI
I
I
U
I
P
Д


‒
полезная мощность (мощность дуги)
I
I
U
I
P
Д)
(
3
)(Д

;
‒
электрический КПД установки
)(
/)
(
)(Д
I
P
I
P
I

;
‒
реактивная мощность
;2
3
)( XI
I
Q
‒
полная мощность
;
UI
I
S
3
)(
‒
коэффициент мощности
)(
/)
(
)(
cos
I
S
I
P
I

.
Графики этих функций в зависимости от тока показаны на рис. 4.8.
Теоретически для расплавления 1 тонны стали необходимо потратить
350÷500 кВт ч в зависимости от марки стали. Электрических характе-
ристик недостаточно, чтобы определить оптимальный режим работы ДСП. К
технологическим показателям относятся:

 теор
Э
43

)(IP
)(I
PД
)(I
Q
)(IP

)(I
PT

I
'
I
''
I
)(
cos I

I
опт
I'
опт
I''
)(Ig
)(I
w
Электрические параметры
Технологические
параметры
Рис. 4.8 . Электрические и технологические параметры ДСП
‒
производительность печи
теор
Э
/)
(
)(




Т
Р
Р
I
g
т/ч,
‒ фактический расход электроэнергии на 1 тонну
)(
/)
(
)(
I
g
I
P
I
w

кВт ч/т,
‒
полный КПД печи
)(
/)
)(
(
)(
I
P
P
I
P
I
Т
Д




.
При упрощенных расчетах величину тепловых потерь
Т
Р
 печи принимают
не зависящей от тока и равной 0,2
от максимальной мощности печи. Печь
будет работать, только если тепловые потери меньше мощности дуги.
max
P
Графики указанных функций в зависимости от величины тока показаны на
рис. 4 .8. Из графика видно, что зависимость фактического расхода энергии
на плавку имеет минимум, а зависимость производительности печи имеет
максимум. Экстремумы функций не совпадают, поэтому наиболее выгодный
режим работы печи располагается между этими экстремумами. Работа печи
в режиме минимума расхода энергии обоснована в часы дефицита электроэнер-
гии в энергосистеме, когда уровень нагрузки ограничен договорным лимитом.
Работа печи с максимальной производительностью целесообразна в часы ми-
нимума нагрузки энергосистемы.
Типовое потребление электроэнергии (в %) ДСП имеет вид: нагрев стали
(63,9%), шлака (3,8%), отходящих газов (2,6%), охлаждающей воды (4,3%); по-
44

тери в СЭС (7,7%), на излучение (23%); генерация от экзотермических реакций
(5,3%).
Проведенное выше рассмотрение режима работы ДСП предполагало сим-
метрию в системе электроснабжения. Однако реальные условия работы каждой
из дуг приводят к резким независимым друг от друга скачкам тока. Регулиро-
вание тока одной фазы неизбежно приведет к изменению тока в других фазах за
счет передачи мощности в короткой сети. Поэтому в системах регулирования,
как правило, поддерживается в заданных пределах сопротивление каждой
из дуг.
4.6. Влияние ДСП на качество электроэнергии
ДСП являются причиной возникновения колебаний напряжения, несим-
метрии токов и напряжений и несинусоидальности напряжения и снижения
коэффициента мощности.
Коэффициент мощности
Согласно ПУЭ толчки тока при эксплуатационных КЗ должны составлять не
более 350 % от номинального тока. Для выполнения этого требования реак-
тивное сопротивление печного контура должно быть не менее 35% от ак-
тивного сопротивления. В печах малой и средней мощности для ограничения
колебаний тока вводят дополнительные реакторы, работающие только в период
расплавления. В печах большой мощности основной вклад в реактивное сопро-
тивление вносит короткая сеть. Параметры короткой сети даны в табл. 4 .3.
Таблица 4.3
Мощность
МВА
Сопротивление ко-
роткой сети, мОм
Толчки
тока %
Схема короткой сети
2,8
1,25+j5,85
390
Треугольник на шинном пакете
9
0,79+j4,11
267
25
0,58+j3,35
205
Несимметричный треугольник на
электродах
32
0,5+j2,8
251
Расщепленная звезда
60
0,49+j3,97
150
Триангулированная звезда
60
0,64+j4,65
170
Расщепленная звезда
Таким образом, ДСП являются крупными потребителями реактивной
мощности. При увеличении мощности печи коэффициент мощности снижает-
ся. Коэффициент мощности также существенно зависит от периода плавки [11]
(см. табл. 4.4).
Таблица 4.4
Коэффициент мощности
Мощность МВА
Плавка
Окисление
Восстановление
2,8
0,81
0,89
0,93
60
0,7
0,7
0,74
45

Приведенные в табл. 4 .4 значения являются средними значениями. В дейст-
вительности изменение активной и реактивной мощностей носит случайный
резкопеременный характер.
МВт
I
P ),(
10
20
c
t,
1
0
0
2
МВAр
I
Q),
(
10
20
c
t,
1
0
0
2
Рис. 4.9. Характерный график изменения мощности ДСП
Из рис. 4 .9 видно, что потребление реактивной мощности происходит
более неравномерно, чем активной. Во время эксплуатационных КЗ происхо-
дят наиболее значительные скачки реактивной мощности, достигающие 400%
от номинального значения. Дисперсия реактивной мощности в остальные пе-
риоды плавки значительно меньше.
Низкие значения коэффициента мощности приводят к необходимости при-
менять в схемах электроснабжения ДСП компенсацию реактивной мощно-
сти. Применение средств компенсации позволяет уменьшить потери электро-
энергии в подводящих линиях и снизить уровень колебаний напряжения.
Для компенсации реактивной мощности ДСП применяют: статические кон-
денсаторы переменного включения, управляемые реакторы и фильтры, уста-
новки продольной компенсации, синхронные двигатели или синхронные ком-
пенсаторы.
Реактивная мощность во время плавки содержит постоянную и переменную
составляющие. Конденсаторы поперечного включения позволяют компенсиро-
вать постоянную составляющую реактивной мощности. Величина генерируе-
мой мощности составляет
ном
CU
Q
3

, где С – емкость одной фазы батареи
конденсаторов. Изменение реактивной мощности в различные периоды плавки
можно компенсировать при помощи ступенчатого подключения конденсаторов
к сети. Наибольшую сложность представляет компенсация переменной состав-
ляющей мощности во время плавки. В настоящее время эта задача может быть
решена применением активных фильтров. Одновременно эти фильтры позво-
ляют устранить высшие гармоники и несимметрию напряжения.
46

Колебания напряжения
Для ДСП колебания тока разделяют на регулярные и нерегулярные.
Нерегулярные случайные толчки тока с частотой 0,1÷1 Гц вызваны замыка-
ниями и обрывами дуги. С определенными допущениями случайные колебания
описываются нормальным законом распределения. С вероятностью 0,95 такие
колебания не превышают номинального значения тока, однако для периода
расплавления колебания могут достигать до
. Дисперсия колебаний сни-
жается с увеличением мощности печи [11] (см. табл. 4 .5).
ном
I5,1
Таблица 4.5
Мощность МВА
Дисперсия
2
/ ном
I
D
2,8
0,174
32
0,116
Регулярные колебания токов с частотой 2÷10 Гц вызываются перемеще-
нием дуг, вибрацией электродов, изменениями проводимости в зоне горения,
колебаниями поверхности жидкого металла и т.д . Эти колебания не превышают
50% от номинального тока.
Колебания режима в одной фазе могут возникнуть также при изменении
режима в других фазах.
Колебания напряжения обусловлены падением напряжения на элементах
питающей сети от шин предприятия до энергосистемы и вызваны толчками то-
ков. Они характеризуются размахом колебаний
%
100
min
max
ном
U
U
U
U



и частотой.
Для частот 0,1÷1 Гц с наибольшими колебаниями допустимая величина
колебаний напряжения составляет 1,5÷2 %. Колебания напряжения на
шинах ДСП подстанций достигают больших значений и далеко выходят за
допустимые пределы [11] (см. табл. 4 .6). Это неблагоприятно сказывается
на работе других приемников ‒ дуговых вакуумных, электрошлаковых и
электронно-лучевых установок, которые часто располагаются на том же про-
мышленном предприятии.
Таблица 4.6
Мощность МВА
Колебания напряжений %
2,8
10÷15
25
6.5÷9
32
8,5
60
7÷9
Фактический размах изменений напряжения на зажимах потребителей (рис.
4.10) определяется следующим образом. Величина скачка тока при КЗ опреде-
ляется параметрами печного контура и составляет
ном
кз
I
I
I



. На элементах
питающей сети этот ток создает падение напряжений
)
sin
cos
(
3




X
R
I
U


,
47

сеть
Т
ЛЭП
Т
ЭПТ
10 кВ
ДСП
другие
потребители
Рис. 4.10. Схема электроснабжения ДСП
гдеRи
‒
суммарное сопротивление элементов питающей сети, линии и
трансформатора,
X
 ‒ сдвиг по фазе между током и напряжением. Индуктивное
сопротивление питающей сети, как правило, намного больше активного, по-
этому для оценки колебаний напряжения можно использовать упрощенную
формулу
IX
U

3

.
Если выразить величину
через мощность короткого замыкания
в точке подключения ДСП мощностью
, то колебания напряжения
кз
ном
S
U
X
/
2

кз
S
U
S
кз
ном
S
S
U/


. В ПУЭ приводится обязательное условие для подключения
ДСП ‒
, что соответствует колебаниям напряжения в 1 %. При вы-
полнении этого условия ДСП можно подключить без выполнения дополни-
тельных мероприятий.
01
.
0
/
кз
S
S
Если условие не выполнено, то колебание напряжений можно снизить:
1) увеличением мощности трансформатора ГПП;
2) подключением ДСП к точке с большей мощностью короткого замы-
кания;
3) питанием потребителей и ДСП от разных секций шин ГПП.
Часто на предприятии устанавливается группа из нескольких ДСП. Наи-
большее распространение получили варианты двух или трех одинаковых печей
в группе. Зависимость графиков нагрузок таких ДСП обуславливается общно-
стью программы цеха. Особенно влияет на характер согласованности графи-
ков работы печей наличие в цехе установок непрерывной разливки стали и ог-
раничения электропотребления. В тоже время циклы плавок отдельных пе-
чей сдвинуты случайным образом. Наиболее тяжелым режимом системы
электроснабжения является совпадение во времени периодов расплавле-
ния на нескольких печах.
С увеличением числа печей в группе размах колебаний напряжения на ши-
нах ГПП растет. Однако он не является арифметической суммой колебаний на-
пряжения от отдельных печей, так как их броски тока во времени, как правило,
не совпадают. При допущении о независимости колебаний дисперсия суммы
равна сумме дисперсий. Тогда условие подключения группы из n печей мощно-
стью Si имеет вид
01
,
0
/
1
2


кз
n
i
iS
S
.
48

Несимметрия токов и напряжений
ДСП вызывают несимметрию токов и напряжений. Несимметрию разде-
ляют на статическую и динамическую.
Статическая несимметрия вызвана неодинаковостью сопротивления токо-
провода и контактных соединений. Коэффициент асимметрии может достигать
30 %, что приводит к неравенству выделения мощности в электродах и появле-
ние «дикой» и «мертвой» фаз. Основным направлением снижения статической
несимметрии является тщательная разработка короткой сети. Наиболее совер-
шенные варианты короткой сети позволяют снизить статическую несимметрию
до 3÷5 %.
Динамическая несимметрия вызывается неодинаковостью условий зажи-
гания дуг под различными электродами, несовпадением моментов эксплуата-
ционных КЗ и т.д .
Коэффициент несимметрии напряжения определяют как отношение на-
пряжения обратной последовательности основной частоты к номинальному на-
пряжению.
Несимметрия напряжений больше всего сказывается на работе электродви-
гателей. Допустимая величина коэффициента несимметрии напряжения
составляет менее 2 %.
Расчет фактической несимметрии [17, 23] на зажимах потребителей (рис.
4.10) определяется следующим образом. Сначала выполняется расчет токов не-
симметричного участка короткой сети (рис. 4.6), считая источник напряжения
симметричным. Для оценочных расчетов величины токов обратного следова-
ния фаз можно использовать выражение

cos
3
/ ном
U
P
I
пульс
обр 
, где
‒
пульсирующая составляющая активной мощности нагрузки. Затем несиммет-
ричный участок заменяется источником тока, равным току обратной последо-
вательности несимметричного участка (рис. 4 .11). Расчет цепи выполняется по
законам Кирхгофа.
пульс
Р
ТВ
X
обр
U
обр
I
ЛЭП
X
сети
X
ТН
X
потр
X
Т
X
ТН
X
Рис. 4.11. Схема для расчета несимметрии напряжений потребителей
Для нескольких печей, выполненных по одному проекту и сфазированных
на стороне первичного напряжения, «мертвая» и «дикая» фазы совпадают. Та-
ким образом, полученные для каждой печи коэффициенты несимметрии скла-
дываются. Для уменьшения несимметрии напряжений необходимо выполнять
согласование графиков нагрузок различных ДСП, поскольку наибольшая не-
симметрия наблюдается в период расплавления.
49

Несинусоидальность токов и напряжений
Режим работы ДСП характеризуется несинусоидальностью токов и на-
пряжений, которая вызвана нелинейностью электрической дуги как приемника
электроэнергии. Степень проявления нелинейности зависит от состояния
шихты и температуры.
а)
б)
в)
Д
u
Д
u
Д
u
Дi
Дi
Дi
Рис. 4.12 . Динамические характеристики дуги ДСП а) в начале периода рас-
плавления, б) после проплавления колодцев, в) в период рафинирования.
Начало этапов расплавления происходит при неустойчивом горении дуг и на-
пряжения существенно искажены (рис. 4 .12а). После проплавления колодцев ВАХ
дуги (рис. 4 .12б) сохраняет особенности ВАХ в начальный период расплавления,
однако переходы от одного участка характеристики к другому происходят более
плавно, что свидетельствует об улучшении тепловых условий горения дуги. В пе-
риод расплавления наблюдается несимметрия ВАХ и возникает постоянная со-
ставляющая, которая может достигать 12 %. В периоды окисления и восстанов-
ления нелинейность дуги значительно снижается (рис. 4 .12в).
Эти закономерности горения дуги сказываются на гармоническом составе
токов и напряжений. Искажения кривых токов и напряжений различны по
фазам печи, имеют вероятностный характер и изменяются по периодам
плавки. Наличие магнитной несимметрии между фазами короткой сети обу-
славливает возрастание доли гармоник, кратных трем [11] (см. табл. 4 .7).
Таблица 4.7
ДСП-5
ДСП-25
ДСП-100
ДСП-200
Номер
гармон Плавка Рафин. Плавка Рафин. Плавка Рафин. Плавка Рафин.
2
7
3,7
9,5
2
5,1
2,7
6,8
3
3
11,2
2,2
4,8
3
7,2
3,2
5,1
2,4
4
2,7
2,2
4,8
0,3
2,3
1,4
4,2
0,8
5
8,9
4,3
6
2,9
5,5
1,1
2,6
0,6
7
4,9
2,7
1,3
1,2
2,1
1
0,7
0,2
9
1,3
0,9
0,2
0,3
1
0,5
0,3
0,3
50

Искажения кривых тока и напряжения оказывает существенное воздействие
на характеристики печей, ухудшая параметры токопровода и условия пере-
дачи мощности к ванне. При повышении доли гармоник значительно возрас-
тают потери в металлаконструкциях печи, их нагрев и вероятность аварийных
ситуаций. Особенно заметное влияние оказывает несинусоидальность тока на
коэффициент мощности, который ухудшается за счет появления мощности ис-
кажений.
Коэффициент несинусоидальности напряжения определяется как отноше-
ние действующего значения гармонической составляющей несинусоидального
напряжения к действующему значению напряжения основной частоты. Коэф-
фициент несинусоидальности напряжения на шинах ГПП превышает допусти-
мые значения, особенно в период расплавления в ДСП.
Расчет фактической несинусоидальности [17, 23] на зажимах потребите-
лей (рис. 4.10) определяется следующим образом. Для каждой гармоники печь
заменяется источником тока, равным току этой гармоники (рис. 4.13). Для оце-
ночных расчетов величины токов гармоник можно использовать выражение
2
ном
ечи
3
/
25
,
1


U
S
I
п

, где  ‒ номер гармоники или табл. 4 .6. Расчет цепи (рис.
4.13) выполняется по законам Кирхгофа для каждой гармоники. Затем вычис-
ляется коэффициент несинусоидальности.
ТВ
X

)(
U
)(
I
ЛЭП
X

сети
X

ТН
X

потр
X

Т
X

ТН
X

Рис. 4.13. Схема для расчета несинусоидальности
напряжений потребителей
Если требуемые значения коэффициента несинусоидальности не достигну-
то, требуется установка активных или пассивных фильтров.
ДСП как потребители электроэнергии
1. Источник питания: мощность до 160 МВА; напряжение в точке подклю-
чения от 10 кВ до 220 кВ; напряжение установки от 150 В до 500 В; регулиро-
вание до 500%.
2. Категория надежности: 2, для некоторых вспомогательных систем – 1 .
3. График нагрузки: резкопеременный от обрыва дуги (Р=0, Q=0) до экс-
плуатационных КЗ (Р=3РНОМ , Q=4QНОМ ); непрерывно-циклический перепады
мощности на различных стадиях плавки достигают 2÷2.5 раза.
4. Требования к качеству электроэнергии: в пределах нормативов; нежела-
тельны длительные отклонения напряжения.
5. Влияние на качество электроэнергии: коэффициент мощности 0.8; коле-
баниям напряжения до 10 %, несинусоидальность и несимметрия напряжения.
51

4.7. ДСП постоянного тока
ДСП переменного тока наряду с достоинствами имеют серьезные недос-
татки, которые заставляют разрабатывать альтернативные конструкции печей.
К ним относятся дуговые печи постоянного тока (ДППТ) и плазменные дуго-
вые печи (ДПП) с керамическим тиглем. Постоянный ток упрощает проблему
снижения реактивного сопротивления печи, значительно повышая коэф-
фициент мощности.
Схема ДППТ показана на рис. 4.14. Питание ДППТ осуществляется по схе-
ме «электрод – подовый электрод», причем катодом является электрод, а ано-
дом – металл. Подовый электрод устанавливается в центре подины и охлажда-
ется водой. Узел ввода электрода хорошо уплотнен, что позволяет проводить
плавку в контролируемой атмосфере.
Рис. 4.14. Конструкция ДППТ
Технологический процесс ДППТ аналогичен процессу в ДСП. Однако пове-
дение печи кардинально изменяется. Дуга постоянного тока горит устой-
чиво, ее столб имеет форму спирали, радиус витков которой увеличивается по
направлению от катода к расплавленному металлу. Такая форма столба создает
интенсивное собственное продольное магнитное поле, хорошо стабилизирую-
щее дугу в пространстве.
Дуга постоянного тока может иметь большие длины (более 1 м). Это позво-
ляет проводить период расплавления с малой вероятностью кз, поэтому
режим печи характеризуется высокой стабильностью, резким снижением
толчков нагрузки.
Для питания ДППТ используются регулируемые тиристорные источники
питания со вторичным напряжением до 900 В. Регулирование режима источни-
ка осуществляется как с помощью переключения ступеней трансформатора,
так и с помощью угла открытия тиристоров. Источники имеют высокий
52

53
КПД, номинальный коэффициент мощности 0,85÷0,94, но при глубоком регу-
лировании снижается до 0,6. Также возникают искажения сетевого тока.
Графики нагрузки ДППТ аналогичны графикам ДСП. Несмотря на то, что
оборудование ДППТ дорого, сами печи очень экономичны, в основном за счет
снижения тепловых потерь. ДППТ нагрузка 2-ой категории надежности.
Достоинства ДППТ по сравнению с ДСП: возможность проведения всех
металлургических процессов; не требуются дополнительные устройства пере-
мешивания металла; уменьшение расхода электроэнергии на 15÷20 %, элек-
тродов в 2÷5 раз, выбросов в 8÷10 раз, огнеупорных материалов на 20÷30 %.;
более равномерный график электрической нагрузки.
Основные технические данные ДППТ даны в табл. 4 .8 [5].
Таблица 4.8
Наименование параметра
ДСПТ-
1,5/2,5
ДСПТ-
6/6,3
ДСПТ-
12/13,2
Установленная мощность, кВ·А
2500
6300
17200
Потребляемая мощность, кВт
2400
4000±500
8000
Вместимость печи, т
1,5
6
12
Рабочий ток, А
8000
12500
14000
Время расплавления, мин.
45
60
60
Выпрямленное напряжение, В
300
450
660
ДППТ как потребители электроэнергии
1. Источник питания: постоянный, мощность до 20 МВА; напряжение в точ-
ке подключения 10 кВ; напряжение установки 500÷900 В.
2. Категория надежности: 2, для некоторых вспомогательных систем –1.
3. График нагрузки: стабильный, непрерывно-циклический.
4. Требования к качеству электроэнергии: в пределах нормативов; нежела-
тельны длительные отклонения напряжения.
5. Влияние на качество электроэнергии: коэффициент мощности до 0,6 при
глубоком регулировании; высшие гармоники от выпрямителей.

Лекция 5
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ С ДУГОВЫМ
НАГРЕВОМ И НАГРЕВОМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
5.1. Руднотермические печи
Особенности технологического процесса
Руднотермические печи (РТП) применяются в металлургии черных метал-
лов и других отраслях для получения ферросплавов. РТП являются дуговыми
печами сопротивления. Руднотермическая печь и ее принципиальная схема
показаны на рис. 5 .1 и рис. 5.2.
Рис. 5.1. Руднотермическая печь
Рис. 5.2. Схема РТП
54

Нагрев материалов производится за счет теплоты, возникающей при
протекании тока по электродам, шихте, электрической дуге и расплавляе-
мому материалу.
Из-за разнообразия технологических процессов в РТП преобразование элек-
трической энергии в тепловую происходит по разному. Различают печи, кото-
рые работают с ярко выраженным дуговым разрядом (открытым или горя-
щем в закрытом тигле), со слабо выраженной дугой, и печи, в которых дуга
практически отсутствует, а преобразование энергии происходит за счет про-
текания тока по шихте или расплавленному шлаку.
Общими признаками РТП являются следующие:
1. Удельное электрическое сопротивление шихты сильно меняется при
повышении температуры, холодная шихта не электропроводна.
2. В расплавленном состоянии шихта представляет ионный раствор, прово-
димость которого зависит от температуры и состава. Объем расплава и шихты,
участвующих в проведении тока, меняется при изменении температуры. Это оп-
ределяет возможность существования двух проводников – нелинейного актив-
ного сопротивления шихты и расплава и электрической дуги.
3. Температура преобразования шихты составляет 1200÷2200 К, что опреде-
ляет высокие удельные расходы электроэнергии на выпуск единицы продукции
и наличие мощного энергетического хозяйства.
4. Непрерывный режим работы в течение 1÷2 лет.
Система электроснабжения РТП
РТП питаются обычно переменным током промышленной частоты. Ис-
пользуются трехэлектродные и шести электродные печи с большим разнообра-
зием геометрических размеров и конфигураций ванн. Иногда применяются од-
нофазные печи небольшой мощности.
Печи с открытой дугой (рафинировочные) имеют характеристики потребле-
ния, близкие к ДСП в рафинировочный период. Большинство РТП имеют не-
прерывный режим работы, длящийся несколько месяцев. Поэтому их коэффи-
циент включения близок к 1.
Режим РТП характеризуется сравнительно высокой степенью равномер-
ности. Однако изменение качества составляющих шихтовой смеси, неполадки
в различных технологических системах, а также ограничения электропотребле-
ния вызывают необходимость изменения мощности печей от 5 до 50 % от
номинальной. При этом коэффициент заполнения их индивидуальных су-
точных графиков работы составляет 0,72-0,98. Коэффициент загрузки с повы-
шением мощности несколько снижается [11] (табл. 5.1).
Таблица 5.1
Печи
Мощность
Коэффициент загрузки
Ферросплавные и карбидные
5÷25 МВА
0,95÷0,92
Ферросплавные
48÷63
0,9
Карбидные
40÷60
0,85÷0,8
Фосфорные
48÷60
0,8÷0,75
55

Обычно на предприятиях устанавливается несколько печей, которые имеют
коэффициент разновременности максимумов нагрузки 0,91÷0,96. Это позволяет
повысить коэффициент заполнения графика нагрузки предприятия до
0,84÷0,96.
Электроснабжение РТП производят на напряжении 10÷220 кВ по системе
глубокого ввода через понизительный трансформатор (трехфазный или три од-
нофазных). РТП имеют сложную короткую сеть, способную пропускать очень
большие вторичные токи (до 100 кА).
Сопротивление нагрузки РТП значительно ниже, чем у ДСП, поэтому
вторичное напряжение печных трансформаторов ниже, а токи при тех же мощ-
ностях в 1,5÷2 раза больше. Это приводит к тому, что короткая сеть РТП более
мощная и сложная. В ней применяются меры по обеспечению симметрично-
сти загрузки фаз, снижению активного и индуктивного сопротивлений.
На рис. 5 .3 показана короткая сеть РДП. Охлаждение трубчатого пакета шин
производится водой, протекающей внутри токоведущих труб. Конфигурация
короткой сети выполнена так, чтобы проводники с противоположным направ-
лением тока были расположены как можно ближе друг к другу. Это снижает
величины реактивных сопротивлений и падений напряжений в короткой сети.
Рис. 5.3. Схема короткой сети РТП:
1 – трансформатор; 2 – гибкие компенсаторы; 3 – пакет трубчатых шин; 4 – не-
подвижный башмак; 5 – гибкие ленты; 6 – подвижный башмак; 7 – электроды
56

Требования к качеству электроэнергии
Хорошо теплоизолированная дуга обеспечивает спокойное устойчивое
потребление энергии с отсутствием эксплуатационных КЗ. При работе в
стационарном режиме ток и напряжение печи имеют практически синусои-
дальную форму.
РТП с круглой ванной имеют незначительный перекос полезных мощно-
стей отдельных фаз (до 5%) за счет конструкции короткой сети. В прямо-
угольных карбидных печах несимметрия фазных мощностей может достигать
40% даже при использовании пофазного регулирования напряжения трансфор-
матора. Это оказывает влияние на питающую сеть.
Естественный коэффициент мощности РТП зависит от вида технологиче-
ского процесса и составляет 0,72÷0,97 [11] (см. табл. 5.2).
Таблица 5.2
печи
Коэффициент мощности
Ферросплавные
0,9÷0,7
Карбидные
0,78÷0,93
Фосфорные
0,95÷0,97
Силикоалюминиевые
0,7÷0,72
Печи, требующие для своей работы больших токов и меньших вторичных
напряжений, имеют более низкое значение коэффициента мощности. С увели-
чением мощности и геометрических размеров коэффициент мощности всех
типов печей снижается.
Сравнительно низкие значения коэффициента мощности из-за высоких мощ-
ностей вызывают значительное потребление из системы реактивной мощно-
сти. В отличие от ДСП ее значение довольно стабильно. Для уменьшения за-
грузки подводящих сетей реактивной мощностью и снижения потерь электро-
энергии крупные РТП оборудуются индивидуальными и групповыми уста-
новками компенсации реактивной мощности (поперечной или продольной).
Продольная компенсация оказывает влияние на электрические характери-
стики печей, происходит уменьшение эквивалентного реактивного сопротивле-
ния, возрастает напряжение. В результате растет полезная мощность и ток
электродов в режиме максимальной мощности.
Одним из путей улучшения электротехнических характеристик мощных
РТП является увеличение количества электродов (до 12). Однако увеличение
количества электродов вызывает усложнение конструкции печей, повышение
их металлоемкости и снижение надежности.
Другим путем улучшения характеристик является снижение частоты пе-
ременного тока. Снижение частоты вызывает ослабление поверхностного
эффекта и эффекта близости в проводниках короткой сети, в результате че-
го значительно снижаются активные потери и нагрев конструкций, растет КПД
печи и снижается расход электроэнергии.
Выбор частоты определяется электротехническими и технологическими со-
ображениями. Ввиду значительной инерционности снижение частоты до 0,5÷5
57

Гц не приводит к изменению технологии процесса и заметным колебаниям
температуры. При меньших частотах возможно возникновение электролиз-
ных явлений с вредными последствиями.
Основным параметром РТП является потребляемая мощность, от которой в
первую очередь зависит нормальный ход технологического процесса, произво-
дительность и удельный расход энергии. С увеличением мощности возраста-
ет производительность и снижается расход энергии. Пределы длительного
изменения мощности ограничены электротехническими и технологическими
соображениями.
При чрезмерном повышении мощности возрастают потери в короткой
сети и ухудшается ее температурный режим. Кроме того возможен перегрев
шихты в центральной зоне печи и возникают нежелательные химические реак-
ции. Ухудшаются тепловые условия работы футеровки стен и возникает их
преждевременный износ. При длительном снижении мощности уменьшается
объем тиглей, что неблагоприятно сказывается на технологии процесса.
Велико число коммутаций печи (около 1000 за год). Поэтому выключате-
ли должны иметь большой ресурс переключений без ремонта (до 20 тыс). В
этом случае ремонт выключателей можно совместить с ремонтом печи. Из-за
большой мощности РТП их отключение (включение) приводит к большим ко-
лебаниям напряжения других потребителей электроэнергии.
РТП как приемник электрической энергии представляет собой инерционный
объект. Печь практически не реагирует на колебания напряжения и мощности,
происходящие с малым периодом (до 45 мин). Не реагирует РТП и на изменение
частоты питающего напряжения.
По надежности электроснабжения РТП относится ко второй категории. Не-
которые вспомогательные системы, например система охлаждения, относятся к
первой категории.
РТП как потребители электроэнергии
1. Источник питания: мощность до 60 МВА; напряжение в точке подключе-
ния 10÷220 кВ; трехфазный или однофазный с возможностью регулирования до
25%; напряжение установки 200÷300 В, частота 50 Гц (лучше 5 Гц).
2. Категория надежности: 2; для системы охлаждения ‒ 1.
3. График нагрузки: равномерный во время плавки
4. Требования к качеству электроэнергии: в пределах нормативов.
5. Влияние на качество электроэнергии: несимметрия напряжений из-за ко-
роткой сети; колебания напряжения при включении (выключении); высшие гар-
моники при использовании выпрямителей.
5.2. Электрошлаковые печи
Особенности технологического процесса
Использование явления разогрева расплава соединений шлака до
2000÷2300 К проходящим по нему током легло в основу процессов электро-
шлакового переплава и электрошлаковой сварки (ЭШС). Электрошлаковая печь
58

(ЭШП) и ее принципиальная схема показана на рис. 5.4 и 5.5 . Основное назна-
чение ЭШП – производство слитков из высококачественных сталей: валко-
вых, нержавеющих, жаропрочных и т.д . .
Рис. 5.4. Электрошлаковая печь
Рис. 5.5. Конструкция ЭШП
Сущность процессов в ЭШП состоит в следующем. Расходуемый электрод из
переплавляемого металла погружается в слой электропроводного шлака 2, на-
ходящегося в водоохлаждаемом кристаллизаторе 3, закрытом водоохлаждае-
мым поддоном 4. Электрический ток протекает между электродом и поддоном
через шлак, который имеет высокое электрическое сопротивление и интенсивно
разогревается. Находящийся в расплаве шлака торец электрода расплавляется, и
капли металла, стекающие с электрода, проходят через шлак, где дополнительно
разогреваются, очищаются от нежелательных примесей и собираются на дне кри-
сталлизатора в виде слитка. В результате отвода теплоты в поддон и стенки кри-
59

сталлизатора скапливающийся металл застывает в виде слитка 6, в верхней
части которого находится ванна расплавленного металла 5. По мере оплавления
электрод подается вниз.
Система электроснабжения ЭШП
Обычно ЭШП питаются переменным током промышленной частоты.
Для улучшения электротехнических характеристик крупных печей использу-
ется переменный ток пониженной частоты (2÷10 Гц).
Питание ЭШП производится в зависимости от мощности либо от цеховой
сети напряжением 0,4 кВ (печи малой мощности), либо от высоковольтных
печных подстанций напряжением 10 кВ через специальные понизительные
трансформаторы.
ЭШП имеют циклический характер работы. Цикл плавки разбивается на
переплавку и остывание электрода. Коэффициент включения зависит от раз-
веса слитка и технологических особенностей плавки. Если шлак расплавляется
в кристаллизаторе печи, коэффициент составляет 0,55÷0,65, если для расплав-
ления шлака используются специальные печи, то коэффициент 0,65÷0,75. Печи
ЭШП малой и средней мощности обычно устанавливаются группами по 5÷10
печей. За счет сдвига циклов их работы коэффициент включения цеха прибли-
жается к 1.
Во время плавки нагрузка печи является неравномерной. Это связано с тремя
основными факторами – нестационарностью теплового режима в начальный
период плавки, изменением геометрических размеров слитка и уменьшением со-
противления подводящей сети при сплавлении электрода.
t
)(t
Р
Рис. 5.6. Изменение мощности ЭШП при плавке
На рис. 5 .6 показана типичная кривая изменения мощности ЭШП при плав-
ке. Из рис. 5.6 видно, что вводимая мощность вовремя плавки уменьшается.
Выбор трансформатора и его ступеней регулирования производится с учетом
этих изменений
т
I
Iном 
,
,
1
т
2max
/k
U
U
2
кон
2
min
2
/
8,0
k
U
U
,
где
и
‒
фазные токи и вторичное напряжение трансформатора в начальный
период плавки,
‒
вторичное напряжение в конце основного периода плав-
ки,
и
‒
максимальное и минимальное вторичное напряжение транс-
форматора,
‒
номинальный ток,
т
I
2
U
т
U
кон
2
U
min
max
2
U
ном
I
87
,
0
1
k
и
1,1
2
k
‒
коэффициенты, учиты-
вающие возможные суточные отклонения напряжения. Коэффициент 0,8 учиты-
вает требуемое снижение напряжения при выведении усадочной раковины.
60

Критичным параметром при выборе трансформатора является вторичный
ток для наибольшего размера слитка, выплавляемого в печи. В результате сред-
няя мощность, потребляемая печью, значительно ниже установленной мощно-
сти трансформатора. Коэффициент загрузки составляет 0.5÷0.6, коэффици-
ент использования 0.2÷0.4.
Требования к качеству электроэнергии
Особенностью токопроводов печей ЭШП по сравнению с ДСП является
большая роль активных (25÷35%) и реактивных (60÷80%) сопротивлений элек-
трода в общем сопротивлении токопровода. Значительная реактивное сопро-
тивление электрода определяет низкие значения коэффициента мощности,
который уменьшается с увеличением развеса слитка.
Для увеличения коэффициента мощности в ЭШП увеличивают количест-
во электродов. ЭШП с числом электродов, кратным 2, могут питаться по двух-
фазной схеме (рис.5 .7а), кратным 6 – по шестифазной (рис.5.7б).
а)
б)
Рис. 5.7. Схемы питания ЭШП
Для компенсации реактивной мощности ЭШП на питающих шинах распре-
дустройств устанавливают батареи статических конденсаторов.
Нагрузка ЭШП при правильно выбранном электрическом режиме является
спокойной, без КЗ и бросков тока, исключая кратковременный этап разогрева
шлаковой ванны. В период переплава кривые тока и напряжения промодулиро-
ваны с частотой 1÷5 Гц, из-за изменения проводимости шлаковой ванны при на-
растании и отрыве капель электродного металла. Величина колебаний неболь-
шая (5%) и этот процесс незначительно влияет на энергетический режим печи.
Большинство ЭШП малой и средней мощностью является однофазной
нагрузкой. Для уменьшения влияния несимметрии нагрузки принимают ме-
ры по равномерному распределению ЭШП по фазам сети, что обычно воз-
можно при большом количестве установок в цехе. Сложнее, когда на заводе ус-
танавливаются одиночные, достаточно крупные печи. В этих случаях необхо-
димо применение симметрирующих устройств на стороне высокого напря-
жения трансформатора.
ЭШП требуют высокой надежности электропитания. При перерыве пита-
ния, длительность которого зависит от развеса слитка, нарушение структуры
слитка становится достаточным для его отбраковки. Для слитков диамет-
ром до 0,2 м (печи малой мощности) любой перерыв питания критичен для
качества слитка, при диаметре 0,3÷0,6 м (печи средней мощности) допустимы
61

перерывы питания 0,5÷5 мин. На крупных печах допустимы более длительные
отключения печи.
Поэтому ЭШП относятся ко второй категории по надежности питания.
Однако установки, обеспечивающие водоснабжение ЭШП относятся к первой
категории, так как перерыв в водоохлаждении может привести к взрыву печи.
Для получения качественного слитка очень важна стабильность энергети-
ческого режима печи. Поэтому качество напряжения оказывает влияние на
работу ЭШП. Отклонение напряжения на питающих шинах вызывает измене-
ние мощности электрода, скорости плавления и структуры слитка. Допустимые
отклонения скорости плавления 5%, что соответствует допустимым отклоне-
ниям напряжения 2,5%, что меньше нормативных требований. Обычно ЭШП
устанавливаются на одних предприятиях (в одних цехах) с ДСП, которые могут
приводить к колебаниям напряжений до 10%. Поэтому ЭШП и ДСП необходи-
мо подключать к разным секциям шин ГПП. Изменение частоты не влияет на
работу печи.
ЭШП как потребители электроэнергии
1. Источник питания: мощность от 0.6 до 15 МВА; 0.4 кВ или 10 кВ напря-
жение в точке подключения; напряжение установки 35÷55 В; частота 50 Гц
(лучше 5 Гц).
2. Категория надежности: 2; система охлаждения –1.
3. График нагрузки: циклический, неравномерный во время плавки.
4. Требования к качеству электроэнергии: отклонения напряжения до 2.5%.
5. Влияние на качество электроэнергии: могут приводить к несимметрии
напряжений; высшие гармоники при использовании выпрямителей.
5.3. Дуговые вакуумные печи
Особенности технологического процесса
Для повышения качества металла, полученного в других установках (на-
пример, в ДСП), его переплавляют при низком давлении в вакуумных ду-
говых печах (ВДП), в результате чего в металле уменьшается содержание
вредных примесей и растворенных газов. ВДП применяют в основном для вы-
плавки слитков высокореакционных металлов (титана, вольфрама, молибдена
и т.д.), а также для переплава специальных высококачественных сталей, в ре-
зультате чего они очищаются и приобретают более плотную структуру. Рабочее
давление в камере печи может составлять 1,0÷0,001 Па в зависимости от требо-
ваний к получаемому металлу. В современных ВДП получают слитки массой от
нескольких сотен килограммов до 60 т.
ДВП и ее принципиальная схема показаны на рис. 5.8 и 5.9 . Преобразова-
ние электрической энергии в тепловую производится в электрической ду-
ге, горящей при пониженном давлении между расходуемой заготовкой
(электродом) и ванной расплавленного металла в кристаллизаторе.
62

Рис. 5.8. Дуговая вакуумная печь
Рис. 5.9 . Конструкция ДВП
Основной частью печи является рабочая камера, к которой присоединена
вакуумная система. Электрод 1 подвешен к подвижному штоку, проходящему
через вакуумное уплотнение, расположенное в верхней части камеры. К ниж-
ней части рабочей камеры присоединяется водоохлаждаемый кристаллиза-
тор 7. К электроду подается отрицательный, а к кристаллизатору положитель-
ный полюс источника питания. В печи, работающей по схеме с вытягиваемым
слитком (рис. 5.9б), имеется проходящий через вакуумное уплотнение 3 шток 4
для вытягивания слитка. Металл наплавляется на поддон 5 и по мере роста
слитка 6 опускается вниз. Процесс плавки начинается с создания вакуума в ка-
мере печи и опускания электрода до крайнего нижнего положения. После ко-
роткого замыкания или пробоя межэлектродного промежутка возникает дуга.
Под действием выделяющейся теплоты электрод расплавляется, и металл не-
большими каплями перетекает на слиток.
63

Объем кристаллизатора и размеры электрода согласованы. В конце плавки
весь электрод переходит в расплав, а испаряющиеся примеси и газы откачива-
ются вакуумной системой. Такая печь называется печью с расходуемым элек-
тродом, широко применяется в промышленности. В печах с нерасходуемыми
электродами есть опасность загрязнения переплавляемого металла материа-
лом электрода.
Система электроснабжения ДВП
ДВП питается постоянным током. Это связано с тем, что при переплаве
большинства металлов обеспечить устойчивое горение дуги переменного тока
при пониженном давлении не удается. В ДВП используется «прямая» поляр-
ность, чтобы обеспечить дополнительный подогрев жидкого металла (анода)
при бомбардировке его электронами. Дуга горит при малых длинах (30÷100
мм) и низких напряжениях (25÷40 В). Поэтому в мощных ДВП протекают
значительные токи [11] (до 50 кА).
Вторичные токопроводы печей имеют сложную конструкцию, вызванную
необходимостью тщательного симметрирования магнитных полей. При пере-
плаве металл с электрода на слиток переносится каплями. Ввиду малой длины
дуги частичное, а иногда и полное перемыкание каплями межэлектродного
промежутка приводит к возникновению в цепи импульсов тока и напряже-
ния, частота которых (0,1÷1 Гц) зависит от длины дуги. Амплитуда импульсов
тока при коротких дугах может достигать тока КЗ.
Присутствуют в токе дуги и колебания высоких частот, вызванных переме-
щением катодных пятен, колебаниями поверхности ванны жидкого металла и
т.д . Все эти изменения режима не оказывают влияния на качество металла, но
приводят к перегрузкам источника питания в динамическом режиме.
В целях стабилизации тока по техническим соображениям и ограничения
бросков тока источники питания ДВП должны иметь внешнюю характери-
стику, близкую к характеристике источника тока. Это достигается исполь-
зованием индуктивно-емкостных резонансных схем (параметрических источ-
ников тока) или тиристорных источников с глубоким управлением напряже-
нием и обратной связью по току. Источники питания ДВП используют полу-
проводниковые выпрямители, подключенные через понизительные трансфор-
маторы к сети 10 кВ.
ДВП имеет циклический характер работы, определяемый чередованием
плавки и вспомогательных операций. Большой объем вспомогательных опе-
раций приводит к низким значениям коэффициента включения 0,35÷0,76 в за-
висимости от величины слитка. Обычно ДВП устанавливаются группами по 5 и
более печей, поэтому коэффициент групповой нагрузки приближается к 1.
Электрическая нагрузка в период плавки неравномерна, что связано с
изменениями режима при нагреве электродов, нестационарном тепловом режи-
ме при плавке. Коэффициент загрузки 0,4÷0,5, что характеризует низкий уро-
вень использования номинальной мощности источника питания.
64

По надежности питания ДВП относят к потребителям первой и второй
категорий. Любое отключение печи приводит к отбраковке слитков. Отнесе-
ние печи к конкретной категории решается технико-экономическим расчетом в
зависимости от стоимости металла. Во всех случаях система водоснабжения
печей и вакуумные системы являются потребителями первой категории. Их
отключение может привести к взрыву печи.
Требования к качеству электроэнергии
Электрическая дуга из-за своей малой инерционности чувствительна к
пульсациям выпрямленного напряжения. При переплаве некоторых металлов
снижение напряжения на 14 % во время пульсаций может привести к погасанию
дуги. Поэтому коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения должен
быть меньше 7%, что обеспечивается в шестифазной схеме выпрямителя.
Номинальный коэффициент мощности источников питания ДВП состав-
ляет [11] 0,86÷0,88, однако возникающая во время плавки необходимость ре-
гулирования напряжения за счет угла отпирания тиристоров часто приво-
дит к его снижению до 0,6. При этом также генерируются высшие гармоники,
оказывающие влияние на питающую сеть.
По другому обстоит дело с потреблением реактивной мощности на ДВП,
снабженных ПИТ. ПИТ является генератором реактивной мощности и мо-
жет служить для ее компенсации в системе электроснабжения цеха. Номиналь-
ный коэффициент мощности ПИТ емкостный и составляет 0,9.
ДВП являются критичными к стабильности напряжения. В отличии от
ЭШП преобразование электрической энергии в тепловую происходит практи-
чески безынерционно, что приводит к возможности погасания дуги при про-
валах напряжения. Колебания напряжения приводят к колебаниям мощности
и скорости плавки. При изменении скорости плавки в 2% возможно нарушение
структуры слитка. Это соответствует отклонению напряжения 1.5%. Тири-
сторные источники питания позволяют компенсировать отклонения и колеба-
ния напряжения с низкой частотой. Колебания напряжения с высокой частотой
не влияют на технологический процесс из-за инерционности жидкого металла.
ДВП как потребители электроэнергии
1. Источник питания: мощность до 10 МВА; напряжение в точке подключе-
ния 10 кВ; напряжение установки 25÷40 В; выпрямленное с пульсациями до
7%; характеристика близка к источнику тока.
2. Категория надежности: 1 или 2, для вакуумной системы и системы охла-
ждения ‒ 1.
3. График нагрузки: циклическая, неравномерная, коэффициент загрузки 0,5.
4. Требования к качеству электроэнергии: ток при плавке не изменяется, ко-
лебания до 1,5%.
5. Влияние на качество электроэнергии: возможны эксплуатационные КЗ;
при тиристорном источнике ‒

cos до 0,6, высшие гармоники; при параметри-
ческом источнике ‒

cos до 087.
65

Лекция 6
ЭЛЕКТРОСВАРОЧНЫЕ УСТАНОВКИ
Электросварка – способ соединения металлов, когда под воздействием
высоких температур образуется сплошная металлическая среда.
Электросварку разделяют на два основных вида – сварку плавлением и
сварку давлением.
Сварку плавлением разделяют на дуговую, шлаковую, электронно-лучевую,
плазменную и лазерную. Дуговая сварка может выполняться плавящимся или
неплавящимся электродом.
Сварка давлением бывает контактная и диффузионная. Среди контактной
сварки выделяют стыковую, точечную и роликовую.
6.1. Сварка давлением
Контактная сварка
Контактная сварка – способ соединения деталей, при котором соединение
деталей образуется за счет выделения тепла в месте стыка свариваемых де-
талей при прохождении по ним электрического тока с последующей пластиче-
ской деформацией места соединения.
Выделение тепла в месте стыка
,
, где
‒
количество
тепла,
t
RI
Q2

а
P
R/

Q
R ‒ сопротивление стыка, I ‒ действующее значение тока, t ‒ время, 
‒
удельное сопротивление контакта, коэффициент P ‒ зависит от усилия, при-
кладываемого к свариваемым материалам,
‒
зависит от вида материала и по-
верхности.
а
Переходное сопротивление электрического контакта (в Омах) может
быть определено по формуле
, гдеК
m
T
F
K
K
R
)
1,0
/(
1

1 – коэффициент, завися-
щий от материала; F ‒ усилие сжатия контактов (Н); ‒ коэффициент, зави-
сящий от формы деталей. Коэффициент К
m
Т учитывает температуру контакта
)20
(
67
,
0
1



t
KT

, где  ‒ температурный коэффициент сопротивления, t ‒
температура контакта (
о
С).
Контактная сварка может осуществляться как на постоянном, так и на пере-
менном токе, однако на практике в основном применяется переменный ток,
так как необходимые токи в несколько кА при малых напряжениях могут быть
получены наиболее просто при помощи трансформатора.
Машины контактной сварки
Машины контактной сварки состоят из: источника питания, привода
давления, токопровода (электродов), механизма передвижения электродов,
системы автоматики.
Машины контактной сварки разделяют:
‒
по роду привода давления (пружинный, винтовой, моторный, гидравличе-
ский, пневматический);
‒
по роду сварки (точечная, стыковая, роликовая);
66

‒
по роду источника питания (однофазные, трехфазные, с запасенной энерги-
ей конденсаторов);
‒
по роду системы управления – автоматическая, полуавтоматическая, руч-
ная.
При работе машин постоянно включают и выключают сварочный ток.
Отключение сварочного тока необходимо для установки детали, выдержки ее
под давлением, снятия свариваемых деталей. Режим работы повторно-
кратковременный (время сварки, время цикла).
Основными параметрами процесса является частота и длительность сва-
рочного тока, а также величина усилия сжатия детали. Эти параметры за
время цикла изменяются по заданной программе, зависящей от материала и
толщины свариваемой детали.
Мощность машины контактной сварки определяется допустимым пере-
гревом ее отдельных деталей. Повторно-кратковременный режим заменяют
длительным, эквивалентным по выделяемой мощности
2
дл
2
RI
t
t
RI
ц
св
св

.
R ‒ сопротивление,
‒
сварочный ток,
‒
время сварки,
‒
время цикла,
‒
ток эквивалентного длительного режима. Ток в сварочном контуре
св
I
св
t
ц
t
дл
I
2
2
д
)
(
)
(
тр
т
тр
т
св
X
X
R
R
R
U
I





д
R ‒ сопротивление детали,
и
‒
активной и реактивное сопротивление
трансформатора,
и
‒
активное и реактивное сопротивление токопровода.
mр
R
тр
X
т
R
т
X
Для сварки необходим большой ток, поэтому полное сопротивление стара-
ются уменьшить. Предпочтительнее снижать длину сварочного контура,
уменьшение частоты питания приводит к увеличению габаритов трансформатора.
Точечная сварка
Точечная контактная сварка – вид контактной сварки, когда детали свари-
вают по отдельным участкам (точкам). Детали предварительно сжимают,
затем пропускают кратковременный ток большой величины. В месте стыка
расплавляется металл, при остывании образуются общие кристаллы. Принци-
пиальная схема точечной сварки показана на рис. 6.1 [10].
Рис. 6.1. Схема точечной сварки
1 ‒ литое ядро; 2 ‒ свариваемые детали; 3 и 5 ‒ электроды; 4 ‒трансформатор
67

Температура в ядре сварной точки несколько превосходит температуру
плавления металла. Диаметр расплавленного ядра определяет диаметр сварной
точки, обычно равный диаметру контактной поверхности электрода.
Время сварки одной точки зависит от толщины и физических свойств ма-
териала свариваемых деталей, мощности сварочной машины и сжимающего
усилия. Это время колеблется от тысячных долей секунды (тонкие детали) до
нескольких секунд (толстые детали).
При точечной сварке не только расплавляется необходимый для сварки
объем металла, но и нагревается металл, окружающий место контакта.
Чем выше тепловая мощность, тем больше скорость нагрева и тем меньше
расход энергии на нагрев деталей. При малой длительности цикла сварки те-
пловые потери малы. При увеличении длительности цикла сварки тепловые по-
тери растут пропорционально времени и общее количество теплоты, необходи-
мое для сварки значительно увеличивается (рис. 6.2).
2t
1t
min
q
max
q
)(t

s
q
t
пл

Рис. 6.2. Кривые нагрева для различных интенсивностей подвода теплоты при
точечной сварке.
Стыковая сварка
Стыковая сварка – вид контактной сварки при которой соединение деталей
образуется по всей площади их касания. Возможна сварка с оплавлением
(температура выше температуры плавления) и без оплавления (температура не-
много ниже температуры плавления). Принципиальная схема стыковой сварки
показана на рис. 6.3 [10].
Рис. 6.3. Схема стыковой сварки: 1 ‒ детали; 2 ‒ зажимы; 3 ‒ трансформатор
В начальный момент сварки осуществляется контакт свариваемых деталей
усилием сжатия 5÷20 МПа, после чего включают ток, который разогревает
место стыка до 600÷800
о
С. Затем сжимающее усилие снижают до 2÷5 МПа,
вследствие чего увеличивается сопротивление контакта и снижается сварочный
ток. При ослаблении сжатия уменьшается площадь касания торцов деталей, ток
устремляется в ограниченное число точек соприкосновения и нагревает их до
68

температуры плавления, а при дальнейшем нагревании в этих условиях в от-
дельных точках происходит переплав металла.
Под влиянием избыточного давления пары металла вырываются из зоны
сварочного контакта наружу и вытесняют частицы жидкого металла, а часть
расплавленного металла стекает каплями вниз. За разрушенными выступами
соприкасаются между собой очередные выступы контакта, создавая новые
пути для сварочного тока.
Такой процесс последовательного оплавления концов деталей по элемен-
тарным выступам продолжается до тех пор, пока торцы свариваемых изделий
не покроются сплошной пленкой жидкого металла. После этого небольшим
усилием создается сплошной свариваемый стык. Нагрев выступающих концов
свариваемых деталей осуществляется главным образом теплопроводностью от
сварочного контакта, где температура имеет наибольшее значение. Нагрев де-
талей между стыком и токопроводящими электродами за счет протекающего
тока весьма незначителен.
Рассмотренный выше технологический процесс предполагает большие из-
менения сварочных токов и усилий сжатия (см. рис. 6.4).
t
)(t
I
)(t
P
)(t
I
)(t
P
Рис. 6.4. График тока и сжимающего усилия при стыковой сварке
Шовная сварка
Рис. 6.5. Схема шовной сварки
двусторонней (а) и односторонней (б) сварки: 1 ‒ свариваемые детали; 2 ‒ сва-
рочные ролики; 3 ‒ сварочный трансформатор; 4 ‒ медная прокладка
Роликовая (шовная) сварка – вид контактной сварки, при котором сваривае-
мые детали образуют непрерывный шов. Принципиальная схема шовной
сварки показана на рис. 6 .5 [10]. Область применения того или иного типа кон-
тактной сварки зависит от конструкции свариваемых деталей и мощности источ-
ника.
69

6.2. Сварка плавлением
Дуговая сварка
Дуговая сварка может быть прямого и косвенного действия. При прямой
дуговой сварке дуга зажигается между электродом и материалом. В этом
случае энергия дуги наилучшим образом используется для нагревания материа-
ла. При косвенной дуговой сварке дуга горит между электродами вблизи
свариваемого изделия. Такой способ менее эффективен. Часто дуговую свар-
ку выполняют в атмосфере инертного газа. Это позволяет улучшить качест-
во швов и обеспечить более устойчивое горение дуги.
Дуговую сварку выполняют на постоянном и переменном токе. При посто-
янном токе используют прямую полярность (-- на электроде, + на детали).
Иногда используют обратную полярность при легкоплавящихся электродах или
сварке детали, боящейся нагрева. Большее распространение получила сварка на
переменном токе, поскольку при помощи трансформатора можно создать
большие токи при малом напряжении. Однако горение дуги переменного
тока осложняется постоянной сменой полярности, из-за чего катодное пятно
возникает то на одном то на другом электроде.
Сварочные установки можно классифицировать по количеству рабочих мест
на однопостовые и многопостовые установки и по конструктивному исполне-
нию на стационарные (мощные трансформаторы на фундаментах) и пере-
движные (маломощные сварочные трансформаторы на раме с катком).
Рис. 6.6 . Схема ручной дуговой сварки:
1 ‒ основной металл; 2 ‒ сварочная линия; 3 ‒ кратер; 4 ‒ сварочная дуга; 5 ‒
приплавленный металл F пр ; 6 ‒ наплавленный металл F н ; 7 ‒ шлаковая корка;
8 ‒ жидкий шлак; 9 ‒ покрытие электрода; 10 ‒ стержень электрода; 11 ‒ элек-
ододержатель; 12 ‒ сварочная цепь; 13 ‒ источник питания
р
Сварка может осуществляться вручную или в автоматическом режиме.
Принципиальная схема ручной дуговой сварки показана на рис. 6.6 [10]. Элек-
трическая дуга при ручной плохо изолирована от окружающей среды, что при-
водит к резким изменениям температуры и нестабильности тока дуги. Для уве-
личение стабильности дуги применяют сварку в защитной газовой среде (на-
пример, аргонно-дуговую сварку).
70

При аргонно-дуговой сварке используют неплавящиеся вольфрамовые элек-
троды (рис. 6.7). Электрическая дуга горит между изделием и электродом в
среде инертного газа. Аргон обладает низким потенциалом ионизации и это
позволяет быстро загораться дуге и поддерживать ее стабильное горение.
Аргон обладает низкой теплопроводностью, что уменьшает потери в окру-
жающую среду и повышает КПД сварочной установки.
Преимущества аргонно-дуговой сварки: высокое качество сварного шва
из-за отсутствия доступа атмосферного воздуха; отсутствие специальных элек-
тродов и флюсов; простота автоматизации благодаря малому расходу вольф-
рамового электрода; возможность сваривать изделия очень маленькой тол-
щины.
При горении дуги прямой полярности между вольфрамовым электродом и
изделием возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия электронов с като-
да. При обратной полярности напряжения интенсивность эмиссии падает. По-
этому напряжение на дуге при прямой полярности выше, чем при обратной.
Это эквивалентно изменению сопротивления дуги. Поэтому при переменном
входном напряжении прямой ток больше, чем обратный ток.
Рис. 6.7. Схема аргоно-дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электро-
дом. 1 – вольфрамовый электрод, 2 – присадочный пруток, 3 – электрическая ду-
га, 4 – сварочная ванна, 6 – основной металл.
Электрошлаковая сварка
Электрошлаковая сварка (ЭШС) широко используется в промышленно-
сти для соединения металлов большой толщины: стали, чугуна, меди, алю-
миния, титана и их сплавов. В качестве тепловыделяющего элемента здесь ис-
пользуются расплавленные шлаки, нагревающиеся до заданной температуры
при протекании по ним переменного тока. Принципиальная схема ЭШС пока-
зана на рис. 6.8.
Электрод 1 и части свариваемого металла включаются в электрическую
цепь через шлак 3, нагреваемый проходящим током выше температуры плавле-
ния свариваемого и электродного металла. В результате электродный и свари-
ваемый металлы расплавляются и стекают на дно сварочной ванны 4, заполняя
шов 7. Боковые стороны шва закрываются охлаждаемыми ползунами.
71

Рис. 6.8. Схема электрошлаковой сварки
При сварке под слоем флюса дуга горит в закрытом пространстве меж-
ду электродом и свариваемыми деталями. Подача электродной проволоки
производится непрерывно. Закрытая дуга обеспечивает высокую степень
использования мощности сварочного тока и условия для получения высоко-
качественного однородного шва.
Процесс электрошлаковой сварки начинается с зажигания электрической
дуги под слоем флюса. Появление электрической дуги приводит к расплавле-
нию металла и образованию жидкой ванночки. Затем начинает плавиться флюс
и когда над жидкой ванной металла образуется жидкий слой флюса процесс из
дугового переходит в электрошлаковый. Дуга уже не горит, а тепло выде-
ляется на электропроводящем флюсе в местах соприкосновения флюса с по-
верхностью электрода и изделия.
Автоматическая сварка под слоем флюса дает возможность работать на то-
ках 1÷3 кА, тогда как при ручной дуговой сварке максимальный сварочный ток
не превышает 700 А.
При постоянной скорости подачи электрода случайное уменьшение длины
дуги приводит к падению напряжения на дуговом промежутке, что вызывает
увеличение сварочного тока за счет падающей характеристики источника пита-
ния. Увеличение тока повышает скорость плавления и доводит ее до совпаде-
ния со скоростью подачи. При увеличении длины дуги происходит уменьшение
сварочного тока и скорости плавления электрода, что также приводит к вос-
становлению нормальной длины дуги.
Электронно-лучевая сварка
Принципиальная схема электронно-лучевой сварки показана на рис. 6 .9 .
Под действием высокой температуры и глубокого вакуума с раскаленного
катода вырываются электроны, которые направляются к свариваемому изде-
лию. Электроны ускоряются электрическим полем и первым анодом и при-
обретают значительную энергию. Для получения электронного луча электро-
ны фокусируются магнитным полем. Катушка позволяет изменять концен-
72

трацию электронов в луче. Сфокусированные в плотный пучок электроны
ударяются о маленькую площадку на свариваемом изделии, из-за чего про-
исходит их резкое торможение. Место попадания электронного луча разогре-
вается до высокой температуры. Чтобы не произошло дугового разряда, соз-
дается глубокий вакуум.
Рис. 6.9. Принципиальная схема электронно-лучевой сварки
Лазерная сварка
Световой (лазерный) электронагрев происходит под действием индуциро-
ванного излучения оптических квантовых генераторов (лазеров). Излучение
представляет собой когерентный пучок оптического диапазона, отличающийся
чрезвычайно малым расхождением, не зависящим от размера излучающего те-
ла. Энергия пучка преобразуется в тепло при встрече с поверхностью нагре-
ваемого тела. При световом нагреве достигается наибольшая из всех извест-
ных способов нагрева концентрация мощности. Лазеры обычно работают в
импульсном режиме. Энергия светового импульса невелика (до 30 Дж), но бла-
годаря очень малым диаметрам луча (1÷8 мкм) и малой длительности им-
пульса (мкс) тело успевает нагреется до нескольких тысяч градусов, что дос-
таточно для расплавления и испарения самых тугоплавких материалов.
Рис.6.10. Принципиальная схема твердотельного лазера
1,3 ‒ зеркала; 2 ‒ стержень; 4 ‒ отражающий кожух; 5 ‒ источник пита-
ния; 6 ‒ газоразрядная лампа-вспышка
73

Лазерные установки нагрева имеют в своей основе оптические квантовые
генераторы (лазеры). На рис. 6.10 показан лазер с рубиновым стержнем в качест-
ве рабочего элемента. Стержень 2 помещен между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало
1 полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупро-
зрачным. Для накачки энергии от источника 6 используется газоразрядная лам-
па-вспышка 6, которая помещена вместе со стержнем внутрь отражающего ко-
жуха, с поперечным сечением в форме эллипса (показано слева).
На рис. 6 .11 приведена схема промышленной лазерной установки [21] с сис-
темами контроля и управления. Принцип контроля и управления основан на
сравнении с эталонными температурными полями, хранимыми в базе данных
компьютера. В процессе пайки осуществляется непрерывный мониторинг ра-
бочей зоны ИК камерой. Мощность и длительность излучения регулируется
автоматически. Выключение лазера осуществляется при идентичности эта-
лонного и текущего температурных полей паяемых выводов.
Рис. 6.11. Принципиальная схема установки лазерной пайки
74

6.3. Системы электроснабжения сварочных установок
Требования к источникам сварочного тока
Для устойчивого горения дуги необходимо выполнение условия
I
U
I
U
И




Д
.
Поэтому форма внешней характеристики источника питания должна соответст-
вовать форме статической характеристики дуги.
I
)(I
U
1
2
3
K
I
)(I
U
1
2
Рис. 6.12 . ВАХ источника питания
(2 и 3) при жесткой характеристике
дуги 3
Рис. 6.13. Серия ВАХ источника сва-
рочного тока.
Для ручной дуговой сварки при жесткой характеристике дуги (рис. 6 .12)
внешняя характеристика источника питания должна быть круто падающей
(кривая 2). Чем больше крутизна в рабочей части ВАХ источника питания,
тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. При падающей ха-
рактеристике напряжение холостого хода источника питания значительно
превышает необходимое рабочее напряжение дуги, что облегчает зажигание
дуги, особенно при сварке на переменном токе. Круто падающая ВАХ также
обеспечивает существенное ограничение тока короткого замывания.
При автоматической дуговой сварке под слоем флюса и жесткой статиче-
ской ВАХ дуги внешняя ВАХ источника питания может быть круто падаю-
щей (кривая 2) или полого падающей (кривая 3). Круто падающая характери-
стика предпочтительнее при автоматическом регулировании напряжения дуги.
При полого падающей ВАХ возрастает саморегулирование дуги.
В случае дуговой сварки в среде защитных газов на постоянном токе при
большой плотности тока возникает дуга с возрастающей ВАХ. В этом случае
ВАХ источника может быть жесткой или даже слегка возрастающей, что обес-
печивает большую интенсивность саморегулирования дуги.
Таким образом, соответствие формы внешней характеристики источни-
ка питания форме статической характеристики дуги является обязательным
требованием к источнику питания сварочной установки.
Второе требование заключается в том, что напряжение холостого хода
должно быть выше напряжения зажигания дуги. При сварке постоянным
током металлическим электродом напряжение зажигания должно составлять
30÷40 В, а для угольного электрода она повышается до 45÷50 В. При сварке пе-
ременным током напряжение зажигания составляет 50÷60 В.
75

Третье требование заключается в возможности регулировать сварочный
ток. В зависимости от толщины свариваемых деталей требуется различная теп-
ловая мощность сварочной дуги и различный сварочный ток. Причем сварка
должна производиться при оптимальной длине дуги, которой соответствует оп-
ределенное напряжение дуги. Для этого источник сварочного тока должен
обеспечивать возможность получения серии внешних характеристик. Тогда в
зависимости от требуемого сварочного тока можно работать на той или иной
внешней характеристике и получать необходимую длину дуги (рис. 6.13).
Графики работы нагрузки
Сварочные машины и аппараты обычно характеризуются специфическим
режимом повторно-кратковременной нагрузки. Источник сварочного тока
нагружается только во время горения дуги.
При ручной дуговой сварке максимальная длительность горения дуги опре-
деляется временем расплавления одного электрода. Минимальная длительность
перерыва в горении дуг определяется временем замены электрода. Помимо за-
мены электрода перерывы в горении дуги определяются необходимостью пере-
становки свариваемых деталей и передвижением сварщика.
При эксплуатации сварочного оборудования необходимо, чтобы условия
нагрузки соответствовали возможностям источника сварочного тока, так
как длительная перегрузка сверх допустимых токов может вывести из строя
сварочное оборудование.
Повторно-кратковременный режим работы оборудования, кроме тока на-
грузки характеризуется длительностью включенного состояния
и перерыва
. Отношение
1t
2
t
)
/(2
1
1
t
t
t

называется продолжительностью включения (ПВ).
Если в паспорте сварочного оборудования обозначен ток 250 А при ПВ=50%,
это означает, что при токе 250 А можно работать при отношении
.
5,0
)
/(2
1

t
t
1t
)(t
I
)(t
I
)(t

)(t

t
max

1t
2t
Рис. 6.14 . Временные зависимости тока и температуры сварочного трансформа-
тора
Общая продолжительность цикла при допустимой ПВ не может быть произ-
вольной, так как на температуру обмоток непосредственно влияет абсолютное
значение длительности включения (рис. 6.14). Поэтому, кроме ПВ, в паспорте
сварочного оборудования обязательно оговаривается максимальная длитель-
ность цикла.
Номинальным режимом работы однопостовых источников для обычной ду-
говой сварки, как правило является режим с ПВ=60% при длительности цикла 5
76

минут. Источник тока для многопостовой дуговой сварки рассчитывается на
режим с ПВ=100%. Источники тока для автоматической дуговой сварки обыч-
но имеют режим с ПВ, равной 50÷60% при длительности цикла 10 минут.
Сварочные трансформаторы
Технико-экономическое сопоставление электрической сварки на постоян-
ном и переменном токе говорит о том, если сварка на переменном токе обес-
печивает необходимое качество соединения, то она обладает существенным
преимуществом перед сваркой на постоянном токе. Основными причинами
этого являются:
‒
меньшая стоимость источника сварочного тока, питаемого непосредственно
от сети переменного тока;
‒
простота устройства и высокая степень надежности работы сварочного
оборудования переменного тока обуславливают меньшие эксплуатационные
расходы на его обслуживание и ремонт;
‒
меньший удельный расход электроэнергии.
Рис. 6.15. Схема сварочного аппарата с отдельным регулятором
А ‒ сердечник с двумя обмотками: первичной I и вторичной - II; Б – дроссель

B
A
I
C

II
k
II
k'

''

'

k''

k

Рис. 6.16. Схема сварочного аппарата со встроенным регулятором
Источниками питания при дуговой сварке на переменном токе являются
специальные сварочные трансформаторы, обычно подключаемые к сети 0.4
кВ. Для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под слоем флюса сва-
рочные трансформаторы должны иметь круто падающую характеристику.
Такую характеристику можно получить, если:
77

‒
трансформатор с нормальным магнитным рассеянием и дополнительной
реактивной катушкой, которая выполняется отдельно (рис. 6 .15) или встро-
енной в общий магнитопровод трансформатора (рис. 6.16);
‒
трансформатор с повышенным магнитным рассеянием.
Для схемы на рис. 6.16 при согласном включении обмоток в режиме холо-
стого хода магнитный поток трансформатора создается только током первич-
ной обмотки и разветвляется между средним и верхним стержнями магнито-
провода
,
,
B
A
A











''




B
'
'
'







,
. ЭДС вторичной цепи
.
'




C
'
11




k
C
11
2

C
E
В режиме нагрузки магнитный поток трансформатора создается током пер-
вичной обмотки и током, протекающим во вторичной и реактивной обмотках.
Магнитный поток, создаваемый реактивной обмоткой, разветвляется между
средним и нижним стержнями магнитопровода.
Потоки в отдельных стержнях
,
,
и
ЭДС
и
. Тогда напряжение на дуговом про-
межутке
.
k
A
'








)
'
k




)
'
(11
k
k
C






k
B
'
'
'







)
(
11
11
2
k
Z
Z
I


k
C








'
)'
(11
11
k
C
E







2
2
2
Z
I
E
U






(11
11
k
kC
E

)'
(11
k
C





При изменениях режима нагрузки магнитный поток нижней части магнито-
провода существенно измениться не может ввиду наличия включенной в сеть
первичной обмотки трансформатора. Вследствие этого напряжение на дуговом
промежутке будет зависеть только от второго и третьего слагаемых в напряже-
нии дуги. С повышением тока нагрузки поток реактивной обмотки возрастает и
слагаемое
уменьшается и может стать отрицательным. Слагаемое
отрицательно и увеличивается с ростом нагрузочного тока. Таким
образом, с увеличением тока нагрузки напряжение на дуговом промежутке
резко падает.
)
'
(11
k
k
C




)k
(
11
11
2
Z
Z
I


Регулирование сварочного тока в трансформаторе осуществляется изме-
нением воздушного зазора верхнего стержня магнитопровода. Для получения
больших сварочных токов воздушный зазор необходимо увеличить. При на-
стройке на большие токи трансформатор имеет пониженное напряжение холо-
стого хода, при настройке на малые токи напряжение холостого хода увеличи-
вается (рис. 6.17). Такая система целесообразна, так как при малых сварочных
токах для поддержания устойчивой дуги необходимо повышенное напряжение
зажигания.
I
)(I
U
max

min

Рис. 6.17. Внешние характеристики трансформатора
78

Лекция 7
ИНДУКЦИОННЫЙ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
7.1. Физические принципы индукционного нагрева
Индукционный нагрев проводящих тел – проводников первого и второго
рода – основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникно-
вении наведенных вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля-
Ленца.
Метод индукционного нагрева основан на использовании ряда законов и яв-
лений, таких как: закон электромагнитной индукции; поверхностный эффект;
эффект близости; кольцевой эффект; эффект паза; изменение физических
свойств нагреваемого тела в процессе нагрева.
Поверхностный эффект
Поверхностный эффект – это неравномерное распределение плотности
переменного электрического тока по сечению проводника или магнитного
потока по сечению магнитопровода.
При протекании через проводник постоянного тока плотность тока посто-
янна по сечению
S
I
J/

, где Ι ‒ ток, протекающий в проводнике; S ‒ попереч-
ное сечение проводника.
Иная картина наблюдается при протекании переменного тока. Для на-
глядности построим ее графическое изображение на рис. 7.1 [10].
Рис. 7.1 . Распределение магнитного поля и тока по сечению проводника
Пусть по бесконечному металлическому цилиндрическому проводнику про-
текает переменный ток I. Направление линий магнитного поля (магнитной ин-
дукции В с) этого тока определяется по правилу правого винта.
Переменное магнитное поле В с индуцирует в проводнике вихревой ток i,
который создает собственное магнитное поле с вектором магнитной индукции
79

Вв . Согласно правилу Ленца, магнитное поле Вв должно противодействовать
процессу, создавшему его. Направление вектора Вв должно быть противопо-
ложно вектору магнитной индукции В с . Направление контура вихревого тока i,
охватывающего линии магнитной индукции В в , также подчиняется закону пра-
вого винта. Поэтому, наводимые в проводнике вихревые токи i усиливают
суммарную величину тока у поверхности проводника и ослабляют его в
центральной части проводника, что создает неравномерное распределение
плотности тока.
При ярко выраженном поверхностном эффекте уменьшение плотности
тока вглубь проводника происходит по экспоненциальному закону
где J ‒ плотность тока на расстоянии y от поверхности проводника; Jе ‒ плот-
ность тока на поверхности проводника; δ ‒ величина, характеризующая степень
затухания электромагнитного поля в проводнике и называемая глубиной про-
никновения электромагнитной волны.
Глубиной проникновения считают такое расстояние по нормали от по-
верхности проводника, на котором плотность тока в плоском проводнике
уменьшается в е = 2,718 раз по сравнению с плотностью тока на поверхности.
Из теории электромагнитного поля известна глубина проникновения элек-
тромагнитной волны в однородной проводящей среде
где ω=2πf ‒ круговая частота электромагнитного поля; γ=1/ρ – удельная элек-
тропроводимость, 1/(Ом/м); ρ – удельное сопротивление материала провод-
ника, Ом/м. Используя величины
где μr – относительная магнитная проницаемость, получим
Рис. 7.2. Электромагнитное поле в толстой металлической пластине
80

Определим, какая часть мощности выделяется в слое, равном глубине про-
никновения. С этой целью рассмотрим полубесконечное металлическое тело,
на поверхность которого падает электромагнитная волна (рис. 7 .2).
Выделим на расстоянии y от поверхности тела xoz элементарную площадку,
нормальную к вектору плотности тока J, высотой а, шириной dy. Мощность в
элементарном параллелепипеде проводимостью  длиной l, равна
Полная активная мощность, выделяемая в нагреваемом теле, может быть
получена интегрированием от 0 до ∞ по координате y
Мощность, выделяемая в слое толщиной δ, получаем интегрированием от 0 до δ
Отношение мощностей равно
т.е . в слое толщиной, равной глубине проникновения электромагнитной
волны, выделяется 86,5 % активной мощности, получаемой полубесконеч-
ным проводящим телом. Такое отношение получается при экспоненциальном
распределении плотности тока J по толщине тела.
Рис. 7.3 . Аппроксимация распределение тока
Для практических расчетов реальное распределение плотности тока в
нагреваемом теле заменяется некоторым более простым распределением,
которое позволило бы получить достаточно простое аналитическое решение
теплового состояния тела (температурное поле по его сечению в любой момент
времени), а также рассчитать интегральные электрические параметры.
При такой искусственной замене считают, что плотность J' тока, проте-
кающего в активном слое конечной толщины δ′, распределяется равно-
81

мерно, а в остальной части сечения изделия ток принимается равным ну-
лю (рис. 7.3). Толщина слоя δ′ и действующее значение плотности тока J', оп-
ределяются при соблюдении условия равенства активной мощности, выделяе-
мой в проводнике при экспоненциальном распределении плотности тока, и ак-
тивной мощности, выделяемой в эквивалентном активном слое.
Толщину активного слоя δ' считают равным глубине проникновения элек-
тромагнитной волны δ. Тогда плотность тока на поверхности изделия при экс-
поненциальном ее распределении и плотность тока эквивалентного активного
слоя будут связаны выражением J′/J e = 2.
Эффект близости
Эффект близости представляет собой разновидность поверхностного эф-
фекта и заключается в перераспределении плотности тока в определенных
зонах проводника в результате суммарного взаимодействия электромаг-
нитных полей, создаваемых всеми проводниками с током, входящими в
рассматриваемую систему.
а)
б)
в)
Рис. 7.4. Распределение тока в плоских проводниках
В отдельно взятом проводнике переменный ток распределяется неравно-
мерно по сечению (по толщине, ширине или радиусу) и равномерно по поверх-
ности (периметру), рис. 7.4а [10]. При прохождении переменного тока по двум
проводникам, находящимся на близком расстоянии друг от друга, происхо-
дит перераспределение плотности тока в каждом из них.
Если токи в проводниках протекают в противоположных направлениях
(разность фаз токов 180°), то наибольшая плотность тока будет на сторонах,
обращенных друг к другу (рис. 7.4б). Если токи в проводниках одинаковое-
направлены (разность фаз 0°), то наибольшая плотность тока будет на уда-
ленных сторонах проводников (рис. 7.4в). Перераспределение плотности тока
проводника вызвано магнитным полем, созданным током другого проводника.
82

Рассмотрим случай встречно направленных токов (рис. 7.4б). Магнитное
поле тока в правом проводнике, пронизывает левый проводник в направлении
вектора индукции В с . Поле В с внешнее для левого проводника и по закону
электромагнитной индукции наводит в нем ЭДС, под действием которой в про-
воднике формируется индуцированный вихревой ток i. По правилу Ленца наве-
денный вихревой ток имеет такое направление, при котором его собственное
магнитное поле Вв всегда противодействует внешнему магнитному полю Вс ,
вызвавшему его. Таким образом, в левом проводнике вихревой ток i усиливает
ток I у поверхности, обращенной ко второму проводнику, и уменьшает его у
поверхности, удаленной от него.
Рассуждая аналогично, можно показать, что в правом проводнике направле-
ние вихревого тока i будет совпадать с направлением тока I у поверхности, об-
ращенной к левому проводнику, и будет встречно у поверхности, удаленной от
левого проводника.
Рассмотрим токонесущий проводник у поверхности электропроводного
тела, по которому первоначально ток не протекает (случай индукционной по-
верхностной закалки стальных изделий на рис. 7.5). Проводящее тело пронизы-
вает внешнее магнитное поле Вв, созданное током I1 . Поле создает в электро-
проводящем теле ЭДС и наводит вихревой ток i 2 .
Рис. 7.5. Индукционная закалка изделий
По правилу Ленца собственное магнитное поле Вc вихревого тока должно
противодействовать внешнему магнитному полю Вв . Тогда, по правилу право-
го винта направление вихревого тока i2 , должно быть противоположным на-
правлению тока I1 в токоведущем проводнике. Таким образом, фаза тока в то-
коведущем проводнике (плоском индукторе) и фаза вихревого тока, инду-
цированного в проводящем теле (нагреваемом изделии), отличаются на
180°. Токи в индукторе и нагреваемом теле распределены неравномерно и мак-
симум плотности тока находится на поверхностях индуктора и нагревае-
мого тела, обращенных друг к другу.
Эффект близости проявляется тем сильнее, чем ближе проводники бу-
дут находиться друг к другу и чем больше отношение толщины проводни-
ка к глубине проникновения.
83

Кольцевой эффект и эффект паза
Если прямолинейный проводник свернуть в кольцо или спираль и пропус-
тить через него переменный ток, то наибольшая плотность тока будет на
внутренней поверхности кольца или спирали (рис. 7.6). Это явление называ-
ется кольцевым эффектом, являющимся также разновидностью поверхност-
ного эффекта. Наличие такого неравномерного распределения можно объяс-
нить асимметрией магнитного поля кольцевого витка, относительно проводни-
ка, их образующего. Во внутренней полости кольца магнитное поле намного
сильнее, чем снаружи, поэтому основная часть электромагнитной энергии по-
ступает в проводник через его поверхность, обращенную внутрь кольца.
Кольцевой эффект тем сильнее, чем больше отношение b/ R0 – для провод-
ника прямоугольного сечения (рис. 7.6а), и чем больше отношение R1/ R0 для
проводника круглого сечения (рис. 7.6б).
Рис. 7.6. Кольцевой эффект
На распределение плотности тока в проводнике оказывает существен-
ное влияние магнитопровод. Если проводник разместить в открытом пазу
магнитопровода (рис. 7.7), то можно наблюдать явление одностороннего по-
верхностного эффекта – эффекта паза.
Рис. 7.7. Эффект паза
Наибольшая плотность тока будет получаться в той части проводника,
которая находится у открытой стороны паза. В присутствии магнитопровода
область проводника, которая находится в глубине паза, охватывается полным
магнитным потоком, созданным током, протекающим в проводнике. Поэтому в
84

этой части индуцируется наибольшая величина ЭДС самоиндукции и создается
наибольшее реактивное сопротивление. Вследствие этого ток проходит в части
проводника, обладающей наименьшим реактивным сопротивлением, т.е. в зоне
открытой стороны паза.
7.2. Энергетические показатели индукционной установки
Для любого металлического тела, помещенного в электромагнитное поле
индуктора с током
и числом витков
активная (кВт/м
1
I
1
w
2
) и реактивная
(кВАр/м
2
) мощности будут равны
F
w
f
P
r

2
1
1
6
)
(
10
2


,
G
w
f
Q
r

2
1
1
6
)
(
10
2


,
где коэффициенты F и G зависят от формы и геометрических размеров тела и
глубины проникновения  .
а)
б)
0 123
1
2
3
4
0.2
0.4
0.6
0.8
1
5
пл
G
пл
F
пл
F
пл
G
)
cos(
)
cos(
/
2пл

ц
G
2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
)
cos(
02
2
)
cos(
ц
F
ц
F
ц
G
0.2
0.4
0.6
0.8
1
/
2цr
Рис. 7.8. Зависимости коэффициентов от толщины пластины (а) цилиндра (б)
Для толстой металлической пластины (
3
/
2


пл
) и толстого цилиндра
(
10
/2

r
) коэффициенты
1

F
и
1

G коэффициент мощности 0.707. Для
тонких пластин и цилиндров зависимости коэффициентов показаны на рис. 7.8.
В системе, состоящей из индуктора и заготовки, активная мощность выде-
ляется как в заготовке, так и в индукторе. КПД системы
з
з
з
и
и
и
и
з
з
d
d
Р
Р
Р









1
1
,
где
и
‒
размеры;
и
d
з
d
и
из
 – удельное сопротивление; и и з
 ‒ относи-
тельная магнитная проницаемость индуктора и заготовки.
При нагреве ферромагнитных материалов (
1000
500 

з

) КПД состав-
ляет 99%. При нагреве цветных металлов (
и
з

  ) КПД меньше 50%. КПД
и коэффициент мощности уменьшаются с увеличением зазора между дета-
лью и индуктором и заполнения индуктора.
85

7.3. Схемы индукционного нагрева
Преимущества индукционного нагрева по сравнению с другими метода-
ми нагрева заключается в следующем:
1) Передача электроэнергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет
осуществить прямой нагрев материалов и значительно увеличить его скорость
по сравнению с печами косвенного нагрева.
2) Максимальный уровень температур может быть высоким и ограничи-
вается только применяемыми огнеупорными материалами.
3) При передаче электроэнергии в нагреваемое тело не нужны контактные
устройства, что упрощает конструкцию и позволяет применить индукционный
метод в условиях автоматизированного поточного производства, а также осу-
ществлять нагрев в вакууме и защитных средах.
4) Благодаря явлению поверхностного эффекта на высоких частотах мак-
симальная мощность выделяется в поверхностном слое нагреваемого изде-
лия, и тем самым индукционный метод при закалке обеспечивает быстрый на-
грев поверхности изделия, позволяя получить ее высокую твердость, при со-
хранении вязкой сердцевины.
5) В индукционных плавильных печах возникают электродинамические
усилия, способствующие циркуляции расплава в общем объеме тигля. Это
ускоряет процесс плавки и позволяет получить металл со стабильными и од-
нородными свойствами.
Рис. 7.9. Схемы индукционного нагрева
На рис. 7 .9 показаны принципиальные схемы установок индукционного на-
грева с магнитопроводом (рис. 7.9а), без магнитопровода (рис. 7.9б), с про-
межуточным нагревателем (рис. 7.9в) и схема индукционно-плазменный
нагрева (рис. 7.9г). На рис. 7.9 использованы следующие обозначения: 1 ‒ на-
греваемое тело; 2 ‒ магнитопровод; 3 ‒ футеровка; 4 ‒ индуктор; 5 – промежу-
точный нагреватель; 6 ‒ кварцевая труба; 7 ‒ подвод газа. Сплошными стрел-
ками показана передача тепла излучением; пунктирными стрелками ‒ конвек-
цией. Штрих-пунктирными стрелками обозначен поток ионизированного газа.
86

7.4. Физические основы диэлектрического нагрева
Диэлектрический нагрев заключается в поглощении электромагнитной
энергии различными материалами (главным образом материалами с плохой
электрической проводимостью), помещенными в электрическое поле.
Под влиянием электрического поля, имеющиеся в материале заряды, свя-
занные межмолекулярными силами, ориентируются или смещаются в направ-
лении поля. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электриче-
ского поля называется поляризацией.
Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную. Упругая обуслав-
ливает энергию электрического поля, а релаксационная – теплоту, выделяю-
щуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним
электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних
связей атомов, молекул. Половина этой работы превращается в теплоту.
Если электрическое поле переменное, то происходит непрерывное переме-
щение зарядов и связанных с ними межмолекулярными силами молекул вслед
за изменением направления электрического поля. Это перемещение молекул
происходит с некоторым «трением», что и вызывает нагрев материала.
Свойство материалов нагреваться в переменном электрическом поле характе-
ризуется потерями энергии в нем
t
U
tg
C
A



, где А ‒ потери энергии; ω ‒ уг-
ловая частота; С ‒ емкость конденсатора; tgδ ‒ тангенс угла поглощения; U ‒
напряжение между электродами; t ‒ время нагрева. Для плоского конденсатора
d
S
С
/
0



, где ε ‒ относительная диэлектрическая проницаемость; ε0 ‒ электри-
ческая постоянная; S ‒ площадь электрода; d ‒ расстояние между пластинами.
Мощность, выделяемая в единице объема диэлектрика и поглощаемая мате-
риалами, определяется выражением
, где V ‒ объем диэлектри-
ка; Е ‒ напряженность электрического поля. Удельная объемная мощность
пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е



tg
fE
pV
0
2
2

2
, час-
тоте f и фактору потерь k=εε 0tgδ. Напряженность электрического поля в
нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектриче-
ской проницаемости, расположения и формы электродов, образующих поле.
Удельная мощность для нагрева материала
)
/(
)
(
t
c
p
T
H






,гдеρ‒
плотность материала; с ‒ удельная теплоемкость материала (Дж/кг·К); Δθ ‒
приращение температуры за промежуток времени Δt; ηТ ‒ КПД нагрева, учиты-
вающий потери тепла в окружающую среду.
Удельная мощность для испарения влаги
)
/()
19
.
4(
t
M
q
p
T
H



 ,гдеq‒
скрытая теплота испарения при данной температуре без учета затрат тепла на
преодоление связи влаги с материалом, Дж/К; ΔМ/Δt ‒ допустимая скорость
сушки материала, кг/(м
3
с).
7.5. Схемы диэлектрического нагрева
Диэлектрический нагрев материалов обладает следующими особенностями.
Нагрев токами высокой частоты (ВЧ) является прямым нагревом –
электрическая энергия преобразуется в тепло непосредственно в полупро-
87

88
вод
спектральной
чув
ровать
про
равно-
мер
и
случаях) удельный расход
эле
ис. 7 .10а) и в электромагнитном поле (рис. 7 .10б), осуще-
ств
никах или диэлектриках, помещенных в электрическое поле. Во многих
случаях это позволяет коренным образом изменять технологию процессов и
повышать качество продукции. При ВЧ нагреве расход электроэнергии непо-
средственно на нагрев материалов наименьшей по сравнению с другими
способами, хотя общий расход электроэнергии с учетом потерь в генераторах
и вспомогательных устройствах нередко оказывается больше.
Токи ВЧ позволяют осуществлять избирательный нагрев благодаря кон-
центрации мощности в нужном направлении и использованию
ствительности неоднородных по физическим свойствам материалов.
При ВЧ нагреве достигается высокая концентрация мощности в единице
объема нагреваемой среды, что позволяет значительно интенсифици
изводственные процессы. Появляется возможность использовать механиче-
ские воздействия, возникающие в материалах при быстром неравномерном на-
греве. Кроме того, ВЧ нагрев диэлектриков позволяет снизить отходы продук-
ции, осуществить поточность и широкую автоматизацию производства.
Преимущества диэлектрического нагрева заключаются в возможности
концентрировать большие мощности в малых объемах материала,
ности нагрева материала с низкой теплопроводностью пр большой ин-
тенсивности нагрева, возможности избирательного нагрева и регулирова-
ния заданного температурного режима и осуществления полной механизации
и автоматизации всего технологического процесса.
К недостаткам диэлектрического нагрева следует отнести высокую стои-
мость оборудования, более высокий (во многих
ктроэнергии. Поэтому его применение экономически целесообразно там,
где это ведет к коренному усовершенствованию технологии процессов и где
высокие капитальные и эксплуатационные затраты компенсируются повыше-
нием качества и увеличением выхода продукции, значительным ростом произ-
водительности труда.
На рис. 7.10 показаны принципиальные схемы диэлектрического нагрева в
электрическом поле (р
ляемый при сверхвысокой частоте. На рис. 7.10 использованы следующие
обозначения: 1 ‒ электроды; 2 ‒ нагреваемое тело; 3 ‒ волновод; 4 ‒ резонатор.
Рис. 7.10. Схемы диэлектрического нагрева

Лекция 8
ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ И УСТАНОВКИ
8.1. Канальные печи
Особенности технологического процесса
Индукционные канальные печи (рис. 8.1а) (ИКП) в основном используются
для плавки цветных металлов и чугуна, а также в качестве миксеров для тех же
металлов. Наличие в ИКП электродинамического и теплового движения
расплавленного металла или сплава обеспечивает однородность химическо-
го состава и равномерность температуры металла в ванне печи. ИКП реко-
мендуется использовать в тех случаях, когда к выплавляемому металлу предъ-
являются высокие требования [8].
Основные достоинства ИКП:
1. Минимальное испарение металла.
2. Малый расход энергии на расплавление, перегрев и выдержку металла.
ИКП имеет высокий электрический КПД благодаря использованию замкну-
того магнитопровода. Высок и тепловой КПД печи, так как основная масса
расплава находится в ванне, имеющей толстую теплоизолирующую футеровку.
3. Однородность химического состава металла в ванне благодаря цирку-
ляции расплава, обусловленной электродинамическими и тепловыми усилиями.
Циркуляция способствует также ускорению процесса плавки.
Основные недостатки ИКП:
‒
тяжелые условия работы футеровки;
‒
необходимость постоянно держать в печи сравнительно большое количе-
ство расплавленного металла.
Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеровки каналов и ее
растрескиванию. По этой причине невозможен также быстрый переход с одной
марки сплава на другую. Приходится проводить ряд балластных переходных
плавок, постепенно изменяя состав металла.
Принцип действия индукционной канальной печи подобен принципу дей-
ствия силового трансформатора, работающего в режиме короткого замы-
кания. Однако электрические параметры канальной электропечи и обычного
трансформатора заметно отличаются. Это вызвано различием их конструкций.
Конструктивно печь состоит (рис. 8 .1б) из футерованной ванны 2, в которой
помещается почти вся масса расплавляемого металла 3. Ванна сообщается с пла-
вильным каналом 5, также заполненным расплавом. Расплав в канале и приле-
гающем участке ванны образует замкнутое проводящее кольцо.
Система индуктор – магнитопровод называется печным трансформатором.
Футеровка, образующая плавильный канал, называется подовым камнем 6. По-
довый камень представляет собой огнеупорный массив с цилиндрическим про-
емом 7, в который вставляется индуктор 4, навитый на стержень замкнутого
магнитопровода 1.
89

Рис. 8.1. Индукционная канальная печь
Принцип действия канальной печи требует постоянно замкнутой вторич-
ной цепи. Поэтому допускается лишь частичный слив расплавленного металла.
Все канальные печи работают с остаточной емкостью, составляющей 20÷50 %
полной емкости печи и обеспечивающей постоянное заполнение канала жид-
ким металлом. Застывание металла в канале не допускается, во время про-
стоя металл в канале должен поддерживаться в расплавленном состоянии.
Индуктор является первичной обмоткой трансформатора, а роль вто-
ричного витка выполняет расплавленный металл, заполняющий канал и
находящийся в нижней части ванны. Ток, протекающий во вторичной цепи, вы-
зывает нагрев расплава, при этом почти вся энергия выделяется в канале,
имеющем малое сечение (в канале поглощается 90÷95 % подведенной к печи
электрической энергии). Металл нагревается за счет тепло-и массообмена меж-
ду каналом и ванной.
Рис. 8.2 . Перемешивание металла в ИКП
Перемещение металла обусловлено главным образом электродинамиче-
скими усилиями, и в меньшей степени конвекцией, связанной перегревом ме-
талла в канале по отношению к ванне.
90

Электродинамические силы F r направлены от индуктора и к металлу в канале
К при осевом направлении плотности тока в канале δz. Создаваемое ими давление
равно нулю на внутренней поверхности канала и максимально на его наружной
поверхности. Поэтому металл вытесняется в ванну из устья канала вдоль его на-
ружной стенки и всасывается в канал вдоль его внутренней стенки (рис. 8.2).
Схема замещения ИКП
ИКП имеет следующие отличия от силовых трансформаторов:
1) вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один виток
N2 с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки
с числом витков N 1 (рис. 8.3);
2) вторичный виток (канал) находится от индуктора на относительно боль-
шом расстоянии, так как отделен от него не только электрической, но и тепло-
вой изоляцией (воздушным зазором и футеровкой). В связи с этим магнитные
потоки рассеяния индуктора и канала значительно превышают потоки
рассеяния первичной и вторичной обмоток обычного силового трансформа-
тора той же мощности, поэтому значения реактивных сопротивлений рассея-
ния индукционной канальной печи выше, чем у трансформатора. Это приводит
к тому, что энергетические показатели ИКП (КПД и коэффициент мощности)
заметно ниже, чем у обычного трансформатора.
Рис. 8.3. Распределение магнитных полей в ИКП
Рис. 8.4. Схема замещения и векторная диаграмма ИКП
91

Основные уравнения (уравнение токов и уравнения электрического состоя-
ния) для индукционной канальной печи аналогичны уравнениям для транс-
форматора, работающего в режиме короткого замыкания.
Схема замещения и векторная диаграмма ИКП приведены на рис. 8.4.
Характеристика ИКП как потребителя энергии
Мощность ИКП изменяется от 60 до 6000 кВт. Маломощные печи питают-
ся от цеховой распределительной сети напряжением 0,4 кВ. Печи большой
мощности подключаются к сети 10 кВ. Существуют однофазные, двухфазные
и трехфазные установки.
P(t)
Q(t)
t,мин
P,кВт
Q,кВАр
0
60
120
60
120
Рис. 8.5. Потребление мощности ИКП
В зависимости от выплавляемого продукта естественный коэффициент
мощности составляет 0,2÷0,7. Так как каналы печи всегда заполнены жидким
металлом с практически неизменной температурой, то коэффициент мощно-
сти почти неизменен. Для компенсации реактивной мощности используют
статические конденсаторы, подключаемые параллельно индуктору.
Режим работы печей – продолжительный. График электрической нагрузки
определяется суточной программой выпуска продукции. По неравномерности
график нагрузки ИКП сопоставимы с ДСП (рис. 8 .5). При 5 и более печах в
цехе групповой коэффициент формы графика 1.6 и более. Коэффициент вклю-
чения равен 1. Коэффициент максимума не превышает 1,5, а коэффициенты ис-
пользования мощности индукторов составляют 0,5. По надежности электро-
снабжения ИКП относятся к потребителям 2 категории.
8.2. Тигельные печи
Особенности технологического процесса
Индукционные тигельные печи (ИТП) (рис. 8.6а) широко применяются в
промышленности для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и
в вакууме и в защитных атмосферах. Тигельные индукционные печи применя-
ют главным образом для плавки высококачественных сталей и других спе-
92

циальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности хи-
мического состава, что недостижимо в пламенных и дуговых печах.
Достоинства ИТП [9]:
• выделение энергии непосредственно в загрузке без промежуточных нагре-
вательных элементов;
• интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспе-
чивающая быстрое выравнивание температуры по объему ванны и гаранти-
рующая получение сплавов, однородных по химическому составу;
• возможность создания в печи любой атмосферы при любом давлении;
• высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям
удельной мощности (особенно на средних частотах);
• простота управления и регулирования печи широкие возможности для ме-
ханизации и автоматизации процесса плавки;
• возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса
футеровки печи, что создает условия для снижения тепловой инерции печи.
Печи этого типа весьма удобны для периодической работы с перерывами
между плавками и обеспечивают возможность для быстрого перехода с одной
марки сплава на другую.
Недостатки ИТП:
• высокая стоимость электрооборудования, особенно при
Гц;
50

f
• более низкий КПД всей установки вследствие необходимости иметь в уста-
новке источник получения высокой или повышенной частоты.
В основе работы тигельной печи лежит трансформаторный принцип пе-
редачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Подводимая к
первичной цепи электрическая энергия переменного тока превращается в
электромагнитную, которая во вторичной цепи переходит снова в электри-
ческую, а затем в тепловую.
Рис. 8.6. ИТП (а) и принципиальная схема ИТП (б): 1 – индуктор; 2 – расплав; 3
–
огнеупорный тигель
93

ИТП также называют индукционными печами без сердечника. Печь пред-
ставляет собой плавильный тигель цилиндрической формы, выполненный из
огнеупорного материала и помещенный в полость индуктора, подключенного к
источнику переменного тока (рис. 8.6б). Металлическая шихта загружается в
тигель и, поглощая электрическую энергию, плавится. В тигельной печи (рис.
8.6) первичной обмоткой служит индуктор, обтекаемый переменным током, а
вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – сам расплавляемый ме-
талл, загруженный в тигель и помещенный внутрь индуктора.
Магнитный поток в тигельной печи проходит в той или иной степени по са-
мой шихте. Поэтому для работы печи без сердечника имеют большое значе-
ние магнитные свойства, а также размеры и форма кусков шихты.
Когда в качестве шихты применяют ферромагнитные металлы, то до тем-
пературы точки Кюри (740÷770 oС), их магнитная проницаемость сохраняет
свою величину. Шихта играет роль не только вторичной обмотки и нагруз-
ки, но и незамкнутого сердечника. При плавке в ИТП ферромагнитных ме-
таллов разогрев шихты до точки Кюри происходит за счет тепла, выделяемо-
го от циркуляции вихревых токов и перемагничивания.
После точки Кюри ферромагнитные тела теряют свои магнитные свой-
ства и работа индукционной печи становится аналогичной работе воздушно-
го трансформатора.
Мощность, выделяемая вихревыми токами, которые наводятся и циркули-
руют в садке, зависят от частоты переменного магнитного поля. При частоте 50
Гц концентрация энергии, выделяемой вихревыми токами, незначительна и не
превышает несколько ватт на см
2
поверхности. Поэтому для эффективной ра-
боты печи без сердечника приходится питать их токами повышенной часто-
ты, что достигается установкой специальных генераторов частоты.
Для печей без сердечника каждой емкости печи и сопротивлению шихты
соответствует своя оптимальная частота питающего тока. При частоте, ни-
же оптимальной, КПД печи сильно понижается, выше оптимальной – поч-
ти не изменяется.
В результате анализа отмеченных выше факторов (диаметра садки и сопро-
тивления шихты), влияющих на частоту питающего тока, было получено урав-
нение, которое дает минимальное значение частоты для данного металла и
диаметра садки:
где fmin ‒ минимальная частота тока; ρ2 ‒ удельное сопротивление расплавлен-
ного металла; d ‒ диаметр садки.
Ток повышенной частоты, проходя через индуктор печи, обеспечивает на-
ведение в садке ЭДС индукции, которая в плоскостях, параллельных плоско-
сти витков обмотки, вызовет вихревые токи. Вследствие поверхностного эф-
фекта наведенные в садке токи достигают максимальной величины на внешней
поверхности садки и значительно уменьшаются от краев к середине.
94

Характеристика печи как потребителя энергии
Мощность печей от 0,18 до 20 МВА. Для печей мощностью до 2,5 МВА ис-
пользуются одно и трехфазные трансформаторы, для печей свыше 4 МВА –
только трехфазные. Питание печей в основном производится от сети 10 кВ. Ес-
тественный коэффициент мощности не превышает 0,1÷0,4 и его значение в
процессе плавки меняется из-за изменения физических параметров шихты.
t,ч
P,кВт
0
1200
600
1
3
2
з
а
г
р
у
з
к
а
п
л
а
в
к
а
р
а
ф
и
н
и
р
о
в
а
н
и
е
р
а
з
л
и
в
к
а
с
к
а
ч
и
в
а
н
и
е
ш
л
а
к
а
Рис. 8.7. Потребление мощности ИТП
Для компенсации реактивной мощности в комплект ИТП входит конденса-
торная батарея, состоящая из групп постоянной и переменной емкости.
Коэффициент мощности всех печей после компенсации равен 0,98÷1.
Режим работы печей – продолжительный, а электрическая нагрузка ‒ не-
прерывно-циклическая, переменная. По надежности электроснабжения ИТП
относятся к потребителям 2 категории.
Рис 8.8. Схема силовой цепи тиристорного преобразователя частоты:
I ‒ шкаф ввода питания; П ‒ выпрямитель; Ш ‒ блок реакторов; 1У ‒ ин -
вертор; У ‒ нагрузка; L ‒ сглаживающий реактор; БП ‒ блок пуска; ВА ‒ вы-
ключатель автоматический; С ‒ емкость; R ‒ резистор; P1
–
контактор
95

Потребляемая мощность по отдельным периодам плавки изменяется сту-
пенчато (рис. 8.7). Для графика нагрузки характерны высокие значения коэф-
фициентов формы (1,17÷1,26) и коэффициентов максимума (1,47÷1,83).
Влияние на неравномерность графика нагрузки оказывает коэффициент
включения (0,68÷0,8).
Для питания индукционной печи напряжением повышенной частоты ис-
пользуется тиристорный преобразователь (рис.8.8) с явно выраженным звеном
постоянного тока, в котором одна группа тиристоров работает в режиме вы-
прямления по мостовой схеме, а другая ‒ в режиме инвертирования.
8.3. Индукционные установки
Установка индукционного нагрева (УИН) отличается от плавильной тем,
что конечная температура загрузки всегда ниже температуры плавления.
Важнейшим элементом любой УИН является индуктор, представляющий
собой проводник или систему проводников определенной конфигурации, под-
ключаемый к внешнему источнику переменного тока и предназначенный для
дистанционного наведения в нагреваемом изделии переменного электро-
магнитного поля и электрического тока, разогревающего изделие. В неко-
торых случаях загрузку целесообразно нагревать, возбуждая электрический ток
не непосредственно в ней, а в каком-либо промежуточном устройстве (электро-
проводном тигле). Такой вид нагрева загрузки называют косвенным.
Для компенсации реактивной мощности индуктора используют группу
силовых конденсаторов, соединенных параллельно и оформленных в обособ-
ленный конструктивный модуль (конденсаторную батарею). Индуктор, соеди-
ненный токопроводом с конденсаторной батареей, образует силовой резо-
нансный контур. Токопровод, выполняемый обычно в виде пакета шин и ка-
белей (токи до 100 кА), иногда называют короткой сетью установки, по анало-
гии с короткой сетью дуговых печей.
Схемы питания индукционных установок
Схему питания УИН выбирают по условию согласования параметров
нагрузки (индукционного нагревателя) с параметрами источника питания
по напряжению и коэффициенту мощности. Приемлемость варианта схемы
определяется результатами технико-экономического анализа. Схемы силового
питания УИН промышленной частоты представлены на рис. 8.9.
Наиболее распространенная схема питания показана на рис. 8.9а. В этой
схеме резонансный контур, состоящей из индуктора и компенсирующей бата-
реи конденсаторов С К , подключен к сети через трансформатор Т, имеющий не-
сколько ступеней вторичного напряжения, а СК имеет регулируемую часть
для подстройки контура в процессе нагрева. УИН здесь является однофазной
нагрузкой для питающей сети.
Трансформатор в схеме рис. 8 .9б может быть нерегулируемым, а мощность
индукционного нагревателя можно регулировать с помощью специального ти-
ристорного регулятора ВР. На практике для согласования напряжений приме-
96

няют автотрансформаторную схему (рис. 8 .9в). В автотрансформаторной схеме
напряжение источника питания подают на часть витков индуктора И, а компен-
сирующую СК подключают к выводам индуктора И. За счет автотрансформатор-
ного эффекта напряжение на индукторе и на конденсаторной батарее будет боль-
ше, чем напряжение источника питания.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
Рис. 8.9. Схемы установок индукционного нагрева промышленной частоты
Схема УИН с вольтодобавочным трансформатором ВТ показана на рис.
8.9г. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора подключена к се-
ти, а вторичная обмотка соединена последовательно с резонансным контуром.
Такую схему применяют, как при непосредственном включении резонансного
контура на сетевое напряжение (рис. 8.9г), так и при питании контура через
промежуточный трансформатор. Включая вольтодобавочный трансформатор
согласно или встречно с сетевым напряжением, получают широкий диапазон
изменения напряжения:
Д
c
k
U
U
U


где Uc – напряжение сети; Uд – напря-
97

жение на вторичной обмотке, которое изменяют путем изменения числа витков
обмотки. Встречаются УИН, построенные по автотрансформаторной схеме с
использованием вольтодобавочного трансформатора (рис. 8.9д).
Для однофазных УИН большой мощности применяют трехфазные печные
трансформаторы с симметрирующими устройствами, которые предназначе-
ны для равномерного распределения однофазной нагрузки по трем фазам пи-
тающего напряжения. Наиболее распространено симметрирующее устройство
по схеме Штейнмеца (рис. 8 .9е). Эту схему используют также с нерегулируе-
мым трансформатором и с выключателями – регуляторами (рис. 8 .9ж). На рис.
8.9з представлена схема трехфазной УИН. Каждый индуктор подключен к ли-
нейному напряжению через вольтодобавочный трансформатор.
УИН повышенной частоты подключают к электромашинным или статиче-
ским преобразователям частоты. Схема питания УИН от электромашинного
преобразователя частоты показана на рис. 8.10а. Установка состоит из элек-
тродвигателя Д на общем валу с генератором повышенной частоты Г. Регули-
рование напряжения генератора и мощности, потребляемой УИН выполня-
ют изменением тока возбуждения обмотки ОВ генератора.
В схеме на рис. 8 .10б в качестве источника питания используется статиче-
ский преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока.
Резонансный контур УИН подключен к сети через выпрямитель В, раздели-
тельный дроссель Др и инвертор, в котором постоянный ток преобразуется в
переменный заданной частоты с возможностью ее регулирования. Конденса-
торная батарея при этом не требует регулирования, поскольку контур настраи-
вают изменением рабочей частоты статического преобразователя.
а)
б)
Рис. 8.10. Схемы установок индукционного нагрева повышенной частоты
При использовании токов высокой частоты также применяют схемы согла-
сования параметров источника питания с параметрами нагрузки (рис. 8 .11).
Для схемы на рис. 8 .11а выходное напряжение источника соответствует напря-
жению нагрузки. Схему на рис. 8 .11б применяют, когда напряжение источника
питания меньше напряжения нагрузки. В противном случае применяют схему на
рис. 8.11в. Для согласования низковольтного источника с высоковольтной на-
грузкой применяют схему на рис. 8 .11г. Схему, показанную на рис. 8.11д ис-
пользуют для согласования низковольтного источника и низковольтного индук-
тора при наличии высоковольтной компенсирующей батареи. Для согласования
низковольтного источника с высоковольтной нагрузкой при использовании низ-
ковольтной компенсирующей батареи применяют схему на рис. 8 .11е.
98

При проектировании УИН выбирают силовые схемы электропитания и
настройку колебательного контура, наиболее полно соответствующие изме-
няющимся параметрам нагрузки в ходе всего процесса нагрева. Это позво-
ляет существенно улучшить технические и энергетически показатели работы
установок. Также необходимо учитывать степень использования оборудования,
графики нагрузок, расход электроэнергии и работу вспомогательного оборудо-
вания. Решение о целесообразности использования силовой схемы электропи-
тания УИН принимают после технико-экономического обоснования.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 8.11. Схемы полупроводниковых индукционных нагревателей повышенной
частоты
Индукционные установки как потребители энергии
Установки промышленной частоты бывают периодического и непрерыв-
ного действия. Их мощность не превышает 1 МВт. При единичной мощности
до 300 кВт они питаются от цеховой сети 0.4 кВ.
Установки могут быть одно, двух и трехфазные. По надежности электро-
снабжения они относятся к потребителям 2 категории. Режим работы зависит
от режима работы технологической линии, в состав которой входит УИН. Для
компенсации реактивной мощности в комплект входит конденсаторная ба-
тарея, включаемая стационарно параллельно индуктору. Иногда между индук-
тором и конденсаторной батареей включается согласующий трансформатор,
позволяющий понизить напряжение на индукторе и повысить его стойкость.
Общим для большинства УИН промышленной частоты является вопрос о
симметрии нагрузки. Большое распространение одно и двухфазных индукто-
ров заставляет искать пути выравнивания нагрузки в трехфазной сети. Иногда и
99

100
трехфазные УИН могут вызвать несимметрию токов и напряжений питающей
сети, если активная мощность в фазах неодинакова.
Для регулирования электрического режима можно использовать пере-
ключения ступеней напряжения питающего трансформатора, переключе-
ние витков индуктора, последовательно включенный регулировочный
трансформатор, тиристорные регуляторы.
Применение тиристорного регулятора позволяет в широких пределах изме-
нять электрический режим и облегчает работу силовых выключателей и кон-
такторов конденсаторной батарей, так как создает возможность работы в бесто-
ковую паузу. В тоже время тиристорные регуляторы отрицательно сказываются
на качестве электроэнергии из-за внесения в систему искажений тока. При фа-
зовом регулировании ток 3-ей гармоники может достигать 50% от тока основ-
ной гармоники. Поэтому на мощных печах требуется установка специальных
фильтросимметрирующих устройств.
Индукционные печи средней частоты имеют мощности от 50 до 4200
кВт и естественный коэффициент мощности 0,2÷0,3. Печи подключают к сети
напряжением 10 кВ или 0,4 кВ через статические или электромагнитные пре-
образователи с частотой 500, 1000 или 2400 Гц.
Режим работы печей продолжительный, а их электрические нагрузки имеют
переменный циклический характер. По надежности электроснабжения тако-
го рода установки относятся к потребителям 2 категории.
Частота тока для УИН средней частоты лежит в пределах 2,4÷10 кГц. Они
весьма разнообразны по мощности от 25 до 250 кВт для индукционных зака-
лочных установок, до 700 кВт для вакуумных и от 150 до 1500 кВт для кузнеч-
ных нагревателей.
Мощность наиболее крупных групп таких установок достигает 10-40 МВт.
Относительно энергосистемы установки являются приемниками переменного
трехфазного тока, по надежности электроснабжения – потребителями 2 кате-
гории. Их режим работы определяется режимом работы технологической ли-
нии. Коэффициент мощности установок изменяется от 0,03 при пустом ин-
дукторе до 0,1-0,3 при заполненном индукторе. Для уменьшения реактивной
мощности в комплект оборудования входит конденсаторная батарея.
При использовании статических преобразователей в сети возникают токи
несинусоидальной формы, приводящие к искажению напряжения в точке под-
ключения установок. Если коэффициент несинусоидальности не удовлетворя-
ет нормативным требованиям, то возникает необходимость установки фильтров.
Для компенсации реактивной мощности в цехах с УИН применяют конден-
саторные батареи, которые перегружаются токами высших гармоник. Если
мощность конденсаторных батарей не менее 40% суммарной мощности преоб-
разователей, то их перегрузка не превышает 30 %, допускаемых ПУЭ. Батареи
конденсаторов и элементов сети образуют резонансные контуры и для защиты
конденсаторов устанавливают токоограничивающие реакторы.

ЛЕКЦИЯ 9
ПЛАЗМЕННЫЕ, ИОННЫЕ И
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ УСТАНОВКИ
9.1. Плазменные дуговые печи
Принцип действия
Плазменные установки (ПУ) используют в виде источника нагрева плаз-
менную струю, представляющую собой поток высокоионизированного нагре-
того до высоких температур (3500÷12000 К) газа. Плазменный нагрев широко
применяется в промышленности для интенсификации процессов, для сварки,
резки и поверхностной обработки. Мощности ПУ изменяются от 0.1 до 50 МВт.
По способу создания плазменной струи ПУ разделяют на дуговые (ПДУ)
(рис. 9.1), в которых нагрев и ионизация газа происходит за счет электрической
дуги и высокочастотные (ВПУ).
Дуговые генераторы плазмы (плазмотроны) представляют собой устройства с
электродами, между которыми горит электрическая дуга постоянного или пере-
менного тока. При всем многообразии конструкций дуговые плазмотроны делят-
ся на два вида: плазмотроны косвенного действия (струйные) в которых дуга
горит внутри между электродами, являющимися элементами ее конструкции;
плазмотроны прямого действия (плавильные или металлургические), в кото-
рых анодное пятно вынесено на нагреваемый объект.
Рис. 9.1 . Дуговая плазменная печь
Плавильные плазмотроны позволяют использовать излучение дуги и энер-
гию, возникающую в анодном пятне, что повышает их энергетические характе-
ристики. Однако область их применения ограничена обработкой только элек-
101

тропроводных материалов. Струйные плазмотроны используют в плазмохими-
ческих процессах, рудной электротермии и т.д .
ПУ как потребители энергии
Плазмотрон как приемник электрической энергии является нелинейной на-
грузкой. Большинство струйных плазмотронов имеют падающую ВАХ,
описываемую уравнением



)
(
2
pd
d
G
Gd
I
A
U














,
где
‒
напряжение,
U
I‒ток,
‒
расход плазмообразующего газа (кг/с),
‒
диаметр электродуговой камеры,
‒
давление на выходе камеры. Коэффици-
енты
G
d
p
А ,  ,  и  зависят от конструкции плазмотрона (табл. 9.1).
Таблица 9.1
Вид
Газ
Род тока
А



Постоянный прямой
полярности
1290 0,25
0,3
0,25
Постоянный обрат-
ной полярности
1970 0,17 0,15 0,25
Воздух
переменный
3930 0,18 0,28
0,2
Водород Постоянный прямой
полярности
9650 0,2
0,5
0,36
Однока-
мерный
Метан
Постоянный прямой
полярности
135500 0,35 0,158 0,475
Постоянный прямой
полярности
1360
0,2
0,25 0,35
Двухка
мерный
Воздух
переменный
2150 0,15 0,15
0,2
При увеличении мощности на ВАХ появляются возрастающие участки или
вся ВАХ имеет возрастающий характер. Рабочие токи плазмотронов ограни-
чены конструкцией катодов и максимально достигают 2÷5 кА. Поэтому увели-
чение мощности в основном осуществляется за счет повышения напряжения.
Основным родом применяемого тока является постоянный ток прямой по-
лярности. Это связано с тем, что дуга постоянного тока горит устойчиво, в
ней отсутствуют колебания температуры.
Однако используется и переменный ток (однофазный и трехфазный), при
этом возникают проблемы обеспечения непрерывности горения дуги. При ус-
тановке в контур дуги индуктивности значительно снижается коэффициент
мощности (до 0,6). Поэтому часто используют плазмотроны, в которых парал-
лельно с дугой переменного тока промышленной частоты горит вспомога-
тельная высокочастотная дуга. Она обеспечивает непрерывное горение ос-
новной дуги и приближение кривой тока в плазмотроне к синусоиде. Однако
это усложняет схемы питания плазмотронов.
102

Условие устойчивого горения дуги
I
U
I
U
ист





/
/
дуги
. Источник с ВАХ,
близкой к источнику напряжения, может обеспечить устойчивую работу
плазмотронов только с возрастающей ВАХ. Источник с ВАХ, близкой к ис-
точнику тока, применяется при падающей ВАХ плазмотрона. Применение
параметрических источников ограничено, из-за возможности появления недо-
пустимых перенапряжений на его элементах при обрывах дуги.
ПДУ со струйными плазмотронами в большинстве случаев имеют непре-
рывный спокойный характер работы, длительность которой определяется
ресурсом плазмотрона. В многоплазмотронных системах замена плазмотрона
может осуществляться без остановки реактора.
Мощные ПДУ питаются от сети напряжением 10 кВ через понижающие
трансформаторы. Ввиду сравнительно низкой величины коэффициента мощно-
сти (0,85÷0,6) на шинах подстанции устанавливаются устройства компенсации
реактивной мощности.
В черной металлургии широкое распространение получили дуговые плаз-
менные печи (ДПП). Они имеют несколько разновидностей: гарнисажные, пе-
чи с керамическим тиглем или с кристаллизатором. Они имеют различные тех-
нологические режимы, определяющие особенности их электроснабжения.
U,В
120
140
100
80
I,кA
12
250 мм
150 мм
100 мм
Рис. 9.2. ВАХ плавильного плазмотрона
На печах используются плавильные плазмотроны постоянного реже пере-
менного тока. В отличие от струйных плазмотронов плавильные плазмотро-
ны имеют слабо возрастающую ВАХ (рис. 9.2). Изменение длины дуги или
плазмообразующего газа изменяет напряжение дуги, но не меняет вида ВАХ.
Особенностью плавильных плазмотронов являются более низкие напряже-
ния (600 В) и более высокие токи (до 9 кА). Мощность установки 3,5÷5 МВт.
Для крупных печей используются многоплазмотронные схемы.
ДПП с керамическим тиглем (рис. 9.4) являются технологическим анало-
гом ДСП. Однако ДПП позволяют герметизацию плавильного пространства
и создания в них контролируемой атмосферы. Это позволяет сократить по-
тери легирующих элементов и уменьшить загрязнения окружающей среды и
создавать стали с нужным химическим составом. Наиболее распространенным
плазмообразующим газом является аргон.
Плазмотроны имеют механизмы перемещения, позволяющие менять длину
дуги. Для питания обычно используется постоянный ток, поэтому ДПП имеют
подовый водоохлаждаемый электрод.
103

t,мин
0
1
2
Р,
МВт
I,кА
2
4
U,B
200
90
0
400
0
01
8
0
Рис. 9.3. Изменение электрических параметров ДПП с керамическим тиглем
ДПП являются агрегатами, работающими по циклическому графику, при
этом коэффициент включения составляет 0,7÷0,9. Коэффициенты использо-
вания и загрузки ниже, чем в ДСП, потому что напряжение столба дуги и
мощность плазмотрона быстро падают с повышением температуры печной ат-
мосферы (рис. 9.3). Значительное уменьшение мощности по ходу плавки не по-
зволяет длительно использовать максимально допустимую мощность печи.
Рис. 9.4. Схема ДПП с тиглем
1 – герметичная крышка, 2 -- плазмо-
трон, 3 – затвор, 4 – индукционные
катушки, 5 – подовый электрод
Рис. 9.5. Схема ДПП
с кристаллизатором
I ‒ слиток; 2 ‒ кристаллизатор: 3 ‒
плазмотрон; 4 ‒ корпус печи, 5 ‒ -
ме-
ханизм подачи заготовки; 6 ‒ заго-
товка; 7 ‒ источник питания; 8 ‒ ме-
ханизм вытягивания слитка
Рабочая длина дуги зависит от емкости печи и на крупных печах достигает
1,5÷2 м. Наличие длинных дуг обуславливает стабильность работы ДПП, от-
104

сутствие в период расплавления бросков и колебаний токов, эксплуатаци-
онных КЗ. В тоже время длинные дуги вызывают повышенный износ футе-
ровки (70 плавок у ДПП, 150 – у ДСП). ДПП с кристаллизатором используют
плазменно-дуговой переплав расходуемых заготовок для получения высоко-
качественных слитков. Переплавляемая заготовка расположена вертикально
соосно с водоохлаждаемым кристаллизатором (рис. 9.5). Печь имеет несколько
плазмотронов, расположенных симметрично относительно оси печи. Дуги го-
рят на жидкую ванну металла. Для таких печей не требуются сильноточные
плазмотроны (до 3 кА).
ДПП с кристаллизатором имеют циклический характер нагрузки с коэф-
фициентом включения 0,4÷0,5, что вызвано значительной длительностью
вспомогательных операций. В связи с использованием вытяжки слитка мощ-
ность во время плавки изменяется слабо.
При пониженных давлениях (ниже 100 Па) используются вакуумные плаз-
мотроны с полым катодом. Они имеют аналогичную плавильным плазмотро-
нам нормального давления слабо возрастающую ВАХ. Однако напряжение
дуги в вакуумных плазмотронах значительно ниже, что и определяет их мень-
шую единичную мощность при одинаковом токе.
9.2. Высокочастотные ПУ
Дуговые плазмотроны наряду с большими достоинствами имеют серьезный
недостаток, связанный с загрязнением плазменной струи материалом элек-
трода. Поэтому они неприменимы для получения сверхчистых материалов. В
безэлектродных высокочастотных плазмотронах нагрев плазмообразющего
газа осуществляется за счет энергии переменного электромагнитного или
электрического поля. В индукционных плазмотронах переменное электро-
магнитное поле создается индуктором. В емкостных плазмотронах для пере-
дачи энергии от источника к плазме служат пластины конденсатора.
Высокочастотные плазменные установки ВПУ предназначены для нагрева
плазмообразующих газов, которые затем используются в различных техноло-
гических процессах. ВПУ питаются от цеховой сети 0,4 кВ и представляют для
сети обычную выпрямительную нагрузку. Графики нагрузок ВПУ зависят от
особенностей конкретных технологических процессов.
9.3. Установки ионного нагрева
Для химико-термической обработки металлов применяют установки, в ко-
торых поверхность обрабатываемых изделий подвергается бомбардировке
ионами для нагрева и активного воздействия на физико-химические процес-
сы, происходящие в тонких поверхностных слоях.
По принципу действия ионные установки близки к плазменным. Наиболь-
шее распространение получили установки, в которых источником ионов явля-
ется тлеющий разряд. Изделие является катодом и его поверхность подверга-
ется воздействию ускоренных ионов. Установки используются для различных
технологических процессов.
105

Установки ионного азотирования имеют мощность от 67 до 650 кВА. Они
питаются от сети напряжением 0,4 кВ (до 170 кВА) или 10 кВ через тиристор-
ные преобразователи. Установки представляют собой специфический приемник
электроэнергии. Его работа характеризуется нестабильностью режима, воз-
никновением технологических КЗ и спонтанными переходами к режиму
холостого хода.
Другим видом установок ионного нагрева являются ионно-плазменные уста-
новки для нанесения покрытий. Испарение материала, входящего в состав по-
крытия, осуществляется с помощью вакуумной дуги, горящей при давлении 0,5
мПа. Испаряемый металл служит катодом дугового разряда, а анодом являются
стенки камеры. Высокая плотность энергии, которая выделяется в катодном пят-
не, обеспечивает эффективное испарение любых электропроводящих материа-
лов. Подложка подключена к катоду высоковольтного источника постоянного
тока. Ионами на подложку переносится до 80 % осаждаемого вещества.
Для питания используются источники, представляющие комплекс из источ-
ника высоковольтного ускоряющего напряжения (ток до 20 А) и низковоль-
ных источников электродуговых испарителей (ток до 120 А). Источником пи-
тания электродуговых испарителей является тиристорный регулятор. Он име-
ет характеристику источника тока с плавным регулированием.
9.4. Электронно-лучевые установки
Электронно-лучевые установки (ЭЛУ см. рис. 9.6) используют для пре-
образования электрической энергии в тепловую при взаимодействии ма-
териала с электронным пучком.
Рис. 9.6 . Электронно-лучевая установка
Электронный луч представляет собой сфокусированный поток электронов,
разогнанных до высоких энергий. Для эффективного прохождения луча в про-
106

странстве, снижения потерь и уменьшения вероятности электрического пробоя
давление в камере не должно превышать 5 мПа. Высокая степень фокусировки
электронного луча позволяет получить значительную концентрацию мощно-
сти и требуемую температуру нагреваемого материала. Электронный луч легко
управляется, что дает возможность менять обрабатываемую поверхность и
осуществлять различные технологические операции. При этом предъявляются
высокие требования к стабильности мощности луча при его фокусировке на
ограниченной поверхности и при обеспечении равномерности нагрева за счет
его сканирования по значительной площади нагреваемого материала.
Высокие технологические характеристики электронно-лучевого нагре-
ва обеспечивают широкое использование ЭЛУ в промышленности. Они
применяются для резки и сварки металлов, обработке малых отверстий, напы-
ления покрытий и т.д. Мощность ЭЛУ колеблется от десятков до нескольких
тысяч кВт.
Основным элементом ЭЛУ является генератор электронного луча ‒ элек-
тронная пушка. Пушка имеет катод, нагреваемый от постороннего источника,
фокусирующую систему и систему проводки луча. ЭЛУ питаются постоянным
током. ВАХ идеальной электронной пушки имеет вид
, где
‒
коэф-
фициент.
5.1
pU
I
p
Ускоряющее напряжение (до десятков кВ) является основным параметром,
от которого зависит мощность пушки и кинетическая энергия электронного лу-
ча. Ограничивающими факторами является возможность электрического пробоя
промежутка и интенсивность рентгеновского излучения, возникающего при
взаимодействии электронов с обрабатываемым материалом.
Таким образом, электронно-лучевая пушка является специфическим прием-
ником электроэнергии. Большинство мощных электротермических установок
характеризуются большими токами (до100 кА) и малыми напряжениями (до
500 В). ЭЛУ наоборот имеет небольшие токи (до 100 А) и высокие напряже-
ния (до 10 кВ).
I
U
H
U
ном
kI
I
H
I
const
I


ном
k
I
I
ном
I
const
U
Рис. 9.7. ВАХ электронно-лучевой установки
Реальные ВАХ ЭЛУ (рис. 9 .7) при различных токах накала существенно от-
личаются от идеализированных, из-за искажения электрического поля в
107

пушке и неравномерности нагрева ее катода. На реальной характеристике
отсутствует резкая граница перехода области пространственного заряда в
область насыщения.
Вид характеристики зависит от конструкции электронно-оптической систе-
мы и рабочей температуры катода. Как следует из ВАХ, управление мощно-
стью ЭЛУ может быть осуществлено изменением ускоряющего напряжения
во всем диапазоне режимов, а при работе в области насыщения – изменением
тока накала катода. Поэтому источники питания ЭЛУ состоят из двух основ-
ных блоков: источника анодного питания с регулированием ускоряющего
напряжения и источника накала с автоматической стабилизацией тока на-
грузки.
Спецификой работы ЭЛУ является большая вероятность возникновения
электрического пробоя из-за нестабильности условий в области ускорения
электронного луча. Для высоковольтного источника это вызывает возникно-
вения режима КЗ. Поэтому источники питания снабжаются защитой от пробо-
ев и системой автоматического повторного включения.
ЭЛУ используются, например, в печах для капельного переплава (рис. 9.8).
Металл расходуемой заготовки расплавляется и каплями попадает либо непо-
средственно в кристаллизатор (рис. 9.8а), либо в промежуточные емкости (рис.
9.8б). В печах часто используются многопушечные системы, которые осущест-
вляют нагрев металла на различных технологических стадиях. Это дает воз-
можность иметь значительные мощности печей и выплавлять крупные слитки.
Сочетание косвенного нагрева электронной пушкой, которая позволяет раз-
дельно регулировать скорость расплавления заготовки и температуру поверх-
ности металла, с глубоким вакуумом дает возможность обеспечить высокую
степень очищения металла от примесей.
Рис. 9.8. Технологическая схема электронно-лучевых плавильных печей ка-
пельного переплава (а), с промежуточной емкостью (б).
По надежности питания ЭЛУ относятся к потребителям первой категории.
Перерыв питания нарушает технологический процесс и вызывает брак слит-
ка. Особое внимание уделяется надежности электроснабжения системы во-
доснабжения и вакуумных систем.
108

Лекция 10
ПРИМЕРЫ ДРУГИХ ВИДОВ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ
10.1. Основы электрокинетических технологий
Если частицам мелкодробленого (диспергированного) материала сообщен
некоторый заряд, то на эти частицы в электрическом поле действует сила F =
Eq, которая заставляет частицы двигаться. Различные формы этого движения
можно использовать для выполнения разнообразных технологических операций.
Широкое распространение технологий, основанных на управлении движени-
ем заряженных частиц полем, связано с преимуществами этих технологий пе-
ред традиционными методами воздействия на обрабатываемый материал.
Непосредственное воздействие энергии электрического поля на обрабаты-
ваемый материал без промежуточных трансформаций энергии позволяет из-
бежать дополнительных потерь, сопровождающих эти трансформации.
В природе нет веществ (проводники, полупроводники, диэлектрики), кото-
рые тем или иным способом не могли бы быть заряжены и подвергнуты сило-
вому воздействию электрического поля. Отсюда следует универсальность ме-
тодов рассматриваемой технологии.
Эта универсальность не ограничивается тем, что наиболее эффективное
воздействие электрических полей осуществляется на сырье в диспергирован-
ном состоянии, т.к . взаимодействие поля с веществом происходит главным об-
разом на границе раздела сред. Сырье либо уже находится в диспергированном
состоянии, либо легко может быть приведено в такое состояние при добыче и
последующей обработке. Например, добыча полезных ископаемых неизбежно
сопровождается существенным измельчением руд. Степень раздробленности
может быть различной: от частиц субмикронных размеров до частиц в несколь-
ко десятков миллиметров.
Данные методы позволяют обеспечить легкое и универсальное управле-
ние процессами за счет возможности плавного регулирования в широких пре-
делах величины напряжения (напряженности электрического поля). Последнее
обстоятельство позволяет говорить о возможности обеспечения высокого клас-
са точности.
Силовое воздействие электрического поля на частицы сырья может реа-
лизовываться в различных формах [4] и иметь различный конечный результат.
1. Частицы вещества при помещении их в электрическое поле поляризуют-
ся. Если они продолговатой формы, то возникают силы, ориентирующие час-
тицы по силовым линиям поля. Эта способность лежит в основе технологий
изготовления текстильных и композиционных материалов.
2. Так как свойства отдельных частиц отличаются, то возникают силы, ко-
торые кроме ориентации заставляют частицы двигаться с различными ско-
ростями и по различным траекториям. Это позволяет осуществлять сепара-
цию и классификацию частиц по диэлектрическим свойствам, электропро-
водности и размерам.
109

3. При наличии избыточного электрического заряда частицы независимо от
физических свойств будут двигаться в электрическом поле по направлению к
электродам, имеющим заряд противоположный по знаку заряду частиц.
Это позволяет выделять частицы из несущей их газовой среды, т.е . осуществ-
лять очистку газа от жидких и твердых диспергированных материалов.
4. Частицы, осаждаясь на электрод, удерживаются на его поверхности за
счет сил зеркального отображения, создавая плотный слой. При этом имея од-
ноименный заряд, частицы расталкиваются и обеспечивают равномерность
покрытия, что используется при нанесении полимерных порошковых по-
крытий в электрическом поле для декоративных и антикоррозионных целей.
5. Взаимодействие зарядов, осажденных на поверхность фотополупровод-
ников, с заряженными частицами проявляющих материалов приводит к их изби-
рательному осаждению. Это явление было положено в основу электропечати.
6. Зарядка частиц диспергированных материалов разноименными зарядами
позволяет произвести однородное смешивание материалов.
Все эти электротехнологические процессы содержат три основные стадии,
которые и определяют структурную схему типовой технологической установки.
Рис. 10.1. Структурная схема типовой электротехнологической установки
10.2 Основы электрохимических технологий
Электрохимические технологии включают в себя электролизные электро-
химические и электоэрозионные технологии. Рассмотрим их на примере элек-
тролиза. Установка электролиза алюминия показана на рис. 10.2.
Электролиз заключается в выделении из электролита при протекании
через электролитическую ванну постоянного тока частиц вещества и осажде-
нии их на погруженных в эту ванну электродах или переносе вещества с од-
ного электрода через электролит на другой электрод. В обоих случаях цель
процессов – получение возможно более чистых, незагрязненных примеся-
ми веществ.
В электролитах наблюдается ионная электропроводность. В растворах и
расплавах происходит электролитическая диссоциация – распад на положи-
тельные и отрицательно заряженные ионы.
110

Рис. 10.2. Установка электролиза алюминия
Если в сосуд с электролитом поместить электроды, присоединенные к элек-
трическому источнику, то начнет протекать ионный ток, причем положительно
заряженные ионы (катионы) будут двигаться к катоду, а отрицательно заря-
женные ионы (анионы) – к аноду. У анода анионы отдают свой заряд и пре-
вращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы
отбирают электроны у электрода и также нейтрализуются, оседая на нем.
Электрический ток до внешней цепи представляет собой движение элек-
тронов от анода к катоду (рис. 10.3). При этом раствор обедняется и для под-
держания непрерывности процесса электролиза приходится его обогащать. Так
осуществляется извлечение веществ из электролита.
Рис. 10.3. Схема электролизной ванны
1 ‒ электролизная ванна, 2 – электролит, 3 – анод, 4 – катод, 5 ‒ источник
Если анод может растворяться в электролите, то его частицы проходят через
электролит и также осаждаются на катоде. Так происходит процесс переноса
материала с анода на катод.
Если электрод поместить в раствор с ионам того же вещества, из которого
он изготовлен, то при некотором потенциале между электродом и раствором не
происходит ни растворения электрода, ни осаждения на нем вещества из рас-
111

твора. Такой потенциал называется нормальным потенциалом вещества.
Значение нормальных потенциалов зависит от концентрации ионов и темпера-
туры. Если на электрод подать более отрицательный потенциал, то начнется
выделение вещества, если более положительный, то начнется растворение
вещества.
Если в электролите имеются ионы разных металлов, то первыми на ка-
тоде выделяются ионы, имеющие меньший отрицательный нормальный
потенциал. Нормальные потенциалы веществ являются минимальными, при
которых начинается процесс электролиза. Для развития процесса требуется
значительно большее значение потенциала. Разность между потенциалом
электрода и нормальным потенциалом называют перенапряжением.
При протекании тока через электрохимические системы электродный про-
цесс состоит из [22]:
‒
транспорта реагирующего вещества из объема электролита к электроду;
‒
электрохимической реакции (разряд и ионизация);
‒
фазовых превращений (встраивание в кристаллическую решетку).
Первые две стадии свойственны любому электродному процессу. Третья –
отдельным процессам. Скорость процесса, состоящего из нескольких последо-
вательных стадий, определяется скоростью наиболее медленной стадии. Мерой
эффективности электрохимической реакции является плотность тока j .
Напряжение между электродами
RI
I
E
U


)(
состоит из
‒
э.д.с. не-
обходимой для протекания указанных процессов и
)(I
E
RI ‒ потерь напряже-
ния в электролите.
Для транспорта реагирующих веществ с анода на катод должна быть соз-
дана дополнительная ЭДС
)
1
ln(
)
1
ln(
)(
kj
A
kj
A
j
Etr




. Для электрохими-
ческой реакции необходима ЭДС
)
lg(
)(
1j
k
b
a
j
Er


. Для процесса кристал-
лизации необходима ЭДС
j
a
j
k
b
a
j
k
b
a
2
2
1
1
lg
1




j
Ek
3
2
2lg
1
)(

.
Все ука-
занные в формулах коэффициенты не зависят от плотности тока и определяют-
ся температурой, концентрацией вещества и т.д .
Для теоретических расчетов предполагают, что определяющей является од-
на из указанных стадий процесса. В общем случае процесс сложен и для его
анализа используются вольтамперные характеристики, полученные экспе-
риментально (рис. 10.4).
На участке аб ток возрастает из-за увеличения количества ионов, участ-
вующих в реакции 1. На участке бв данная реакция достигает насыщения
из-за конечной скорости транспорта ионов. На участке вг на электродах на-
чинается еще одна побочная реакция, для протекания которой ранее не хва-
тало приложенного напряжения.
Рабочей точкой характеристики является точка б. Отклонение в сторону
меньших токов приводит к уменьшению производительности, а в сторону
больших токов – к возникновению побочной реакции (появляются примеси).
112

а
б
в
г
I
U
Рис. 10.4. ВАХ электролизного процесса
Таким образом, источник питания для электролиза должен быть постоян-
ным и его характеристика должна быть близка к источнику тока.
B
A
C
O1
O2
O3
R
R
R
XL
XC
XL
XC
XC
XL
Рис. 10.5 . Принципиальная электрическая схема
параметрического источника тока
В схемах питания электролизных установок применяют параметрические
источники тока и вольтодобавочные трансформаторы. На рис. 10.5 показана
схема параметрического источника питания, обеспечивающего постоянство то-
ка нагрузки при изменении ее сопротивления. Это достигается за счет равенст-
ва регулируемых сопротивлений блоков конденсаторов и реакторов.
10.3. Основы электромеханических технологий
Электромеханические технологии включают в себя электромагнитные,
электрогидравлические, ультразвуковые и магнитно-импульсные технологии.
Рассмотрим их на примере магнитно импульсной обработки материалов [4].
Магнитно-импульсная обработка материалов основана на использовании
электродинамических сил, которые в импульсных режимах могут дости-
гать гигантских значений. Если давления, создаваемые электродинамически-
ми силами, превышают предел прочности, то происходит деформация заготов-
ки. Этот процесс часто называют магнитной штамповкой.
При магнитно-импульсной обработке происходит преобразование электри-
ческой энергии конденсаторной батареи при разряде на индуктор или на за-
готовку в энергию импульсного магнитного поля, совершающего работу
деформирования электропроводной заготовки.
В проводящем теле, расположенном вблизи проводника с переменным то-
ком, возникают вихревые токи. Взаимодействие тока в проводнике с наведен-
ным в заготовке током сопровождается появлением отталкивающей силы
, где dL/dx − изменение индуктивности системы проводник-
заготовка в направлении х, перпендикулярном поверхности проводника. Сред-
dx
dL
I
F
/
5,0
2

113

нее давление на проводник и заготовку равно силе F, деленной на площадь
проводника S.
Величина давления на заготовку толщиной δ может быть определена по
формуле
, если электромагнитное поле не проникает сквозь заго-
товку (Δ<<δ). В случае проникновения поля (Δ≈δ) давление определяется раз-
ностью плотностей энергии на поверхностях заготовки
.
2
0
5.0
H
p


)
(
5.0
2
2
2
1
0
H
H
p



На рис.10.6 приведены наиболее типичные схемы разрядных контуров уста-
новок для магнитно-импульсной обработки материалов.
В наиболее простых схемах обрабатываемая заготовка 3 включается по-
следовательно в цепь разряда, состоящую из заряженного конденсатора С и
разрядника Р. В установке (рис.10.6а) электродинамические силы создаются за
счет взаимодействия тока в заготовке 3 с магнитным полем, созданным током в
обратном проводе, проложенном рядом с 3. Заготовка движется в направлении
действия электродинамических сил, показанных стрелками. В зависимости от
задачи обработки за 3 размещается матрица той или иной формы. Аналогично
осуществляются и другие операции магнитно-импульсной обработки. В этом
случае вместо 3 включается подвижная мембрана, передающая импульсное
давление на предмет обработки.
Рис. 10.6. Разновидности магнитно-импульсной обработки
Операции обжима заготовок из проводящего материала наиболее просто
осуществляются на установках на рис.10.6б. Обратный токопровод выполняет-
ся обычно в виде трубки и вместе с 3 образует коаксиальную малоиндуктивную
114

систему. Основным недостатком этого способа обработки являются трудности
получения требуемых больших разрядных токов, что связано со сложностями
конструктивного выполнения источника тока, и обеспечения контакта токопро-
водящих проводников с заготовкой.
В установках с индукторами И (рис.10.6в) в значительной степени облег-
чается решение этих проблем. Многовитковый индуктор И вместе с 3 образует
понижающий трансформатор. Суммарный ток заготовки может во много раз
превышать ток первичной цепи. С помощью индукторов И осуществляются
операции обработки в соответствии со схемами рис.10.6в-е .
При обработке заготовок с малыми размерами используются концентрато-
ры К магнитного потока (рис.10.6д), представляющие собой массивные детали
сложной формы из хорошо проводящего и механически прочного материала.
Концентратор представляет собой незамкнутый виток. Вместе с многовитко-
вым намотанным на него индуктором концентратор образует понижающий
трансформатор, а вместе с заготовкой − трансформатор с коэффициентом
трансформации, близким к единице.
Электрические схемы замещения разрядных установок, используемые для
расчетов переходных процессов, приведены на рис. 10.7 .
В них входят внутренние индуктивность и активное сопротивление устано-
вок Lу и R у , индуктивности и активные сопротивления заготовок L з и R з . При
использовании индукторов необходимо учитывать их индуктивности L и и ак-
тивные сопротивления R и , а также взаимную индуктивность M и,з (рис. 10.7б).
Наиболее сложной является схема замещения разрядной цепи с концентрато-
ром (рис. 10.7в). В нее также входят взаимные индуктивности индуктор-
концентратор Mи,к и концентратор-заготовка Мк,з , а также активное сопротив-
ление концентратора Rк , индуктивности участков концентратора, граничащих с
обмоткой Lи,к, с заготовкой Lк,з и в щели L к .
Рис. 10.7. Схемы замещения разрядных цепей установок с пропусканием тока
через заготовку (а) с индуктором (б) и концентратором (в)
115

Все эти схемы приводятся к одной, состоящей из последовательно соеди-
ненных конденсатора С, заряженного до напряжения U, суммарных индуктив-
ности L и активного сопротивления R. Разрядный ток в магнитно импульс-
ных установках имеет колебательный характер. Нелинейности элементов R
и L обычно слабо сказываются на форме тока, поэтому он может быть найден
из решения переходного процесса для линейной цепи
где ω = 1/LC.
Электродинамические силы в простейших случаях (рис.10.5а) находятся
по уравнению
Аналогично можно рассчитать электродинамические силы при использова-
нии индукторов или концентраторов.
Генераторами импульсных токов в магнитно-импульсных установках яв-
ляются малоиндуктивные емкостные накопители энергии. Зарядное напря-
жение накопителей обычно составляет 5÷20 кВ. Накопители комплектуются из
импульсных конденсаторов. В установках с большой накапливаемой энерги-
ей конденсаторы объединяются в блоки. Блочный принцип построения нако-
пителя позволяет достичь малых значений индуктивности и сопротивления
разрядной цепи L у и R у , избежать опасности взрыва конденсаторов в случае их
повреждения в процессе зарядки. Внутренняя индуктивность разрядной цепи
установки может быть сведена до 10−8
Гн.
Накопитель заряжается от источника высокого постоянного напряжения,
включающего в себя повышающий трансформатор, выпрямитель, защитные
резисторы и устройства для регулирования зарядного напряжения. Необхо-
димым элементом установки является заземляющее устройство, разряжающее
конденсаторы через резистор с малым сопротивлением и закорачивающее вы-
воды конденсаторов после окончания работы. Зарядное устройство и накопи-
тель энергии размещаются в металлическом заземленном корпусе. Разрядный
контур соединяется с заземленным корпусом установки в одной точке − обыч-
но в месте присоединения индуктора.
Ответственным элементом установки является индуктор или концентратор.
Он рассчитывается и изготовляется для каждого типа заготовки или техно-
логической операции и заменяется при переходе на обработку другой детали.
Индуктор при разрядах подвергается воздействию таких же электродинами-
ческих сил, что и заготовка. Кроме того, его изоляция испытывает элек-
трические нагрузки. Поэтому обеспечение термической, механической и
электрической стойкости индуктора является сложной технической задачей.
116

Заключительная лекция
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
11.1 Влияние электроустановок на качество ЭЭ
Колебания напряжение
У большинства ЭТУ снижение напряжения вызывает значительное
уменьшение потребляемой мощности, возможен брак, существенно затягива-
ется технологический процесс, а в ряде случаев он полностью останавливается.
При снижении напряжения на 8÷10% технологический процесс в печах сопро-
тивления и индукционных печах невозможно довести до конца.
Неблагоприятно сказывается отклонение напряжения и на электрической
сварке. Снижение напряжения ухудшает качество сварных швов. При снижении
напряжения на 10% продолжительность времени сварки увеличивается на 20% за
счет времени подогрева швов.
Неблагоприятно сказываются на работе электроприемников и колебания
напряжения, основной причиной возникновения которых являются резкопере-
менные нагрузки (ДСП, сварочные трансформаторы, двигатели прокатных станов
и т.д.).
Электротермические и электросварочные установки по-разному воспринима-
ют колебания напряжения в зависимости от инерционности процессов преоб-
разования электрической энергии.
Дуговые сталеплавильные, руднотермические, электрошлаковые, индукцион-
ные плавильные печи, крупные печи сопротивления практически не реагируют
на колебания напряжения.
В тоже время в малоинерционных установках для плавки нагрева и сварки
(электронно-лучевых, плазменных, лазерных, установках зонного нагрева), преци-
зионных и маломощных печах сопротивления изменения напряжения даже с дос-
таточно высокими скоростями могут вызвать нарушение технологического
процесса и ухудшение качества продукции.
Несинусоидальность напряжения
Главным источником высших гармоник в системах электроснабжения про-
мышленных предприятий являются приемники с нелинейной характеристи-
кой. К таким в первую очередь относятся преобразовательные установки для
питания дуговых установок постоянного тока (вакуумные, плазменные и т.д.), ти-
ристорные источники повышенной и пониженной частоты для технологических
процессов, тиристорные преобразователи для регулирования электропривода. Эти
нагрузки достигают очень больших значений (до 2000 МВт) и могут составлять
подавляющую часть нагрузки предприятий некоторых отраслей промышленности
(например, электролизеры алюминиевых заводов).
Высшие гармоники в питающем напряжении вредно воздействуют на ряд
приемников. Появляются дополнительные потери в электрических машинах, сетях
117

и трансформаторах, пропускная способность которых снижается. Значительно со-
кращается срок службы изоляции электрических двигателей, кабелей и конденса-
торов. Появляется вероятность возникновения резонансных явлений в батареях
конденсаторов, что часто является причиной их выхода из строя. Ухудшается рабо-
та устройств автоматики, значительно возрастают погрешности приборов.
Несимметрия напряжения
Несимметрия трехфазной системы напряжений возникает в аварийных си-
туациях (при обрыве фазы или несимметричных КЗ) и в обычных рабочих ре-
жимах. Несимметрия возникает при подключении мощной однофазной нагруз-
ки (электрошлаковых, руднотермических, индукционных печей промышленной
частоты), при неравномерном распределении по фазам однофазных или двух-
фазных приемников (сварочные аппараты, освещение), при несимметрии пара-
метров элементов сети, при несимметричных режимах работы крупных дуговых
и руднотермических печей.
Несимметрия напряжения вредно сказывается на работе электроприемников. В
асинхронных двигателях появление напряжений обратной последовательности
вызывает противодействующий вращательный момент. Уменьшение полезного
момента зависит от квадрата коэффициента несимметрии напряжения. Ток обрат-
ной последовательности вызывает дополнительный нагрев ротора и статора,
усиленное старение изоляции и уменьшение мощности двигателя. Например,
при несимметрии напряжения 4% срок службы двигателей уменьшается на 5÷10%.
При возникновении несимметрии напряжения реактивная мощность симмет-
ричной конденсаторной батареи снижается, так как она ограничена наиболее за-
груженной фазой. Снижается эффективность работы многофазных выпрями-
телей. Уменьшается допустимая мощность выпрямителей, резонансы на отдель-
ных гармониках могут привести к выходу из строя элементов схем.
Пульсации в выпрямленном напряжении
В ЭТУ постоянного тока наличие пульсаций может привести к нарушению
технологического процесса и ухудшению качества продукции. В вакуумных ду-
говых печах при коэффициенте пульсаций выше 7% возможно возникновения де-
фектов структуры выплавляемого слитка. Еще выше требования к качеству элек-
троэнергии постоянного тока в электронно-лучевых установках, где коэффици-
ент пульсаций недопустим выше 1%.
11.2. Меры по обеспечению качества ЭЭ
Регулирование нагрузки
На крупных предприятиях, для которых ограничен максимум нагрузки, с
помощью технико-экономических расчетов определяют способ ограничения – от-
ключение на время ограничения отдельных приемников или заданное сниже-
ние мощности крупных потребителей.
Характерным примером являются заводы с РТП, суммарная нагрузка которых
составляет 60÷70% нагрузки питающих узлов. Это определяет решающую роль та-
118

ких заводов при регулировании режимов электроснабжения. В связи с тем, что
мощность РТП достигает 90% всей загрузки завода, основная часть ограничений
приходятся на РТП. Снижение мощности завода может производиться различными
способами: отключение одной или нескольких печей, поочередное отключение пе-
чей на некоторый период, частичное снижение мощности всех печей. Оптималь-
ный способ ограничения определяется технико-экономическими расчетами.
Другим способом регулирования нагрузки является согласование графиков
нагрузки мощных потребителей. Например, смещение по времени периодов рас-
плавления в ДСП позволяют улучшить показатели несинусоидальности и несим-
метрии напряжения.
Регулирование напряжения
Для обеспечения требуемых значений напряжения у электроприемников при-
меняют централизованное регулирование на шинах центра питания или местное
регулирование напряжения за счет изменения коэффициента трансформации
или изменения протекающей по элементам реактивной мощности. При выборе
конкретного варианта регулирования следует выполнять технико-экономическое
сравнение вариантов.
Централизованное регулирование осуществляется с помощью управления воз-
буждением генераторов электростанций системы и ТЭЦ предприятий. Наиболее
простым и дешевым способом регулирования напряжения является изменение
коэффициента трансформации силовых трансформаторов. Особенно действен-
но оно при автоматическом регулировании под нагрузкой трансформаторов ГПП.
В ходе технологического процесса
также возникает необходимость изме-
нения напряжения в широком диапа-
зоне. Например, во время расплавления
в ДСП НН печного трансформатора 400
В, а в период рафинирования – 250 В.
В настоящее время для эффективного
решения задач регулирования исполь-
зуются устройства, созданные на осно-
ве силовой электроники [18‒20]. На-
пример, для устранения отклонений и
низкочастотных колебаний применяют
статические компенсаторы реактив-
ной мощности (СТАТКОМ на рис.
11.1). Они обладают высоким быстро-
действием за счет импульсной модуля-
ции на высокой частоте. В зависимости
от ситуации компенсатор может рабо-
тать в режиме емкостного или индук-
тивного тока.
Рис. 11.1 . СТАТКОМ с емкостным на-
копителем
ток сети , ток нагрузки , ток ком-
пенсатора , параметры фильтра
и
, емкость конденсатора , напряже-
ние и индуктивность сети
и
C
i
K
i
H
i
d
С
ф
C
c
L
ф
L
c
U
119

Фильтрация высших гармоник
Снижение уровней высших гармоник в системе электроснабжения может
осуществляться несколькими путями:
‒
уменьшением содержания высших гармоник в нагрузке за счет создания высо-
коэффективных источников питания;
‒
фильтрацией высших гармоник;
‒
уменьшением влияния высших гармоник на питающую сеть за счет применения
схемных решений электроснабжения.
Увеличение числа фаз выпрямителей является действенной мерой сниже-
ния несинусоидальности кривых тока преобразователей и напряжения сети. Од-
нако преобразовательные трансформаторы для большого числа фаз выпрямленно-
го напряжения получаются сложными, поэтому используют не более чем 12-
фазный режим выпрямления.
Для активного воздействия на гармоники применяют силовые резонансные
фильтры (рис. 11 .2а), настроенные на частоту определенной гармоники. Фильтры
являются также источниками реактивной мощности на основной частоте, что по-
зволяет использовать их для компенсации реактивной мощности нагрузки.
Фильтрацию высших гармоник можно осуществить [18‒20] при помощи СТАТ-
КОМа (рис. 11 .1), который является активным (управляемым) фильтром всех гар-
моник одновременно. СТАТКОМ генерирует ток, равный и противоположный
по знаку току высших гармоник. Складываясь, искаженный ток нагрузки и ток
СТАТКОМа дают синусоидальный неискаженный ток сети. Эффективным является
также комбинация активного и пассивного фильтров (например, схема на рис.
11.2б).
Рис. 11.2 . Схемы фильтров а) пассивного б) пассивного и активного
Симметрирование нагрузки
Самым простым способом симметрирования нескольких однофазных и
двухфазных нагрузок является равномерное распределение их по фазам трех-
фазной сети. Сложнее обстоит дело, когда имеются сравнительно мощные еди-
ничные неполнофазные приемники. В этом случае устранить или уменьшить
влияние несимметрии нагрузки можно при помощи специальных устройств.
Наиболее эффективными схемами симметрирования является схема Штейн-
меца и схема с реактором делителем. Для установок с коэффициентом мощности,
120

близким к 1 (печи сопротивления) применяется схема Штейнмеца. Для установок с
коэффициентом мощности 0,8÷0,9 рекомендуется схема с реактором делителем.
В ЭТУ, имеющих относительно постоянный график нагрузки (индукцион-
ные печи, электрошлаковые печи, печи сопротивления) обычно применяют не-
управляемые устройства, установленные на стороне высокого напряжения печ-
ного трансформатора. Для ЭТУ с изменяющимся графиком нагрузки использу-
ют управляемые схемы. Управление устройством осуществляется отключением
части секций параллельно включенных конденсаторов и переключением отпаек
реакторов. Такие переключения целесообразны только при длительных изменени-
ях параметров нагрузки, связанных с технологическим процессом.
Для динамической компенсации мощности искажений применяются стати-
ческие компенсирующие устройства [18-20] (рис. 11.3), выполненные с примене-
нием силовой электроники. Для компенсации токов и напряжений обратной по-
следовательности компенсирующее устройство должно генерировать сигнал рав-
ный по мощности s сигналу обратной последовательности нагрузки. В этом случае
из сети потребляется только прямая последовательность мощностью .
s
Рис. 11.3 . Распределение потоков мощности при компенсации тока обратной по-
следовательности.
121

Библиографический список
1. Электротехника: Учебное пособие для студентов вузов. В 3-х книгах. Книга
3-я: Электроприводы. Электроснабжение/ Под ред. Бутырина П.А., Гафиятуллина
Р.Х., Шестакова А.Л. – Челябинск – Москва: Изд-во ЮУрГУ, 2005. – 640 c.
2. Правила устройства электроустановок / Федер. служба по экол., технол. и
атом. контролю. – СПб.: ДЕАН, 2008. – 701 с.
3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей: М.:
Омега-Л, 2004. – 266 с.; М.: Омега-Л, 2005. – 2 59 с.; Ростов н/Д: Феникс, 2005. –
315 с.; М.: ИНФРА-М, 2006. – 261 с.; М.: ИНФРА-М, 2007. – 261 с.; М.: Ростов
н/Д: Март, 2006. –269 с.; Новосибирск: Сибирское университетское издательство,
2008. – 251 с.
4. Высоковольтные электротехнологии Учебное пособие / под. ред. И.П. Вере-
щагина М: Издательский дом МЭИ, 1999. ‒ 204 с.
5. Ополева, Г.Н. Электротехнологические установки: Учебное пособие / Г.Н.
Ополева – Иркутск: ИрГУПС, 2010. – 74 с.
6. Лысаков, А.А . Электротехнология: Учебное пособие / А.А. Лысаков – Став-
рополь 2010 – 30 с.
7. Гробова, Л.С . Электротермические установки (электрические печи сопротив-
ления): Учебное пособие / Л.С . Гробова, Б.А.Сокунов, Екатеринбург: ГОУ ВПО
УГТУ-УПИ, 2004. ‒ 1 22 с.
8. Гробова, Л.С. Индукционные канальные печи: Учебное пособие. 2-е изд.
доп./ Л.С . Гробова, Л.И. Иванова, Б.А
.
Сокунов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-
УПИ, 2002. ‒ 105 с.
9. Гробова, Л.С . Индукционные тигельные печи: Учебное пособие. 2 -е изд., пе-
рераб. и доп. / Л.С . Гробова, Л.И. Иванова, Б.А. Сокунов, С.Ф. Сарапулов. Екате-
ринбург: Изд-во УГТУ - УПИ, 2002. ‒ 87 с.
10. Головенко, Е.А. Электротермические процессы и установки: Учебное посо-
бие по теоретическому курсу / В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова –
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. ‒ 360 с.
11. Миронов, Ю.М . Электрооборудование и электроснабжение электротерми-
ческих, плазменных и лучевых установок. Учебное пособие для вузов. / Ю.М . Ми-
ронов, А.Н. Миронова М. Энергоатомиздат. 1991. – 376 с.
12. Миронова, А.Н. Электрооборудование электротехнологических установок:
Учебное пособие. / А.Н. Миронова, Е.Ю . Смирнова Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2003.
‒
64 с.
13. Евтюкова, И.П. Электротехнологические промышленные установки: Учеб-
ник для вузов / И.П. Евтюкова, Л.С . Кацевич, Н.М . Некрасова, А.Д . Свенчанский;
под редакцией А.Д . Свенчанского. – М.: Энергоиздат, 1982. – 400 с.
14. Липкин, Б.Ю . Электроснабжение промышленных предприятий и установок:
Учебник для техникумов. / Б.Ю. Липкин – М .: Высшая школа, 1981. – 376 с.
15. Божко, В.М . Эффективные режимы работы электротехнологических уста-
новок / И.В. Жежеленко, В.М . Божко, Г.Я . Вагин, М.Л . Рабинович. – К .: Техника
1987 – 183 с.
122

16. Минеев, Р.В . Повышение эффективности электроснабжения электропечей /
Р.В . Минеев, А.П. Михеев, Ю.Л. Рыжнев. – М .: Энергоатомиздат, 1986 – 208 с.
17. Кудрин, Б.И. Электроснабжение: Учебник. / Б.И. Кудрин – М.: Академия,
2012. – 352 с.
18. Кваснюк, А.А. Силовая электроника: Учебник для вузов / Ю.К . Розанов,
М.В . Рябчицкий, А.А. Кваснюк. – М .: Изд-во МЭИ, 2009. – 632 с
19. Зиновьев, Г.С. Силовая электроника: учебное пособие для бакалавров. / Г.С .
Зиновьев – М.: Юрайт, 2012. – 667 с.
20. Бурман, А.П. Управление потоками электроэнергии и повышение эффек-
тивности энергетических систем / А.П. Бурман, Ю.К . Розанов, Ю.Г. Шакарян – М .:
Издательский дом МЭИ 2012. – 336 с.
21. Ланин, В.Н. Лазерная пайка при сборке электронных модулей. Технологии в
электронной промышленности, 6 2007. с . 40-44.
22. Краснов, К.С. Физическая химия. Кн. 2. Электрохимия. Химическая кинети-
ка и катализ: Учебник для вузов / К.С . Краснов, Н.К . Воробьев, И.Н. Годнев ‒ М .:
Высш. шк ., 1995. ‒ 319 с.
23. Ситчихин, Ю.В. Электротехнологические промышленные установки (элек-
тродуговые печи) Учебное пособие для студентов-заочников / Ситчихин Ю.В .
‒
Челябинск: ЧПИ, 1986. ‒ 48 с.
Оглавление
Вводная лекция. Технологический процесс....................................
3
1. Классификация электротехнологических установок..........................
2. Энергетическая диаграмма технологического процесса.....................
3. Менеджмент технологического процесса.......................................
4
4. Взаимосвязь СЭС и технологического процесса..............................
6
Лекция 1. Основы электротермии................................................
7
1.1. Основы кинетики нагрева........................................................
1.2. Способы теплопередачи..........................................................
1.3.Преобразование электрической энергии в тепло.............................
9
1.4. Электротермические установки.................................................
10
1.5. Материалы для электротермии..................................................
12
Лекция 2 Нагрев сопротивлением и дуговой нагрев........................
14
2.1. Схемы нагрева сопротивлением................................................
2.2. Электрическая дуга................................................................
16
2.3. ВАХ дуги постоянного тока.....................................................
18
2.4. Дуга переменного тока............................................................
20
2.5. Схемы дугового нагрева..........................................................
22
Лекция 3. Печи сопротивления.....................................................
23
3.1. Классификация печей сопротивления..........................................
3.2. Нагрев изделий в печи............................................................
24
3.3. Электрический расчет печей сопротивления................................
26
3.4. Проектирование печей сопротивления.......................................
27
3.5. Рациональная эксплуатация электрических печей..........................
29
123

124
3.6. Электрооборудование ЭПС......................................................
31
3.7. ЭПС как потребители энергии...................................................
32
Лекция 4. Дуговые сталеплавильные печи.....................................
33
4.1. Конструкция ДПС прямого действия..........................................
4.2. Технология плавки стали в ДСП................................................
35
4.3. Режим работы ДСП................................................................
4.4. Электрооборудование ДСП......................................................
37
4.5. Оптимальные режимы ДСП......................................................
43
4.6. Влияние ДСП на качество электроэнергии ...................................
45
4.7. ДСП постоянного тока............................................................
52
Лекция 5. Электрические печи с дуговым нагревом и нагревом со-
противлением...........................................................................
54
5.1. Руднотермические печи...........................................................
5.2. Электрошлаковые печи...........................................................
58
5.3. Дуговые вакуумные печи ........................................................
62
Лекция 6. Электросварочные установки .......................................
66
6.1. Сварка давлением..................................................................
6.2. Сварка плавлением.................................................................
70
6.3. Системы электроснабжения сварочных установок.........................
75
Лекция 7. Индукционный и диэлектрический нагрев......................
79
7.1. Физические принципы индукционного нагрева.............................
7.2. Энергетические показатели индукционной установки ....................
85
7.3. Схемы индукционного нагрева..................................................
86
7.4. Физические основы диэлектрического нагрева..............................
87
7.5. Схемы диэлектрического нагрева...............................................
Лекция 8. Индукционные печи и установки....................................
89
8.1. Канальные печи ....................................................................
8.2. Тигельные печи.....................................................................
92
8.3. Индукционные установки.........................................................
96
Лекция 9. Плазменные, ионные и электронно-лучевые установки .....
101
9.1. Плазменные дуговые печи.......................................................
9.2. Высокочастотные ПУ.............................................................
105
9.3. Установки ионного нагрева......................................................
9.4. Электронно-лучевые установки ................................................
106
Лекция 10. Примеры других видов электротехнологий..................... 109
10.1. Основы электрокинетических технологий..................................
10.2. Основы электрохимических технологий....................................
110
10.3. Основы электромеханических технологий ................................. 113
Лекция 11. Электромагнитная совместимость электроустановок......
117
11.1. Влияние электроустановок на качество ЭЭ.................................
11.2. Меры по обеспечению качества ЭЭ..........................................
118
Библиографический список.........................................................
122