ДУГОВАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H05B7/148 H05B7/20 

Изобретение относится к электротермии, в частности к дуговым печам постоянного тока, для плавки металлов, стали, чугуна, алюминиевых сплавов, меди, никеля и других металлов, и может быть использовано также в установках печь-ковш, миксерах и других установках.

Известны дуговые печи постоянного тока, содержащие футерованный корпус со сводом, графитированный электрод, пропущенный через свод, по меньшей мере один подовый электрод, пропущенный через подину корпуса, и источник электропитания, к которому подключены графитированный и подовый электроды [1] К недостаткам печи относится слабая защита ее от шунтирующих дуг, например между шихтой и подовым электродом.

Известна дуговая печь постоянного тока, содержащая корпус, образованный металлической оболочкой с футеровкой, имеющий проем для подачи материалов плавки, расположенный над подиной, и проем для слива металла; свод, установленный над корпусом; водоохлаждаемые узлы, установленные соответственно на металлической оболочке корпуса и на своде; по меньшей мере один графитированный электрод, пропущенный через свод или корпус печи; по крайней мере один подовый электрод, пропущенный через подину; основной электрический изолятор, расположенный между металлической оболочкой корпуса и подовым электродом; токопроводящий элемент, пропущенный через корпус, установленный одним своим торцом на уровне рабочей поверхности подины и взаимодействующий с ней; контур заземления, к которому подключена металлическая оболочка корпуса; источник электропитания, к которому подключены графитированный и подовый электроды; регулятор тока, электрически связанный с источником электропитания; датчик тока, электрически связанный с другим торцом токопроводящего элемента, с контуром заземления и с регулятором тока; дополнительный электрический изолятор, расположенный между металлической оболочкой корпуса и токопроводящим элементом [2]
Недостатки устройства заключаются в том, что контроль шунтирующих дуг, горящих между графитированным электродом и узлами печи, проводится датчиками тока, расположенными между заземляющим контуром и токопроводящим элементом, проходящим через изолятор в оболочке корпуса печи. Этот элемент по условиям теплопроводности и надежности работы выполняется подобным подовым электродам, изготовляемым обычно из высококачественной меди и обладает высокой стоимостью, так как на один подовый электрод расходуют 0,2.0.7 тонн меди. Его установка совместно с дополнительными изоляторами усложняет конструкцию печи и приводит к дополнительным тепловым потерям. К недостаткам также следует отнести отсутствие контроля за электрическим контактом между токопроводящим элементом и шихтой, при отсутствии которого система устранения шунтирующих дуг не работает и шунтирующие дуги прожигают водоохлаждаемые узлы печи. Данная система не защищает также подовые электроды от дуг, которые могут загораться между подовыми электродами и шихтой при их плохом электрическом контакте. Эти недостатки снижают надежность печи, приводят к усложнению ее конструкции, к повышению тепловых потерь и стоимости печи.

В основу изобретения была положена задача создания дуговой печи постоянного тока с надежной защитой от шунтирующих дуг и обеспечивающей высокую надежность ее работы, уменьшение тепловых потерь и стоимости установки.

Это достигается тем, что дуговая печь постоянного тока, содержащая корпус, образованный металлической оболочкой с футеровкой и имеющий проем для подачи материалов плавки, расположенный над подиной, и проем для слива металла, свод, установленный над корпусом, водоохлаждаемые узлы, установленные соответственно на металлической оболочке корпуса и на своде, по меньшей мере один графитированный электрод, пропущенный через свод или корпус печи, по крайней мере один подовый электрод, пропущенный через подину, электрический изолятор, расположенный между металлической оболочкой корпуса и подовым электродом, контур заземления, к которому подключена металлическая оболочка корпуса, источник электропитания, к которому подключены графитированный и подовый электроды, регулятор тока, электрически связанный с источником электропитания, датчик тока, электрически связанный с контуром заземления, подовым электродом и с регулятором тока, отличается тем, что он содержит по меньшей мере одно балластное активное сопротивление, которое совместно с подовым электродом, датчиком тока и контуром заземления образует последовательную цепь.

Печь отличается также тем, что в нее введен блок сравнения, содержащий равное числу подовых электродов число входов, к каждому из которых подсоединен дополнительным выходом соответствующий датчик тока, и равное числу подовых электродов число выходов, каждый из которых подключен к соответствующему регулятору тока.

Настоящее изобретение позволяет отказаться от дополнительного токоведущего элемента, повысить надежность работы печи, уменьшить тепловые потери и стоимость установки.

На фиг. 1 изображена функциональная схема дуговой печи постоянного тока с одним подовым электродом; на фиг. 2 то же, с двумя графитированными и двумя подовыми электродами.

В качестве примера рассмотрена дуговая печь постоянного тока для плавки металлической шихты.

Дуговая печь постоянного тока содержит корпус 1, образованный оболочкой 2 с футеровкой 3. С оболочкой 2 электрически связан контур заземления 4. В стенках 5 и 6 корпуса 1 выполнены соответственно проем 7 для подачи шихты 8 и проем 9 для слива металла. В проеме 7 расположен водоохлаждаемый узел 10. В нижней части корпуса 1 расположена подина 11. Над корпусом 1 установлен свод 12 с водоохлаждаемым сводовым кольцом 13. В отверстии, выполненном в своде 12, установлен водоохлаждаемый экономайзер 14, через который пропущен графитированный электрод 15. Через отверстие в днище 16 корпуса 1 пропущен подовый электрод 17, а между металлической оболочкой 2 корпуса 1 и электродом 17 расположен электрический изолятор 18. Электроды 15 и 17 подключены к источнику электропитания 19. К входу 20 источника 19 подключен регулятор тока 21. Подовый электрод 17 последовательно электрически связан с датчиком тока 22, активным балластным сопротивлением 23 и оболочкой 2. Выход датчика тока 22 связан с входом 24 регулятора тока. На фиг. 1 пунктиром условно показан дуговой разряд 25.

На фиг. 2 показана принципиальная схема дуговой печи постоянного тока, оснащенная двумя подовыми электродами 17, 26. На нем показаны элементы и соединения, представленные на фиг. 1 оболочка 2, графитированный электрод 15, подовый электрод 17, источник электропитания 19, его регулятор 21, датчик тока 22, активное балластное сопротивление 23, контур заземления 4. При наличии второго подового электрода 26 печь оснащается вторым автономным источником электропитания 27 с регулятором 28. Оболочка 2 электрически связанная с контуром заземления 4 и также соединена датчиком тока 29 и активным балластным сопротивлением 30. При наличии на печи двух и более подовых электродов на ней устанавливается блок сравнения 31, количество входов и выходов которого соответствует количеству подовых электродов. Дополнительные выходы датчиков тока 22 и 29 соответственно 32 и 33 соединены с входами блока сравнения 31, соответственно 34 и 35, а выходы блока сравнения 31 соединены с входами 36 и 37 регуляторов тока 21 и 28 соответственно.

Дуговая печь постоянного тока работает следующим образом. При отодвинутом своде 12 корпус 1 дуговой печи загружают шихтой 8 и закрепляют сводовое кольцо 13 на корпусе 1. Затем включают с закрытым регулятором тока 21 источник электропитания 19 и касаются графитированным электродом 15 шихты 8, затем открывают регулятор тока 21, плавно увеличивая ток в образовавшейся цепи. Если ток протекает по цепи источник питания 19 графитированный электрод 15 шихта 8 подовый электрод 17 источник питания 19, а в цепи подовый электрод 17 датчик тока 22 активное балластное сопротивление 23 оболочка 2 контур заземления 4 ток отсутствует, то ток увеличивают до необходимого значения и, отодвигая графитированный электрод 15 от шихты 8, зажигают дугу и ведут плавку.

Из того, что в цепи подовый электрод 17 оболочка 2 появляется ток, следует, что нарушен контакт между подовым электродом 17 и шихтой 8. При этом печь отключается и принимаются меры к восстановлению контакта подовый электрод-шихта. Для повышения надежности проверки контакта перед включением тока шихту 8 и оболочку 2 соединяют друг с другом временной перемычкой, которую после проверки убирают. После устранения разрыва цепи подовый электрод шихта начинают плавку.

В процессе плавки возможны следующие аварийные ситуации:
ухудшение контакта между подовым электродом 17 и шихтой 8 с возникновением дугового разряда между ними. В этом случае из-за естественной электропроводности между шихтой и оболочкой и появлением разности потенциалов между ними в цепи подовый электрод 17 оболочка 2 появляется и увеличивается ток, контролируемый датчиком тока 22. Сигнал с датчика тока приходит на вход 24 регулятора тока 21, посредством которого пропорционально увеличению тока в цепи подовый электрод оболочка, уменьшают ток в цепи силового источника электропитания 19, вплоть до полного его прекращения. После восстановления электрического контакта шихта 8 подовый электрод 17 режим работы печи восстанавливается;
загорание шунтирующей дуги между графитированным электродом 15 и водоохлаждаемыми узлами печи: сводовым кольцом, водоохлаждаемыми панелями стен, свода и др. Все эти элементы электрически связаны с оболочкой 2 контуром заземления 4. При загорании шунтирующей дуги в цепи подовый электрод 17 оболочка 2 также появляется ток, который контролируют датчиком тока 22. При его увеличении с помощью регулятора тока 21 и силового источника 19 уменьшают ток основной дуги вплоть до обрыва шунтирующей дуги, после чего режим печи восстанавливается.

Работа печи с несколькими подовыми электродами поясняется на примере печи с двумя подовыми электродами 17 и 26. После завалки печи и касания графитированным электродом 15 шихты 8 включают один из источников питания и увеличивают ток. В случае отсутствия контакта между подовым электродом, например 17, включенного источника электропитания, например 19, и шихтой 8 от датчика тока 22 поступает сигнал на регулятор тока 21 и на вход 34 блока сравнения 31. На регулятор тока 21 поступает сигнал с датчика тока 22 и с ростом тока в цепи оболочка 2 подовый электрод 17, снижается ток в силовой цепи подового электрода 17. С второго выхода датчика тока 22 сигнал поступает на вход 34 блока сравнения 31. Одновременно на вход 35 блока сравнения 31 поступает сигнал обратной полярности с датчика тока 29, подключенного к второму подовому электроду 26. Это связано с тем, что образуется электрическая цепь источник электропитания 19 графитированный электрод 15 шихта 8 подовый электрод 17 датчик тока 22 балластное сопротивление 23 оболочка 2 датчик тока 29 балластное сопротивление 30 подовый электрод 26 шихта 8. При проверке контура тока, протекающего через подовый электрод 26, и отсутствии его контакта с шихтой, сигнал обратной полярности на блок сравнения поступает с датчика тока 22. Проверку контакта шихты с подовыми электродами ведут, последовательно подавая ток на подовые электроды, отключив предварительно проверяемые ранее. При наличии на входах блока сравнения разнополярных сигналов от датчиков тока с выхода блока сравнения поступает сигнал, оповещающий об отсутствии контакта (на чертеже не указан) на систему сигнализации и отключению источника электропитания на подовом электроде, на котором нарушен контакт. После проверки контакта всех подовых электродов с шихтой включают печь, зажигают дугу и проводят плавку.

При загорании шунтирующих дуг на всех включенных датчиках тока появляются сигналы одинаковой полярности аналогично, как и в случае с одним подовым электродом, уменьшают рабочий ток до погасания шунтирующей дуги, а затем его восстанавливают. С блока сравнения поступает сигнал на включение сигнализации наличия шунтирующей дуги (не показано). При потере контакта любого подового электрода с шихтой или загорании между ними дуги на блок сравнения поступают разнополярные сигналы, как и при проверке контакта между подовыми электродами и шихтой. С выхода блока сравнения 31 в этом случае поступает сигнал на отключение источника электропитания, к которому подключен подовый электрод, потерявший контакт с шихтой, посредством регулятора тока.

Величина активного балластного сопротивления 23 определяется из следующих соображений. Известно [2] что разрушающий металлические конструкции ток шунтирующей дуги равен или выше 160 А. Известно также, что при токе шунтирующего разряда до 7 А шунтирующей дуги не образуется. Было определено, что между шихтой и подовыми электродами при загорании дуги напряжение не превышает 12 В. Таким образом, активное балластное сопротивление должно выдерживать ток 160 А и выше, а его сопротивление должно быть в пределах 0,08 Ом. Следует также отметить, что за нулевой уровень тока можно принимать ток в датчике тока до 7 А, а воздействие регулятора тока должно ограничивать ток в балластном сопротивлении на уровне не выше 160 А. В реальных электрических схемах датчик тока и активное балластное сопротивление можно совмещать, используя в качестве сигнала тока результаты измерения падения напряжения на мерном участке балластного сопротивления.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность работы печи, снизить тепловые потери и стоимость печной установки.

Сущность изобретения: изобретение решает задачу защиты от шунтирующих дуг за счет введения в дуговой печи постоянного тока. Он содержит корпус с установленным в нем сводовым графитированным и подовым электродами, подключенными к источнику питания с регулятором тока и датчиком тока, по крайней мере одно балластное сопротивление, которое совместно с подовым электродом, датчиком тока и контуром заземления образует последовательную цепь. В случае установки в печи нескольких подовых электродов в нее дополнительно введен блок сравнения, к выходам которого подключены соответствующие датчики тока, а выходы к соответствующим регуляторам тока. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ДУГОВАЯ ПЕЧЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА содержащая корпус, образованный металлической оболочкой с футеровкой и имеющий проем для подачи материалов плавки, расположенный над подиной, и проем для слива металла, свод, установленный над корпусом, водоохлаждаемые узлы, установленные соответственно на металлической оболочке корпуса и на своде, по меньшей мере один графитированный электрод, пропущенный через подину, по крайней мере один электрический изолятор, расположенный между металлической оболочкой корпуса и подовым электродом, контур заземления, к которому подключена металлическая оболочка корпуса, источник электропитания, к которому подключены графитированный и подовый электроды, и регулятор тока, электрически связанный с источником электропитания и с выходом датчика тока, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно активное балластное сопротивление, которое совместно с подовым электродом, датчиком тока и контуром заземления образует последовательную цепь. 2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что в нее введен блок сравнения, содержащий равное числу подовых электродов число входов, к каждому из которых подсоединен дополнительным выходом соответствующий датчик тока, и равное числу подовых электродов число выходов, каждый из которых подключен к соответствующему регулятору тока.