СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ Российский патент 2021 года по МПК F27B3/28 H05B7/144 H02J3/18 

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

Предлагаемое изобретение относится к способу регулирования процесса плавки в электродуговой печи и устройству для его осуществления.

Предлагаемое изобретение применимо, в частности, в области электродуговых печей, используемых для плавления металлических материалов.

В предпочтительных вариантах его осуществления, которыми, однако, его применение не ограничивается, предлагаемое изобретение предназначено для трехстадийных электродуговых печей.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

Плавочный цикл электродуговой печи обычно включает следующие рабочие стадии:

- из загрузочных бадей (корзин), разгружающихся сверху, или с транспортеров непрерывной погрузки, подающих металлолом и/или железо прямого восстановления, в печь загружают шихту, обычно это металлолом,

- создают электрическую дугу, для чего электроды опускают по направлению к шихте до тех пор, пока не возникнет плавящая электрическая дуга между концами электродов и шихтой,

- созданной электрической дугой проплавляют колодцы в слое шихты и при этом ее плавление начинает переходить в полное плавление материала,

- формируют плавильную ванну,

- рафинируют расплавленный материал для регулирования температуры ванны и содержания углерода в стали и/или задают желаемый состав стали добавлением химических компонентов,

- выпускают расплавленный материал из печи, возможно, после удаления шлака.

В течение одного плавочного цикла стадии загрузки шихты, создания электрической дуги и проплавления колодцев могут выполняться повторно несколько раз. Например, после первой загрузки шихты в печь и плавления этой загрузки может делаться следующая загрузка и выполняться последующее ее плавление до начала стадии рафинирования расплавленного материала.

В случае плавки с непрерывной загрузкой плавочный цикл отличается от описанного выше и в целом предусматривает выгрузку в печь первой корзины, последующее плавление для получения достаточного уровня жидкого «болота», а затем непрерывную подачу материала для плавки до достижения желаемого количества для выпуска.

На стадии проплавления колодцев поведение электрической дуги между электродами и шихтой очень неустойчиво, но по мере протекания процесса плавления постепенно стабилизируется. Однако в это время происходят неожиданные и внезапные изменения потребляемой мощности, что вредно сказывается на сети электроснабжения и может привести к повреждению устройств, получающих питание от этой сети электроснабжения.

При проплавлении колодцев и в процессе плавления собранный и еще не расплавившийся металлолом может перемкнуть электроды и создать состояние короткого замыкания, что влечет значительное уменьшение активной мощности, необходимой для плавления, и резкое увеличение силы тока в сети электроснабжения.

По мере протекания процесса плавления, при условии что дуга надлежащим образом защищена от твердого материала или от пенистого жидкого материала (шлака), поведение дуги становится все более стабильным, что позволяет увеличить ее длину с увеличением, таким образом, и тепловой мощности, передаваемой шихте, подвергаемой плавлению. Напряжение и длину дуги регулируют в зависимости от протекания процесса плавления и стараясь предотвратить чрезмерный износ футеровки.

Чтобы ограничить нежелательные воздействия на сеть электроснабжения, выполняют быстрое регулирование мощности, подаваемой в печь путем непрерывного регулирования по меньшей мере положения электродов и величин связанных с ними напряжения и силы тока.

В частности, величины связанных с электродами напряжения и силы тока, как и положение электродов, регулируют на каждой стадии процесса плавки.

Положение электродов относительно шихты, подлежащей плавлению, определяет длину электрической дуги; кроме того, поскольку длина дуги является функцией от взаимозависимости между вольт-амперным импедансом, для поддержания дуги и предотвращения ее погасания необходимо увеличивать прикладываемое напряжение, жертвуя на стадии проплавления колодцев активной мощностью в пользу реактивной мощности, понижая таким образом коэффициент мощности. Если же дуга укорачивается, то сила тока возрастает и вместе с этим неконтролируемо увеличивается обеспечиваемая дугой мощность, что может привести к повреждению электродуговой печи или ее свода.

На фиг. 1 графически показаны эталонные или заданные значения электрических параметров, связанных с электродами при питании плавочного цикла с тремя корзинами, то есть, плавочного цикла, в котором предусмотрены загрузка в печь первой корзины шихты, плавление этой шихты, загрузка второй корзины шихты, плавление этой шихты, загрузка третьей корзины шихты и плавление этой шихты, а затем рафинирование всего полученного жидкого материала.

Можно заметить, что такие связанные с электродами электрические параметры, как сила тока, напряжение и мощность, подвержены изменению, в то время как частота остается на протяжении плавочного цикла неизменной, оставаясь той же, что и частота сети электроснабжения.

В первом приближении напряжение дуги при постоянной силе тока пропорционально расстоянию между электродом и шихтой, подлежащей плавлению. При определенном режиме работы, предусматривающем достижение эталонной силы тока дуги, обеспечивается устойчивая дуга, то есть, ток, неизменный во времени, путем регулирования расстояния между электродом и шихтой, подлежащей плавлению, по отношению к характеристической кривой питающего напряжения.

Источник питания известного типа обычно содержит многовыводный трансформатор, то есть, трансформатор, обеспечивающий несколько коэффициентов трансформации, так что можно выбрать требуемый для питания в конкретном случае. Трансформатор преобразует напряжение сети электроснабжения в напряжение, подходящее для питания электродов.

Выбором выводов трансформатора и непрерывным регулированием высоты электродов можно обеспечить следование точкам импеданса/ адмитанса и, следовательно, регулирование напряжения на дуге и длину дуги, чтобы задать мощность плавления.

Однако таким источникам питания известных типов тоже присущ недостаток, связанный с большими колебаниями мгновенной мощности, потребляемой из сети электроснабжения, которые имеют место, в частности, на стадии проплавления колодцев по причине спадания шихты, что становится причиной короткого замыкания, соответствующего сокращению длины дуги до нуля.

На стадии проплавления колодцев при колебаниях потребляемой печью мощности возникают колебания напряжения в сети электроснабжения, вызывая явление так называемого фликкер-шума. Процесс плавки может быть сопряжен с большими флуктуациями силы тока, следовательно, с перепадами напряжения с той же частотой, поэтому чтобы ограничить эффект фликкер-шума, важно удержать дугу в как можно более устойчивом состоянии.

Для создания условий, необходимых для устойчивости дуги, систему рассчитывают, выбирая подходящую величину индуктивного сопротивления, которое должна иметь цепь, чтобы определить частоту питания сети. Общее реактивное сопротивление, надлежащим образом рассчитанное при проектировании, получают суммированием реактивных сопротивлений проводников, трансформатора и возможных дополнительных реактивных элементов.

Упомянутые дополнительные реактивные элементы в системе электропитания электродуговой печи определяют в зависимости от того, какой величины должно достигать реактивное сопротивление. Дополнительные реактивные элементы обеспечивают возможность включаться в управление реактивной мощностью относительно активной мощности (реактивное сопротивление влияет на сдвиг по фазе между током и напряжением в сети, что позволяет регулировать коэффициент мощности), влияя таким образом на устойчивость дуги.

Уровень техники содержит публикацию DE 3035508. Эта публикация относится к системе, в которой в общем виде предусмотрено варьирование частоты питания электродуговой печи с помощью преобразователя.

Одна из задач предлагаемого изобретения состоит в создании усовершенствованного способа электропитания электродуговой печи, повышающего эффективность процесса плавки.

Другая задача предлагаемого изобретения состоит в создании усовершенствованного способа электропитания электродуговой печи, который ослабляет и даже устраняет негативные эффекты колебаний электрической мощности электродуговой печи.

Еще одна задача предлагаемого изобретения состоит в создании усовершенствованного способа электропитания электродуговой печи, который обеспечивает возможность сократить длительность плавочного цикла.

Еще одна задача предлагаемого изобретения состоит в создании простого и экономичного источника электропитания для электродуговой печи.

Еще одна задача предлагаемого изобретения состоит в создании эффективного и обеспечивающего сокращение длительности плавочного цикла источника электропитания для электродуговой печи.

Еще одна задача предлагаемого изобретения состоит в создании источника электропитания для электродуговой печи, который занимал бы мало места, обеспечивая в то же время достижение такой величины реактивного сопротивления, которая обеспечивала бы возможность надлежащего функционирования установки.

Для преодоления недостатков уровня техники и достижения этих и других целей и преимуществ, заявитель разработал, испытал и осуществил предлагаемое изобретение.

Краткое описание предлагаемого изобретения

Предлагаемое изобретение изложено и охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения, в то время как в зависимых пунктах формулы изобретения описаны другие характеристики предлагаемого изобретения или варианты основной изобретательской идеи.

В соответствии с вышеуказанными задачами и целями предлагаемого изобретения предлагаемый способ регулирования процесса плавки в электродуговой печи содержит следующие стадии:

- подачу от сети электроснабжения переменного сетевого напряжения и переменного сетевого тока промышленной частоты,

- преобразование этих сетевого напряжения, сетевого тока и промышленной частоты в переменные базовое напряжение и ток базовой частоты, при этом базовые напряжение и ток задают по выбору, а базовая частота практически равна промышленной частоте,

- выпрямление с помощью выпрямителей базовых напряжения и тока для получения постоянных напряжения и тока,

- преобразование с помощью преобразователей полученных напряжения и тока в переменные питающее напряжение и переменный питающий ток, величины которых задают по выбору с помощью управляющего узла, соединенного с преобразователями,

- подачу питающих напряжения и тока на электроды электродуговой печи.

Согласно одному аспекту осуществления предлагаемого изобретения, на всех стадиях плавочного цикла электродуговой печи управляющий узел содержит регулировочные устройства, выполненные с возможностью регулирования частоты питающих напряжения и тока электродов независимо от промышленной частоты с обеспечением регулирования, возможно, также быстрого регулирования реактивного сопротивления источника питания электродуговой печи.

Возможность регулирования частоты питающих напряжения и тока электродуговой печи позволяет

- повысить устойчивость дуги и, следовательно, передачи мощности во времени,

- ослабить фликкер-шум в сети электроснабжения.

Регулирование частоты питающих напряжения и тока напрямую влияет на величину реактивного сопротивления и, следовательно, коэффициента мощности, с которым осуществляется электропитание электродуговой печи; устойчивость дуги и, следовательно, передачи мощности материалу, подлежащему плавлению тесно связана с этим параметром.

Индуктивное сопротивление может быть определено по следующей формуле:

Xr=2*π*f*L

где

Xr - индуктивное сопротивление (Ом),

f - частота питающих напряжения и тока (Гц),

L - индуктивность (Гн), обычно зависит от размеров и геометрических параметров конструкции индуктивных компонентов.

Из приведенной выше формулы можно видеть, что, чтобы обеспечить одно и то же значение индуктивного сопротивления, при увеличении частоты питающих напряжения и тока нужно уменьшить индуктивность и, следовательно, физические размеры индуктивных компонентов. Индуктивность - это физический параметр, зависящий от различных факторов, таких как материал магнитного сердечника, геометрическая форма, расположение витков и количество катушек. Поэтому при фиксированных геометрической форме и материале сердечника для обеспечения одного и того же значения индуктивного сопротивления повышение частоты и уменьшение индуктивности может повлечь за собой также уменьшение объема. Поэтому такое решение обеспечивает возможность уменьшить габариты источников электропитания.

Кроме того, предметом предлагаемого изобретения является также источник электропитания для электродуговой печи, содержащий следующие компоненты:

- трансформатор, соединенный с сетью электроснабжения для подачи на него переменного сетевого напряжения и переменного сетевого тока и выполненный с возможностью преобразовывать переменное сетевое напряжение и переменный сетевой ток промышленной частоты в переменное базовое напряжение и переменный базовый ток базовой частоты, которая равна промышленной частоте,

- выпрямители, соединенные с трансформатором и выполненные с возможностью преобразовывать переменное базовое напряжение и переменный базовый ток в постоянное напряжение и постоянный ток,

- преобразователи, соединенные с выпрямителями и выполненные с возможностью преобразовывать постоянное напряжение и постоянный ток в переменное питающее напряжение и переменный питающий ток, при этом преобразователи соединены с электродами электродуговой печи и с управляющим узлом, выполненным с возможностью управлять работой преобразователей для регулирования во времени питающего напряжения и питающего тока.

Согласно одному аспекту осуществления предлагаемого изобретения, управляющий узел оснащен регулировочными устройствами, выполненными с возможностью на всех стадиях плавочного цикла регулировать частоту питающего напряжения и питающего тока независимо от промышленной частоты, чтобы в результате обеспечить варьирование реактивного сопротивления источника электропитания.

Краткое описание прилагаемых графических материалов

Описанные выше и другие характеристики предлагаемого изобретения станут понятны из дальнейшего описания некоторых не ограничивающих объем изобретения вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые графические материалы (чертежи).

На фиг. 1 изображен график, отображающий изменение во времени электрических параметров, прикладываемых к электродам в ходе плавочного цикла на уровне техники.

На фиг. 2 изображена схема источника электропитания электродуговой печи согласно предлагаемому изобретению.

На фиг. 3 изображен график, отображающий изменение во времени электрических параметров, прикладываемых к электродам в ходе плавочного цикла согласно предлагаемому изобретению при загрузке шихты из корзин.

На фиг. 4 изображен график, отображающий изменение во времени электрических параметров, прикладываемых к электродам в ходе плавочного цикла согласно предлагаемому изобретению при непрерывной загрузке металлолома.

На фиг. 5 изображен график, отображающий изменение во времени электрических параметров, прикладываемых к электродам в ходе плавочного цикла согласно предлагаемому изобретению при непрерывной загрузке железа прямого восстановления.

Для облегчения понимания для идентификации идентичных общих элементов на чертежах по возможности использованы одни и те же ссылочные обозначения. Должно быть понятно, что элементы и характеристики одного варианта осуществления предлагаемого изобретения могут быть введены в другие варианты без дополнительных пояснений.

Подробное описание некоторых вариантов осуществления предлагаемого изобретения

Предметом предлагаемого изобретения является источник электропитания, в целом обозначенный позицией 10 (фиг. 2) и выполненный с возможностью подавать электропитание для электродуговой печи 11.

Электродуговая печь 11 имеет корпус 12, в который загружают шихту М, подлежащую плавлению.

Загрузка шихты M может осуществляться с помощью корзин, то есть, в прерывистом (дискретном) режиме, как это графически проиллюстрировано на фиг. 3, или же в непрерывном режиме, как это графически проиллюстрировано на фиг. 4 и фиг. 5.

В вариантах, изображенных на фиг. 3 и фиг. 4, шихта M представляет собой металлолом. В варианте, изображенном на фиг. 5, шихта M представляет собой железо прямого восстановления.

Электродуговая печь 11 снабжена также электродами 13 (в варианте, проиллюстрированном на фиг. 2, использовано три электрода 13), выполненными с возможностью создавать электрическую дугу через шихту M и плавить ее.

В некоторых вариантах осуществления предлагаемого изобретения электроды 13 установлены на подвижных держателях 14, выполненных с возможностью по выбору перемещать электроды 13 к шихте M или от нее.

Подвижные держатели 14 могут приводиться в движение с помощью механического, электрического, пневматического или гидравлического приводного устройства, или же с помощью шарнирного механизма, механической кинематики, или же подобных и сравнимых средств или возможных комбинаций средств, перечисленных выше.

Согласно одному из возможных решений, если используется три электрода 13, то каждый из них подсоединяют к соответствующей фазе источника электропитания 10.

В некоторых вариантах осуществления предлагаемого изобретения источник электропитания 10 включает по меньшей мере один трансформатор 15, соединенный с сетью электроснабжения 16, обеспечивающей сетевое переменное напряжение и сетевой переменный ток, и выполненный с возможностью преобразовывать сетевое напряжение и сетевой ток в базовое переменное напряжение и базовый переменный ток.

В объеме предлагаемого изобретения возможно решение, когда сеть электроснабжения 16 является трехфазной.

В вариантах осуществления предлагаемого изобретения сетевое напряжение "Ur" и сетевой ток "Ir" имеют заданную промышленную частоту "fr".

Возможны решения, когда промышленная частота "fr" выбрана равной 50 Гц или 60 Гц, в соответствии с промышленной частотой, используемой в стране, где находится электродуговая печь.

В объеме предлагаемого изобретения возможны решения, когда трансформатор 15 содержит первичный трансформатор 17, имеющий магнитную связь по меньшей мере с одним вторичным трансформатором 18.

В объеме предлагаемого изобретения возможно решение, когда трансформатор 15 содержит совокупность вторичных трансформаторов 18, имеющих магнитную связь с первичным трансформатором 17. Это решение позволяет ослабить влияние искажений на стороне сети электроснабжения, то есть, понизить относительное содержание гармоник и реактивную мощность в сети при комбинации трансформатора 15 и выпрямителя 19.

Базовое напряжение и базовый ток, обеспечиваемые трансформатором 15, обозначенные как "Ub" и "Ib", соответственно, и базовая частота, обозначенная как "fb", заданы проектными параметрами трансформатора 15.

В частности, базовая частота "fb" практически совпадает с частотой "fr" сети электроснабжения, о которой говорилось выше.

Базовое напряжение "Ub" и базовый ток "Ib", напротив, соотносятся с напряжением "Ur" и током "Ir" сети электроснабжения в соответствии с коэффициентом трансформации, обеспечиваемым самим трансформатором 15.

Трансформатор 15, представляющий собой, например, многовыводный трансформатор, может быть оснащен регулировочными устройствами (не показаны), обеспечивающими возможность регулировать коэффициент трансформации трансформатора 15 по выбору в зависимости от конкретных требований.

Предлагаемый источник электропитания 10 содержит совокупность выпрямителей 19, которые соединены с трансформатором 15 и выполнены с возможностью преобразовывать базовое напряжение Ub и базовый ток Ib в постоянные напряжение и ток.

А именно, выпрямители 19 обеспечивают возможность выпрямлять базовые переменные напряжение Ub и ток Ib в соответствующие постоянные напряжения и ток.

Выпрямители 19 могут представлять собой диодные мостики или тиристорные мостики.

Возможно решение, когда выпрямители 19 построены, например, на устройствах, выбранных из следующей группы: диоды, кремниевый управляемый вентиль, запираемый тиристор, интегрированный затвор-коммутируемый тиристор, тиристор, управляемый полупроводником на оксиде металла, биполярный плоскостной транзистор, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, биполярный транзистор с изолированным затвором.

Согласно еще одному аспекту осуществления предлагаемого изобретения, источник электропитания 10 содержит совокупность преобразователей 20, соединенных с выпрямителями 19 и выполненных с возможностью конвертировать постоянные напряжение и ток в переменное питающее напряжение и переменный питающий ток электродов 13.

Возможно решение, когда преобразователи 20 построены, например, на устройствах, выбранных из следующей группы: кремниевый управляемый вентиль, запираемый тиристор, интегрированный затвор-коммутируемый тиристор, тиристор, управляемый полупроводником на оксиде металла, биполярный плоскостной транзистор, полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, биполярный транзистор с изолированным затвором.

Преобразователи 20 соединены с электродами 13 электродуговой печи 11 и с управляющим узлом 21, выполненным с возможностью управлять работой преобразователей 20 и регулировать во времени мощность питания электродов 13 переменным током.

А именно, управляющий узел 21 управляет преобразователями 20 таким образом, что обеспечена возможность по выбору устанавливать параметры этого источника электрической мощности переменного тока.

Согласно одному из аспектов осуществления предлагаемого изобретения, управляющий узел 21 оснащен регулировочными устройствами 22, обеспечивающими возможность регулировать частоту "fa" питающего переменного напряжения и тока и получать одновременное изменение величины реактивного сопротивления цепи питания электродов.

А именно, питающее напряжение Ua и питающий ток Ia могут по выбору регулироваться в зависимости от мощности, требуемой на стадии плавления.

В объеме предлагаемого изобретения возможны решения, когда регулировочные устройства 22 представляют собой, например, гистерезисный модулятор или широтно-импульсный модулятор.

Модуляторы этих типов могут быть использованы для управления полупроводниковыми приборами выпрямителей 19 и преобразователей 20. Должным образом управляемые модуляторы вырабатывают напряжение или ток такой величины, чтобы было обеспечено приведение в действие электродов 13. В частности, модулятор вырабатывает напряжение и ток и посылает команды управления по меньшей мере на выпрямители 19 и преобразователи 20, так что на соединительных зажимах электродов 13 создаются напряжение и ток, требуемые для управления. Необходимые величины напряжения и силы тока являются результатом операций, выполняемых управляющим узлом на основе количественных данных, считываемых процессом и на основе модели процесса.

Согласно предлагаемому изобретению, выпрямители 19 могут быть соединены с преобразователями 20 по меньшей мере через одну промежуточную цепь 23, которая работает на постоянном токе.

Эта промежуточная цепь 23 выполнена с возможностью постоянно хранить электрическую энергию и создавать развязку между электродами 13 и выпрямителями 19 и, следовательно, развязку с электрической сетью 16.

В частности, возникающие в ходе плавки быстрые флуктуации уровня мощности частично отфильтровываются промежуточной цепью 23, что смягчает их воздействие на сторону сети электроснабжения 16.

Управляющий блок 21 может быть также выполнен с возможностью регулирования величин питающего напряжения Ua и питающего тока Ia, вырабатываемых преобразователями 20 и подаваемых на электроды 13.

Вариантами осуществления предлагаемого изобретения предусмотрено решениегсогласно которому управляющий блок 21 соединен также с подвижным держателем 14, чтобы была обеспечена возможность настраивать положение электродов 13 на разных стадиях процесса плавки.

В частности, перемещением подвижного держателя 14 перемещают электроды 13 в соответствии с положением подвергающейся плавлению шихты и тем самым изменяют длину дуги.

При таком решении управляющий узел 21 может управлять по меньшей мере следующими параметрами на конкретных стадиях процесса плавки: питающее напряжение Ua, питающий ток Ia и положение электродов 13. Возможность управления различными параметрами позволяет оптимизировать передачу энергии процессу плавки и в то же время уменьшить воздействия процесса плавки на сеть электроснабжения 16, обусловленные быстрыми флуктуациями мощности на стороне печи.

Возможны решения, когда трансформатор 15, выпрямители 19 и преобразователи 20 вместе образуют силовой модуль 24.

Согласно одному из возможных вариантов осуществления предлагаемого изобретения, источник электропитания 10 оснащен совокупностью силовых модулей 24, соединенных параллельно и подключенных к сети электроснабжения 16 и к электродуговой печи 11.

Комбинация из нескольких силовых модулей 24 позволяет получать источник электропитания 10, расширяемый в соответствии с конкретным размером питаемой электродуговой печи 11.

Возможно решение, когда управляющий узел 21 соединен со всеми силовыми модулями 24 для управления по меньшей мере соответствующими преобразователями 20, чтобы все силовые модули обеспечивали для электродов 13 одну и ту же величину питающего напряжения Ua, силы питающего тока Ia и частоты "fa" источника электрической мощности переменного тока. Такое решение позволяет предотвратить выход из строя всей системы..

Возможно решение, когда источник электропитания 10 содержит элемент индуктивности, выполненный с возможностью обеспечивать желаемое общее сопротивление источника электропитания.

Элемент индуктивности 25 соединен за преобразователями 20 и рассчитан таким образом, чтобы достигалось желаемое общее сопротивление. При таком решении возможно получение общего сопротивления, обеспечиваемого элементом индуктивности 25 и сопротивлением, вносимым проводниками, соединяющими систему с печью.

Индуктивность элемента индуктивности закладывается при проектировании и уже не может быть изменена, как только этот компонент создан.

При неизменной индуктивности изменить величину реактивного сопротивления, вносимого этим компонентом в схему, и достичь тем самым желаемого значения общего сопротивления можно путем изменения частоты (относительно частоты сети электроснабжения, например, 50 Гц).

Согласно одному из возможных решений (фиг. 3-фиг. 5), плавочный цикл включает по меньшей мере одну стадию проплавления колодцев в шихте и стадию плавления.

Согласно возможным вариантам осуществления предлагаемого изобретения (фиг. 3 и фиг. 4), плавочный цикл содержит также стадию рафинирования расплавленного материала.

В частности, на стадии проплавления колодцев электроды 13 придвигают ближе к загруженной твердой шихте М, чтобы создать электрическую дугу и начать плавление шихты М. По мере того, как шихта M постепенно плавится, электроды 13 проникают во все еще твердую часть шихты M для дальнейшего плавления последней. Когда электроды 13 достигают в корпусе 12 некоторого положения, начинается реальное плавление остальной шихты M вокруг электродов 13.

Возможно решение (фиг. 3), когда, прежде чем начать стадию рафинирования, несколько раз повторяют стадию проплавления колодцев и стадию плавления, а между этими стадиями выполняют дополнительную загрузку шихты M в электродуговую печь 11.

Например, в варианте, иллюстрируемом на фиг. 3, предусмотрены загрузка шихты, проплавление в ней колодцев электродами и расплавление шихты. Эту последовательность операций повторяют трижды, всякий раз дополнительно загружая шихту М.

В вариантах, иллюстрируемых на фиг. 4 и фиг. 5, загрузку шихты выполняют практически постоянно, начиная со стадии проплавления колодцев и продолжая до полного заполнения печи в процессе плавления шихты.

В объеме предлагаемого изобретения возможно решение, когда на стадии плавления обеспечена возможность варьировать частоту "fa" питающего напряжения, так что на стадии проплавления колодцев эта частота имеет первую величину f1, а на стадии плавления - вторую величину f2, которая ниже первой величины f1.

Возможно решение, когда на стадии рафинирования (фиг. 3 и фиг. 4) частота "fa" питающего напряжения имеет третью величину f3, которая ниже второй величины f2.

Присвоение отдельных обозначений частотам питающего напряжения здесь означает, что значение частоты питающего напряжения в каждом случае должно быть выше или ниже значения частоты питающего напряжения на предыдущей стадии. Возможно решение, когда первая частота f1 выше, чем частота "fr" сети электропитания.

Возможны такие решения, когда на стадии проплавления колодцев частота питающего напряжения принимает несколько разных значений первой частоты f1, каждое из которых всегда выше, чем частота "fr" сети электропитания.

Возможно такое решение, когда на стадии плавления частота "fa" питающего напряжения принимает несколько разных значений второй частоты f2, каждое из которых ниже значений первой частоты f1.

Возможны такие решения, когда на стадии рафинирования частота "fa" питающего напряжения принимает несколько разных значений третьей частоты f3, каждое из которых ниже значений второй частоты f2.

Можно обеспечить также, чтобы в результате регулирования совокупности значений первой частоты f1, второй частоты f2 и третьей частоты f3 были непрерывно варьируемыми во времени, например, с помощью управляющих устройств с обратной связью.

Возможно такое решение, когда первая частота f1 превышает частоту "fr" сети электроснабжения по меньшей мере на 5%, предпочтительно - по меньшей мере на 10%.

Возможность регулировать частоту, в частности, повышать ее относительно частоты fr сети электроснабжения позволяет увеличивать общее сопротивление и повышать устойчивость дуги на стадии проплавления колодцев.

Возможность регулировать частоту, в частности, понижать ее, позволяет сокращать потери в проводниках, в частности, потери, связанные с поверхностным эффектом, и, следовательно, повышать КПД системы.

Согласно еще одному решению в объеме предлагаемого изобретения, частоту "fa" питающего напряжения на стадии плавления (то есть вторую частоту f2) варьируют в интервале от 90% до 110% от частоты "fr" сети электроснабжения.

На стадии плавления электрическую мощность, подаваемую к электродам 13, увеличивают. С помощью управляющего узла 21 опорные значения питающего напряжения Ua и питающего тока Ia модифицируют таким образом, чтобы повысить активную мощность, так как исходят из предположения, что дуга теперь покрыта и удалена от свода печи, и поэтому нет риска ее повреждения. На этой стадии дуга более устойчива, так как она защищена скрапом или шлаком.

Согласно еще одному решению в объеме предлагаемого изобретения, частоту "fa" питающего напряжения на стадии рафинирования (то есть третью частоту f3) устанавливают в интервале от 30% до 50% от частоты fr сети электроснабжения. Дело в том, что на стадии рафинирования процесс плавки намного более стабилен и требует меньше энергии. Следовательно, с гарантией достаточной стабильности можно понизить частоту, если даже это приведет к уменьшению общего сопротивления.

Поэтому при осуществлении предлагаемого изобретения, как только оператор определит установочные точки электродуговой печи 11 для мощности, напряжения, тока и коэффициента мощности, управляющий узел 21 стремится следовать этим установочным точкам также путем регулирования частоты "fa" питающего напряжения в непрерывном режиме.

Поэтому при осуществлении предлагаемого изобретения регулированием частоты на разных стадиях процесса плавки можно оптимизировать электрические параметры на каждой стадии. Прежде всего, можно ограничить размеры (следовательно, и связанные расходы) элементов индуктивности, используя их на стадии рафинирования наилучшим образом.

С помощью принятой для преобразователей структуры электрических соединений (топологии) можно также защитить сеть электроснабжения от помех в ее работе, (фликкер-шум, гармоники, коэффициент мощности и т.д.), которые могут появиться в ходе плавки, гарантируя в то же время устойчивость дуги на всех стадиях.

Кроме того, возможность изменения частоты питающего напряжения на электродах относительно частоты сети электроснабжения облегчает расчет размеров элементов индуктивности в условиях ограничений по пространству и/или расходам, оптимизирует использование проводников, уменьшая сопротивление, и следовательно, потери в системе.

При одном и том же полном электрическом сопротивлении дуги при повышении частоты возрастает индуктивное сопротивление и эквивалентный коэффициент мощности в отношении нагрузки уменьшается, что повышает устойчивость дуги (это полезно, например, когда металлолом еще не расплавлен и дуга не очень защищена), не допуская ее угасания.

Должно быть понятно, что в отношении описанных выше предлагаемых способа электропитания электродуговой печи 11 и соответствующего устройства (источника электропитания 10) возможны различные модификации и/или дополнения в пределах объема изобретения.

Должно быть понятно также, что хотя предлагаемое изобретение описано на некоторых конкретных примерах, все же, на основе признаков, раскрываемых в прилагаемой формуле изобретения, специалист соответствующего профиля смог бы уверенно создать много эквивалентных форм предлагаемого способа электропитания электродуговой печи 11 и соответствующего устройства (источника электропитания 10), которые попадали бы в объем правовой охраны, обеспечиваемый формулой изобретения.

В прилагаемой формуле изобретения единственным назначением ссылочных обозначений в скобках является облегчение чтения. Их не следует рассматривать как ограничивающий фактор в отношении объема правовой охраны, определяемого конкретными пунктами формулы изобретения.

Изобретение относится к области плавильного производства и может быть использовано для регулирования процесса плавки в электродуговых печах. Способ включает подачу от сети электроснабжения переменных сетевых напряжения и тока промышленной частоты на по меньшей мере один трансформатор, их преобразование в заданные базовые напряжение и ток, имеющие базовую частоту, из которых посредством выпрямителей получают постоянные напряжение и ток. Полученные постоянные напряжение и ток посредством преобразователей преобразуют в переменные питающие напряжение и ток, которые задают с помощью управляющего узла, соединенного с преобразователями, и подают на электроды электродуговой печи, при этом на каждой стадии плавочного цикла печи посредством регулировочных устройств управляющего узла регулируют частоту питающих напряжения и тока независимо от частоты сети электроснабжения с обеспечением регулирования реактивного сопротивления цепи электропитания электродов печи. Изобретение включает также соответствующее устройство для регулирования процесса плавки в электродуговой печи. Использование изобретений позволяет повысить эффективность процесса плавки и сократить длительность плавочного цикла. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ регулирования процесса плавки в электродуговой печи (11), включающий:

- подачу от сети электроснабжения (16) на по меньшей мере один трансформатор (15) переменного сетевого напряжения (Ur) и переменного сетевого тока (Ir) промышленной частоты (fr),

- преобразование упомянутых сетевого напряжения (Ur) и сетевого тока (Ir) в заданные базовое напряжение (Ub) и базовый ток (Ib), имеющие базовую частоту (fb), которая практически равна промышленной частоте (fr),

- выпрямление посредством выпрямителей (19) базового напряжения (Ub) и базового тока (Ib) для получения постоянного напряжения и постоянного тока,

- преобразование полученных постоянного напряжения и постоянного тока посредством преобразователей (20) в переменные питающее напряжение (Ua) и питающий ток (Ia), которые задают с помощью управляющего узла (21), соединенного с преобразователями (20), и

- подачу питающего напряжения (Ua) и питающего тока (Ia) на электроды (13) электродуговой печи (11), при этом

на каждой стадии плавочного цикла электродуговой печи (11) посредством регулировочных устройств (22) упомянутого управляющего узла (21) регулируют частоту (fa) питающего напряжения (Ua) и питающего тока (Ia) независимо от частоты (fr) сети электроснабжения (16) с обеспечением регулирования реактивного сопротивления цепи электропитания электродов (13) электродуговой печи (11).

2. Способ по п. 1, в котором на стадии проплавления колодцев в шихте (М) плавочного цикла частоту (fa) питающего напряжения устанавливают равной по меньшей мере первой частоте (f1), а на стадии плавления шихты (М) плавочного цикла - по меньшей мере второй частоте (f2), которая ниже первой частоты (f1).

3. Способ по п. 2, в котором первое значение (f1) частоты (fa) питающего напряжения устанавливают превышающим значение частоты (fr) сети электроснабжения (16) по меньшей мере на 5%, предпочтительно - на 10%.

4. Способ по любому из пп. 2 или 3, в котором второе значение (f2) частоты (fa) питающего напряжения варьируют в интервале от 90% до 110% значения частоты (fr) сети электроснабжения (16).

5. Способ по любому из пп. 2-4, в котором на стадии рафинирования расплавленного материала плавочного цикла частоту (fa) питающего напряжения устанавливают равной третьей частоте (f3), которая ниже второй частоты (f2).

6. Способ по п. 5, в котором третье значение (f3) частоты (fa) питающего напряжения устанавливают в интервале от 30% до 50% значения частоты (fr) сети электроснабжения (16).

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором в качестве регулировочных устройств (22) используют гистерезисные модуляторы или широтно-импульсные модуляторы.

8. Устройство для регулирования процесса плавки в электродуговой печи (11), содержащее

- трансформатор (15), соединенный с сетью электроснабжения (16), подающей напряжение (Ur) и ток (Ir) промышленной частоты (fr), причем трансформатор (15) выполнен с возможностью преобразования напряжения (Ur) и тока (Ir) сети электроснабжения соответственно в заданные переменное базовое напряжение (Ub) и переменный базовый ток (Ib),

- совокупность выпрямителей (19), соединенных с трансформатором (15) и выполненных с возможностью преобразования переменных базового напряжения (Ub) и базового тока (Ib) в постоянное напряжение и постоянный ток,

- совокупность преобразователей (20), соединенных с выпрямителями (19) и выполненных с возможностью преобразования постоянного напряжения и постоянного тока в переменное питающее напряжение (Ua) и переменный питающий ток (Ia), причем преобразователи (20) выполнены с возможностью соединения с электродами (13) электродуговой печи (11) и связаны с управляющим узлом (21), выполненным с возможностью управления работой преобразователей (20) и регулирования во времени питающего напряжения (Ua) и питающего тока (Ia), при этом

- управляющий узел (21) снабжен регулировочными устройствами (22), выполненными с возможностью на каждой стадии плавочного цикла электродуговой печи (11) регулирования частоты (fa) питающего напряжения (Ua) и питающего тока (Ia) независимо от частоты (fr) сети электроснабжения с обеспечением регулирования реактивного сопротивления цепи электропитания электродов (13) электродуговой печи (11).

9. Устройство по п. 8, в котором трансформатор (15), выпрямители (19) и преобразователи (20) выполнены с образованием по меньшей мере одного силового модуля (24), причем при образовании совокупности нескольких силовых модулей (24) они соединены параллельно друг другу между сетью электроснабжения (16) и электродуговой печью (11).

10. Устройство по п. 9, в котором управляющий узел (21) соединен со всеми силовыми модулями (24) с возможностью управления, по меньшей мере, соответствующими преобразователями (20) с обеспечением всеми модулями для питания электродов (13) одного и того же напряжения (Ua), тока (Ia) и частоты (fa).

11. Устройство по любому из пп. 8-10, в котором управляющий узел (21) выполнен с возможностью соединения с подвижными держателями (14) электродов (13) электродуговой печи (11) с обеспечением регулирования заданного положения электродов (13) по направлению к шихте (М) и от нее на разных стадиях плавочного цикла.

12. Устройство по любому из пп. 8-11, в котором регулировочные устройства (22) выполнены в виде гистерезисных модуляторов или широтно-импульсных модуляторов.