Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án TBĐ ĐỒ Án Lò Hồ Quang
MỤC LỤC .3 1 Trong nền công nghiệp hiện nay ngành cơ khí luyện kim đóng một vai trò rất quan trọng, là ngành công nghiệp không thể thiếu và sản phẩm của ngành luôn có mặt ở tất cả mọi lĩnh vực. Hiện nay trong công nghiệp luyện kim, phương pháp nấu luyện thép bằng lò hồ quang được dùng phổ biến với ưu điểm là đơn giản dễ tạo ra các loại thép có chất lượng như mong muốn. Qua quá trình học tập vừa qua em được giao đồ án “Nghiên cứu khái quát về truyền động điện điều chỉnh điện cực lò hồ quang.Thiết kế chương trình điều khiển điện cực lò”. Trong quá trình thực hiện đồ án, do kiến thức chưa được hoàn thiện nên đồ án còn nhiều sai sót, em mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để bẩn đồ án này hoàn thiện hơn. 2 Chương 1. Tổng quan truyền động điện điều chỉnh điện cực lò hồ quang 1.1. Giới thiệu chung về lò hồ quang 1.1.1. Khái niệm. Lò hồ quang là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại. 1.1.2. Phân loại. a. Theo dòng điện sử dụng lò hồ quang được chia thành. - Lò hồ quang một chiều. - Lò hồ quang xoay chiều. b. Theo cách cháy của ngọn lửa hồ quang lò hồ quang được chia thành. - Lò nung nóng gián tiếp: Nhiệt của ngọn lửa xảy ra giữa hai điện cực (graphít, than) được dùng để nấu chẩy kim loại (hình 1.a). - Lò nung nóng trực tiếp: Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa điện cực và kim loại dùng để nấu chảy kim loại (hình 1.b). c. Theo đặc điểm chất liệu vào lò. - Lò chất liệu (liệu rắn, kim loại vụn) bên sườn bằng phương pháp thủ công hay máy móc (máy chất liệu, máy trục có máng) qua cửa lò. - Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gần chất liệu. Loại lò này có cơ cấu nâng vòm nóc. 3 (a) Hình I.1 (b) 1.1.3 Kết cấu lò hồ quang. Gồm các bộ phận chính sau. 1. Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt và có cửa lò và miệng rót. 2. Vòm nóc lò có vỏ cách nhiệt. 3. Cơ cấu giữ và dịch chuyển điện cực, truyền động bằng điện hay thuỷ lực. 4. Cơ cấu nghiêng lò, truyền động bằng điện hay thuỷ lực. 5. Phần dẫn điện từ biến áp lò tới lò. Ngoài ra đối với lò hồ quang nạp liệu từ trên cao còn có cơ cấu nâng quay vòm lò, cơ cấu rót kim loại cũng như gầu nạp liệu. Trong các lò hồ quang có nồi lò sâu, kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh có chênh lệch nhiệt độ theo độ cao (khoảng 100°C/m) . Trong điều kiện đó để tăng cường phản ứng của kim loại (với xỉ) và để đảm bảo khả năng nung nóng kim loại trước khi rót cần phải khuấy trộn kim loại lỏng . ở các lò dung lượng nhỏ (dưới 6 T) thì việc khuấy trộn thực hiện bằng tay qua cơ cấu cơ khí. Với lò dung lượng trung bình (12 ÷ 50 T) và đặc biệt lớn (100 T và hơn) thì thực hiện bằng thiết bị khuấy trộn để không những giảm lao động vất vả của thợ nấu mà còn nâng cao được chất lượng kim loại nấu. Thiết bị khuấy trộn kim loại lỏng thường là thiết bị điện từ có nguyên lý làm việc tương tự động cơ không đồng bộ rôto ngắn mạch. Từ trường chạy tạo ra ở lò có đáy phi kim loại nhờ hai cuộn dây (Stato) dòng xoay chiều tần số 0,5 ÷ 1 Hz lệch pha nhau 90°. Do từ trường này mà kim loại có lực điện từ dọc trục lò. Khi đổi nối dòng trong các cuộn dây có thể thay đổi hướng chuyển động của kim loại trong nồi theo hướng ngược lại. 1.1.4. Các thông số quan trọng của lò hồ quang. a. Dung lượng định mức của lò. - Số tấn kim loại lỏng trong một mẻ nấu. b. Công suất định mức của biến áp lò. - ảnh hưởng, quyết định tới thời gian nấu luyện. Nghĩa là tới năng suất lò. 4 1.1.5. Chu trình làm việc của lò hồ quang a. Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại Trong giai đoạn này lò cần công xuất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 ữ 80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm 50 ữ 60% toàn bộ thời gian một chu trình. Để đảm bảo công suất nấu chảy ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định. Khi cháy điện cực bị ăn mòn, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy trì hồ quang điện cực phải được điều chỉnh vào gần kim loại. Lúc đó để xẩy ra hiện tượng điện cực chạm vào kim loại gọi là quá điều chỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc. Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch động lực thường làm việc ở điều kiện nặng nề. Ngắn mạch làm việc cũng có thể gây ra do sụt nở các thành của hố bao quanh đầu điện cực tạo ra ở trong liệu, rồi sự nóng chảy của các mẩu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa. Lúc đó phải tiến hành mồi lại bằng cách hạ điện cực xuống cho chạm kim loại rồi nâng lên tạo hồ quang. Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn. Mỗi lần xảy ra ngắn mạch làm việc công xuất hữu ích giảm mạnh và có khi bằng 0 với tổn hao cực đại. Thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là (2 ÷ 3)s Do vậy giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn, thường thì vài mm đến 10 ÷ 15 mm. Trong giai đoạn này điện áp cấp và công suất ra của máy biến áp lò là lớn nhất. b. Giai đoạn ôxy hoá Đây là giai đoạn khử C của kim loại đến một giới hạn nhất định tuỳ theo yêu cầu công nghệ, khử P và S, khử khí trong gang rồi tinh luyện, sự cháy hoàn toàn của C gây ra sôi mạnh kim loại. ở giai đoạn này công suất nhiệt yêu cầu về cơ bản là để bù lại tổn hao nhiệt và nó bằng khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn một. Hồ quang cũng cần duy trì . 5 c. Giai đoạn hoàn nguyên Trước khi thép ra lò phải qua giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử ôxy, khử sun phua và hợp kim hoá kim loại. Công suất yêu cầu lúc này cỡ 30% so với giai đoạn một. Chế độ năng lượng tương đối ổn định và chiều dài ngọn lửa hồ quang khoảng vài trục mm . c. Giai đoạn phụ Đây là giai đoạn lấy sản phẩm đã nấu luyện, tu sửa làm vệ sinh và chất liệu vào lò. Đồ thị sau là một ví dụ miêu tả quá trình làm việc của lò hồ quang 100T trong các giai đoạn nấu luyện. (Hình:I-2) Trên thực tế hiện nay việc điều chỉnh công suất và nhiệt độ lò hồ quang thường sử dụng các mạch vòng phản hồi dòng áp. Các tín hiệu này được đưa qua các bộ biến đổi và tổng hợp lại đem so sánh với một giá trị đặt của dòng hồ quang. Việc làm này được thực hiện bằng các IC và các thiết bị bán dẫn vì nó cho ta độ tác động nhanh, chính xác, việc tổng hợp tín hiệu dễ dàng. Đối với các lò hồ quang hiện đại, công suất lớn đòi hỏi độ chính xác về nhiệt độ cao có thể sử dụng mạch vòng phản hồi nhiệt độ để giữ cho nhiệt độ lò hồ quang là ổn định. Việc lấy tín hiệu nhiệt độ có thể dùng các senxor hoặc can nhiệt để biến tín hiệu nhiệt độ thành điện áp đem so sánh với tín hiệu đặt, và đưa 6 Hình 1.2 T ( h ) Tu sửa, làm vệ sinh P ( MW ) Nấu chảy 1 2 3 4 0 30 20 10 Tinh luyện Oxy hoá ra mạch khống chế để điều khiển việc nâng hạ điện cực giữ cho nhiệt độ lò hồ quang ổn định. 1.1.6. Sơ đồ mạch động lực Điện áp cung cấp cho lò hồ quang lấy từ trạm biến áp lò. Điện áp vào là 6, 10, 35 hay 100 KV là tuỳ theo công suất lò (Hình 1.3). sơ đồ mạch điện chính của lò hồ quang dung lượng dưới 20 tấn 7 2M C 1M C 3M C V A A A W KW h ĐK - BV A V V MN 2 TI BA L C K 1 TI 1M C C L T U 3, 6,10, 22 kV Hình 1.4: Sơ đồ điện cơ bản của lò hồ quang. Trong sơ đồ có các thiết bị chính sau . + Cầu dao cách ly (CL) dùng để phân cách mạch động lực của lò hồ quang với lưới điện khi cần thiết. + Máy cắt 1MC dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắn mạch sự cố. Nó được chỉnh định sao cho không tác động khi sảy ra khi ngắn mạch làm việc. Máy cắt 1MC cũng dùng để đóng cắt mạch lực dưới tải . + Cuộn kháng K dùng để hạn chế dòng điện khi xảy ra ngắn mạch làm việc và ổn định sự cháy của hồ quang. Khi bắt đầu nấu luyện hay xảy ra ngắn mạch làm việc, khi xảy ra ngắn mạch làm việc thì máy cắt 2MC mở lại để cuộn kháng K tham gia vào mạch để hạn chế dòng ngắn mạch. Khi liệu chảy hết lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng K. ở giai đoạn hoàn nguyên, công suất lò yêu cầu ít hơn thì 2MC lại mở ra để đưa cuộn kháng K vào mạch làm giảm công suất cấp cho lò. Với những lò hồ quang công suất lớn hơn nhiều thì không có cuộn kháng K. Việc ổn định hồ quang, hạn chế dòng ngắn mạch làm việc do các phần tử cảm kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm . + Biến áp lò (BAL) dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp, việc đổi nối cuộn sơ cấp thành hình ∆ hay thực hiện nhờ các máy cắt 3MC, 4MC. Cuộn thứ cấp của biến áp lò nối với các điện cực của lò qua một mạch ngắn (MN) không phân nhánh, không có mối hàn. + Phía sơ cấp biến áp lò có đặt rơle dòng điện cực đại để tác động lên cuộn ngắt máy cắt 1MC, rơle này có duy trì thời gian. Thời gian duy trì này giảm khi bội số quá tải dòng tăng. Nhờ vậy 1MC cắt mạch lực của lò hồ quang chỉ khi có ngắn mạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc kéo dài mà không xử lý được. Với ngắn mạch làm việc trong một thời gian tương đối ngắn 1MC không cắt mạch mà chỉ có tín hiệu đèn và chuông. Phía sơ cấp biến áp lò còn có các dụng cụ đo lường, kiểm tra như : vôn kế, ămpekế, công tơ điện, pha kế… và các thiết bị điều khiển khác. 8 Trong mạch lực đối tượng cần quan tâm nhất là biến áp lò và mạch ngắn “MN” vì nó đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm . Máy biến áp lò Máy biến áp lò biến áp lò dùng cho lò hồ quang phải làm việc trong các điều kiện đặc biệt nặng nề nên nó có đặc điểm sau: - Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấp rất lớn (tới hàng trăm KA). - Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới (2,5 ÷ 4) I đm . - Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các cuộn dây, thanh dẫn khi có ngắn mạch. - Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng. - Phải làm mát tốt vì dòng lớn, hay có ngắn mạch và vì máy biến áp đặt ở nơi kín lại gần lò. Nếu coi rằng trong giai đoạn nấu chảy tổn thất năng lượng trong lò hồ quang, trong biến áp lò và cuộn kháng K được bù trừ bởi năng lượng của phản ứng tỏa nhiệt thì công suất biến áp lò có thể xác định bằng biểu thức: [ ] KVA Kt W S sdnc BAL ϕ cos** = Trong đó: t nc : Thời gian nấu chảy (trừ lúc dừng lò);(h) t nc =(1÷3)h K sd : Hệ số sử dụng công suất biến áp lò trong giai đoạn nấu chảy K sd = (0,8 ÷ 0,9). cosϕ: Hệ số công suất của thiết bị lò hồ quang. W : Năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt trong thời gian nấu chảy và dừng lò giữa hai mẻ nấu (KWh). W= w*G Trong đó: G: Khối lượng kim loại nấu (T). w: Suất chi phí điện năng để nấu chảy [KWh/T]. Suất chi phí điện năng giảm đối với lò có năng lượng lớn, thường : w=(400 ÷ 600)KWh/T. Cuộn thứ cấp máy biến áp lò thường nối ∆ vì dòng ngắn mạch được phân ra 2 pha và như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn. Máy biến 9 áp lò thường làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năng quá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn máy biến áp động lực cùng công suất. Mạch ngắn: (MN) Mạch ngắn hay dây dẫn dòng thứ cấp có dòng điện làm việc rất lớn tới hàng trục thậm chí cả hàng trăm nghìn ampe. Tổn hao công suất ở mạch ngắn: ∆P mn = I 2 mn * R mn Chiếm khoảng 70% toàn bộ tổn hao trong toàn bộ thiết bị lò hồ quang. Do vậy cần phải hạn chế sao cho tổn hao trong mạch này là nhỏ nhất và nó được chế tạo với chiều dài là ngắn nhất. Mạch ngắn được ghép từ các tấm đồng lá thành các thanh mềm để có thể uốn dẻo nên xuống theo các thanh điện cực. Ngoài ra mạch ngắn còn phải đảm bảo sự cân bằng r mn và x mn giữa các pha để có các thông số điện ( công suất, điện áp, dòng) như nhau của các lò hồ quang. Khi 3 pha mạch ngắn phân bố đối xứng thì hỗ cảm giữa 2pha bất kỳ sẽ bằng nhau và sức điện động hỗ cảm bằng 0. Trường hợp nếu khoảng cách giữa các pha không như nhau hỗ cảm giữa các pha sẽ khác nhau. Trong một pha nào đó sẽ xuất hiện sức điện động phụ ngược chiều dòng điện trong pha đó và tạo ra một sụt áp trên điện trở thuần pha đó. Kết quả là pha này như thể tăng điện trở tác dụng, gây ra một tổn hao công suất phụ và công suất hồ quang của pha này sẽ giảm so với pha khác. Đồng thời ở pha khác sức điện động phụ lại cùng chiều với dòng điện của pha, điện trở tác dụng như bị giảm đi và công suất hồ quang pha này sẽ tăng lên. Hiện tượng trên gây ra sự mất đối xứng về điện áp giữa các hồ quang, sự phân bố công suất không đồng đều giữa các pha, giảm hiệu suất lò và với lò có công suất cùng lớn thì sự mất đối xứng điện từ ở mạch ngắn sẽ càng lớn. Để chống lại hiện tượng trên bằng cách phân bố đối xứng về mặt hình học và về mặt điện từ của mạch ngắn và các điện từ đặt ở 3 đỉnh một tam giác đều. Với lò dung lượng lớn dưới 10 T thì mạch ngắn thường được nối theo ∆ . 1.2. Giới thiệu truyền động điện điều chỉnh điện cực lò hồ quang 1.2.1 Yêu cầu với các sơ đồ điều chỉnh điện cực lò hồ quang 10 . điện sử dụng lò hồ quang được chia thành. - Lò hồ quang một chiều. - Lò hồ quang xoay chiều. b. Theo cách cháy của ngọn lửa hồ quang lò hồ quang được chia. điều chỉnh điện cực lò hồ quang 1.1. Giới thiệu chung về lò hồ quang 1.1.1. Khái niệm. Lò hồ quang là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện