Yêu cầu của máy biến áp lò thông qua các quá trình của công nghệ luyện thép

Yêu cầu của máy biến áp lò thông qua các quá trình của công nghệ luyện thép

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG LỜI NÓI ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hóa đất nước nghành công nghiệp luyện kim đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Hiện tại trên thế giới cũng như ở Việt Nam, trong công nghiệp luyện kim, phương pháp luyện thép bằng lò hồ quang được dùng tương đối phổ biến, thay thế cho các loại lò điện trở truyền thống. Ngành công nghiệp luyện thép ở nước ta đã có từ lâu nhưng đến nay mới thực sự phát phát triển mạnh. Việc luyện thép bằng lò điện chiếm ưu thế rõ rệt do nó có một số ưu điểm mà các lò luyện thép khác không có, dùng lò điện luyện thép nhất là lò hồ quang, nhiệt độ luyện khi hồ quang cháy rất lớn, thép luyện ra có chất lượng cao, bởi khả năng khử tạp chất của nó rất lớn. Lò điện có thể dùng để luyện kim loại màu, kim loại đặc biệt. Dùng lò điện lợi về kinh tế do giá điện năng giảm nhiều nhờ sự phát triển mạnh mẽ của nghành điện lực, đáp ứng mọi nhu cầu sử dụng cho công nghiệp. Các loại lò điện trong ngành luyện kim sử dụng một loại máy biến áp đặc biệt gọi là máy biến áp lò, có hai loại máy biến áp lò là máy biến áp lò dùng cho lò điện trở và máy biến áp lò dùng cho lò hồ quang. Vì phụ tải của lò điện trở thay đổi rất ít, dòng diện cung cấp cho lò tương đối ổn định, hiện tượng ngắn mạch ít xẩy ra nên chế độ làm việc của máy biến áp lò điện trở ít nặng nề hơn lò hồ quang. Do vậy đặc điểm của máy biến áp lò điện trở giống với máy biến áp điện lực thông thường. Máy biến áp dùng cho lò hồ quang có nhiều đặc điểm khác với các loại máy biến áp điện lực thông thường. Trong quá trình làm việc của máy, do đặc điểm của dòng hồ quang là dòng điện trong chất khí, điện áp rơi trên thân hồ quang thấp, dòng điện qua lò hồ quang rất lớn, mặt khác các điện cực của lò cũng thường chạm vào kim loại trong giai đoạn nấu chảy nên hiện tượng ngắn mạch thường xuyên xẩy ra, hiện tượng ngắn mạch này gọi là ngắn mạch làm việc. Vậy trong quá trình làm việc máy biến áp lò thường xuyên phải chịu 1 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG dòng điện ngắn mạch làm việc do đó chế độ làm việc của nó nặng nề hơn các loại máy biến áp khác. Các nhà máy luyện thép sử dụng nhiều loại lò hồ quang có dung tích khác nhau từ vài tấn đến vài chục tấn một mẻ nấu. Với dung tích càng tăng của lò hồ quang đòi hỏi phải có các loại máy biến áp lò có công suất lớn để phù hợp với các loại lò đó. Là một sinh viên của nghành Thiết Bị Điện - Điện Tử, sau khi hoàn thành khóa học em được giao nhiệm vụ thiết kế máy biến áp dùng cho lò hồ quang luyện thép với công suất của máy biến áp là 10.000 KVA. Để thực hiện đồ án này em đã tìm hiểu về yêu cầu của máy biến áp lò thông qua các quá trình của công nghệ luyện thép. Từ các yêu cầu này và các thông số yêu cầu của máy biến áp, việc thiết kế máy biến áp lò được tiến hành dựa trên cơ sở của việc thiết kế máy biến áp điệnlực thông thường, có chú ý đến các yêu cầu đặc biệt đối với các máy biến áp lò. Việc hoàn thành bản đồ án này là nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo, PSG.TS. Phạm Văn Bình cùng sự góp ý chỉ đạo của các thầy cô giáo trong bộ môn. Em xin chân thành cảm ơn! Mặc dù đã hết sức cố gắng để thực hiện tốt bản đồ án này nhưng do khả năng và trình độ có hạn nên bản đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót. Em vô cùng biết ơn sự đóng góp và chỉ đạo quí báu của các thầy cô giao và các bạn đọc. Hà Nội ngày 29/05/2006 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tùng Lâm 2 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN ÁP LÒ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1.1 Khái niệm chung Máy biến áp là một thiết bị biến đổi kiểu cảm ứng có hai hay nhiều dây quấn đứng yên hỗ cảm với nhau, dùng để biến đổi các thông số điện áp và dòng điện xoay chiều nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ. Máy biến áp hai dây quấn có thể bao gồm các máy biến áp một pha hay nhiều pha có hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp không nối với nhau về mặt điện. Năng lượng điện truyền từ dây quấn này sang dây quấn kia là nhờ sự liên hệ với nhau thông qua từ trường trong máy biến áp. Dây quấn của máy biến áp nhận điện năng từ lưới gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn còn lại nhận điện năng từ dây quấn sơ cấp thông qua từ trường trong máy biến áp gọi là dây quấn thứ cấp. Dây quấn này có thể nối vào lưới điện hoặc cung cấp trực tiếp cho tải. Máy biến áp là một thiết bị được sử dụng rất rộng rãi, nhờ các máy biến áp điện năng được mà điện năng được truyền một cách hiệu quả từ nhà máy phát điện đến các hộ tiêu thụ. Để giảm tổn hao trên đường dây trong quá trình truyền tải điện năng đi xa, thì điện áp phải được thay đổi qua nhiều cấp do đó tổng dung lượng của máy biến áp trong hệ thống điện phải lớn hơn 4-6 lần so với công suất của lưới. Các máy biến áp được chế tạo theo những điều kiện kỹ thuật hay những yêu cầu của các hệ thống tiêu chuẩn, thực hiện các chức năng hoàn toàn xác định theo sự biến đổi điện năng. 1.1.2 Các đại lượng định mức Các tham số của máy biến áp bao gồm các đại lượng định mức của máy như sau: 3 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG - Dung lượng định mức: Dung lượng định mức của máy biến áp được hiểu là công suất toàn phần đưa ra từ dây quấn thứ cấp tính bằng KVA hay VA. Trong máy biến áp hai dây quấn dung lượng định mức của hai dây quấn là như nhau và bằng dung lượng định mức của máy biến áp. - Điện áp định mức: Các điện áp dây của mỗi dây quấn ở các đầu dây ra ở chế độ định mức gọi là điện áp định mức của máy biến áp. - Các dòng điện định mức: Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, nó được tính bằng ampe (A) hay kiloampe (kA). Đại lượng này được tính theo dung lượng định mức và điện áp định mức của các dây quấn. I 1đm =S 1đm /U 1đm. 3 I 2đm =S 2đm /U 2đm. 3 - Tần số định mức:Tần số của dòng điện chạy qua MBA gọi là tần số định mức của máy biến áp, ở nước ta đối với các loại máy biến áp thông thường tần số này là 50 Hz. Ngoài ra còn có các thông số về điện áp ngắn mạch và dòng điện không tải. 1.1.3 Cấu tạo của máy biến áp Các máy biến áp thông thường có kết cấu chính gần như nhau bao gồm: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. - Lõi thép Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn. Lõi thép có thể là kiểu trụ, kiểu bọc hoặc kiểu trụ bọc. Lõi thép của máy biến áp được chế tạo sao cho dòng xoáy và từ trễ gây ra tổn hao trong phạm vi cho phép vì vậy nó được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện có từ tính tốt, suất tổn hao thấp, điện trở suất cao và cách điện với nhau. Việc sử dụng các lá thép để ghép lại thành lõi thép làm xuất hiện khe hở không khí trong mạch từ, các khe hở không khí này làm gia tăng một cách 4 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG đáng kể tổn hao không tải của máy biến áp. Để hạn chế tổn hao này người ta giảm khe hở không khí bằng cách ghép xen kẽ các lá thép. - Dây quấn Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường là đồng . Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp người ta chia ra hai loại chính là dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ, ở các máy biến áp lò công suất lớn người ta thường thiết kế cuộn dây xen kẽ để tăng điện kháng cho máy biến áp. - Vỏ máy Vỏ máy gồm hai bộ phận là thùng và nắp thùng. Nó có tác dụng là bảo vệ ruột máy và làm thùng dầu . Ngoài ra máy biến áp còn có các chi tiết cần thiết khác như: Sứ, thiết bị bảo vệ, chuyển mạch… 1.2 GIỚI THIỆU VỀ LÒ HỒ QUANG. Lò hồ quang là loại lò điện sử dụng nhiệt lượng của hồ quang điện làm nguồn nhiệt để nấu chảy kim loại trong quá trình luyện kim. 1.2.1 PHÂN LOẠI LÒ HỒ QUANG. Trong công nghiệp luyện kim có nhiều loại lò hồ quang, tùy theo cách phân loại mà ta có các loại sau. - Lò hồ quang trực tiếp: (hình 1.1) Hồ quang xuất hiện giữa điện cực và bề mặt kim loại cần nấu chảy. Loại này được sử dụng để luyện kim loại có độ nóng chảy cao (thép…). Do điện cực nằm thẳng đứng nên người ta có thể tăng đường kính điện cực (gần như không hạn chế) để tăng công suất lò. Ngoài ra điện cực cũng che một phần bức xạ nhiệt đến thành lò và nắp lò, làm tăng tuổi thọ lò. 5 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 5 N TT NGHIP THIT K MY BIN P Lề H QUANG - Lũ h quang giỏn tip: (Hỡnh 1.2) H quang xut hin gia hai in cc, nhit lng giỏn tip truyn v kim loi cn nu chy. Loi ny c s dng luyn kim loi cú núng chy thp (ng, thic) v thng ch to vi cụng sut khụng quỏ 600 KW. Bc x h quang lm nh hng n tui th ca lũ. Trong thc t khụng tn ti lũ h quang trc tip hay giỏn tip hon ton. -Lũ h quang ni v lũ h quang chỡm: c im lũ luyn thộp v lũ luyn kim loi mu bng lũ in h quang cũn phõn bit loi h quang ni v h quang chỡm. Lũ luyn thộp l loi h quang ni, in ỏp th cp (in ỏp lm vic) ca mỏy bin ỏp lũ nm trong khong 190 ữ 350 vụn, khi mỏy lm vic hay xy ra ngn mch, hn ch dũng in ngn mch ngi ta thng ni tip thờm mt khỏng in, khỏng in ngoi nhim v hn ch dũng in ngn 6 NGUYN TNG LM THIT B IN- IN T 1-K46 3 4 5 1 2 6 7 Hình 1.1 Lò hồ quang trực tiếp: 1. Cửa rót kim loại, 2. Kim loại, 3. Điện cực, 4. Nắp lò 5. Cửa nạp liệu, 6. Tuờng lò, 7. Cơ cấu nghiêng lò . 1 2 3 4 Hình 1.2 Lò hồ quang gián tiếp 1. Điện cực, 2. Kim loại nấu chảy, 3. Cơ cấu quay lò, 4. Hồ quang 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG mạch nó còn giúp ổn định dòng hồ quang (do đặc tính ngoài của máy biến áp lúc đó dốc hơn). Lò luyện kim loại màu là loại hồ quang chìm, điện áp thứ cấp của máy biến áp lò thấp hơn, nằm trong khoảng 50 ÷ 110 vôn, nếu so sánh với máy biến áp lò luyện thép cùng công suất thì dòng điện làm việc (thứ cấp) máy biến áp lò luyện kim màu lớn hơn (do điện áp nhỏ hơn). Do hồ quang cháy chìm, có lớp xỉ bề mặt nên điện trở ngắn mạch của lò hồ quang chìm lớn hơn lò hồ quang nổi vì vậy dòng điện ngắn mạch của lò hồ quang chìm nhỏ hơn so với lò hồ quang nổi, để hạn chế dòng ngắn mạch người ta thường chỉ cần thiết kế máy biến áp có điện áp ngắn mạch U n = 12 ÷ 16% và không cần nối tiếp thêm cuộn kháng bên ngoài. Các loại luyện đá mài, đất đèn… bằng lò hồ quang cũng thuộc lò hồ quang chìm. 1.2.2 CÁC GIAI ĐOẠN LUYỆN MỘT MẺ THÉP. 1.Giai đoạn nạp liệu: Đưa nguyên liệu đã làm sạch vào lò. Máy biến áp chưa làm việc. 2.Giai đoại nung nóng liệu và nấu chảy kim loại. Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 ÷80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm khoảng 50÷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 dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy trì hồ quang, điện cực phải được điều chỉnh gần vào kim loại. Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng bị chạm vào bề mặt 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 máy biến áp lò thường phải làm việc trong điều kiện nặng nề. Đây là đặc điểm nổi bật cần lưu ý khi thiết kế máy biến áp lò và chọn các thiết bị cho lò hồ quang. 7 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG Ngắn mạch làm việc cũng có thể xẩy ra do sụt lở các thành của hố bao quanh đầu điện cực tạo ra trong liệu. Rồi sự nóng chảy của các mẫu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa lúc đó phải hạ điện cực xuống cho chạm kim loại rồi nâng lên để tạo hồ quang. Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn. Mỗi lần xẩy ra ngắn mạch làm việc, công suất hữu ích giảm mạnh và có khi bằng 0 với mức tổn hao cực đại. Thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2÷3 s. Tóm lại giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn, thường từ vài milimet đến 10÷15mm. Trong giai đoạn này cần cung cấp cho lò một công suất lớn nhất. 3.Giai đoạn oxy hóa kim loại : Đây là giai đoạn khử cacbon 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 cacbon gây sôi mạnh kim loại. Công suất nhiệt trong giai đoạn này chủ yếu dùng để bù lại các tổn hao nhiệt và nó bằng khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn 2. Hồ quang cháy ổn định, sự ngắn mạch ít xẩy ra. 4.Giai đoạn tháo xỉ: Sau oxy hóa, xỉ được tháo ra ngoài, giai đoạn này máy biến áp không làm việc. 5.Giai đoạn hoàn nguyên: Giai đoạn này hồ quang chỉ duy trì để giữ nhiệt độ khử bởi oxy, lưu huỳnh…trong thép và chuẩn bị cho thép ra lò. Công suất sử dụng vào cỡ 50% công suất cực đại. Mặt kim loại bằng phẳng ít xẩy ra ngắn mạch trong giai đoạn này. Quá trình một mẻ luyện được biểu diễn trên hình vẽ 1.3, trong đó: Trục t biểu diễn thời gian của các giai đoạn nấu luyện Trục P biểu diễn tỉ số công suất đưa vào lò và công suất cực đại ở giai đoạn 2. 8 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 8 N TT NGHIP THIT K MY BIN P Lề H QUANG P t 1 0,6-0,8 0,5-0,6 1 Nạp liệu Nấu chảy Oxi hoá Tháo xỉ Hoàn nguyên 2 3 4 5 Hình 1.3 Quá trình một mẻ nấu của lò hồ quang 1.3 C IM CA MY BIN P Lề H QUANG. Mỏy bin ỏp lũ l loi mỏy bin ỏp c bit c dựng trong cụng nghip luyn kim. Ph ti ca mỏy bin ỏp lũ l lũ h quang hoc lũ in tr. Lũ in tr l loi lũ in truyn thng, cú cụng sut nu luyn nh, hiu sut thp, ngy nay ớt c s dng v ch yu dựng cho sn xut th cụng vi cụng sut nh. Ph ti ca lũ in tr ớt thay i, nờn mỏy bin ỏp dựng cho lũ in tr thng khụng cú yờu cu v thay i in ỏp, hin tng ngn mch cng ớt xy ra do ú nú lm vic ớt nng n hn lũ h quang. c im ca mỏy bin ỏp lũ in tr ging vi mỏy bin ỏp in lc thụng thng. Mỏy bin ỏp lũ h quang phi lm vic trong cỏc iu kin c bit nng n v in do ú nú cú mt s c im riờng cn lu ý khi thit k phự hp vi cỏc ch lm vic ca lũ h quang. - Mỏy bin ỏp phi cú in ỏp ngn mch ln hn ch dũng ngn mch di (2,5ữ4)I m . i vi lũ luyn thộp, do tng tr ngn mch (in cc - thộp) nh, hn ch dũng ngn mch thng phi ch to thờm khỏng in ni tip vi mỏy bin ỏp khi lũ giai on nu chy, ht giai on ny khỏng in b loi b. - Mỏy bin ỏp phi cú bn c chu lc in ng khi cú ngn mch xy ra. 9 NGUYN TNG LM THIT B IN- IN T 1-K46 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP LÒ HỒ QUANG - Máy biến áp phải được làm mát tốt vì đặt trong nhà, gần lò, nhiều bụi và nóng. - Máy biến áp phải có khả năng điều chỉnh điện áp trong một giới hạn rộng để thích ứng việc điều chỉnh công suất cấp cho lò hồ quang trong từng giai đoạn nấu luyện. Người ta thường điều chỉnh điện áp bằng các biện pháp sau đây: Đổi nối Y-∆ dây quấn sơ cấp Thay đổi số vòng dây của dây quấn sơ cấp (bằng hệ thống chuyển mạch) Dùng biến áp tự ngẫu - Máy biến áp phải được chế tạo lớn hơn máy biến áp điện lực cùng công suất để thích ứng với điều kiện thường xuyên phải làm việc quá tải. - Máy biến áp có dòng làm việc (dòng thứ cấp) rất lớn nên dây quấn thứ cấp của máy thường được phép song song từ nhiều sợi, do đó để thuận tiện cho việc đưa đầu dây thứ cấp lên mặt máy theo kinh nghiệm ta bố trí xen kẽ các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. - Cũng do dòng điện làm việc của máy biến áp rất lớn nên nhằm mục đích giảm dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp, cuộn thứ cấp thường được đấu hình tam giác. - Máy biến áp được chế tạo theo đơn đặt hàng theo từng loại lò, chế tạo đơn chiếc. - Giá thành máy biến áp lò cao hơn giá thành máy biến áp điện lực cùng công suất. 1.4 CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN ÁP LÒ 1.4.1 Kim loại màu -Nếu lò được thiết kế thời gian nấu một mẻ là 24 giờ, thì năng suất một mẻ quan hệ với công suất tiêu thụ theo công thức: B(tấn/mẻ) = 1 2 .cos . . .S k k n A ϕ 10 NGUYỄN TÙNG LÂM THIẾT BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ 1-K46 10 [...]... MY BIN P Lề H QUANG Da vo kt qu ca bng trờn ta thy: Vi cỏc giỏ tr ca ó chn thỡ P0 v i0% u thoó món yờu cu thit k:P0