Thiết kế hệ thống trang bị điện dịch cực lò hồ quang nấu thép

Việc cung cấp, trang bị trang bị điện cho ngành luyện kim luôn là một vấn đề lớn. Các trang thiết bị luyện kim càng hiện đại thì chất lượng sản phẩm càng cao, đáp ứng được nhu cầu cho các ngành sản xuất khác về chất lượng nguyên liệu. Trong tiến trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, tự động hoá các dây truyền sản xuất đang là một trong những mục tiêu hàng đầu .Nó cho phép nâng cao năng suất, chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động.

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng của nền công nghiệp thếgiới trong những năm gần đây Một mặt chúng ta áp dụng những thành tựu khoahọc kỹ thuật tiến vào sản xuất, một mặt chúng ta nghiên cứu chế tạo đồng thờitiến hành sản xuất các thiết bị cho phù hợp với trình độ vận hành và thực tiễn sảnxuất

Trong sự nghiệp CNH - HĐH đất nước, ngành công nghiệp luyện kim đóngmột vai trò đặc biệt quan trọng Hiện tại ở Việt Nam, trong công nghiệp luyện kimphương pháp luyện thép bằng lò hồ quang được dùng tương đối phổ biến, với ưuđiểm cơ bản là đơn giản, tiện lợi, dễ điều chỉnh để tạo ra mác thép mong muốn

Là một kỹ sư tương lai, em luôn xác định rõ trách nhiệm học tập của mình vềkiến thức và kinh nghiệm để sau này có thể góp phần thúc đẩy sự phát triển nềncông nghiệp nước nhà tiến gần đến các nền công nghiệp tiên tiến của các nướctrên thế giới Sau 5 năm học tập và nghiên cứu tại trường, em được nhận đề tài tốt

nghiệp là " Thiết kế hệ thống trang bị điện dịch cực lò hồ quang nấu thép "

phục vụ cho ngành công nghiệp luyện kim Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu,cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo bộ môn trang bị điện Đến nay

đề tài tốt nghiệp của em đã hoàn thành bao gồm các phần lớn sau:

Chương 1: Giới thiệu về công nghệ của lò điện hồ quang

Chương 2: Trang bị điện cho hệ thống nâng hạ điện cực

Chương 3: Tính chọn thiết bị

Chương 4: Xây dượng đặc tính tĩnh

Chương 5: Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống

Chương 6: Thuyết minh sơ đồ nguyên lý

Do hạn chế thời gian và kiến thức nên trong đề tài không tránh khỏi nhữngthiếu sót, em mong các thầy chỉ bảo và ý kiến của các bạn đồng nghiệp để đề tàiđược hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn đã nhiệttình giúp đõ em hoàn thành đề tài này

 1

I Khái niệm chung và phân loại lò hồ quang

1 Khái niệm:

Lò hồ quang là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cựchoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại Lò điện hồ quang dùng đểnấu thép chất lượng cao

Lò Hồ Quang nung nóng trực tiếp (a) và gián tiếp (b)

Theo đặc điểm chất liệu vào lò:

Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất lượng,loại lò này có cơ cấunâng ván nóc

Lò chất lượng bên sườn bằng phương pháp thủ công hay máy móc qua cửa lò

Theo số tấn thép được luyện (dung lượng định mức của lò) 0,5;1,5;3;5;12; tấn

Theo dung dịch nấu luyện:Lò axit;lò bazơ

Theo tính chất nấu luyện:Lò hồ quang chân không, lò hồ quang plasma;

II- Cấu tạo của lò hồ quang:

* Thiết bị cơ khí lò điện hồ quang:

1 Vỏ lò:

 3

Vỏ lò cần có độ bền cơ học cao, có khả năng chịu tải trọng của kim loại và

áp lực giãn nở khi nung nóng, vỏ lò thường làm bằng thép tấm dày 10 ¸ 30mmbằng cách ghép hay hàn.Trong vỏ lò có xây vật liệu chịu lửa, vỏ thân lò thường códạng hình trụ hình côn hoặc phối hợp trụ côn, đáy vỏ lò có thể là hình cầu, hìnhthang

2 Cửa lò:

Lò gồm hai cửa, cửa ra xỉ và cửa ra thép Cửa lò được đóng mở bằng khínén thuỷ lực hoặc bằng động cơ điện

3 Cặp điện cực:

Trong lò điện cặp điện cực để giữ điện cực và dẫn dòng điện đến điện cực

Nó gồm có các bộ phận: Mặt đầu, cặp lò xo, khí nén và bàn trượt

+ Nghiêng lò bên hông: Loại này có ưu điểm là thiết bị đơn giản gọn gàng,khi mất điện có thể quay bằng tay, tránh được sự bám dính của xỉ và kim loại.+Nghiêng lò đặt dưới đắy: Loại này có ưu điểm là quay lò rất vững chắc,quay êm và đều, có thể tự động điều khiển hoàn toàn Loại này có nhược điểm là

dễ rơi xỉ và kim loại vào động cơ điện Công việc bảo quản thiết bị khó khăn,phức tạp Tất cả các lò có dung tích trung bình và lớn đều có cơ cấu nghiêng lòloại 2

8.Thiết bị cơ khí nâng hạ điện cực:

Bình thường lò điện có 3 điện cực, tương ứng có 3 cơ cấu nâng hạ điện cựccủa 3 pha Khi động cơ quay sẽ làm cho tang quay kéo giây cáp, dây cáp sẽ nânghoặc hạ điện cực lên hoặc xuống

Trong cơ cấu nâng hạ còn có đối trọng, nhờ có đối trọng mà tốc độ lên củađiện cực luôn lớn hơn tốc độ xuống.Tuỳ theo loại lò mà tốc độ lên và xuống củađiện cực cũng khác nhau

Đối với lò lớn: Vlên=1¸1,5 m/p’

Vxuống=0,5 ¸ 0,8 m/p’

Đối với lò nhỏ: Vlên=1,5¸2 m/p’

Vxuống=1,2 ¸ 1,5 m/p’

Có hai loại thiết bị nâng hạ điện cực:

+Loại bàn trượt: Loại này thường dùng thích hợp cho lò có dung tíchnhỏ, vì thiết bị đơn giản, dễ chế tạo nhưng có nhược điểm là do trụ đứng cần cóchiều cao nhất định lên ảnh hưởng đến sự làm việc chung của cần trục trong phânxưởng

+Loại trụ xếp: Loại này dùng thích hợp cho những lò có dung tích lớn, cóthể hạ thấp chiều cao khi cần thiết, kết cấu chắc chắn nhưng phức tạp

Ở đồ án này với lò dung tích 12 tấn dùng thiết bị nâng hạ điện cực kiểu bàntrượt với sự dẫn động bằng động cơ điện

9 Ngoài ra đối với lò hồ quang nạp liệu từ trên cao con có cơ cấu nângquay vòm lò, cơ cấu nạp liệu

Trong các lò hồ quang có nồi lò sâu, kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh cóchênh nhiệt độ theo độ cao (khoảng 1000C/m) trong điều kiện đó để tăng cườngphản ứng của kim loại 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 6T) thì việckhuấy trộn thực hiện bằng tay qua cơ cấu cơ khí.Với lò dung lượng trung bình(12

¸ 50)T và đặc biệt lớn(100T và hơn) thì thực hiện bằng thiết bị khuấy để khôngnhững giảm lao động vất vả của thợ nấu mà còn nâng cao được chất lượng củakim loại nấu Thiết bị khuấy trộn kim loại lỏng thường là thiết bị điện từ cónghuyên lý làm việc tương tự như động cơ không đồng bộ Rôto lồng sóc

10 Cơ cấu làm mát cho lò:

Vì trong quá trình nấu luyện kim loại thì nhiệt độ trong và xung quanh lòđạt rất cao do đó cần phải có thiết bị làm mát để giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọcho lò Làm nguội bằng nước yêu cầu cần có các bộ phận sau:

+ Mặt đầu của cặp điện cực

+ Vành nắp lò

+ Thân vỏ lò và trên lỗ rót thép

Ngoài ra còn cần làm nguội ở các ống mềm, phần dây cáp Hệ thống bơmnước làm mát tuần hoàn được thực hiện bằng một động cơ điện, nước được đi vàotrong ống rồi tới lò

III Chế độ năng lượng điện làm việc của lò hồ quang

Năng suất lò hồ quang và chi phí năng lượng điện cho một tấn thép ở mộtmức độ lớn phụ thuộc vào việc định ra chế độ điện trong quá trình nấu luyện, chế

độ điện hợp lý thì quá trình nấu luyện sẽ kinh tế Chế độ điện hợp lý có liên quanđến chế độ nhiệt hợp lý Trong quá trình nấu luyện chế độ nhiệt ở các thời kỳ khácnhau do đó chế độ điện cũng khác nhau

* Yêu cầu công suất điện trong quá trình nấu luyện

1.Thời kỳ nấu chảy

Trong thời kỳ này yêu cầu công suất điện đưa vào lò cực đại Pmax = (1,25¸1,3) Ptb Ptb : là công suất trung bình, Ptb = 0,7¸ 0,75Pđm

Khi mới cho điện vào lò hồ quang cháy trên mặt liệu rắn gần nắp lò Chonên ở đầu thời kỳ nấu chảy ( 5 ¸ 10)phút nên dùng công suất nhỏ hơn công suấtcực đại, sau khi liệu đã bắt đầu chảy thành 3 hố, mới cho phép tăng dần đến giá trịcực đại Cuối thời kỳ nấu chảy, công suất giảm dần xuống bằng giá trị trung bình

Ô xi hóa

Tu sửa vệ sinh

t(h)

Tuỳ theo phương pháp luyện mà chọn công suất cho lò cao hay thấp Nấuluyện có giai đoạn sôi ở đầu thời kỳ oxy hóa cần tạo xỉ nhiều nên yêu cầu côngsuất điện phải lớn và bằng công suất trung bình Cuối thời kỳ oxy hóa khi đã tạo

xỉ xong yêu cầu công suất điện nhỏ hơn công suất trung bình

3 Thời kỳ hoàn nguyên

Trong thời kỳ này nhiệt độ của kim loại, tường và nắp lò đã cao và tươngđối ổn định, vì vậy công suất điện không lớn lắm nhưng yêu cầu ổn định nghĩa làcông suất nhỏ hơn công suất trung bình

Tuỳ theo phương pháp luyện thép và mác thép mà cần chọn chế độ điện cho

lò trong thời kỳ hoàn nguyên

IV Luyện thép trong lò hồ quang.

A Vật liệu và chuẩn bị nguyên vật liệu cho mẻ luyện:

I Nguyên vật liệu:Nguyên vật liệu chính để sản xuất thép lò điện là sắt thépvụn, phế liệu hợp kim, sắt công nghiệp (sắt mềm), gang luyện, chất tạo sỉ, chấtkhử o xy và hợp kim hoá( phụ gia kim loại) và chất tăng cacbon

1.Sắt thép vụn

- Phế phẩm thép ở các xưởng cơ khí, như phoi bào, phoi tiện

- Phế phẩm từ các xưởng đúc như vật liệu đúc hỏng, thép thừa khi đúc

- Đầu thừa ở các xưởng cán

- Các loại thép vụn hư hỏng khác như công cụ lao động, máy móc bị thải,

vũ khí, đường day hư hỏng

Hiện nay sắt thép vụn thiếu nên cần có cả gang để bổ xung thêm

4 Gang

Gang trong luyện thép lò điện làm nhiệm vụ tăng hàm lượng sắt và hàmlượng cacbon Ngoài ra do gang có nhiệt độ chảy thấp ( 1250 ¸ 13000c) Nên gang

 7

trong lò điện còn làm nhiệm vụ giúp cho các chất khó chảy khác ( thép vụn) trởnên dễ chảy hơn.

5 Chất tạo xỉ

Để tạo xỉ trong lò điện hay dùng các chất tạo xỉ sau

a Đá vôi (CaCO3): Đá vôi cho vào để tạo xỉ có độ kiềm thích hợp nhằmkhử P và S Đá vôi có thể cho vào ở thời kỳ nấu chảy, thời kỳ oxy hóa, và cả thời

kỳ hoàn nguyên, lượng cho vào tuỳ thuộc qúa trình công nghệ Dùng đá vôi có ưuđiểm là độ bền cao, độ ẩm thấp, ít lưu huỳnh

b Vôi: Cũng như đá vôi, vôi cho vào lò để tạo xỉ có độ kiềm thích hợpnhằm khử P và S

c Huỳnh thạch: Trong lò điện có tác dụng giảm nhiệt độ chảy của xỉ có độkiềm cao

d Cát: ở một số nhà máy người ta ít dùng cát với số lượng không lớn lắm

để tạo xỉ hoàn nguyên

e Bột samot: Bột samốt chứa gần 60% SiO2 và 35% Al2O3 Bột samot làmvật liệu tạo xỉ khi luyện thép không gỉ, để làm loãng xỉ manhezit mà nó đượcmang vào khi vá lò

6 Chất oxy hóa:

Mục đích cho các chất oxy hóa vào lò để:

-Tăng lượng oxy trong kim loại, chủ yếu ở thời kỳ nấu chảy và thời kỳ oxyhóa, nhằm mục đích tăng tốc độ khử phôt pho, cacbon, silic và Mangan do đó rútngắn được thời gian oxy hóa các nguyên tố trên

-Tăng sự sôi trong nồi lò kim loại, do đó tạo điều kiện tốt cho việc khử khí(N2, H2 ) và tạp chất được triệt để, ngoài ra sự sôi còn làm cho thành phần và nhiệt

độ kim loại được đồng đều Trong lò điện hay dùng các chất oxy hóa sau.,

a Quặng sắt: Là chất oxy hóa rất quan trọng, vì vậy hầu hết các phươngpháp luyện thép đều dùng quặng sắt làm chất oxy hóa, lượng quặng sắt dùngkhoảng 40¸ 50 kg/ 1tấn thép Yêu cầu đối với quặng sắt phải có hàm lượng oxycao, hàm lượng SiO2 và P2O5 thấp, khi dùng quặng sắt làm chất oxy hóa có ưuđiểm là sắt lắng xâu vào lòng kim và oxy ngay trong lòng kim loại giúp cho kimloại sôi mạnh, dùng quặng sắt rất kinh tế vì nó rất rẻ mà tăng được lượng sắt.Dùng quặng sắt có nhược điểm là lượng xỉ nhiều vì trong quặng sắt ngoài oxit sắt

ra còn có SiO2, Al2O3 và MnO Do đó tốn vôi để tạo xỉ, năng lượng điện lớn,

công nhân làm việc vất vả nhất là khi cào xỉ Đồng thời khi cho quặng vào làmcho nhiệt độ dễ bị giảm.

b Vẩy sắt: Vẩy sắt lấy từ xưởng rèn, xưởng cán, vẩy sắt có ít tạp chất,nhưng có nhược điểm là nhẹ cho vào lò sắt dễ dàng nổi trên mặt xỉ

c Oxy: Oxy được thổi vào lò ở thời kỳ nấu chảy hoặc có khi cả thời kỳ oxyhóa với lưu lượng 20 m3/ h, áp suất 9¸ 12 at, độ nguyên chất 99,8%

7.Chất khử oxy: Trong lò điện để khử oxy còn lại trong kim loại lỏng khửcác tạp chất có hại như S và P đồng thời hợp kim hoá thép người ta dùng các chấtFerô - mangan, Ferô -Silic, nhôm

8 Chất tăng cacbon: Để tăng cacbon người ta dùng vụn điện cực và cốc đểkhử oxy của xỉ dùng bột cốc, bồ hóng, than gỗ Vật tăng cacbon rất tốt là bột điệncực vì nó chứa ít S, có trọng lượng riêng tương đối lớn vì vậy dễ hoà tan với kimloại

II Chuẩn bị nguyên vật liệu mẻ luyện:

Tất cả nguyên liệu được tập kết ở bãi liệu sau đó đem cắt gọn, vệ sinh rồivận chuyển vào phân xưởng luyện thép

* Chuẩn bị quá trình luyện:

Quá trình luyện có thể chia làm các giai đoạn sau: Vá lò, chât liệu ( chính),nấu chảy kim loại (chính), khử phốt pho, sôi và nung kim loại, cào xỉ oxy hóa,tăng cacbon, khử oxy, khử lưu huỳnh, điều chỉnh thành phần hoá học Một sốtrong các giai đoạn trên có thể tiến hành song song Giai đoạn khử phốt pho, sôi

và nung kim loai, cào xỉ oxy hóa thuộc về thời kỳ oxy hóa, còn giai đoạn tăngcacbon khử oxy, khử lưu huỳnh, điều chỉnh thành phần hoá học thuộc về thời kỳhoàn nguyên

1 Vá lò:

- Sau khi rót thép song, đáy lò và tường lò bị lồi lõm do kim loại và xỉ bàomòn không đều trong quá trình nấu luyện, chỗ bị bào mòn nhiều thì bị lõmxuống, chỗ bị thép và xỉ bám dính do rót không hết thì lồi lên Do đó tường lò,đáy lò chóng bị hỏng Mặt khác những chỗ lồi lõm đó sẽ cản trở cho qua trình rótthép ra ở mẻ sau Để đảm bảo tuổi thọ đáy lò và tường lò cao, chất lượng thép tốt,trước khi bứơc vào luyện mẻ sau phải thực hiện vá lò

2 Những yêu cầu khi vá lò:

 9

- Thời gian vá lò ngắn nhất để giảm tổn thất nhiệt và rút ngắn thời gianluyện Thời gian vá lò từ 7¸ 15’ tùy theo dung lượng lò

- Vật liệu vá lò không ảnh hưởng đến thành phần của thép luyện trong lò,vật liệu vá lò hay dùng là bột manhezit, bột đôlômit

-Phương pháp vá lò là bằng tay (vá thủ công) được ứng dụng với các lònhỏ, hoặc vá lò bằng máy được ứng dụng với các lò lớn

3 Chất liệu

Kỹ thuật chất liệu có ảnh hưởng quyết định đến quá trình nấu chảy, sự cháy

hồ quang và tuổi thọ lò Nếu chất liệu tốt thì quá trình nấu chảy sẽ nhanh hồquang cháy đều và ổn định, năng suất lò tăng, tuổi thọ lò cao Tuỳ theo phươngpháp chất liệu mà thời gian chất liệu cũng khác nhau Đối với lò lớn thời gian chấtliệu trong khoảng 15¸ 20’ và lò nhỏ 10 ¸ 15’ khi chất liệu bằng máy thì thời gianchất liệu giảm xuống 5¸ 10’, đặc biệt chất liệu bằng thùng từ trên suống thì thờigian chất liệu rút ngắn chỉ 3¸ 5’

a Nguyên tắc chất liệu và thứ tự chất liệu Khi chất liệu vào lò cần dựa trênnguyên tắc sau:

- Nguyên liệu khó chảy, có kích thước lớn thì chất ở vùng dưới 3 điện cực,

vì đấy có nhiệt độ cao nhất (19000 ¸ 20000 ) Liệu mỏng, bé, nhẹ rễ chảy, dễ bayhơi thì chất ở vùng hông lò (xa 3 điện cực) Chất như vậy liệu sẽ cháy đều vànhanh, hồ quang cháy mạnh, đều và ổn định tổn thất nhiệt ít

- Người ta chất một lớp liệu nhỏ vụn và vôi xuống đáy lò nhằm mục đíchtạo ra một lớp đệm dưới đáy lò, để hạn chế sự va chạm của những cục liệu lớnvào đáy lò khi chất liệu, nhất là khi chất liệu bằng thùng từ trên suống Mặt kháclớp đệm đó sẽ ngăn cản tia hồ quang xiên sâu suống đáy lò làm hư hỏng lò

b Phương pháp cho chất liệu vào lò:

Có 3 phương pháp chất liệu vào lò hồ quang như sau

- Phương pháp chất liệu bằng tay: Dùng cho lò nhỏ nó có ưu điểm là đơngiản, chất đều và có nhược điểm là liệu chất không được đầy lò, thời gian chấtliệu lâu, thao tác chất liệu vất vả

- Phương pháp chất liệu bằng máy qua cửa lò: Dùng cho lò trung bình vàlớn nó có ưu điểm là năng suất chất cao, chất được đầy lò, nhưng có nhược điểm

là chất không đều, máy chất liệu chạm vào cửa lò và tường lò làm hỏng chúng

- Phương pháp chất liệu bằng thùng từ trên suống: Dùng cho lò trung bình

và đặc biệt là thích hợp cho lò lớn Năng suất chất rất cao, chất đều và đầy lò, chấtliệu rất an toàn Nhưng chất liệu bằng pháp này rất phức tạp cần nhiều thiết bịkhác hỗ trợ như quay nắp lò, cầu trục Ngoài ra chất bằng thùng từ trên xuống dễlàm hỏng tường và đáy lò khi liệu va vào lò

* Quá trình nấu luyện:

Sau khi đã thực hiện song quá trình chất liệu thì thực hiện thao tác đóngđiện cho lò Quá trình nhiệt trong lò diễn ra như sau:

a.Thời kì nấu chảy:

-Thời kỳ nấu chảy là thời kỳ rất quan trọng quyết định năng suất của lò vìđây là thời kỳ dài nhất Nhiệm vụ chủ yếu của thời kỳ này là biến liệu rắn trong lòthành lỏng để dễ dàng oxy hóa các tạp chất và oxy hóa một phần các tạp chất

-Thời gian nấu chảy phụ thuộc vào bản chất nguyên liệu, công suất máybiến thế và vào dung lượng lò Đối với lò nhỏ thời gian nấu chảy là 1 giờ 15 phútđến 1giờ 45 phút Đối với lò lớn từ 1 giờ 30 phút đến 2 giờ 45 phút Sau khi chấtliệu vào lò xong, bắt đầu đóng cầu dao cấp điện vào lò Các điện cực từ từ hạxuống gần liệu rắn, ở vùng dưới 3 điện cực dần dần chảy lỏng và hình thành 3 hốsâu Do đó điện cực lại tiếp tục hạ xuống dần dần và làm chảy tiếp những phầnliệu gần điện cực làm cho 3 hố sâu đó dần dần rộng và sâu hơn

Sau 30 phút điện cực đã xuống đến vị trí thấp nhất ( vị trí này được xácđịnh bởi kim loại lỏng chứa trong lò) và coi như dừng lại cách mặt kim loại lỏngmột khoảng nhất định, khoảng cách này phụ thuộc vào điện thế thứ cấp máy biếnáp

Hình 5-1: Quá trình nấu luyện

Hố kim loại bây giờ rộng dần do kim loại xung quanh điện cực lần lượt nóng chảy, do đó mặt kim loại lỏng dâng cao dần và điện cực có xu hướng đi lên

 11

theo mức dâng của kim loại lỏng Sau gần hai giờ thì không có nó nữa mà kim loại rắn hầu như hoàn toàn biến thành kim loại lỏng.

Trong thời kỳ nấu chảy thường xảy ra một số hiện tượng sau:

* Lúc đầu hồ quang cháy trên mặt liệu rắn nên phát ra tiếng kêu Tiếng kêu

đó phụ thuộc vào điện thế thứ cấp máy biến áp và vào tính chất của liệu trong lò

* Ngọn lửa lộ ra khỏi nắp lò và cửa lò dài và có màu nâu sẫm ( do cháy sắt

và khói) sau đó lửa chuyển sang màu nâu nhạt ( do cháy Si, Mn, P ) rồi chuyểndần màu trắng đục và trắng ( do có C cháy)

* Sau gần 2 giờ thì toàn bộ kim loại nhỏ và trung bình đã cháy song còn lạimột ít liệu lớn chưa chảy hết nằm ở hai bên hông lò Người ta thực hiện khuấytrộn kim loại để làm mất vùng ‘chết’( liệu chưa chảy ) trong lò và làm cho nhiệt

độ, thành phần kim loại được đồng đều

* Cuối thời kỳ nấu chảy thường thấy xỉ trào lên cửa lò, điều đó trứng tỏ xỉhình thành tốt và với số lượng lớn Lúc này nếu xỉ không chảy ra khỏi lò thì cóthể nhìn bằng mắt qua cửa lò để phán đoán tình hình xỉ tốt hay sấu rồi quyết địnhcho thêm chất tạo xỉ hoặc cào xỉ và tạo xỉ mới

* Thời kỳ nấu chảy là thời kỳ hồ quang cháy bất ổn định nhất, vì vậy vấn

đề điều chỉnh diện thế hồ quang ở thời kỳ này là rất quan trong và cần thiết Nhiệt

độ kim loại cuối thời kỳ nấu chảy khoảng 14800¸ 15200.

b Thời kỳ oxy hóa:

- Tiếp theo thời kỳ nấu chảy là đến thời kỳ oxy hóa, đến thời kỳ này cónhiệm vụ làm giảm hàm lượng P trong kim loại đến nhỏ hơn 0,015%, giảm hàmlượng hiđrô các tạp chất phi kim, tạo môi trường oxy hóa mạnh và nâng nhiệt độkim loại cao hơn nhiệt độ ra thép Đồng thời sảy ra quá trình oxy hóa C , Mn, Si,

Cr và các nguyên tố khác

- Sau khi lấy mẫu kim loại đầu tiên người ta cào xỉ (không cắt điện) với sốlượng 60 ¸ 70 % tổng lượng xỉ có trong lò hay lớn hơn nữa tuỳ theo yêu cầu củamác thép Trong xỉ lần đầu này chứa rất nhiều P bị oxy hóa từ thời kỳ nấu chảy

Để cào xỉ người ta nghiêng lò về phía của xỉ 1 góc 10 ¸ 120

- Sau khi cào xỉ song, chất thêm vôi vào lò với số lượng (1¸ 5)% so vớitrọng lượng mẻ nấu và một ít huỳnh thạch, samot để tạo xỉ Do phản ứng khửcacbon mà trong nồi lò sinh ra sự sôi rất mãnh liệt làm cho xỉ dâng lên và tự chảyqua cửa lò Đến cuối thời kỳ oxy hóa ( hàm lượng C trong kim loại nhỏ hơn hàm

lượng C quy định của mác thép 0,02 ¸ 0,03% Nhiệt độ kim loại cao hơn nhiệt độ

ra thép một ít ) người ta tiến hành cào xỉ oxy hóa Để nhệt độ kim loại không bịgiảm nhiều, đầu tiên người ta cào xỉ nhưng không cắt điện, sau đó nâng điện cựclên rồi cào nhanh cho hết tất cả xỉ còn lại Điều này rất quan trọng, vì nếu khôngtrong thời kỳ hoàn nguyên P từ xỉ còn lại sẽ bị hoàn nguyên hoàn toàn và chuyểnvào kim loại

Nếu xỉ quá lỏng trước khi cào xỉ có thể cho thêm một ít vôi

* Các phản ứng oxy hóa như sau

oxy hóa sắt: Fe+1/2O2 = FeO

FeO3+Fe = 3FeO

Fe2O4+Fe = 4FeO5FeO+2P = P2O5+5Fe

Tóm lại có thể nói rằng thời kỳ oxy hóa là quan trọng vì vậy không thểthiếu được khi luyện bất kỳ loại thép nào trong lò điện từ nguyên vật liệu khôngbình thường, đặc biệt ở các nhà máy chúng ta mẻ luyện nhiều gang ( 40¸ 60%),

do đó thời kỳ oxy hóa là tối cần thiết

c Thời kỳ hoàn nguyên:

Thời kỳ hoàn nguyên tiếp sau thời kỳ oxy hóa Nhiệm vụ của thời kỳ hoànnguyên là:

- Khử oxy ra khỏi kim loại

-Tạo xỉ khử oxy tốt, độ kiềm cao, tính chảy lỏng tốt để gia công kim loại

- Hợp kim hóa thép, sau khi cào xỉ oxy hóa xong, bắt đầu hạ công suất điệnđến mức thấp hơn, vì trong thời kỳ hoàn nguyên nhiệt độ kim loại đã cao, yêu cầu

hồ quang cháy êm và tỏa khắp mặt kim loại để tạo điều kiện thuận lợi cho viêckhử S và O2 Môi trường lò điện ở thời kỳ này là môi trường hoàn nguyên, đó làmột điểm khác cơ bản đối với các loại lò luyện thép như lò chuyển, lò máctanh

 13

Để đảm bảo hiệu suất khử oxy tốt và tiết kiệm chất khử oxy, trong quátrình khử nên lần lượt cho và lò từ chất khử yếu đến chất khử mạnh Thườngthường đầu tiên cho ferômangan để khử oxy sơ bộ sau cho ferôsilic hoặc bộthuỳnh thạch và cuối cùng cho nhôm vào để khử triệt để O2 Khử oxy là một khâuquan trọng trong quá trình hoàn nguyên và tăng sự có mặt của oxy trong thép sẽlàm giảm cơ tính của thép làm tăng tác dụng sấu của lưu huỳnh gây ra thiên tính.Trong quá trình đúc, oxy tác dụng với cacbon tạo ra các bọt khí C0 nằm trongthép làm giảm chất luợng của thép vì vậy trong bất kỳ quá trình luyện nào cũngkhông được bỏ qua nhiệm vụ khử oxy

Những phản ứng oxy hóa khử sảy ra như sau

FeO + C = Fe + CO2FeO + Si = 2Fe + SiOFeO + Mn = MnO + Fe2Al + 3FeO = Al2O3

Có 3 phương pháp khử oxy chủ yếu là khử Iâng, khử khuếch tán và khửphức hợp Kết thúc thời kỳ hoàn nguyên cũng chính là lúc kết thúc quá trìnhluyện thép, chuẩn bị thực hiện rót thép và đúc thép

I Điện cực :

1 Khái niệm :

Dòng điện đi vào khoảng không nóng chảy của lò hồ quang theo các điệncực Nhờ điện cực mà điện năng biến thành nhiệt năng nấu chảy kim loại, do đóchất lượng của điện cực và phương pháp dẫn dòng điện đến nó có ý nghĩa lớn.Giá thành điện cực chiếm 10% chi phí nấu luyện một tấn thép

2.Trong lò hồ quang hay dùng 2 loại điện cực: Điện cực than và điện cựcgrafit Điện cực than dùng cho lò lớn

Trong quá trình làm việc điện cực thường bị mòn do bị oxy hóa bởi khí lò

và bay hơi do sự cháy của hồ quang do đó điện cực ngắn dần nên cần phải nốiđiện cực bằng ren

3 Yêu cầu đối với điện cực

- Độ dẫn điện và độ bền cơ học phải cao, để giảm tổn thất năng lượng điện

và hạn chế sự hư hỏng của điện cực khi làm việc

- Nhiệt độ bắt đầu bị oxy hóa ở không khí phải cao để giảm chi phí điệncực do bị oxy hóa và tăng chất lượng của thép

- Tạp chất có trong điện cực phải ít, nhất là tro và lưu huỳnh.

- Giá thành thấp và dễ sản xuất

4 Kích thước của điện cực

- Đối với lò nhỏ đường kính điện cực = 200 ¸ 300mm

- Đối với lò trung bình đường kính điện cực = 400 ¸ 500mm

- Đối với lò lớn đường kính điện cực = 500 ¸ 600mm

- Chiều dài của điện cực phụ thuộc vào chiều cao của lò Đường kính củađiện cực được xác định theo công thức sau:

d =

k

I  406 ,

cm

II Hồ quang điện.

1 Thí ngiệm của Menpor về hồ quang.

Năm 1803 giáo sư vật lí Menpor đã làm thí nghiệm như sau: Nối 2 điện cựcvới nguồn điện, sau đó cho 2 điện cực chạm vào nhau thoạt tiên sinh ra hiện tượngchập mạch, 2 đầu điện cực được nung nóng đến nhiệt độ rất cao(35000 ¸45000)C Khi tách 2 điện cực ra sẽ có hiện tượng phóng điện, đồng thời vùngkhông khí xung quanh bị ion hóa và cho dòng điện hồ quang đi qua Người ta thấyrằng dòng điện hồ quang phụ thuộc rất nhiều yếu tố như: Nguồn điện cung cấp,bản chất vật liệu làm điện cực, môi trường không khí

2 Hiệu điện thế hồ quang

Người ta thấy rằng điện thế hồ quang tỷ lệ với hiệu điện thế giữa 2 điện cực

và chiều dài vùng hồ quang Nhiệt độ hồ quang tỷ lệ thuận với hồ quang khi hồquang cháy

3 Yêu cầu và tính chất của hồ quang trong lò điện

hồ quang bị gián đoạn

 15

- Sự thay đổi của hồ quang: Trong quá trình nấu luyện khoảng cách giữađiện cực và bề mặt kim loại luôn thay đổi do đó làm cho hồ quang thay đổi theo.

III Thiết bị lò hồ quang:

Trong phân xưởng luyện thép lò điện thường có một biến thế riêng có điện

áp vào là 6, 10, 35kv tuỳ theo công suất của lò mà điện thế của lò 100 ¸ 600V vàcường độ dòng điện có thể lên tới 10KA

1.Máy biến thế lò

Để chuyển năng lượng từ điện thế cao sang điện thế làm việc người ta dùngbiến thế lò Máy biến thế của lò làm việc trong điều kiện rất nặng nề nên nó cóđặc điểm sau:

- Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấprất lớn (tới hàng trăm KA)

- Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới (2,5 ¸ 4)Iđm

- Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các cuộndây, thanh dẫn khi có ngắn mạch

Sơ đồ thiết bị của mạch lực như hình vẽ:

v

w TU

- Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng.

- Có khả năng quá tải

- Phải làm mát tốt vì dòng rất lớn, hay xẩy ra ngắn mạch, biến thế đặt ở nơikín lại ở gần lò

Công suất biến thế lò có thể xác định gần đúng từ điều kiện nhiệt trong giaiđoạn nấu chảy vì ở các giai đoạn khác, lò đòi hỏi công suất tiêu thụ ít hơn

Nếu coi rằng trong giai đoạn nấu chảy, tổn thất năng lượng nấu chảy trong

lò hồ quang, trong biến thế lò và cuộn kháng L được bù trừ bởi năng lượng củaphản ứng toả nhiệt thì công suất biến thế lò có thể xác định bởi biểu thức sau:

SBTL = Tnc .Ksd W.cos (KVA)

Trong đó: Tnc là thời gian nấu chảy (từ lúc dừng lò, giờ)

Ksd là hệ số sử dụng công suất biến thế lò trong giai đoạn nấu chảy

 17

cos là hệ số công suất của thiết bị lò hồ quang.

W là năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt trong thời kỳ nấu chảy và dừng lògiữa 2 mẻ nấu (KWh) W = w.G

G là khối lượng kim loại nấu (T)

w là suất chi phí điện năng để nấu chảy (KWh/T), suất chi phí điện nănggiảm đối với lò có dung lượng lớn, thường w = (400 ¸ 600KWh/T)

Thời gian nấu chảy được tính từ lúc cho lò làm việc sau khi chất liệu chođến khi kết thúc việc nấu chảy Thường thì thời gian này từ 1 ¸ 3h tuỳ theo dunglượng của lò

Hệ số sử dụng công suất biến thế lò thường là 0,8 ¸ 0,9 gây ra do sử dụngkhông đầy đủ công suất biến thế lò, do biến động các thông số của lò, do hệ số tựđộng điều chỉnh không hoàn hảo, do không đối xứng giữa 3 pha Hiện nay côngsuất biến thế lò ngày càng tăng vì nó cho phép giảm thời gian nấu chảy, giảm suấtchi phí do hạ tổn hao nhiệt Năng suất của lò phụ thuộc vào dung lượng biến thế

lò, giá trị công suất danh nghĩa (dung lượng biến thế ) lò của lò điện hồ quangtheo GOCT 7206-54 như sau:

Dung lượng định mức của lò (T): 0,5; 1,5; 3; 5; 10; 20; 40

Công suất danh nghĩa biến thế(KVA): 400; 100; 1800; 2800; 5000; 9000;15000

Quận thứ cấp biến thế lò thường được nối tam giác vì dòng ngắn mạchđược phân ra 2 pha và như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn.Biến thế lò thường phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năngquá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn các máy biến thế động lực cùng côngsuất

2.Thiết bị đóng cắt đo lường và bảo vệ:

a Thiết bị đóng cắt

Cầu dao cách li CL dùng phân cách mạch động lực của lò với lưới khi cầnthiết, chẳng hạn lúc sửa chữa.Máy cắt 1MC dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắnmạch sự cố Nó được chỉnh định để không tác động khi ngắn mạch làm việc Máycắt 1 MC cũng dùng để đóng và cắt mạch lực dưới tải, máy cắt 2MC để đóng vàcắt cuộn kháng, 3MC và 4MC dùng để thay đổi nối cuộn sơ cấp MBA để điềuchỉnh điện áp

b Thiết bị đo lường và bảo vệ

Để lấy tín hiệu từ lưới người ta dùng biến dòng 1TI,,biếnáp Tu Phía sơ cấpBAL có đặt Rơle dòng điện cực đại để tác động lên cuận cắt máy cắt 1MC Rơlenày 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 khingắn mạch làm việc kéo dài mà không xử lí được Với ngắn mạch làm việc trong

1 thời gian tương đối ngắn, 1MC không cắt mạch mà chỉ có tín hiệu đèn vàchuông Phía sơ cấp BAL còn có các dụng cụ đo lường, kiểm tra như: vôn kế,ampe kế, công tơ điện

Phía thứ cấp cũng có các máy biến dòng 2TI nối với các ampe kế do dòng

hồ quang, cuộn dòng điện của bộ điều chỉnh tự động và Rơle dòng điện cực đại.Dòng tác động và thời gian duy trì của Rơle dòng được chọn sao cho khi có ngắnmạch thời gian ngắn bộ điều chỉnh làm giảm dòng điện của lò chỉ sau thời gianduy trì của Rơle Nhiều khí cụ điều khiển, kiểm tra và bảo vệ khác (trong khốiđiều khiển bảo vệ )cũng được nối với máy biến điện áp Tu và các máy biến dòng1TI và 2TI

3 Cuộn điện kháng (K)

Cuộn điện kháng được mắc phía cao thế trước biến thế lò, với mục đíchlàm cho hồ quang cháy bền hạn chế sự thay đổi đột ngột khi chập mạch Cuộnđiện kháng dùng để hạn chế dòng ngắn mạch khi làm việc không ảnh hưởng đếnlưới Cuộn điện kháng khác với biến thế lò là chỉ có cuộn dây sơ cấp không cócuộn thứ cấp

Điện kháng của cuộn điện kháng rất lớn so với điện trở của nó, do đó khidòng điện qua cuộn điện kháng tổn thất một năng lượng đáng kể do đó người tanối cuộn điện kháng song song với máy cắt 2MC Khi không cần thiết 2MC sẽ cắtmạch dòng điện qua cuộn điện kháng Khi bắt đầu nấu luyện hay sẩy ra ngắnmạch làm việc Lúc ngắn mạch làm việc máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng thamgia vào mạch, hạn chế dòng ngắn mạch Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệtlớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng K ở thời kỳ hoànnguyên công suất lò yêu cầu ít hơn thì 2MC lại mở ra để đưa cuộn kháng K vàomạch, làm giảm công suất cấp cho lò Với những lò hồ quang công suất lớn hơnnhiều thì không có cuộn kháng K.Việc ổn định hồ quang và hạn chế dòng ngắnmạch là việc do các phần tử cảm kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm Thực tế cuộnđiện kháng làm việc rất ít, khoảng 10¸ 15 phút đầu của thời kỳ nấu chảy liệu

4 Bộ phận chuyển đổi điện thế (3 MC, 4MC):

 19

Bộ phận chuyển đổi điện thế để điều chỉnh công suất biến thế lò cho phùhợp với các thời kỳ nấu luyện Nhìn chung có thể chia quá trình nấu luyện ra làm

2 thời kỳ dựa trên mức độ yêu cầu năng lượng điện khác nhau:

Thời kỳ nấu chảy liệu rắn cần lượng nhiệt lớn để nấu chảy liệu và dữ nhiệt

độ đó để tiếp tục các quá trình sau Thời kỳ hoàn nguyên cần lượng nhiệt nhỏ vớimục đích chủ yếu là giữ nhiệt độ kim loại không bị giảm và nấu chảy các vật liệuphụ

Xuất phát từ yêu cầu đó cần thay đổi lượng nhiệt bằng cách thay đổi côngsuất biến thế lò

Công suất của mạch 3 pha được tính như sau:

P = 3.U.I.Cos

Giảm công suất có thể là giảm dòng điện khi điện áp không đổi hoặc giảmđiện áp khi dòng điện không đổi Điện thế được thay đổi trong từng thời kỳ nhưsau

-Thời kỳ nấu chảy U = 240 ¸ 420V

-Thời kỳ oxy hóa U = 160 ¸ 300V

-Thời kỳ hoàn nguyên U = 110 ¸ 140V(Giá trị lớn được dùng cho lò lớnhơn ), mức cao của điện thế trong thời gian nấu chảy có lợi: Giảm thời gian nấuluyện, nâng cao hiệu suất điện,Cos Khi đó sẽ cho phép giảm đường kính củađiện cực

Điện thế thứ cấp được thay đổi bằng cách thay đổi cuộn dây sơ cấp, sựchuyển đổi cuộn dây sơ cấp từ tam giác sang sao cho phép giảm điện thế thứ cấpxuống 3 lần và như vậy công suất cũng giảm 3 lần

5 Mạch ngắn

Mạch ngắn là dây dẫn dòng điện từ cuộn dây thứ cấp của máy biến thế lòđến điện cực, nó có dòng điện làm việc rất lớn tới hàng trăm nghìn A Tổn haocông suất mạch ngắn DPmn = I2

mn .rmn đạt tới 70% toàn bộ tổn hao trong toàn bộthiết bị lò hồ quang, do vậy yêu cầu cơ bản của mạch ngắn là phải ngắn nhất trongđiều kiện có thể (biến thế lò phải đặt rất gần lò ) để giảm bớt tổn hao, đồng thờimạch ngắn được ghép từ các tấm đồng lá thành các thanh mềm để có thể uốn dẻolên xuống các điện cực

Có thể chia mạch ngắn ra làm 3 phần như sau:

-Thanh dẫn từ máy biến thế lò đến dây dẫn ở sau tường của phòngđặt máy biến thế lò.

-Dây cáp mềm từ tường đến ống mềm của bộ phận điện cực

-Thanh dẫn điện từ cuối đoạn cáp mềm đến vành ôm điện cực

Phần dây cáp mềm rất cần thiết khi nghiêng lò và nâng hạ điện cực,chiều dài của đoạn này làm sao có thể đảm bảo ngiêng lò 450 để rót thép

Ngoài ra mạch ngắn còn phải đảm bảo sự cân bằng rmn và xmn giữa các pha

để có các thông số điện (công suất, điện áp,dòng điện ) như nhau của các hồquang Khi 3 pha mạch ngắn phân bố đối xứng thì hỗ cảm giữa 2 pha bất kỳ sẽbằng nhau và sức điện động hỗ cảm sẽ bằng không Trường hợp nếu khoảng cáchgiữa các pha không như nhau, hỗ cảm giữa các pha sẽ khác nhau

Trong một pha nào đó sẽ suất hiện một sức điện động phụ ngược chiều dòngđiện trong pha đó và tạo ra một sụt áp phụ trên điện trở thuần pha đó Kết quả làpha này như thể tăng điện trở tác dụng, gây ra một tổn hao công suất phụ và côngsuất hồ quang của pha này sẽ giảm so với pha khác Đồng thời ở một pha khácsức điện động phụ lại cùng chiều với dòng điện của pha, điện trở tác dụng như bịgiảm và công suất hồ quang của pha này tăng nên Hiện tượng trên gây ra sự mấtđối xứng về điện áp giữa các hồ quang, sự phân bố công suất không đồng đềugiữa các pha, giảm hiệu suất lò và với lò công suất càng lớn thì sự mất đối xứngđiện từ ở mạch ngắn sẽ càng lớn Chống hiện tượng trên bằng cách phân bố đốixứng về mặt hình học và về mặt điện từ của mạch ngắn và các điện cực đặt ở 3đỉnh của một tam giác đều Với lò dung lượng 10 tấn thì mạch ngắn được nối theo

sơ đồ tam giác (hình a).Thiếu sót của cách này là sự không đối xứng của các dâydẫn chuyển dòng tới các điện cực không được bù trừ

 21

Sơ đồ mạch ngắnVới các lò dung lượng lớn mạch ngắn thường được nối tam giác ở các điện cực(hình b) Hai bên mỗi cần giữ điện cực có đặt hai dây dẫn dòng pha cách điệnnhau, ở sơ đồ này thì 2 pha có các dây dẫn dòng từ đầu đầu và đầu cuối tới 2 điệncực kề sát nhau tạo ra hệ 2 dây, còn pha thứ 3 dẫn dòng tới hai cần giữ ngoài cùng

sẽ không có tính chất của hệ hai dây Tính không đối xứng của mạch ngắn đãgiảm nhiều nhưng chưa hoàn toàn Sơ đồ (hình c) thực hiện dẫn dòng hệ 2 dâycho cả 3 pha nhờ thêm cần phụ mang dây đầu cuối pha 3 tới điện cực 1 vòng quađiện cực 3 Cần đỡ phụ và cần đỡ điện cực 1 được dịch chuyển đồng bộ với nhauqua liên kết cơ học Sơ đồ này giảm tính không đối xứng của mạch ngắn xuốngđến mức tối thiểu

6 Hệ thống nâng hạ điện cực

Cơ cấu chấp hành (cơ cấu dịch cực) có thể truyền động bằng điện, cơ haythuỷ lực Trong cơ cấu điện cơ động cơ được dùng phổ biến là động cơ một chiềukích từ độc lập vì nó có mô men khởi động lớn dải điều chỉnh rộng bằng phẳng,

dễ điều chỉnh và có thể dễ mở máy, đảo chiều, hãm Đôi khi cũng dùng động cơkhông đồng bộ có mô men quán tính của Roto nhỏ

Trong các loại lò một pha với điện cực bố trí nằm ngang người ta thườngđiều chỉnh điện cực bằng tay vì chế độ điện không thay đổi nhiều, công suất máybiến thế bé, điện cực nhỏ Đối với những lò điện luyện thép 3 pha điện cực bố tríthẳng đứng, chế độ điện luôn thay đổi, hồ quang cháy mãnh liệt,công suất máybiến thế lò lớn, trong trường hợp này không điều chỉnh bằng tay được mà phảiđược tự động điều chỉnh bằng máy riêng với độ chính xác cao.

7 Một số thiết bị điện phụ khác

-Ngoài thiết bị chủ yếu như đã nêu và được vẽ ở hình thì trong lò điện còn

có các hệ thống điện cho các truyền động phụ phục vụ lò như: Truyền độngnghiêng lò, nâng nắp lò, bơm nước làm mát lò, di chuyển lò quạt làm mát biến thếlò các tủ điện động lực và điều khiển, bàn điều khiển, hệ thống đèn báo nútbấm

B-YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN CHO LÒ HỒ QUANG

-Đảm bảo thời gian nấu luyện nhanh nhất, muốn vậy phải giảm mọi thờigian phụ

2.Yêu cầu điều chỉnh hồ quang

Các lò hồ quang nấu luyện kim loại đều có các bộ điều chỉnh tự động việcdịch điện cực vì nó cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất lò,giảm suất chi phí năng lượng, giảm thấp các bon cho kim loại, nâng cao chấtlượng thép, giảm dao động công suất khi nấu chảy, cải thiện điều kiện lao động

Điều chỉnh công suất lò hồ quang có thể thực hiện thay đổi bằng cách thayđổi điện áp ra của BAL hoặc bằng sự dịch chuyển điên cực để thay đổi chiều dàingọn lửa hồ quang và như vậy sẽ thay đổi được điện áp hồ quang, dòng điện hồquang và công suất tác dụng của hồ quang Về nguyên tắc, việc duy trì công suất

lò hồ quang có thể thông qua việc duy trì một trong các thông số sau: Dòng điện

hồ quang Ihồ quang, điện áp hồ quang Uhồ quang, tỉ số giữa điện áp và dòng điện hồ

 23

quang, tức là tổng trở về thời kỳ Zhồ quang=

bộ điều chỉnh loại này chỉ dùng cho lò hồ quang một pha và chủ yếu dùng trong lò

hồ quang chân không

Bộ điều chỉnh duy trì điện áp hồ quang không đổi (Uhồ quang=const) có khókhăn trong việc đo thông số này Thực tế cuộn dây đo được nối giữa dây kim loạicủa cửa lò và thanh cái thứ cấp BAL, do vậy điện áp đo phụ thuộc vào dòng tải và

sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới hai pha còn lại như đã trình bàyđối với bộ điều chỉnh dữ Ihồ quang=const

Phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì

=const thông qua các hiệu số tín hiệu dòng và áp:

a.Ihồ quang-b.Uhồ quang=b.Ihồ quang(Z0hồ quang-Zhồ quang) (*)

Trong đó: a,b là hệ số phụ thuộc hệ số các biến áp đo lường (biến dòng,biến điện áp) và điện trở điều chỉnh trên mạch (thay đổi bằng tay khi chỉnh định)a=b.Z0hồ quang.

Z0hồ quang và Zhồ quang giá trị đặt và giá trị tổng trở của hồ quang.Từ (*) ta có:

hq

hq hq

I b

U b I a

.



=Z0hồ quang-Zhồ quang=DZhồ quangNhư vậy việc điều chỉnh thực hiện theo độ lệch của tổng trở hồ quang sovới giá trị đặt (điều chỉnh vi sai) Phương pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì đượccông suất, ít chịu ảnh hưởng của giao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởnglẫn nhau giữa các pha Mỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang (nấu chảy, oxyhoá, hoàn nguyên) đòi hỏi một công suất nhất định mà công suất này lại phụthuộc chiều dài ngọn lửa hồ quang Như vậy điều chỉnh dịch điện cực tức là điềuchỉnh chiều ngọn lửa hồ quang do đó điều chỉnh được công suất lò hồ quang Đó

là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều chỉnh tự động các lò hồ quang và cũng là côngviệc chính của đồ án này Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh côngsuất lò hồ quang này là:

-Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò, duy trì dòng điện hồquang không tụt quá (4¸ 5)% trị số dòng điện làm việc.Vùng không nhạy của bộđiều chỉnh không quá ±(2¸ 4)% trong các giai đoạn khác.

-Tác động nhanh đảm bảo khử ngắn mạch hay đứt hồ quang, trong thờigian 1,5¸ 3 giây, điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính quá hai lần tronggiai đoạn nấu chảy đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch điện cực nhanh tới (2,5¸3)m/h trong giai đoạn nấu chảy(khi dùng truyền động điện cơ)và(5¸ 6)m/h khidùng truyền động thuỷ lực Dòng điện hồ quang càng lệch xa trị số đặt thì tốc độdịch cực càng phải nhanh, thời gian điều chỉnh ngắn

-Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết như khi chế độ làm việc bịphá vỡ trong thời gian rất ngắn (vài phần giây) hay trong chế độ thay đổ tính đốixứng.Yêu cầu này càng cần đối với lò 3 pha không có dây trung tính Chế độ hồquang của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ hồ quang củacác pha còn lại Điện cực các pha còn lại đang ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịchchuyển Do vậy mỗi pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để sự làm việc của nókhông ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các pha khác

-Thay đổi công suất lò bằng phẳng trong giới hạn (20¸ 125)% trị số địnhmức với sai số không quá 5%

-Có thể chuyển đổi nhanh từ chế độ điều khiển tự động sang chế độ điềukhiển bằng tay do phải thực hiện thao tác phụ nào đó chẳng hạn nâng điện cựctrước khi chất liệu vào lò và ngược lại, chuyển nhanh về chế độ điều khiển tựđộng

-Tự động châm lửa hồ quang khi bắt đầu làm việc và sau khi hồ quang bịđứt Khi ngắn mạch thì việc nâng điện cực lên không làm đứt hồ quang

-Dừng mọi điện cực khi mất điện lưới

 25

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN

TRUYỀN ĐỘNG

I-GIỚI THIỆU CHUNG

Truyền động điện là một hình thức tiêu thụ điện năng chủ yếu trong cácngành sản suất và đặc biệt nó hầu như là nguồn động lực chính dùng trong côngnghiệp Nó là phương tiện chủ yếu để giải phóng sức lao động cho người côngnhân

Giá thành điện năng rẻ hơn nhiều loại năng lượng khác nên cho phépgiảm giá thành trên các máy dùng truyền đông điện Thông thườngtiền tiêu haonăng lượng chiếm khoảng 3-8% tổng số chi phí dùng để chế tạo ra sản phẩm

Truyền động điện có ưu điểm tuyệt đối về khả năng tự động hoá Do đóhiện nay các máy dùng truyền động điện phần lớn là các máy tự động hoặc bán

tự động Những máy này không những công suất cao , thao tác dễ ,nhẹ và chấtlượng chính xác …

Ngoài ra truyền động điện còn có ưu điểm về tính linh hoạt trong việcphân phối năng lượng ,truyền đạt năng lượng theo hai chiều giữa nguồn và tải,độ tin cậy cao

Việc chọn được phương án truyền động phù hợp với yêu cầu công nghệ làrất quan trọng vì sẽ giảm được chi phí lắp đặt , năng suất cao , ít tổn hao nănglượng …Ngoài ra viêc chọn phương án truyền động phù hợp sẽ tạo ra những sảnphẩm có chất lượng cao , giải phóng sức lao động , giảm chi phí vận hành , bảodưỡng…

Qua phân tích ta thấy việc lựa chọn được phương án truyền đông điện hợp

lý là một khâu rất quan trọng trong việc thiết kế một hệ thống truyền động điện

II- GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI ĐÔNG CƠ

- Động cơ điện gồm 2 loại chủ yếu là:

* Động cơ xoay chiều:

+ Động cơ Đồng bộ

+ Đông cơ không Đồng bộ

* Động cơ 1 chiều:

+ Động cơ 1 chiều kích từ độc lập

+ Đông cơ 1 chiều kích từ song song

+ Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp

điện xoay chiều mà không cần sử dụng đến bộ biến đổi Mặt khác giá thành hạ,vận hành tin cậy, chắc chắn.

Nhưng việc điều chỉnh tốc độ, khống chế quá trình là rất khó khăn domômen mở máy nhỏ, dòng lớn và tốc độ rất khó ổn định đặc biệt là trường hợp tải

Mc phản kháng

2-Động cơ đồng bộ.

Ưu điểm nổi bật của động cơ này là có đặc tính cơ tuyệt đối cứng, như vậy

về phương diện nào đó có thể kết luận được nó đáp ứng tốt về yêu cầu công nghệ.Nhưng, việc chế tạo rất phức tạp, gặp nhiều khó khăn, thường chế tạo máy có công suất trung bình và lớn, giá thành cao Đặc biệt là quá trình điều chỉnh tốc độ

là rất khó khăn, luôn luôn cần có bộ biến tần đi kèm

Như vậy, loại động cơ này có yêu cầu cao về chỉ tiêu kỹ thuật, công nghệcũng như về chỉ tiêu kinh tế nên không phù hợp với yêu cầu của đề tài

Do vậy, động cơ này không phù hợp với yêu cầu

2- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Cuộn kích từ hoàn toàn độc lập với phần ứng động cơ và cần phải có 2nguồn, nguồn cung cấp cho phần ứng động cơ và nguồn cung cấp cho mạch kíchtừ

_ +

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập là :

(*).)

K

R R K

a- ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Xuất phát từ phương trình đặc tính cơ ở trên ta thấy:

Giả thiết Uư = Uđm = const và  = đm = const

K

R R K

.)



Nhưng độ cứng đặc tính cơ lại thay đổi theo biều thức

f u

dm

R R

K M







D

D



2)(





Như vậy , Rf càng lớn thì đặc tính càng dốc và ứng với một phụ tải nào đóthì Rfcàng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dòng điện ngẵn mạch vàmômen ngắn mạch cũng giảm theo

Thay đổi điện áp phần ứng Thay đổi điện trở phụ

Nên sự ảnh hưởng của thông số này thường được ứng dụng để hạn chếdòng điện và điều chỉnh tốc độ thấp hơn tốc độ định mức  < đm

b- ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Từ phương trình đặc tính cơ :

M K

R R K

Uu u f

) (  2

R

K M

f u

D



2

) (

R R K

Uu u f

) (  2

2

0

Φβ

Φω

Do cấu tạo của động cơ điện, nên thường điều chỉnh  < đm Nênkhi  giảm thì ta có 0 tăng lên còn độ cứng đặc tính cơ  giảm dần

Đặc tính cơ khi giảm từ thông

II.2- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều và chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ cho hệ thống.

Trước hết, ta thấyđược về phương diện điều chỉnh tốc độ thì động cơ 1 chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác Nó không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt hất lượng điều chỉnh cao , trong giải điều chỉnh tốc độ rộng

Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ:

1-Đưa Rf và mạch phần ứng động cơ

2-Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

3-Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Nhưng thực tế có phương pháp 2 và 3 được coi là hai phương pháp cơ bản

và được ứng dụng nhiều hơn

A- Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ.

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 1 chiều cần các thiết bị lànguồn điện 1 chiều như máy phát , bộ biến đổi Với bộ biến đổi biến điện ápxoay chiều thành suất điện động Eb là một chiều, muốn điều chỉnh được phải nhờvào Uđk

I k

R R k

E

dk

u dm

ud b

dm b

Do từ thông  của động cơ được giữ không đổi nên ta có độ cứng đặc tính

cơ (đặc tính cơ điện)  = const Xong tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào Uđk Do đó ta chọn phương pháp điều chỉnh này là hợp lý

Mặt khác, để xác định giải điều chỉnh ta có thể thấy rằng max bị chặn bởiđặc tính cơ tự nhiên và min bị giới hạn bởi yêu cầu của sai số tốc độ và Mnm khi

max 0 max

Để thoả mãn dược khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của giải điềuchỉnh phải có Mnm là :

Mnmmin = Mcmax = Km.MđmTrong đó :

U đk

Dải điều chỉnh :

1

1)

)(

1(

)1(

1)(

max 0 max

min min

m

dm o

m

dm dm

nm

k

M M

k

M D

k

M M

Vì vậy với tải có đặc tính mômen cản Mc = const thì phạm vi điều chỉnh tốc

độ cũng không vượt quá 10

Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trìtốc độ, thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là không thoả mãn yêu cầu.Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể có các đặc tính cơ của động cơ một chiềukích từ độc lập là tuyến tính Trong quá trình điều chỉnh điện áp, độ cứng của đặctính  = const Do đó,sai lệch tĩnh sẽ đạt giá trị cực đại ở đặc tính cơ thấp nhất haynói khác ở đặc tính này mà Stmin  [St] thì hệ luôn làm việc với St  [St] trongtoàn bộ giải điều chỉnh

 

][ 0min

min 0 min

0

min min

0

min min

0 min

t dm

t t

S M

S S

) (

R

M k

MR

R I E

E R

I E I

E I

dm

u u

b u

u u

b u

Hơn nữa phương pháp này có thể điều chỉnh vô cấp một cách dễ dàng mà íttốn thất hơn có khả năng tự động hoá dễ dàng hơn

B- Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ.

Ta có M = KIư nên ta điều chỉnh từ thông kích thích kt chính là điềuchỉnh mômen điện từ của động cơ Hơn nữa, Eư = K nên khi đó cũng chính làđiều chỉnh Eư

Ta thấy rằng mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh

từ thông cũng là hệ phi tuyến:

dt

d r

r

e

k b

k k







Trong đó : rk : là điện trở dây quấn kích thích

rb : là điện trở của nguồn điện áp kích thích

k::là số vòng của dây quấn kích thích

Trong chế độ xác lập ta có :

k b

k k

r r

e i



Mặt khác, khi điều chỉnh từ thông  thì điện áp phần ứng Uư được giữnguyên bằng giá trị định mức Do đó, đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh

từ thông là đặc tính có điện áp phần ứng Uư = Uđm và có = đm gọi là đặc tính cơ

tự nhiên Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năngchuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc độ thì đồng thời đảmbảo điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi Mà để đảm bảo điều kiệnchuyển mạch bình thường thì cần giảm dòng phần ứng Iư , nhưng khi đó mômentrên trục động cơ giảm rất nhanh: M = KIư

Ngay cả khi giữ nguyên Iư thì độ cứng đặc tính cơ cũng bị giảm nhanh khi giảm từthông kích từ:

u

R

) K (

β

 35

0 0

Như vậy thì phương pháp thay đổi từ thông mạch kích từ hoàn toàn khôngphù hợp với yêu cầu, đặc biệt trong trường hợp tải Mc = const

C- Nguyên tắc thay đổi điện trở phần ứng

Giả thiết rằng : Uư = Uđm = const ; kt = đm = const.Thì phương trình đặctính cơ của động cơ là:

M K

R K

dm

) (  2

M K

R R K

U

dm

f u

K

U

dm

f u

Mc

Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

D- Kết luận.

Qua phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên, ta thấy phương phápđiều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ là phương pháp có nhiều ưu điểmnổi bật như : đảm bảo được độ cứng của đặc tính cơ  tốt hơn, sai lệch tĩnh St nhỏhơn , điều chỉnh vô cấp tốt hơn, khả năng quá tải tốt hơn

Như vậy ta chọn đông cơ 1 chiều kích từ độc lập làm đông cơ truyền động và phương pháp điều chỉnh tốc độ là phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ

III- CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỐNG CHẾ DỊCH CỰC LÒ

HỒ QUANG

*Trước đây người ta thường dùng loại máy điều chỉnh bằng hơi nước có ápsuất cao, bằng dầu Nói chung các loại máy này có cấu tạo phức tạp, chiếm nhiềudiện tích trên mặt bằng, độ chính xác không cao Sau đó người ta dùng loại máyđiều chỉnh bằng điện, trong đó phổ biến nhất là loại điều chỉnh tự động dùng hệMĐKĐ - Đ loại này có nhược điểm là cần công suất đặt lớn, gây tiếng ồn, điện cựcvẫn còn dao động Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật chất bán dẫnngày càng được sử dụng phổ biến do đó các hệ cũ được thay bằng các hệ T - Đ

Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 6(lò hồ quang )và bộ điều chỉnh visai, bộ điều chỉnhgồm các phần tử cảm biến dòng 1 và áp 1', phần tử so sánh 3, bộ khuếch đại 4, cơcấu chấp hành 5 và thiết bị đặt 2 Trên phần tử so sánh có 2 tín hiệu từ đối tựngđiều chỉnh tới (tương ứng tỷ lệ với dòng và áp hồ quang ) và một tín hiệu từ thiết

bị đặt tới

Sơ đồ chức năng một pha khống chế dịch cực lò hồ quang như sau:

 37

Tín hiệu sai lệch từ phần tử so sánh được khuếch đại qua bộ khếch đại 4 rồitới cơ cấu chấp hành 5 để dịch cực theo hướng giảm sai lệch Để hoàn thiện đặctính động của hệ, nâng cao chất lượng điều chỉnh, thường sơ đồ có các phản hồi

về tốc độ dịch cực, về tốc độ thay đổi dòng, áp hồ quang Trong sơ đồ cũng cóthể có các phần tử chương trình hoá, máy tính….Hệ điều chỉnh có thể dùngMĐKĐ, KĐT, T - Đ

+ Máy điện khuyếch đại sử dụng 3 cuộn dây khống chế trong đó cuộnCĐC1 là cuộn chủ đạo ở chế độ điều khiển tự động; cuộn CĐC2 là cuộn chủ đạo

ở chế độ điều khiển bằng tay; cuộn CFA là cuộn phản hồi âm điện áp; hệ số phảnhồi điện áp khác nhau đối với trường hợp hạ và nâng Cực tính của điện áp đặt lên

động cơ khi hạ(H), nâng (N) được cho trong sơ đồ Do 7R mắc song song với3CL nên ta có hệ số phản hồi áp khi hạ là H =; khi nâng =0.3.

+ Ở chế độ điều khiển bằng tay thì điện áp một chiều cấp cho cuộn chủ đạo

là CĐC2 lấy từ nguồn một chiều

+ Ở chế độ điều khiển tự động thì tín hiệu chủ đạo cấp cho cuộn CĐC1 làhiệu số của tín hiệu tỷ lệ theo dòng và áp của hồ quang, phần tín hiệu tỷ lệ theodòng đợc tạo nên bởi: mạch vòng MBD (BD), điện trở 1R, MBA là 1BA, bộchỉnh lu 1CL và bộ phân áp điện trở 5R Mạch tạo ra tín hiệu tỷ lệ với điện áp hồquang nhờ điện trở có cấp 2R, bộ chỉnh lu 2CL và bộ phân áp 4R

- Nguyên lý hoạt động

*Ở chế độ điều khiển bằng tay:

Trong chế độ điều khiển bằng tay có 2 trường hợp nâng và hạ:

- Giả sử bật công tắc điều khiển ở vị trí nâng thì tiếp điểm 1 và 2, 3 và 4 sẽ kín còn các tiếp điểm khác hở, cuộn CĐC2 được cung cấp điện áp với giá trị điện

áp có thể điều chỉnh bằng 6R và cực tính dương ở phía con trượt của 6R Lúc nàyđiện áp phát ra của máy điện khuyếch đại có cực tính làm cho động cơ quay theo chiều nâng điện cực, tốc độ nâng phụ thuộc vào vị trí con trượt trên 6R Muốn dừng ta bật công tắc về vị trí dừng, tất cả các công tắc của tiếp điểm hở và động

cơ sẽ được hãm

- Giả sử bật công tắc điều khiển về vị trí hạ(H) 9 và 10; 11 và 12 kín dẫn đến cuộn CĐC2 cũng được cấp điện nhưng cực tính của điện áp trên cuộn dây lúc này ngược so với trờng hợp để công tắc ở vị trí nâng dẫn đến máy điện

khuyếch đại sẽ phát ra một sức điện động với cực tính ngược lại, động cơ sẽ quay theo chiều hạ điện cực

2K

CĐC 1

RA

4CL

8R CB

MĐK Đ CK

10R

3CL 7R

1BA BD

1CL

Đ

2CL

Điện cực

Trong trường hợp hạ điện cực thì do hệ số phản hồi âm điện áp tăng lên tốc độ hạ

sẽ nhỏ hơn tốc độ nâng khi cùng một giá trị điện áp đặt lên cuôn CĐC2

* Ở chế độ điều khiển tự động: