Nghiên cứu ứng dụng PLC và Biến Tần vào công nghệ nâng hạ điện cực lò hồ quang

Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp Lời Nói Đầu Ngày nay, trong sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nớc, ngành công nghiệp luyện kim đóng vai trò quan trọng. Đây là ngành công nghiệp có vị trí then chốt trong việc phát triển ngành công nghiệp nặng nói riêng và ngành công nghiệp nớc nhà nói chung. Ngành công nghiệp luyện kim ở Việt Nam hiện nay đang đợc phát triển mạnh cả về lợng và chất, là một mũi nhọn trong công cuộc xây dung và kiến thiết đất nớc.Việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến, các dây truyền hiện đại về luyện kim của các nớc tiên tiến trên thế giới đã làm cho ngành công nghiệp luyện kim ở Việt Nam có sự phát triển vợt bậc. Có nhiều phơng pháp luyện thép song phơng pháp luyện thép bằng lò hồ quang đã và đang đợc áp dụng một cách rộng rãi trong các nhà máy luyện thép ở Việt Nam. Phơng pháp này có u điểm cơ bản là đơn giản, tiện lợi, dễ điều chỉnh để tạo ra mác thép mong muốn, đồng thời phơng pháp này đem lại hiệu quả kinh tế cao. Sau 5 năm học tập và nghiên cứu tại trờng, em đã cơ bản hoàn thành đợc nhiệm vụ học tập của mình, và đợc giao đồ án tốt nghiệp với đề tài: Nghiên cứu ứng dụng PLC và Biến Tần vào công nghệ nâng hạ điện cực lò hồ quang phục vụ cho ngành luyện kim. Sau thời gian 4 tháng tìm tòi nghiên cứu, đợc sự giúp đỡ tận tình của Thầy Giáo Nguyễn ngọc Kiên và sự chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn TĐH XNCN cùng với sự giúp đỡ của các bạn bè đồng nghiệp, cùng với sự nỗ lực của bản thân, đến nay đề tài tốt nghiệp của em đã đợc hoàn thành với đầy đủ các nội dung yêu cầu. Với khả năng có hạn về kiến thức và tài liệu tham khảo cho nên bản dồ án này sẽ không chánh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất mong đợc sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy cô và các bạn bè đồng nghiệp để đề tài đợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Ngày 10 tháng 05 năm 2005 Sinh viên Nguyễn Anh Tuấn Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 1 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trêng ®hkt c«ng nghiÖp  thuyÕt minh ®å ¸n tèt nghiÖp PHÇN I Kh¸i qu¸t vÒ c«ng nghÖ cña lß hå quang PHÇN I: Kh¸i qu¸t vÒ c«ng nghÖ cña lß hå quang Gvhd: NguyÔn Ngäc Kiªn  2  svtk : NguyÔn Anh TuÊn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp A. công nghệ của lò hồ quang. I. Khái niệm chung và phân loại: 1. Khái niệm: Lò hồ quang: Là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chẩy kim loại. lò điện hồ quang dùng để nấu thép chất lợng cao. 2. Phân loại: a. Theo dòng điện sử dụng: - Lò hồ quang một chiều ( sử dụng dòng điện một chiều). - Lò hồ quang xoay chiều (sử dụng dòng điện xoay chiều). b. Theo phơng thức hình thành hồ quang - Lò hồ quang nung nóng gián tiếp: Hồ quang đợc hình thành giữa hai điện cực ở phía trên vật liệu cần đợc gia nhiệt. - Lò hồ quang nung nóng trực tiếp: Hồ quang đợc xuất hiện trực tiếp giữa kim loại cần đợc gia nhiệt và các điện cực 1 2 3 4 1 2 3 4 a b. H1.1: a. Lò hồ quang nung nóng gián tiếp b. Lò hồ quang nung nóng trực tiếp Trong đó: 1: Than điện cực; 2: Tờng lò 3: Ngọn lửa hồ quang; 4: Vật gia công nhiệt. c. Theo đặc điểm chất liệu vào lò: - Lò chất liệu từ đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu, loại lò này có cơ cấu nâng ván móc. - Lò chất liệu bên sờn bằng phơng pháp thủ công hay máy móc qua cửa lò. Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 3 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp d. Theo số tấn thép đợc luyện (dung lợng định mức của lò) 0,5; 1,5; 3,5; 9; 12 tấn. e. Theo dung dịch nấu luyện: Lò axit, lò bazơ. f. 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. a. 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 thờng đợc làm bằng thép tấm dầy 10 đến 30 mm bằng cách ghép hay hàn. Trong vỏ lò có xây vật liệu chịu lửa, vỏ thân lò thờng có dạng hình trụ, hình côn hoặc phối hợp trụ côn, đáy vỏ lò thờng có dạng hình cầu, hình thang. b. Cửa lò: Lò gồm 2 cửa, cửa ra xỉ và cửa ra thép. Cửa lò đợc đóng mở bằng khí nén thuỷ lực hoặc bằng động cơ điện. c. 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 trợt. d. Nắp lò: Đợc làm bằng thép tấm có đầm vât liệu chịu lửa. e. Máy rót thép: f. Vành làm chặt: Để làm giảm khe hở giữa điện cực và nắp lò. g. Thiết bị nghiêng lò: Tuỳ theo dung lợng mà chọn kiểu nghiêng lò cho thích hợp đảm bảo nghiêng lò 40 đến 45 độ về phía rót thép và 10 đến 15 độ về phía cào xỉ và chất liệu; Có hai kiểu nghiêng lò H1.2: Sơ đồ nghiêng lò + Nghiêng lò bên hông: Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 4 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp Loại này có u điểm là thiết bị đơn giản, gọn gàng, khi mất điện có thể quay bằng tay tránh đợc sự bám dính của xỉ và kim loại. + Nghiêng lò đặt dới đáy: Loại này có u điểm là quay lò rất vững chắc, quay êm và đều, có thể tự động điều khiển hoàn toàn. Có nhợc điểm là dễ rơi xỉ và kim loaị vào động cơ điện, công việc bảo quản thiết bị khó khăn phức tạp. Tất cả các lò trung bình và lớn đều có cơ cấu nghiêng lò loại 2. h. Thiết bị cơ khí nâng hạ điện cực: Thông thờng lò hồ quang điện thờng có 3 điện cực tơng ứng với nó là 3 cơ cấu nâng, hạ điện cực của 3 pha. Khi động cơ quay sẽ làm cho tang quay kéo dây cáp, dây cáp sẽ nâng hoặc hạ điện cực lên hoặc xuống. Trong cơ cấu nâng hạ còn có đối trọng, nhờ đó mà tốc độ nâng điện cực luôn lớn hơn tốc độ xuống. Tuỳ theo loại lò mà tốc độ lên hoặc xuống của điện cực cũng khác nhau. + Đối với lò lớn: V lên = 1 đến 1,5 m/ph. V xuống = 0,5 đến 0,8 m/ ph. + Đối với lò nhỏ: V lên = 1,5 đến 2 m/ph. V xuống = 1,2 đến 1,5 m/ ph. Có 2 lọai thiết bị nâng hạ điện cực. + Loại bàn trợt: Loại này dùng thích hợp cho lò nhỏ vì thiết bị đơn giản, dễ chế tạo nhng có nhợc điểm là do trụ đứng cần có chiều cao nhất định nên ảnh hởng đến sự làm việc chung của cầu trục trong phân xởng . + Loại trụ xếp : Loại này thích hợp cho những lò có dung tích lớn, có thể hạ thấp chiều cao khi cần thiết, kết cấu chắc chắn nhng phức tạp i Ngoài ra đối với lò hồ quang nạp liệu trên cao còn có cơ cấu quay vòm lò, (nắp lò ) cơ cấu nạp liệu k Trong các lò hồ quang có nồi lò sâu kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh có sự chênh lệch nhiệt độ theo độ cao (khoảng 100 0 c/m) trong điều kiện đó để tăng c- ờng phản ứng của kim loại và để đảm bảo khả năng nung nóng của kim loại trớc khi rót cần phải khuấy trộn kim loại lỏng. ở các lò dung lợng nhỏ (dới 7 tấn ) thì việc khuấy trộn đợc khuấy trộn bằng tay qua cơ cấu cơ khí. Với lò có dung l- ợng trung bình (9 đến 50 tấn) và đặc biệt > 100 tấn thì đợc thực hiện bằng thiết Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 5 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp bị khuấy để không những làm giảm sự vất vả của ngời thợ nấu mà còn nâng cao chất lợng của kim loại. Thiết bị khuấy trộn của kim loại nóng thờng là thiết bị điện từ có nguyên lý tơng tự nh động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. 1. Cơ cấu làm mát cho lò : Vì trong quá trình nấu luyện kim loại thì nhiệt độ trong và xung quanh lò đạt nhiệt độ rất cao, do đó cần phải có thiết bị làm mát để giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ lò. Các bộ phận cần đợc làm mát: - Mặt đầu của cặp điện cực. - ống dẫn điện. - Vành làm chặt giữa các cặp điện cực và nắp lò. - Tấm chắn cửa chính và cửa phụ. - Vòm cửa lò và cột của cửa làm việc. - Vành nắp lò. - Thân vỏ lò và trên lỗ rót thép. - Ngoài ra còn có cần làm nguội ở các ống mềm và phần dây cáp. - Hệ thống bơm nớc làm mát tuần hoàn đợc thực hiện bằng một động cơ điện, nớc đợc đi vào trong ống rồi tới lò. III. chế độ năng lợng điện và làm mát củaLò Hồ quang - Năng suất lò hồ quang và chi phí năng lợng điện cho một tấn thép ở một mức 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 kế. Trong quá trình nấu luyện chế độ nhiệt ở các thời kỳ khác nhau, do đó chế độ điện cũng khác nhau. 0 1 2 3 4 10 20 30 t (h) P (MW) Nấu chẩy oxy hoá hoàn nguyên Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 6 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp H1.3: Đồ thị P (t) *. Yêu cầu công suất điện trong quá trình nấu luyện. 1. Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại : Đây là giai đoạn cần công suất nhiệt độ lớn nhất. Điện năng cung cấp cho nó có thể chiếm từ (60-80%) toàn bộ điện năng của mẻ nấu luyện và thời gian của quá trình này cỡ từ (50-60%) toàn mẻ nấu, ở giai đoạn này có những yếu tố ảnh hởng đến sự làm việc của hồ quang. Trong giai đoạn này có thể xẩy ra ngắn mạch nhiều lần và có trờng hợp gây mất hồ quang. Do vậy hệ thống điện phải đảm bảo đợc sự làm việc của lò với số lần ngắn mạch cho phép có thể lên tới hàng trăm lần hoặc hơn. Hệ thống phải tự loại trừ nhanh ngắn mạch mà không làm cho các thiết bị bảo vệ tác động đồng thời phải tự mồi lại khi mất hồ quang. Thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là từ 2-3(s). Trong giai đoạn này thờng xảy ra trờng hợp ngắn mạch sự cố, bởi vì lúc đầu khối kim loại dới các điện cực đợc ngọn lửa hồ quang nung nóng chẩy, do quá trình chất liệu vào lò vẫn còn các khe hở lên kim loại bị nung nóng chẩy sẽ chảy xuống phía dới .Lúc này khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng trong khi đó khối kim loại ở hai bên thành lò cha đủ nhiệt độ nóng chẩy nên cha chẩy, mà điện cực phải dịch xuống đáy lò để đảm bảo ngọn lửa hồ quang cháy ổn định. Do đó dẫn đến sự sụt liệu, toàn bộ kim loại ở phía trên sẽ sụt xuống và chèn lên các điện cực ngây nên ngắn mạch sự cố. Khi ngắn mạch sự cố thì các thiết bị bảo vệ phải tác động nâng nhanh điện cực lên phía trên để loại trừ ngắn mạch sự cố hoặc phải cắt nhanh nguồn điện cung cấp cho lò. - Tóm lại giai đoạn nấu chẩy 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, thờng từ vài (mm) đến 10-15(mm). Trong giai đoạn này cần cung cấp cho lò một công suất lớn. 2.Thời kỳ oxy hoá : Trong giai đoạn này có qúa trình oxy hoá để khử C,P,SDo việc oxy hoá C gây ra một nhiệt lợng lớn nên công suất hồ quang trong giai đoạn này yêu cầu nhỏ hơn ở các giai đoạn trớc. Thờng bằng 60% công suất của giai đoan nung nóng chẩy vật liệu . 3. Thời kỳ hoàn nguyên : Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 7 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp Trong giai đoạn này nhiệt độ của kim loại, tờng, nắp lò đã cao và tơng đối ổn định, vì vậy công suất không lớn lắm nhng yêu cầu ổn định, nghĩa là công suất nhỏ hơn công suất trung bình. Tuỳ theo phơng pháp luyện thép và mác thép mà cần chọn chế độ điện trong thời kỳ hoàn nguyên. IV. mục đích yêu cầu điều chỉnh lò hồ quang 1. Mục đích của việc điều chỉnh hồ quang : - Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, muốn vậy phải dùng hệ thống dịch điện cực có khả năng tự đông hoàn toàn. - Tiết kiệm năng lợng điện, tận dụng hết công suất máy biến thế lò. Muốn vậy phải dùng thiết bị dịch điện cực có độ nhạy cao, thoả mãn với điều kiện kỹ thuật - Đảm bảo thời gian nấu luyện nhanh nhất, muốn vậy phải giảm thời gian phụ. 2. Yêu cầu điều chỉnh hồ quang: - Các lò hồ quang nấu luỵên kim loại đều có các bộ điều chỉnh tự động việc dịch điện cực vì nó cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất lò, giảm chi phí năng lợng, giảm thấp cacbon cho kim loại, nâng cao chất lợng 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 bằng cách thay đổi điện áp ra của biến áp lực hoặc bằng sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài của ngọn lửa hồ quang và nh vậy sẽ thay đổi đợc điện áp hồ quang, dòng diện hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang. - Việc điều chỉnh cũng nh khống chế tự động khoảng cách điện cực và bề mặt kim loại có thể thực hiện theo ba phơng pháp sau. + Phơng pháp duy trì dòng hồ quang không đổi: I hq = const + Phơng pháp duy trì điện áp hồ quang không đổi: U hq = const + Phơng pháp duy trì tổng trở hồ quang không đổi: Z hq = U hq /I hq = const Cả ba phơng pháp đều cho ta công suất hồ quang là không đổi tuy rằng mỗi phơng pháp khống chế khác nhau. Sau đây ta sẽ phân tích và chọn phơng pháp tối u nhất. a. Phơng pháp duy trì dòng hồ quang không đổi : Phơng pháp này cho phép mồi hồ quang tự động. Ngoài ra khi dòng điện một pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo hai pha còn lại thay đổi. Ví dụ khi hồ quang của một trong ba pha bị đứt.Thì hồ quang làm việc nh một phụ tải một pha với hai pha còn lại nối tiếp vào điện áp dây, lúc đó các bộ điều chỉnh hai Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 8 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp pha còn lại sẽ tiến hành hạ điện cực, mặc dù việc đó là không cần thiết. Phơng pháp duy trì lò hồ quang không đổi chỉ dùng cho lò hồ quang một pha và chủ yếu dùng cho lò hồ quang chân không. b. Phơng pháp duy trì điện áp hồ quang không đổi u hq = const : Phơng pháp này có khó khăn trong việc kiểm tra chính xác điện áp hồ quang. Khi có sự thay đổi điện áp hồ quang của một pha cũng làm ảnh hởng đến các pha khác, thực tế cuộn dây đo đợc nối với giữa dây kim loại của cửa lò và thanh cái thứ cấp máy biến áp, do vậy điện áp đo phụ thuộc vào dòng tải, sự thay đổi của một pha sẽ ảnh hởng đến hai pha còn lại. Vì vậy phơng pháp này ít đợc dùng . c. Phơng pháp duy trì tổng trở hồ quang : Z hq = U hq /I hq = const thông qua tỷ số tín hiệu dòng và áp hồ quang : a.I hq - b.U hq = b.I hq (Z 0hq -Z hq ) (*) Trong đó a,b: Là hệ số phụ thuộc, hệ số biến áp đo lờng (biến dòng, biến điện áp) và điện trở điều chỉnh trên mạch (thay đổi bằng tay khi chỉnh định) Z 0hq , Z hq : Giá trị đặt, giá trị thực tế của tổng trở hồ quang Từ (*) ta có: Ihqb UhqbIhqa . = (Z 0hq - Z hq ) = Zhq Nh vậy việc điều chỉnh chỉ thực hiện theo chế độ lệch tổng trở hồ quang so với giá trị đặt, phơng pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì đợc công suất ít chịu ảnh hởng của dao động điện áp nguồn cũng nh ảnh hởng lẫn nhau giữa các pha, mỗi giai đoạn làm việc của hồ quang (nấu chẩy, oxi hoá, hoàn nguyên) đòi hỏi một công suất nhất định mà công suất này phụ thuộc vào ngọn lửa hồ quang. Nh vậy điều chỉnh điện cực chiều dài của ngọn lửa hồ quang chính là điều chỉnh đợc công suất hồ quang . d. Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang: - Đủ độ nhậy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò: Duy trì dòng hồ quang không đứt quá (4-5)% trị số dòng điện làm việc. Vùng không nhậy của bộ điều chỉnh không quá (3-6)% trong giai đoạn nấu chẩy và (1-2)% trong các giai đoạn khác. - Tác động nhanh, đảm bảo khi ngắn mạch hay đứt hồ quang trong (1,5-3)s điều này sẽ làm giảm số lần cắt của máy cắt chính, giảm sự thấm cacbon của kim loại Các lò hồ quang hiện đại không cho phép cắt máy cắt chính hai lần trong giai đoạn nóng chẩy. Đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch cực nhanh từ 2,5 - 3 (m/ph) trong giai đoạn nấu chảy khi dùng truyền động điện cơ và 5 - 6 (m/ph) Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 9 svtk : Nguyễn Anh Tuấn Trờng đhkt công nghiệp thuyết minh đồ án tốt nghiệp khi dùng truyền động thuỷ lực. Dòng điện hồ quang càng lệch xa trị số đặt thì tốc độ dịch cực càng phải nhanh. - Thời gian điều chỉnh ngắn - Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết khi chế độ làm việc bị phá vỡ trong thời gian rất ngắn (vài phần giây ) hay trong chế độ thay đổi tính đối xứng. Yêu cầu này càng cần đối với lò ba pha không có dây trung tính. Chế độ hồ quang của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ làm phá huỷ chế độ hồ quang của các pha còn lại. Điện cực của các pha còn lại đang ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịch chuyển do vậy mỗi pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để không làm ảnh h- ởng đến các pha khác. -Thay đổi công suất lò bằng phẳng trong giới hạn (20 - 125) % trị số định mức với sai số không quá 5%. - Có thể chuyển nhanh chế độ điều khiển tự động sang bằng tay do phải thực hiện thao tác phụ nào đó chẳng hạn nâng điện cực lên nhanh trớc khi chất liệu vào lò và ngợc lại. - Tự động mồi hồ quang khi bắt đầu làm việc và khi hồ quang bị đứt. Khi ngắn mạch thì việc nâng điện cực lên không làm đứt hồ quang. - Dừng mọi điện cực khi mất điện lới. - Cơ cấu chấp hành (cơ cấu dịch cực) có thể thực hiện bằng điện, cơ hay thuỷ lực trong cơ cấu điện cơ trớc đây ngời ta hay dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập vì nó có mô men khởi động lớn, dải điều chỉnh rộng, bằng phẳng, dễ điều chỉnh và dễ mở máy, đảo chiều, hãm Ngày nay với sự phát triển ngày càng cao của kĩ thuật vi xử lí đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp trong quá trình điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực với chất lợng cao, điều này dẫn đến xu hớng thay thế dần các hệ thống truyền động dùng động cơ một chiều. V. Luyện thép trong lò hồ quang : *. Vật liệu và chuẩn bị nguyên vật liệu cho một mẻ luyện: 1. Nguyên vật liệu chính để sản xuất thép lò điện : Là sắt vụn, phế liệu hợp kim, sắt công nghiệp, gang luyện, chất tạo xỉ, chất khử oxy và hợp kim hoá (phụ gia kim loại) và chất tăng cacbon. a. Sắt thép vụn : Dùng phế liệu, phế phẩm ở các phân xởng khác và các loại thép vụn h hỏng. Hiện nay sắt thép vụn thiếu cần có gang bổ xung thêm. Gvhd: Nguyễn Ngọc Kiên 10 svtk : Nguyễn Anh Tuấn . A. công nghệ của lò hồ quang. I. Khái niệm chung và phân loại: 1. Khái niệm: Lò hồ quang: Là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực. 2. h. Thiết bị cơ khí nâng hạ điện cực: Thông thờng lò hồ quang điện thờng có 3 điện cực tơng ứng với nó là 3 cơ cấu nâng, hạ điện cực của 3 pha. Khi động