CC BY
19
If УДК 621.3.18:621.3.035.4
ПРИМЕНЕНИЕ ТОКОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ГРАФИТИЗАЦИИ И ОБЖИГА
? ''3
Ф.К. Бойко, Е.В, Птицына
Павлодарский государственный университет §§;§ им, С. Торайгырова
С.А. Киряев |1| АООТ«Челябинский электродный завод»
ШЛ
Мацалада графиттщ кристалдьщ цурылымыныц щалыптасуына курдел1 токтарды оц acepiu тэжприбе жузшде зерттеудгц нэтиже/Epi, ¡III температураны кошеру жылдамдыгы жэне кедергт пештердщ электр 1|| энергиясыньщ метшкт! шыгыны талцыланган.
'Is,, В статье рассматриваются результаты экспериментальных
исследований позитивного влияния токов сложной формы на формирование ШМ кристаллической структуры графита, скорость подъема температуры и fill удельный расход электроэнергии в печах сопротивления.
ш
ЩШ The results of the experimental research of the positive influence of the
complex-shaped currents on the formation of the crystal structure of graphite ЩМ and the speed of the temperature rise and the specific consumption of electric §§f§! energy in resistance furnaces are presented in the article.
Технология получения искус-ственного графита относится к сложным высокотемпературным процессам: графитизацшо осуществляют в электрических печах сопротивления прямого нагрева. Непосредственное формирование кристаллической структуры графита начинается при температурах свыше 2200°С. Высокотемпературной обработке подвергаются электроуголь-иые изделия для дуговых сталепла-
вильных печей, электролизных установок, электрических машин и т.д. Загрузка печи представляет собой чередование рядов электродных заготовок и углеводородной шихты, окруженной слоем теплоизоляционной шихты. Скорость подъема температуры в печи регулируется во избежание появления в заготовках термических напряжений, приводящих к образованию трещин. Управление процессом графитизации осу-
ществляетсяпо электрическим параметрам. График ввода энергии определяет продолжительность технологического процесса и его энергоемкость. Критерием скорости ввода энергии является требование достижения конечной температуры обработки при обеспечении высокой термопрочности заготовок.
При увеличении скорости подъема температуры можно снизить потери тепла и удельный расход электроэнергии электротехнологической установки. В этом плане представляют интерес успехи японских исследователей, достигнутые в разработке материалов с малым объемным изменением при температуре выше 1200°С, что позволило снизить энергоемкость процесса графитизации на 15% за счет сокращения времени кампании с 60 до 45 часов [1].
Эффективное управление технологическим процессом графитизации в условиях больших скоростей ввода энергии предполагает знание взаимосвязей между электрическими характеристиками и формированием температурного поля. Однако до сих пор проблема измерения высокотемпературных полей в углеродной среде не решена даже для обычных режимов работы печей сопротивления. Кроме того, установки прямого нагрева работают с низким коэффициентом мощности, особенно в начальный период кампании. Для его повышения на действующих установках применяют статические компенсаторы, подключаемые через дополни-
тельные повышающие трансформаторы. При этом мощность повышающих трансформаторов сопоставима с мощностью главного печного трансформатора . Все это делает установку громоздкой и сложной в эксплуатации.
В настоящее время развивается новое направление, позволяющее повысить эффективность электротехнологических установок (ЭТУ) за счет изменения электрического режима, а именно применения токов сложной формы (ТСФ).
Известны положительные результаты применения ТСФ для питания дуговых сталеплавильных печей (ДСП), индукционных и сварочных установок, в электрохимических и электрофизических процессах обработки материалов и т.д. [1-11]. Отмечено улучшение качества сварного шва при использовании ТСФ в дуговой сварке. Установлено снижение уровня шума и объема выброса газов, уменьшение расхода ферросплавов и электродов, улучшение условий горения дуги при переводе ДСП емкостью 0,6-2,5 тонн с переменного на постоянный ток. При использовании полигармонического напряжения с возрастающими амплитудами ряда Фурье для питания установок индукционного нагрева отмечено не только расширение зоны нагрева индукционными токами, но и осуществление одновременного нагрева по всей глубине заготовки. При нестационарных режимах работы электрохимических систем установлено снижение работы выхода, уменьшение при-
электродного падения напряжения, напряжения на ванне [6-9]. Результаты, достигнутые в работах [6-11], свидетельствуют и об улучшении технико-экономических показателей работы электрохимических установок: повышении скорости осаждения, улучшении структуры и качества осадков; возрастании выхода осаждаемого на катоде металла; изменении процессов кристаллизации; использовании растворов с меньшей концентрацией поверхностно-активных веществ (ПАВ) и более низкой температурой нагрева; снижении удельного расхода электроэнергии по сравнению с процессом на постоянном токе. Применение ТСФ в электрофизических методах обработки материалов позволяет производительно обрабатывать изделия сложной формы независимо от прочностных характеристик материалов [5].
В технологической схеме производства электроугольных изделий процесс обжига предшествует процессу графитизации. Его основное назначение - формирование формы заготовок. Попытки объединить эти режимы в один, с целью снижения трудоемкости данного производства, пока не дали положительных результатов в основном из-за различного назначения шихты в указанных процессах.
Позитивные результаты применения ТСФ в электротехнологии обусловили интерес к исследованию режимов работы установок прямого и косвенного нагрева с питанием ТСФ. Исследование элек-
трических режимов печей сопротивления проведено в центральной заводской лаборатории Челябинского электродного завода. Эксперименты выполнены на физических моделях промышленных печей сопротивления прямого и косвенного нагрева, соответственно для режимов графитизации и обжига заготовок, в сравнении обычного и нового (с питанием ТСФ) электрических режимов. В качестве источника питания при обычном режиме использовался однофазный трансформатор типа ОСУ-40/0,5-0,4. Для реализации нового электрического режима в схеме предусматривалось дополнительное подключения устройства для регулирования формы напряжения на зажимах электроприемника. Графики ввода энергии при обжиге и графитизации задавались главным технологом. В экспериментах использовали электродные заготовки из кокса и антрацита, отпрессованные в лабораторных условиях. Физические параметры заготовок измеряли до и после процессов обжига и графитизации. В ходе экспериментов измеряли температуру заготовок и нагревательных элементов, скорость подъема температуры в нагревательных элементах, ток и напряжение в сети и на зажимах электроприемника, мощность и энергию, потребляемые из сети, ос-циллографировались формы кривых тока и напряжения во вторичной цепи трансформатора. Конечная температура термообработки отпрессованных «зеленых» заготовок в режиме обжига составила
1000°С, а в режиме графитизации -2400°С. Проведено десять кампаний графитизации и шесть кампаний обжига «зеленых» заготовок.
Экспериментально подтверждено снижение удельного расхода электроэнергии в среднем на 7% при графитизации электродных заготовок в режиме с питанием ТСФ при незначительной модернизации источника питания печи. Получены регулировочные характеристики, устанавливающие взаимосвязь между мощностью, потребляемой из сети, уровнем напряжения, подводимого к нагрузке, током управления в устройстве для регулирования формы напряжения.
Исследованием установлено, что снижение уровня напряжения на зажимах печи сопротивления и потребляемой из сети мощности наблюдается при вполне определенной форме питающего напряжения, то есть амплитудах и составе гармоник. Разумно предположить, что это обусловлено снижением приэлект-родных падений напряжения и падений напряжения в контактных узлах электродов при воздействии ТСФ. Экспериментально подт верждено, что для осуществления процесса графитизации в оптимальном электрическом режиме необходимо обеспечить регулирование формы питающего напряжения в соответствии с графиком ввода энергии, с учетом состава исходного сырья, параметров используемой шихты и Др.
Отмеченные положительные эффекты применения ТСФ для про-
цесса графитизации имели место и при обжиге «зеленых» заготовок. Экспериментально установлено, что скорость подъема температуры в нагревательных элементах установок также зависит от формы питающего напряжения. При обычном режиме работы установки скорость подъема температуры в нагревательных элементах из нихрома составила 20°С/мин. В новом режиме наблюдалось увеличение значения этого параметра до 40°С/мин. Замедление роста температуры также было различно для обычного и нового режимов. При значении тока в сети 35А замедление роста температуры в нагревательных элементах в обычном режиме наблюдалось при температурах 230°С, а в новом режиме - при 260°С. При токе 25А подобное замедление роста температуры было отмечено при 100°С и 130°С соответственно. Следовательно, появляется возможность управлять температурным полем печи сопротивления прямого и косвенного нагрева в функции частоты тока, задавая в соответствии с графиком ввода энергии скорость подъема температуры, увеличивать коэффициент мощности установки без использования дорогостоящих статических компенсаторов, особенно в начальный период кампании, регулировать время температурной обработки изделий.
В табл. 1 представлены физико-механические показатели электродных заготовок, подвергавшихся обжигу в печах сопротивления при обычном и новом электрических ре-
жимах. Результаты свидетельствуют, что на процесс формирования кристаллической структуры графита оказывает влияние не только температура, но и частота тока. Так, при одинаковой продолжительности обжига (9часов) и скорости подъема температуры (конечная температура нагрева 1000°С) обжиг с использованием ТСФ позволил получить заготовки с кристалличес-
кой структурой графита. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) заготовок при этом составило Ю1мкОм-м против 51мкОмм для обычного режима. Следовательно, качество и структуру изделий в технологическом процессе можно повышать, регулируя частоту питающего тока. При этом появляется возможность снизить конечную температуру обработки изделий.
Таблица 1
Режим обжига Физико-механические показатели электродных заготовок
обычный Вкзел., г/см3 Окобож., г/см3 %% УЭС мкОм-м
1,68 1,49 9,5 2,6 51
новый 1,67 1,46 9,9 3,3 Ю1 !
Выводы по работе:
1 .Экспериментально подтверждено, что применение ТСФ в электротехнологических процессах графитизации и обжига позволяет получать определенные положительные энергетические и технологические эффекты: снижение удельного расхода электроэнергии, повышение коэффициента мощности, улучшение качества и структуры искусственного графита, снижение
конечной температуры обработки изделий, сокращение длительности процесса нагрева.
2.Позитивные результаты
применения ТСФ свидетельствуют о возможности изменений в технологической схеме производства угольных изделий за счет совмещения режимов графитизации и обжига в единый процесс, что безусловно позволило бы снизить его энергоемкость и трудоемкость и в перспективе вести речь о сокращении технологического цикла.
З.ПрименениеЭТУ с питанием ТСФ выдвигает задачи, связанные с разработкой эффективных источников питания и управления технологическим процессом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Санников А.К., Самов
A.Б. Производство электродной продукции.- М: Металлургия, 1985.-129с.
2. Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Сравнительный анализ применяемых различных родов тока на ДСП. -Сталь. -1996. №11.
3. Долматов Н.В. Индукционный нагрев в полигармоническом электромагнитном поле: (УДК 621.314.2). Монография. -Магнитогорск: МГМА, 1997. Ус. печ. л. 6,74 (ISBN 5-8954-021-1)
4. Роговой М.Д. Исследование и разработка оборудования для полуавтоматической сварки пульсирующим током / Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Санкт-Петербург: Институт сварки России, 1997.-17с.
5. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Под общ. ред.
B.А. Волосатова. -Л.: Машиностроение, 1988.-718с.
6. Ч ерненко В. И., Рысаков A.A. Влияние параметров реверсивного тока на процесс электроосаждения меди И Журнал электрохимии. -1968, т.4, вып.5. -с.519.
7. Костин H.A. Некоторые аспекты совместного применения импульсных токов и поверхностно-активных веществ при электроосаждении меди // Журнал электрохимии. -1990, №1, . - с.96-99.
8. Кошев В.Н., Поддубный Н.П. Влияние параметров электрохимического процесса на равномерность гальванических покрытий в случае реверсирования наложенного тока // Журнал электрохимии. -1978, №10.-с.1485.
9. Untersuchung und Anwendung von dem nightsinusförmigen Strom in den Electrolysenanlagen / A. Kuvaldin, F. Bojko, E. Ptizyna. 40 Internationales Wissenschaftliches Kollogvium. 18-21.09.1995. Band 3. -Technische Universität Ilmenau, 1995, 183—188c.
10. Кувалдин A.B., Бойко Ф.К., Птицына E.B. Эффективность использования токов сложной формы для питания электротехнологических установок // Электротехника. -1995. №5. с.36-38.
11. Бойко Ф.К., Птицына Е.В. Исследование процесса электролиза при питании током, форма которого имеет сложную форму / Промышленная энергетика, 1996, №2. - 23-26с.
