Электромагнитное излучение индукционной печи

...

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

А.Б. Утепова

Промышленное производство характеризуется комплексом вредных и опасных факторов (шум, вибрация, электромагнитное поле, лазерное излучение, недостаточная освещенность, радиоактивность, электрический ток, пыль, вредные и ядовитые вещества, повышенное тепло, пожары, взрывы). Зачастую на человека действует несколько вредных факторов (шум и вибрация; пыль и промышленное тепло; недостаточная освещенность и электромагнитное поле и т.п.)

Металлургическое производство характеризуется комплексным влиянием вредных факторов на организм работающего. Так, при индукционном плавлении металла, диэлектрической обработке материалов, резке металла на человека воздействуют шум, вибрация, электромагнитное поле, лазерное излучение, инфракрасное излучение (тепловой поток), пыль.

Одно из вредных условий труда в металлургии наблюдается при работе на электросталеплавильных (дуговых) печах. Мощный поток электромагнитного поля излучается в рабочую зону. Человеческий организм не способен оценивать невидимые лучи неионизирующего излучения. Это усугубляет условия труда сталеваров.

При работе электросталеплавильных печей (ЭСПП) на практике отсутствуют меры защиты человека от электромагнитного поля. Поэтому весьма актуально проведение исследований по оценке уровней ЭМП от ЭСПП, локализации их и проведение технических мероприятий по снижению уровней вредных излучений.

Исследования проводили в цехе, на высоте 1,8 м (на уровне головы работника); 1,4 м (на уровне груди) работника и на высоте 1,0 (м на уровне пояса работника). Расстояние от источника ЭМП до работника составляло 0,5; 1 м; 2 м.

На АО “Казфферосталь” было проведено исследование источников электромагнитного излучения.

На территории этого предприятия имеется сталеплавильный цех, в котором используются дуговые плавильные печи. Производство стали в электропечах является более совершенным способом, чем в мартеновских печах.

При плавке стали в электре печах отсутствует окислительное пламя. Металл меньше окисляется и насыщается окислами. Возможность получения более высоких температур в печах позволяет получать стали и специальные сплавы с большим содержанием легирующих элементов.

Дуговые печи построены на использовании тепла электрической дуги, образующейся между графитовыми (или угольными) электродами и металлической ванной, развивающей температуру до 3500° С и выше. Питающий лектрический ток подают от понижающего трансформатора по гибкому кабелю и медным шипам к электродам.

Первичная обмотка трансформатора питается током высокого напряжения (6000-30000)В который преобразуется в ток низкого напряжения нескольких ступеней от 90 до 280 в. Мощность трансформатора в основном определяется емкостью печи. При плавке твердой шихты в зависимости от марки получаемой стали, расход электрической энергии колеблется в пределах от 600 до 950 квт*ч/т получаемого металла.

Источниками электромагнитного излучения в сталеплавильном цехе являются:

  • понижающие трансформаторы ТДН -110/10
  • электроды дуговой печи
  • кабели, подводящие электроэнергию к дуговым печам.

Одной из задач исследования являлось изучение уровней электромагнитных полей индукционных плавильных печей.

Индукционная печь (рис. 1) состоит из индуктора, представляющего собой первичную обмотку трансформатора, и тигля, изготовленного из огнеупорного материала, в котором производится плавка стали.

Индуктор изготовляется в виде катушки из медной трубки, по которому во время плавки циркулирует вода. К индуктору при помощи гибкого кабеля или медных шин подается электрический ток от мотор-генератора. Мощность генераторов принимают от 1,0 до 0,3 кВт/кг загружаемого металла в печь. Мощность и частоту тока определяют в зависимости от емкости тигля и рода переплавляемой шихты.

pic1.jpg
Рис. 1. Схема экранирования индукционный печи ЛПЗ-2-67М 1-тигель; 2-теплоизолирующая прослойка; 3-индуктор; 4-каркас печи; 5-металл; 6-шлак; 7-индукционная печь; 8-СРЭ; 9-рабочее место

В работе для снижения уровней переменных электромагнитных полей использовали следующие мероприятия.

Уменьшение мощности излучения обеспечивается правильным выбором генератора (мощность генератора целесообразно выбирать не более той, которая необходима для реализации технологического процесса и работы устройства). В тех случаях, когда необходимо уменьшить мощность излучения генератора, для излучений радиочастотного диапазона применяют поглотители мощности, которые ослабляют энергию излучения до необходимой степени на пути от генератора к излучающему устройству.

Поглотители мощности бывают коаксиальные и волноводные Поглотителем энергии служат специальные вставки из графита или материалов углеродистого состава, а также специальные диэлектрики. При поглощении электромагнитной энергии выделяется теплота, поэтому для охлаждения поглотителей применяют охлаждающие ребра или проточную воду.

Увеличение расстояния от источника излучения. В дальней зоне излучения, т.e, на расстояниях примерно больших 1/6 длины волны излучения, плотность потока энергии (ППЭ) уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а напряженности электрического и магнитного полей — обратно пропорционально расстоянию. Т. е. при увеличении расстояния от источника излучения в 2 раза ППЭ уменьшается в 4 раза, а напряженности (Е и Н) в 2 раза

В ближней зоне излучения при расстояниях примерно меньших 1/6 длины волны излучения напряженность электрического поля уменьшается обратно пропорционально кубу, а магнитного поля — квадрату расстояния для электрических излучателей, например для высоковольтных линий электропередач промышленной частоты. Для магнитных излучателей наоборот – напряженность магнитного поля снижается обратно пропорционально кубу, а электрического поля – квадрату расстояния. Энергия в ближней зоне не излучается.

Для источников излучения промышленной частоты длина волны λ=с/f=3*108/50= 6*106 м, т. е. человек всегда находится в ближней зоне излучения, а напряженность электрического поля быстро снижается с увеличением расстояния. Так, при увеличении расстояния в 2 раза напряженность электрического поля уменьшается в 8 раз. Наибольшее значение напряженности электрического поля высоковольтных линий электропередач имеет место вблизи крайних фазных проводов.

Заключение: исследовано электромагнитное поле плавильной индукционной печи ЛПЗ-2-67М. Разработаны защитные экраны от ЭМП. Выбраны оптимальные расстояния от экрана до источника ЭМП.

Резюме

Электромагнитное поле о индукционной печи плавления исследовано. Фильтр от электромагнитных излучений разработан. Поле в ближней зоне электромагнитного излучения месторождений оценено.


ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Электромагнитное поле от промышленного оборудования вызывает нарушение жизненно важных органов и систем человека (мозга, сердца, сосудов, нервы, работа легких, желудочно-кишечного тракта, и др.)

Энергия электромагнитного поля поглощается тканями человека, превращаясь в теплоту. Тепловой эффект возникает за счет переменной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи , т.д.) и токов проводимости в жидких составляющих тканей, крови и т.п. Если механизм терморегуляции тела не способен рассеять избыточное тепло, то возможно повышение температуры тела. Перегрев особенно вреден для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или с недостаточным кровообращением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный пузырь). Облучение глаз может вызвать помутнение хрусталика (катаракту).

Влияние электромагнитных полей заключается не только в их тепловом воздействии. При действии поля происходит поляризация макромолекул тканей и ориентация их параллельно электрическим силовым линиям, что может привести к изменению их свойств: нарушению функций сердечно-сосудистой системы и обмена веществ.

В работе исследовали уровни ЭМП оборудования литейного цеха АО «Казферросталь».

Уровни ЭМП дуговой печи и индукционной плавильной печи представлены в табл.1, а также результаты измерений характеристик электромагнитного поля (электрическая и магнитная составляющие) при работе дуговых электрических печей ДСП-1 и ДСП-2, трансформаторов 1ТДН-110/10, 2ТДН-110-10 и агрегата «ковш-печь» (АКП) АО «КазФерросталь». Здесь представлены измерения ЭМП при работе индукционной плавильной печи КазНТУ имени К.И.Сатпаева модели ЛПЗ-2-67М.

Как видно, электрическая составляющая ЭМП максимальна у трансформатора 1ТДН-110/10 (12 кВ/м на расстоянии 0,5); 2ТДН-110-10 (10 кВ/м на расстоянии 0,5 м); дуговой печи ДСП-1 (8 кВ/м на расстоянии 0,5 м).

С увеличением расстояния от источника ЭМП до рабочего места уровни электрической составляющей ЭМП существенно снижаются. Так, у дуговой печи ДСП-1 уровни ЭП ЭМП характеризуются 8 кВ/м; 5 кВ/м; 2кВ/м (на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м соответственно).

У дуговой печи ДСП-2 уровни ЭП ЭМП изменяются в следующей последовательности: 9 кВ/м; 6 кВ/м; 3 кВ/м (соответственно при расстоянии от источника ЭМП 0,5; 1,0 м; 2,0 м). У трансформатора 1ТДН-110/10, питающего электроэнергией плавильную печь ДСП-1, уровни ЭП ЭМП составляют 12 кВ/м; 8 кВ/м и 4 кВ/м (через 0,5 м; 1,0 м и 2,0 м соответственно). Агрегат “ковш-печь” характеризуется значениями ЭП ЭМП 8 кВ/м (0,5м от источника); 6 кВ/м(1,0м от источника; 4 кВ/м(2,0м от источника).

Минимальные значения ЭП ЭМП наблюдаются у индукционной плавильной печи марки ЛПЗ -2 – 67М: 6 кВ/м; 3 кВ/м и 1,0 кВ/м (0,5;1,0;2,0 м от источника ЭМП соответственно). Магнитное поле (МП) электромагнитного поля изменяется у вышеописанных агрегатов следующим образом. Максимальные уровни МП при работе наблюдаются у трансформатора 2ТДН -110/10, обеспечивающего электроэнергией плавильную дуговую печь ДСП-2 (1,22 мкТл; 1,1 мкТл; 0,6мкТл).

Магнитная составляющая ЭМП у плавильной дуговой печи ДСП-1 также выше нормы (0,2 мкТл) на расстоянии 0,5 м магнитное поле характеризуется 0,25 мкТл; на расстоянии 1,0 м - 0,11 мкТл; на расстоянии 2,0 м -0,06 мкТл. Магнитное поле (МП) у плавильной дуговой печи ДСП-2 также выше допустимого значения (0,2 мкТл) и изменяется с расстоянием следующим образом: 0,24; 0,15; 0,10 мкТл (соответственно на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м).

table1.jpg
Таблица 1. Результаты измерений электромагнитных полей при работе дуговых и индукционной плавильных печей без экранирования

Магнитное поле трансформатора 1ТДН-110/10 характеризуется значениями: 0,22; 0,11; 0,08 мкТл (на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м; соответственно).

Магнитное поле трансформатора 1ТДН-110/10 характеризуется значениями: 0,22; 0,11; 0,08 мкТл (на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м; соответственно).

Для защиты работников от ЭМП печного оборудования изготовлены были два экрана: один для дуговой электрической печи, второй - для индукционной плавильной печи.

На рис.1 представлена схема экранирования электромагнитных полей (ЭМП) дуговой сталеплавильной печи ДСП- 1 При работе дуговой печи происходит интенсивное излучение ЭМП в окружающую рабочую зону. Для защиты от прямого действия ЭМП рекомендуется сложный раздвижной экран (4), который используется следующим образом. Работник (сталевар) располагается в позиции 8. Для наблюдения за ходом процесса расплавления шихты, сталевар приводит в движение створки экрана-подвижные части (6) сложного раздвижного экрана (СРЭ), которые при движении из неподвижной части экрана (7) увеличивают площадь окна (5). Между сталеваром и источником ЭМП остается сетка (размер сеточного элемента (2-8) λ) , а расстояние между сеточными элементами (200-300)λ. Сталевар может находиться в разных местах по отношению к печи, поэтому все три рабочих места экранируется экранами СРЭ. При этом экран СРЭ может перемешаться по цеху и экранировать не только процесс расплавления, но и излучение трансформатора и АКП (агрегат “ковш- печь”).

На рис. 1 представлена схема экранирования ЭМП при работе индукционной плавильной печи модели ЛПЗ-2-67М. Сложный раздвижной экран (СРЭ) располагается перед индукционной печью на расстоянии 800λ, а рабочее место сталевара (оператора) находится на расстоянии 1100λ. Где λ–длина радиоволны СВЧ на частоте 300 ГГц, т.е. λ=1 мм. Если сталевар (оператор) будет менять рабочее место, тогда экран СРЭ может перемещаться (на роликах) и обеспечить экранирование в любой точке рабочего пространства.

pic2.jpg
Рис. 1. Схема экранирования ЭМП индукционной печи ЛПЗ-2-67М 1 - дуговая сталеплавильная печь ДСП-1; 2 – электропитание (шины); 3 – трансформатор 1ТДН-110/10; 4 – сложный раздвижной экран (СРЭ) от ЭМП; 5 – окно для наблюдения; 6 – подвижная часть СРЭ; 7 – неподвижная часть СРЭ (сетка); 8 – рабочее место сталевара

Заключение: исследовано электромагнитное поле металлургического оборудования (дуговая печь, трансформатор дуговой печи, индукционная печь). Рекомендованы экраны для защиты от ЭМП.

Резюме

Исследовано электромагнитное поле дуги индукционной печи. Измерены электромагнитные поля на оборудовании плавильного цеха. Фильтры от электромагнитных полей разработаны.


...
...