Автореферат (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты)

На правах рукописиНехамин Сергей МарковичСОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ДУГОВЫХ ИШЛАКОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКАИ ТОКА ПОНИЖЕННОЙ ЧАСТОТЫСпециальность 05.09.10 – ЭлектротехнологияАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 20152Работа выполнена на кафедре«Автоматизированные электротехнологические установки и системы»ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»Научный консультант:Кувалдин Александр Борисовичзаслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты:Леонтьев Леопольд Игоревич,академик РАН, доктор технических наук,профессор, Президиум РАН,советник РАНМиронов Юрий Михайлович,доктор технических наук, профессорЧувашский государственный университет,профессор кафедры «Автоматизированныеэлектротехнологические установки и системы»Чередниченко Владимир Семеновичдоктор технических наук, профессор,ОАО «Сибэлектротерм»,заместитель технического директораВедущая организация:НИТУ «МИСиС»Защита диссертации состоится «26» июня 2015 г.

в аудитории М-606 в 14 часовна заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ«МЭИ» по адресу: 112250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации,просим направлять по адресу: 112250, Москва, ул. Красноказарменная, д.

14, Ученыйсовет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан «»Ученый секретарь диссертационногосовета Д 212.157.02к.т.н., доцент2015 г.Цырук Сергей Александрович3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Электродуговые печи (ЭДП), включающиедуговые сталеплавильные (ДСП) и руднотермические (РТП), а также электрошлаковые печи (ЭШП), являются одними из наиболее крупных и массовых потребителейэнергии и сырьевых ресурсов в металлургии.

Единичная мощность электрометаллургических печей превышает 100 МВА. Заводы, оборудованные такими печами, имеютмощность до 1 ГВА, в год потребляют миллионы тонн металлолома, минерального иуглеродистого сырья, выпускают миллионы тонн стали и сплавов. В мировой практике реализованы сотни проектов создания печей новой конструкции, питаемых от тиристорных преобразователей.

Наиболее масштабные из них: пущенная в 2011 году вЯпонии крупнейшая в мире установка ДСП постоянного тока емкостью 420 тонн спитанием от выпрямителя мощностью 260 МВА, построенный в Казахстане комплексчетырех РТП постоянного тока мощностью по 75 МВт, печь ЭШП в Италии, выплавляющая слитки массой до 250 тонн на токе пониженной частоты.Наряду с экстенсивным способом развития электрометаллургических производств внимание исследователей и разработчиков привлекают возможности повыситьэффективность использования вводимой в печи энергии путем более рациональногоее распределения и гибкого управления в печах, работающих на постоянном токе итоке пониженной частоты.Разработка научных основ создания и внедрения печных комплексов, эффективное потребление энергии в которых достигается при использовании в их системе питания полупроводниковых преобразователей, открывает перспективные возможностисистемного совершенствования технологий и создания новых электротехнологических процессов, экономии энергии и сырья, снижения экологической нагрузки наокружающую среду, повышения качества металлопродукции.Степень разработанности темы характеризуется освещением ее отдельных аспектов и отсутствием системного рассмотрения вопросов, связанных с созданием дуговых (ДППТ) и руднотермических (РТПТ) печных комплексов постоянного тока,руднотермических (РТПНЧ) и электрошлаковых (ЭШПНЧ) печных комплексов, использующих ток пониженной (ниже 50 Гц) частоты, далее называемых электроднымипечными комплексами с полупроводниковыми преобразователями (ЭППП).

В этойобласти практические разработки в России значительно отстают от зарубежных.Цель работы: определение основных закономерностей и разработка научнообоснованных технических решений для создания и внедрения в промышленностьавтоматизированных ЭППП, обеспечивающих повышение энергетической эффективности печных комплексов и качества производимой продукции.Задачи исследования.1. Разработка энергетической зонной структуры ЭППП и систематизация разнообразных процессов преобразования энергии в рабочем пространстве печей.2.

Исследование обобщенных закономерностей, характеризующих энергетические процессы в основных зонах ванны и системах питания печных установок.3. Выявление системной связи электроэнергетических процессов в полуповодниковых устройствах питания с тепловыми процессами и их управлением в ЭППП.4. Разработка математических моделей, методик расчета параметров и обоснованного выбора основных схемных и конструктивных решений печных комплексов.5. Разработка научно обоснованных базовых технических решений, направленных на промышленное внедрение энергоэффективных ресурсосберегающих печных4комплексов, питаемых током пониженной частоты и постоянным током.Методы исследования.

Электромагнитные и тепловые процессы исследовалисьпосредством математического и физического моделирования с применением методовматематической физики и вычислительной математики. Использовались методы конечных элементов, оптимизации, отображения, теории подобия, системного анализа.В экспериментальных исследованиях использовались методы математического планирования, компьютерной регистрации и статистической обработки данных.Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, проверенного на адекватность объектам исследований сопоставлением расчетов с экспериментальными данными, а также сходимостью с результатами, полученными другими авторами.

Обоснованность теоретических положений проверена публикацией в рецензируемых центральных изданиях, рекомендуемых ВАК России. Достоверность предлагаемых методик и рекомендаций подтверждена практическим использованием для разработки и при эксплуатации промышленных электродных печных комплексов.Научная новизна.1. Предложена систематизация энергетической структуры печных электродныхкомплексов с полупроводниковыми преобразователями энергии, включая выделениетрех внутрипечных зон: дуги, низкоэлектропроводных и высокоэлектропроводныхматериалов и четвертой внепечной части - системы питания печи, а также классификация комплексов и выбор рода тока по критерию соотношения мощностей дуговогоразряда и резистивного нагрева в зоне низкоэлектропроводных материалов.2.

Установлена связь структуры внепечных потоков энергии с тепловыми процессами в рабочем пространстве электродных печей, питаемых постоянным током итоком пониженной частоты, что позволяет выполнять их энергоэффективный системный синтез и при изменяющихся условиях протекания плавки качественно менятьвнутреннюю энергетическую структуру.3. Разработана система математических и физических моделей, с помощью которых определенны новые закономерности распределения мощности в выделенныхэнергетических зонах электродных печных комплексов, а также динамические зависимости теплового поля от изменяющейся структуры энергетических потоков.4. Определены закономерности процессов передачи энергии между выделенными структурными энергетическими единицами, позволяющие повысить энергоэффективность печных комплексов: 1)в дуговых печах – зависимость эффективности плавления шихты дугой от параметров алгоритма изменения постоянного напряжения итока (до 50 кА), 2)в руднотермических печах – зависимость формы кривой напряжения на дуге и энергетических параметров комплекса от частоты тока, 3)в руднотермических и электрошлаковых печах – связь схемы подключения и расположенияэлектродов в ванне с ее электрическим сопротивлением и пространственным распределением мощности, 4)для всех рассматриваемых комплексов – флуктуационные характеристики турбулентных течений при магнитогидродинамическом перемешивании жидкого металла в зависимости от токового режима токоподвода к ванне.5.

Определена зависимость рабочих и энергетических характеристик печныхкомплексов от топологии систем питания, на основании чего разработаны новые патентозащищенные энергоэффективные схемы питания печей постоянным током и током пониженной частоты.56. Предложены способы модификации энергетической структуры электродныхкомплексов с полупроводниковыми источниками питания, при которых контролируют информационные параметры энергетических потоков в процессе адаптивногоуправления плавкой при изменяющихся условиях и обеспечивают энергосбережениепутем регулирования распределения мощности в рабочем пространстве печей.7.

Разработано информационно-методическое обеспечение для системного синтеза и параметрической оптимизации электродных плавильных комплексов, в соответствии с которым в диалоговом режиме с помощью имитационной компьютерноймодели определены: а) сбалансированные энергоэффективные способы передачи,преобразования и адаптивного управления потоками мощности с учетом взаимодействий постоянных и переменных с частотой 0,1 – 10 Гц электромагнитных полей;б) энергетические и технико-экономические показатели комплексов.Новизна технических решений, разработанных на основе названных научныхположений подтверждена патентами на изобретения [24, 25, 27, 28, 33 – 35, 37].Теоретическая значимость.

Разработан теоретически обоснованный подход ккомплексному исследованию и системному синтезу зонной энергетической структуры печных установок, использующих полупроводниковые источники питания, магнитогидродинамическую (МГД) интенсификацию теплообменных процессов для болееполного использования введенных в печь энергии и материалов, повышения качествавыплавляемого металла; создана классификация ЭППП и научно-методическая основа развития перспективного направления энергосбережения в электрометаллургии,позволяющего снизить потери энергии и повысить коэффициент мощности до 0,92.Практическая ценность. Разработаны энергоэффективные схемные и конструктивные решения, а также способы управления и методики расчета электропечныхкомплексов, с помощью которых выполнено системное проектирование, обеспечивающие перспективу широкого внедрения в промышленности ресурсосберегающихЭППП, определены сферы предпочтения тока пониженной частоты или постоянноготока:- в классе РТПТ впервые в практике отечественного печестроения созданы конструкция РТПТ с проводящей подиной, имеющей вдвое повышенный срок службы, на токсвыше 100 кА, а также универсальные комплексы с питанием от импульсных многоканальных преобразователей в транзисторном исполнении (ИМПТ);- в классе РТПНЧ впервые создан энергоэффективный комплекс мощностью 24 МВАс тиристорным источником тока пониженной до 0,1 – 10 Гц частоты (ИПЧ);- в классе ЭШПНЧ впервые разработана и конструктивно реализована структурнаясхема с бифилярным исполнением расходуемых электродов, решающая проблемувыплавки специальных слитков массой до 120 т и полых заготовок диаметром до 2 м.- в классе ДППТ разработаны математические модели динамики теплообмена и плавления шихты, а также МГД перемешивания жидкого металла полем постоянного тока, с использованием которых разработаны и внедрены в промышленность новыеэнергоэффективные тиристорные схемы питания дуговых печей и экономичные сталеплавильные комплексы с ИМПТ.На новые практические решения получены патенты на изобретения [26 – 32, 34, 36].На защиту выносятся следующие положения.1.

Создание энергоэффективных дуговых, руднотермических и электрошлаковых электропечных комплексов с источниками питания током пониженной частоты ипостоянным током – перспективное направление электротехнологии, обеспечиваю-6щее повышение коэффициента мощности с 0,6 – 0,82 до 0,86 – 0,92 и экономию более10% сырья, повышение качества металлургической продукции.2. Для целей исследования и проектирования ЭППП рационально рассматриватьэнергетическую систему печных комплексов в составе четырех структурных единиц:трех внутренних зон: низкоэлектропроводных материалов, дуги и высокоэлектропроводных материалов, а также энергетического оборудования вне печи.3. Научно-методической основой развития электрометаллургических производств по пути создания энергоэффективных плавильных печных комплексов, работающих на постоянном токе и токе пониженной частоты, является концепция, заключающаяся в разработке структуры преобразования и динамического управления распределением потоков мощности в полупроводниковых системах питания и трех энергетических зонах рабочего пространства печной установки.4.