Автореферат (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты), страница 3

Мощность, которая выделяется в “звезде”, используется эффективнее, так как сосредоточена в глубокихслоях ванны и расходуется на целевые реакции. Высокая доля тока “треугольника”может привести к перегреву и спеканию колошника, повышенным потерям тепла и9восстановителя, автоколебаниям режима. Соответствующая току “треугольника” долямощности печи является структурным резервом экономии энергии в РТП.Переплав расходуемых электродов в ЭШП выполняют для рафинирования металла и получения высококачественных заготовок со специальной однородной кристаллической структурой.

В ЭШП необходимо обеспечить распределение мощности,при котором ограничена скорость переплава, минимальны глубина жидкой металлической ванны и ширина двухфазной области в зоне формирования заготовки. С ростом сечения заготовки условия ее теплообмена с кристаллизатором ухудшаются.При увеличении диаметра расходуемых электродов усиливается поверхностный эффект тока промышленной частоты и повышается скорость переплава, возрастает вероятность образования дефектов структуры. При пониженной частоте тока в монофилярной схеме уменьшается поверхностный эффект в расходуемых электродах.

Дальнейшее развитие данного метода повышения параметров ЭШП сдерживается отсутствием решений для более эффективной бифилярной схемы, обеспечивающей симметрию магнитного и теплового полей в печи, поскольку по собранным в единыйблок парам разнополярных электродов протекают встречно направленные токи.Из-за низкого естественного коэффициента мощности крупных печей (0,6 – 0,82)для всех типов печных комплексов важен выбор схемы питания печи и способауправления, в значительной степени определяющих энергетические, технологическиеи эксплуатационные характеристики, а также стоимость установки.Выполненный в первой главе анализ положений существующей теории и практики создания дуговых и шлаковых электротехнологических установок позволилсформулировать указанные выше задачи настоящего исследования.В главе 2 разработана энергетическая структура и классификация процессов вЭППП на основе сравнительного анализа энергетических балансов РТП, ДСП и ЭШП.В рабочем пространстве печи выделены три наиболее характерные зоны, отличающиеся видом происходящих в них энергетических процессов: зона шихтовых материалов, имеющих относительно низкую электропроводность, зона дугового разрядаи зона, в которой расположены твердые и жидкие материалы с высокой электропроводностью.

Указанные три энергетические зоны в различных сочетаниях существуютв разнообразных классах печей. Распределение энергии между этими зонами составляет своего рода энергетический портрет конкретного технологического процесса.К первой внутрипечной зоне печной относится объем, занятый твердой либооплавленной шихтой, как правило, заполненный смесью руды с углеродистым восстановителем и/или расплавленным шлаком.

При протекании тока через низкоэлектропроводные материалы первой зоны в них выделяется значительное тепло.Печная дуга, отнесенная ко второй зоне рабочего пространства, формируетбольшую часть процессов, протекающих в дуговой печи. От параметров ее работы напостоянном токе и токе пониженной частоты и условий ее теплообмена с окружающим рабочим пространством зависят все характеристики дуговой печи.В третьей зоне рабочего пространства печи из-за высокой электропроводностирасположенных в ней материалов электрическая мощность выделяется в относительно небольшом количестве. Тем не менее, для технологического процесса эта зонаважна, так как в ней присутствуют конечные продукты плавки, имеющие, как правило, металлическую проводимость. Поступление энергии в эту зону преимущественнопроисходит за счет тепломассообмена с двумя первыми зонами рабочего простран-10ства.

Эффективность работы первой и второй зоны, а также печи в целом, в значительной степени зависит от сбалансированности их теплообмена с третьей зоной.Четвертая структурная единица – энергетическое оборудование – преобразуетподведенную из питающей сети электроэнергию к рабочим параметрам. В рассматриваемых классах ЭППП периодическая коммутация потоков мощности в десятки мегаватт является рабочим режимом. Энергетические процессы во всех четырех зонах характеризуются нелинейностью и влияют друг на друга.

Поэтому работу всех четырехструктурных единиц необходимо рассматривать в комплексе.В структуре потоков, представленной на рис.1, оборудование E, обеспечивающеепитание печи энергией (электрической A, тепловой Q, скрытой химической и физической энергией материалов C), выделено в самостоятельную структурную единицу,также как и рабочее пространство печи WS. Механические воздействия G исполнительных механизмов регулируют обмен энергией и материалами между рабочим пространством печи и внешней средой, а также участвуют в распределении потоковэнергии и материалов внутри рабочего пространства. Внутренняя структура печногопространства на рис. 1 представлена на примере выплавки металлургического кремния: 1 - гарнисаж, 2 - исходная шихта, 3 - горячая шихта, 4 - размягченная шихта, 5 зона восстановления, 6 - металлокарбидная настыль, 7 - подэлектродная полость, 8 расплав кремния, 9 - электропроводная часть подины, 10 - электрод.

К зоне с относительно низкоэлектропроводными материалами относятся участки 1 - 6, 7 - зона дуги,8 - зона с восстановленным жидким кремнием, обладающим высокой электропроводностью. Индексами обозначена направленность потоков: ss - внешние потоки из системы снабжения, i - входные потоки, о - выходные потоки.Потоки могут быть направлены в одну сторону или иметь двунаправленный характер. Как правило, электромагнитный поток рассматривается как двунаправленный.

Комплекс потребляет из питающейсети активную мощность и генерирует мощность реактивную,искажения и несимметрии. Обмен энергией между печью, источником питания и сетью отображает внутренние процессы впечи, и несет информацию о параметрах состояния технологического процесса.Для обеспечения эффективного управления процессомплавки наряду с собственно физическим потоком энергии исРис. 1.

Структура потоков в печном комплексепользуютсяинформационныепараметры этого потока. Изменяющиеся во времени информационные параметрыэнергетического потока рассматриваются как многомерный процесс, отслеживающийэнергетические и технологические процессы в печи, недоступные для непосредственного контроля.11Электрошлаковые:высококачественныезаготовкиРуднотермические многошлаковые FeMn (угл.)SiMn (угл.), FeNi, P, Pb, Zn,штейныРуднотермические шлаковые: SiAl, SiCa,SiCrРуднотермические бесшлаковые: FeSi,CaC2, FeW, SiПлавильные и рафинировочные: сталь, чугун, цветныеметаллы, FeMn (без углер.),FeCr (без углер.), Mn, Ni, СоНа рис.1 информационные параметры потоков показаны широкими стрелками.Внешние обратные связи замыкают информационные потоки через систему управления CS. Декодирование информационных параметров в системе управления позволяетидентифицировать внутреннее состояние технологического процесса и с помощьюинтеллектуальной обратной связи повысить качество управления печью.

На рис. 2дана классификация печей с дугой, горящей при атмосферном давлении воздуха.Согласно выполЭлектродные плавильные печные комплексыненным исследованиям, выбор рода токаС открытойС шунтированнойБездуговые:для различных типовдугой: p ≠ 0, q ≠ 0дугой: q  0p0печей, связан с характером распределениянизкаямощности между перчастотавой и второй зонамирабочегопространства печи. В связи сэтимсоотношениемощностей первой ивторой зон преобразования электрическойэнергии в тепловуюпринято в качествеклассификационногопризнака электродныхПостоянныйПостоянный ток,Низкаятокнизкая частотачастотаплавильных печей.На рис.2 мощность,преобразуемаяв тепРис.

2. Классификация электродных печных комплексовло в печной дуге, обос полупроводниковыми преобразователямизначена p, а мощностьрезистивного нагрева в первой зоне обозначена q. В энергетическом балансе зон учитывается тепловой эффект химических реакций и физических превращений, а электрохимические реакции в первом приближении не учитываются. На рис. 3 схематично показана энергетическая структураДППТ (а); ЭШПНЧ (б); РТПТ и РТПНЧ(в), (г).

В зоне материалов с высокой электропроводностью твердая шихта (3.1 нарис. 3,а) или материал расходуемого электрода (3.1 на рис. 3,б) по мере плавленияпереходит в ванну жидкого металла 3.2.Применительно к РТПТ и РТПНЧ на рис.3, в и 3,г в зоне 1 низкоэлектропроводныхматериалов область то ков «треугольника»обозначена 1.2, область токов «звезды»обозначена 1.1.Рис. 3. Энергетическая зонная структураэлектродных печных комплексов12Разработанная в главе 2 концепция энергетической зонной структуры и предложенная классификация ЭППП по соотношению энергетических потоков первой ивторой зон позволили детализировать задачи, систематизировать и обобщить исследования энергетических процессов в электродных комплексах, выполненные в следующих главах. Включение в энергетическую структуру третьей зоны – высокоэлектропроводных материалов и четвертой структурной единицы - энергетического оборудования позволило поставить задачу комплексного повышения эффективностимежзонного взаимодействия с использованием информационных параметров энергетических потоков.

В следующих главах исследована каждая из структурных единиц ивыполнен структурный синтез энергетической системы печных комплексов.В главе 3 выполнено исследование энергетических потоков в зоне шихтовых материалов с низкой электропроводностью. Электромагнитное поле в проводящей средеописывается в общем случае волновым уравнением: F = jωμF,2(1)где  - оператор Гамильтона, F – комплексный вектор электрической и магнитнойнапряженности поля, μ – магнитная проницаемость среды.Учитывая, что глубина проникновения электромагнитной волны в слой шихтовых материалов с низкой электропроводностью при пониженной частоте существеннобольше размеров реакционной зоны печи, можно пренебречь поверхностным эффектом.

Это допущение позволяет выполнить математическое моделирование распределения мощности в слабоэлектропроводной зоне печи, одинаково применимое к печампониженной частоты и постоянного тока.Уравнение (1) упростим, рассматривая внутреннее пространство печи как среду сзонной однородностью. В этом случае распределение скалярного электрического потенциала φ электрического поля может быть описано уравнением Лапласа независимоот магнитного поля. Решение уравнения Лапласа для среды с зонной однородностьюпринято в соответствии с разработанной А. В.