Автореферат (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты), страница 4

Тарасовым цифровой математическоймоделью шлаковой ванны с погруженными в нее электродами. С использованиемданной модели выполнено исследование общих закономерностей распределениямощности в рабочем пространстве печи с различными схемами их питания. Принятыследующие граничные условия: первого рода – на поверхности электродов и поверхности раздела фаз с высокой и низкой электропроводностью (шлака и сплава) и второго рода – на поверхности шлака и на непроводящих стенах.Исследованы зависимости потенциала φ от координат в ванне печи и определенораспределение удельной объемной мощности Pv (электрической мощности, выделяющейся в единичном объеме).

Анализ результатов моделирования для ванны РТП,представленных на рис.4, показывает, что наилучшими характеристиками обладаетсхема «электрод-подина». Это запатентованное решение [24 - 26] обеспечиваетнаибольшую концентрацию мощности под электродами (слева на рис.4: максимум Pvна сплошной кривой под электродами), что важно при энергоемких процессах и дляадаптации энергетических процессов в печи к изменяющимся условиям плавки.Например, при выплавке кремнистых сплавов и тугоплавких ферросплавов вРТП концентрация мощности в нижних горизонтах печи создает условия для применения более чистых (от примесей) восстановителей и повышения качества конечных13продуктов.

При переплаве расходуемых электродов в ЭШПНЧ с коротким кристаллизатором концентрация мощности под электродами позволяет в начале плавки надежно приварить формируемый слиток к затравке на поддоне. Далее коммутацией вентилей изменяют топологию силовой схемы, перераспределяя мощность в шлаковойванне так, чтобы обеспечить формирование качественной структуры заготовки [33].Более высокая равномерность распределения мощности в шлаке вблизи поверхности металла при схеме «электрод-подина» (см. изменение Pv вдоль оси Х слева нарис.4) положительно влияет на технологический режим многошлаковых процессов вРТП (FeMn, SiMn, штейны).

Наибольшее электрическое сопротивление ванны(сплошная кривая справа рис.4) печи является еще одним важным преимуществомданной схемы для многоэлектродных печей, позволяющим повысить их энергетические характеристики и снизить стоимость печных комплексов. Наконец, рост электрического сопротивления при сближении электродов (при других схемах Rсх снижается с уменьшением s/d) позволяет уменьшить размеры ванны печи, сократив вес металлоконструкций и футеровки, и снизить удельный расход электроэнергии.Рис.3. Распределение электрической мощности Pv в ванне РТП и зависимостьсопротивления под электродом Rсх от расстояния между электродами s/d(отнесенного к их диаметру) при различных схемах подключения печиВ третьей главе установлена зависимость электрического сопротивления ванныпечи и удельной объемной мощности в зоне печи с материалами, имеющими относительно низкую электропроводность, от схемы подключения и расположения электродов. Показано, что в соответствии с запатентованным изобретением [25] наиболее высокие параметры достигаются при подключении к источнику питания по схеме электроды - подина, обеспечивающим повышение электрического сопротивления ванныпечи на 30% и концентрации мощности под электродами в 1,5 раза.

Выявлены новыевозможности повышения энергоэффективности печей путем адаптивного перераспределения мощности в их ваннах при изменении схем питания.14В главе 4 выполнены исследования особенностей энергетического обмена дуги срабочим пространством плавильной печи, питаемой током пониженной частоты и постоянным током.В настоящей работе исследование дуги ограничено энергетикой ее взаимодействия с окружающим печным пространством.

С этой целью определялись вольтамперные (ВАХ) и регулировочные характеристики (зависимость напряжения на дугеот длины межэлектродного промежутка). Характер энергетических процессов в дуге иокружающем ее печном пространстве при изменении частоты тока и переходе на постоянный ток, имеют существенные отличия по сравнению с работой дуги на промышленной частоте тока.Исследование теплообмена дуги с рабочим пространством печи выполнено сиспользованием разработанной М. М. Крутянским модели печной дуги постоянноготока. В модели рассматривается баланс энергии в электропроводной зоне дуговогостолба, а также сопряженный с ним конвективный теплообмен столба дуги (как квазитвердого тела) с неэлектропроводной атмосферой печного пространства.В соответствии с принятыми допущениями, внутри столба дуги, обладающегоцилиндрической симметрией, преобразованная в тепло энергия электрического поляпередается наружу теплопроводностью в радиальном направлении, конвекцией внаправлении оси, а также излучением, свободно, без поглощения, покидающим столбдуги.

Конвективный теплообмен столба дуги с атмосферой внутри печи зависит оттемпературы атмосферы. Рост температуры атмосферы приводит к увеличению диаметра столба дуги, снижению плотности тока и напряженности электрического поля встолбе и, при прочих постоянных условиях, к снижению напряжения дуги. Статическая вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока при различной ее длинеL, рассчитанная автором с помощью этой модели, построена на рис.4 (кривые U1-U4).Рассчитанные ВАХ и регулировочные характеристики дуги экспериментальноподтверждены на промышленной сталеплавильной печипри токе дуги до 36 кА.Полученные характеристики дуги позволили рассчитатьсобственное излучение дугиQсобi, как произведение ее тока на напряжение за минусоммощности, непосредственнопередаваемой расплавляемоРис.4.

ВАХ дуги постоянноготока (U1-U4), и рабочие характеристики: тиристорноговыпрямителя (Ud1) и источника питания с ИМПТ (P1-P4)му металлу через анодное пятно дуги. Принимается равномерное по длине столба дуги тепловое излучение, мощность которого (с учетом угловых коэффициентов) определяет падающий поток на участки шихты, футеровки и поверхности металлическойванны. Дальнейшее моделирование теплообмена в ДППТ выполнено с использова-15нием разработанной Е. А. Венявкиной и А. В. Колушевым динамической математическая модели теплообмена в дуговой печи между графитированным электродом, керамической футеровкой, водоохлаждаемыми элементами, плавящейся шихтой и жидким металлом с учетом соответствующего изменения геометрии садки.

Теплообмен свнешней средой учитывается граничными условиями третьего рода. В результате,уравнениями (2)–(4) определяется уровень жидкого металла и температура в печи.Система, описывающая имитационную математическую модель замыкается уравнением (5), определяющим алгоритм регулирования длины дуги L в зависимости отсредней температуры t в печи. Варьируя вид функции (5) с учетом заданной активноймощности печи и характеристик дуги (как на рис. 4), определяем параметры различных режимов плавления шихты в ДППТ.NQэфi ( )  Qсобi ( )  1   i ( ) 1Fi , j Qэфj ( ),j 1 S jS i SjFi, j    0 0Ф4 RA1R A 2 cos 1 cos  22ddSi dS j ,(2)(3)  2t H  1 t H   2t H  H, ( R, z ) эк ( Н )2R Rz 2  R(4)L = f(t),(5)где  – время; i – индекс зоны шихты, футеровки, металла, Qэфi – эффективное излучение i-й зоны; Qсобi – собственное излучение i-й зоны, определяемое законом Стефана-Больцмана; Si, i – площадь, коэффициент теплового излучения i-й зоны; Fi,j – взаимная площадь облучения i-й j-й радиационных зон, RA1, 1, z1 (RA2, 2, z2) – координаты точки А1, А2, принадлежащей элементарному кольцу dSi i-й зоны (dSj j-й зоны); - вектор, соединяющий точки А1 и А2; 1(2) – угол между вектором  и нормальюк поверхности i-й (j-й) зоны в точке А1 (А2);  =1-2; Ф – подмножество углов (0≤ ≤), на котором точка А1 видна из точки А2, где (R, z) – плотность шихты, изменяющаяся в пределах от насыпной плотности до плотности расплавленного металла; эк(Н)- эквивалентная теплопроводность; Н – удельная энтальпия шихты; t(H) –температура шихты в функции энтальпии, включающая фазовый переход.В совокупности определенные в работе характеристики дуги и результаты моделирования ее теплообмена с плавящейся шихтой, жидким металлом, электродом,футеровкой печи и водоохлаждаемыми панелями позволили смоделировать энергетический режим всего цикла плавки в ДППТ, определить энергоэффективные геометрию печной ванны и параметры источника питания, выполнить в диалоговом режимеимитационное моделирование процесса управления режимом плавки.Энергетический режим дуги переменного тока, отличающийся по характеристикам от дуги постоянного тока, исследовался в предположении, что по форме столба дуга представляет собой электропроводный цилиндр постоянного радиуса rд, в котором отсутствует проток газа в осевом направлении, а в радиальном направлениитепло передается теплопроводностью.

Для аналитического описания с учетом частоты тока решалось уравнение баланса энергии в столбе дуги, которое принято в рамкахтак называемой «каналовой модели» дуги, разработанной H. Maecker:161 T=(r )  j E,r rr(6)где  - время, E – напряженность электрического поля, j – плотность тока, Т,  и  соответственно, температура, удельная энтальпия и коэффициент теплопроводностиплазмы дуги.Решение уравнения (6) с учетом нелинейной зависимости теплопроводностиплазмы столба дуги от температуры, в предположении синусоидального характеракривой тока дуги и линейной зависимости удельной электропроводности σ от интегральной функции S теплопроводности:TS =  dT ,(7)0найдено в виде функции напряжения на дуге Uд от времени:Uд =2U o sin ω, ( )(8)где U o - действующее значение напряжения столба этой дуги (без учета приэлектродных падений напряжения); ω - круговая частота тока дуги;cos 2   sin 2 0,5θ(τ) = (1 ) .1   2 2(9)Параметр , имеющий размерность времени и физический смысл «постояннойвремени» распада дуги при ее отключении, существенно влияет на динамическиесвойства дуги, изменение электропроводности, динамические ВАХ, амплитуднофазовые характеристики, что учитывалось при изменении частоты тока дуги.На рис.5,а приведены рассчитанные с помощью математической модели (6) - (9)осциллограммы напряжения (в относительных единицах).