Автореферат (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты), страница 5

Фазовый угол напряженияуказан в градусах. Осциллограммы показывают, что с некоторым запаздыванием после перехода напряжения на дуге (и, соответственно, тока) через нуль наблюдаютсятак называемые «пики зажигания» дуги. Пикам напряжения соответствует минимумпроводимости дугового промежутка, который объясняется снижением степени ионизации в дуге. Анализ осциллограмм показывает, что «пики зажигания» дуги явно выражены в определенном интервале значений безразмерного параметра  , так какпри  0, кривая напряжения на дуге стремится к меандру. Экспериментально снятая в сходных условиях осциллограмма напряжения и тока с частотой 4,2 Гц печнойдуги при проплавлении шихты у электродов, приведенная на рис.5,б, показывает, чтохарактерные «пики зажигания», наблюдаются и при пониженной частоте тока дуги.Между полуволнами прямой и обратной полярности тока электрода имеется пауза, минимальная длительность которой определяется необходимостью надежноговосстановления запирающих свойств отключаемой тиристорной группы источникапитания.

Исследования открыто горящей дуги при токе до 2 кА и закрытой дуги вферросплавной печи при токе в электроде от 8 до 60 кА показали, что при длительности паузы до 30 мс устойчивость печной дуги практически не снижается. При перемене полярности электрода после паузы тока дуга вновь устойчиво зажигается и горит (осциллограмма на рис.5,б), что свидетельствует о высокой остаточной ионизацииподэлектродного пространства при указанной длительности перерыва в токе дуги.17а)б)Рис.5. Осциллограммы напряжения uД , тока iД дуги и сети i1: расчетные (а) при  =0 (1); 0,035(2); 0,35(3); 5,58(4) и экспериментальные (б) при частоте тока f = 4,2 ГцАнализ осциллограмм при различных пониженных частотах позволил установить особенность режимов дуги в трехфазной печи.

Из-за нелинейности сопротивления дуги происходит циклическое перераспределение потоков мощности между дугами, горящими под разными электродами, которые в трехфазной системе периодически включаются то параллельно, то последовательно. Циклическая коммутация вентилей трехфазного преобразователя частоты обеспечивает повторное перераспределение потоков мощности, позволяющее раздельно регулировать напряжение на каждом электроде.

Результат указанного двукратного перераспределения потоков мощности в печном комплексе между дугами трех фаз пониженной частоты и между фазами преобразователя частоты проявляется в значительном снижении низкочастотноймодуляции сетевого тока i1, осциллограмма которого приведена на рис.5,б, по сравнению с низкочастотной модуляцией тока электродов iД.По четвертой главе из исследований зоны дугового разряда следуют выводы:1. Разработаны имитационная математическая модель теплообмена в ДППТ имодель энергетического режима дуги переменного тока, с учетом влияния пониженной частоты на форму напряжения дуги. Сходимость результатов моделирования иэкспериментальных данных подтвердили адекватность математических моделей.2.

Моделирование теплообмена в ДППТ с использованием полученных экспериментальных данных по вольт-амперным и регулировочным характеристикам дуги послужило методической основой для улучшения параметров печей с керамической футеровкой, а также адаптации режима плавки к изменяющимся условиям, снижениядлительности расплавления до 50 минут и расхода электроэнергии до 420 кВт*ч/т.3. Исследованием режимов работы печной дуги при пониженной частоте тока от2 до 60 кА доказано, что при длительности паузы до 30 мс, связанной с переменойполярности тока, дуга сохраняет устойчивость.4.

При пониженной частоте тока трехэлектродных печей из-за нелинейности сопротивления дуги поток энергии циклически перераспределяется между электродами.Запатентованные [37] схема питания РТПНЧ током частотой 0,1 – 10 Гц и способ раздельного регулирования режимов электродов по предложенному алгоритму управления тиристорами позволяют повысить cos до 0,93 и производительность на 15 - 25%.В главе 5 исследованы магнитогидродинамические процессы в ванне жидкогометалла (в зоне 3) при использовании тока пониженной частоты и постоянного тока.В третьей зоне печной ванны, занятой материалами с высокой (металлической)электропроводностью, выделяется относительно небольшое количество джоулева18тепла. Приход тепла в эту зону печи преимущественно определяется теплообменом спервыми двумя зонами, в которых выделяется практически вся подводимая к печиэлектрическая энергия.

Образующийся в ДППТ жидкий металл, нагретый под действием дуги, поступает в ванну сверху, в связи с чем естественная конвекция не развивается, а передачи тепла теплопроводностью не достаточно для эффективногоусвоения металлом энергии, выделяющейся в дуге, расположенной над расплавом.Перемешивание жидкого металла – важное условие эффективного усвоения тепла, выделяющегося в рабочем пространстве печи, и протекания разнообразных металлургических процессов в ДППТ, РТПТ, РТПНЧ и ЭШПНЧ, тем более с ростом энерговооруженности печей. Использование магнитогодродинамического эффекта, неусложняя технологическую схему печи, решает эту задачу.Магнитогидродинамика жидкого металла в ванне электропечи под действиемполя рабочего тока описана системой уравнений Максвелла совместно с уравнениямиэлектродинамики для проводящей среды и с уравнением движения однородной несжимаемой жидкости. Данная задача решается с применением методов физического иматематического моделирования.

Исследование распределения плотности постоянного тока в ванне РТПНЧ мощностью 24 МВА, выполненного с помощью программыANSYS, показали, что в пространстве ванны между электродами плотность тока практически равномерна по всей глубине ванны. Расчетами показано, что из-за поверхностного эффекта на переменном токе промышленной частоты рабочий ток замыкается по относительно тонкому поверхностному слою жидкой металлической ванны. Всвязи с этим при частоте 50 Гц перемешивание по всей глубине ванны металла непроисходит. Для исследования МГД перемешивания ванны металла при пониженнойчастоте тока в диссертации использован метод физического моделирования.Применительно к анализу поведения жидкого металла при протекании через него рабочего тока печи автором принята система (10) критериев подобия:П1= f 2 = idem; uП2 == idem; uП3= Re== idem;В(10) 0 2 I 2П4 == idem,Вгде П1, П2, П3 (Re), П4 – критерии подобия соответственно электромагнитного поля,относительного движения поля и жидкого расплава, число Рейнольдса, магнитогидродинамического подобия; ρ - плотность расплава;  =hВ - характерный линейныйразмер, равный глубине ванны;  - скорость «перемещения» поля; u – скорость расплава;  ,  – электропроводность и магнитная проницаемость среды; В - динамическая вязкость расплава; 0 - магнитная постоянная, I – рабочий ток.

При условии, чтоскорость расплава много меньше скорости  перемещения поля (П2 = 1), выполненофизическое моделирование перемешивания ванны жидкого ферросилиция в промышленной печи.19Металлическая модель, представленная на рис.6, выполнена на жидком галлии сучетом параметров и строения ванны промышленных печей, выплавляющих45%-ныйферросилиций. Визуализация движения расплава, проявляющегося нестационарным образованием волн,осуществлялась с помощью твердых частиц, плавающих на поверхности металла.Рис.6.

Физическая модель из галлия МГД перемешивания расплава в РТПНЧ, приведенная к частоте 0,5 ГцСкорость движения измерялась фотометрическим способом. В модели при токе400-500 А (что соответствует току в печи 8-10 кА) наблюдается движение металла соскоростью 0,03 – 0,04 м/с. При числе РейнольдсаRe = 2400 – 3200 > 2300,(11)течение турбулентно и с достаточной для практики точностью можно принять, чтоявление становится автомодельным.Результаты физического моделирования показали, что в диапазоне частот 0,02–0,5 Гц при токе более 10 кА в руднотермических печах под действием рабочего токаможет наблюдаться эффективное перемешивание всего объема жидкой ванны металла.

В табл. 1 приведены данные по физическому моделированию перемешивания ванны в печи мощностью 24 МВА, выплавляющей ферросилиций ФС-45. Интенсификация перемешивания ванны 45%-го ферросилиция в промышленной печи косвенноподтверждена значительным улучшением выхода сплава через печную летку при переходе на питания током пониженной частоты. Использование перемешивания ферросплавов и других продуктов в ванне РТП уменьшит перегрев металла в области дуги и обеспечит объемное выравнивание температуры и химического состава расплавадо выпуска из печи. Это позволяет уменьшить потери металла, связанные с его испарением в зоне электрической дуги, а также потери при разливе. В ЭШПНЧ определено расположение токоподвода, при котором перемешивание шлака способствует получению тонкого гарнисажа и качественной поверхности заготовки.Таблица 1Параметры физической модели из галлия и расплава в промышленной РТПНЧНаименование параметра, размерностьМодельПечь33Плотность, 10 кг/м6,14,3-4,76-1 -1Электропроводность, 10 Ом м3,51,0Температура плавления, ºС29,91210-1300Глубина ванны, м0,020,5-0,7Частота тока, Гц500,14Скорость, м/с0,03-0,040,35Для случая однородной электропроводной ванны жидкого металла при глубинепроникновения электромагнитной волны переменного тока в металлическую ванну,превышающей размеры самой ванны, а также при постоянном токе электрическое поле в ванне рассчитано независимо от магнитного согласно уравнению Лапласа.