Автореферат (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты), страница 6

СилаЛоренца, действующая на движущуюся электропроводную жидкость, и перенос пассивной примеси (легирующей присадки) рассчитаны согласно выражениям:20F      u  B  B ,(12)c  u  c  0t(13);где B - магнитная индукция, с – концентрация примеси. Влияние концентрации примеси на плотность жидкости и молекулярную диффузию не учитывались.Для описания нестационарных эффектов течения жидкости автором совместно сС.

А. Смирновым и В. В. Калаевым разработана математическая модель LES (LargeEddy Simulation), относящаяся к классу моделей крупных вихрей. Осуществляетсяпрямой расчет структуры крупных вихрей и определяются локальные осредненныехарактеристики турбулентности в подсеточной области. С использованием моделиавтором проанализирована нестационарная структура течения и динамика установления равновесия по концентрации легирующей присадки. Рассчитанные с помощьюLES модели осредненные характеристики течения совпали с результатами, полученными с использованием известной k- модели турбулентности. Это позволило рассчитать динамические режимы МГД перемешивания ванны металла в промышленныхконструкциях ДППТ, различающиеся числом и расположением в ванне подовыхэлектродов, с вариацией токовой нагрузки на них.На рис.7,а, б для ванны с двумя подовыми электродами, нагруженными током по10 кА каждый, показано поле векторов скорости в вертикальном сечении и на свободной поверхности.

Распределение степени неоднородности концентрации легирующей присадки в горизонтальном сечении, проведенном через середину высоты ванны через 5 минут после внесения присадки (указанной стрелкой) показаны на рис.7,в.а)б)в)Рис.7. Поле скоростей жидкого металла в ванне: поперечный разрез (а); план (б);распределение и шкала неоднородности концентрации присадки (в)На рис. 7,а видно, что нисходящая под пятном дуги струя доставляет металл пооси к дну ванны, где он растекается в радиальных направлениях; на поверхность расплав выходит как электродными струями, так и по стенкам ванны (рис.7,б).С помощью математического моделирования разработана конструкция ванны иалгоритм управления асимметричной токовой нагрузкой, обеспечивающие сглаживание флуктуаций скорости и повышение эффективности перемешивания жидкой ванны при сниженном суммарном токе печи.

Результаты расчетов совпали с экспериментальными данными, полученными автором на ДППТ емкостью 12 и 15 тонн, которыеподтвердили, что МГД перемешивание рабочим током обеспечивает скорость жидкойстали 0,15 – 0,5 м/с. Обеспечено сокращение в три раза длительности выравниванияхимического состава и температуры стали, которое (при использовании разработан-21ных решений) достигается не более чем за 5 минут по всему объему ванны с отклонением от заданной концентрации присадки, не превышающим 0,2% процентов (отконцентрации, соответствующей марке выплавляемой стали). Включение данного алгоритма после периода интенсивного плавления шихты позволяет адаптироватьструктуру потока энергии к изменяющимся технологическим задачам плавки.В главе 5 выполнены исследования МГД перемешивания жидкого металла полемрабочего тока, определившие условия усвоения мощности, введенной в ванну и повышения качества производимой продукции.

С помощью разработанной математической и физической модели определены рациональные конструкция ЭППП и режимыадаптации их работы к изменяющимся условиям плавки. В ДППТ экспериментальноподтверждено обеспечение скорости металла до 0,5 м/с и сокращение в 3 раза длительности гомогенизации расплава. В ЭШПНЧ на основе проведенных исследованийвлияния расположения токоподвода к ванне разработано и запатентовано решение[36], обеспечивающее повышение качества выплавляемых заготовок.В главе 6 проведено исследование управления энергетическим режимом печныхкомплексов, использующих ток пониженной частоты и постоянный ток, а также разработаны специальные схемы питания и выполнен системный синтез структурыЭППП, обеспечивший их комплексную энергетическую эффективность.В дуговых печных комплексах постоянного тока требуется глубокое в 2 – 8 разизменение напряжения и тока по ходу плавки при сохранении активной мощности.Выполненный функциональный анализ работы тиристорных ключей в известномрешении по переключению между последовательным и параллельным соединениемвыпрямительных мостов показал ее структурную избыточность.

Автором предложенаи запатентована [27] схема питания печи, представленная на рис.8, в которой вместодвух тиристорных групп, последовательно соединяющих мосты, используется однагруппа, которая совмещает функцию каскадного включения обмоток трансформатораи коммутацию фаз питающего напряжения.

Данная схема обеспечивает 2-кратное изменение тока и напряжения при сохранении мощности и воздействии на питающуюсеть как мостовой схемы. Уменьшается на17 % количество силовых ключей, снижается падение напряжения на тиристорах иповышается электрический КПД.Рис.8. Схема питания дуговой печи с каскадным включением группМощные выпрямители имеют жесткую рабочую характеристику, угол ее пересечения с восходящей ветвью ВАХ дуги (см. Ud1, U1 и Ψ2 на рис.4) мал, в связи счем, для обеспечения устойчивости дуги в цепь постоянного тока включают дроссельи используют быстродействующий регулятор тока. Схема (рис.8) получила дальнейшее развитие в запатентованном решении [28], в котором каскадная тиристорнаягруппа выполнена в виде кольцевого элемента.

В дополнение к увеличению КПД этообеспечило повышение коэффициента мощности выпрямителей при регулированиинапряжения на электроде печи, позволило поднять активную мощность печи, сократить длительность плавки и расход электроэнергии.

Последовательно-параллельное22включение предложенных схем обеспечивает требуемое 4 - 8-кратное плавноступенчатое регулирование напряжения без обрыва дуги.Выполненный анализ дуговой нагрузки позволяет рекомендовать многоканальные импульсные регуляторы напряжения в транзисторным исполнении (ИМПТ) дляпитания ДППТ и РТПТ током до 25 кА, как самые дешевые и обеспечивающиенаиболее высокие энергетические показатели (cosφ = 0,96) и регулировочные характеристики.

Реализована обратно пропорциональная зависимость напряжения на электроде от рабочего тока (кривые Р1 – Р4 на рис.4). В этом случае может поддерживаться постоянная активная мощность в любых эксплуатационных режимах печи, а такжеповышается устойчивость дуги при увеличении ее длины и снижении тока. Большойугол пересечения рабочей характеристики такого преобразователя с ВАХ дуги (нарис.4 Ψ1 > Ψ2) и высокое быстродействие регулятора тока (сотые доли миллисекунд)обеспечивают на протяжении всей плавки максимальную устойчивость дуги и коэффициент мощности выше 0,92. Данные экспериментально подтверждены опытомпромышленной эксплуатации ДППТ-2 емкостью 2 т с питанием от ИМПТ, выполненным с использованием IGBT-транзисторов (мощность трансформатора 2,5 МВА, токэлектрода 7 кА).

Видеосъемка дуги в этой печи, фрагменты которой приведены нарис. 9, подтвердила стабильность и устойчивость дуги во всех режимах печи. Сочетание высокой устойчивости дуги с удобной рабочей характеристикой источника позволяет независимо поддерживать оптимальную длину дуги и ее мощность, полностью снимает проблему фликкер-эффект. Стабильность дуги, более высокая, чем при питании от тиристорного выпрямителя, обеспечивает стабильность давления в печи, что способствует дополнительному снижению угара металла и уменьшению расхода электродов.Рис. 9.

Дуга в начале, середине и конце расплавления стали в ДППТ-2 при питании отИМПТДля обоснования выбора рода тока в соответствии с приведенной на рис. 2 классификацией выполнено сравнительное исследование параметров тиристорных схем выпрямления и питания током пониженнойчастоты. На рис. 10 представлены схемы:трехфазная мостовая (рис. 10,а, г), “двезвезды с уравнительным реактором” (рис.10,б, д) и кольцевая (рис. 10,в, е), а такженепосредственный преобразователь частоты(НПЧ – рис. 10,ж). Для краткости приведены нереверсивные схемы выпрямления.Для сравнения схем источника питания иего подключения к печи с различной топологией автором разработан комплекс криРис.10. Схемы электропечных установок свыпрямителями (а) – (е) и с НПЧ (ж)23териев (14), в которых основные характеристики схем приведены к базовым параметрам - активной мощности печи P и полезному напряжению на электроде Uп.

Энергетические параметры схемы предложено определять: коэффициентом Kп повышениярасчетной мощности трансформатора Sт (аналогично обычно используемому параметру SТ* ), средним Iр.ср и действующим Iр.д. значениями расчетного тока тиристоров,расчетным обратным напряжением Uр.обр на вентиле, расчетным значением тока Iр.обмвентильных обмоток трансформатора:Kп = Sт/P;Iр.ср = nв Iв.ср Uп/P;Iр.д. = nв Iв.д Uп/P;Uр.обр = Uобр.м/Uп;Iр.обм = Iобм Uп nобм /P,(14)где nв – число вентилей в силовой схеме; Iв.ср , Iв.д – среднее и действующее значениетока в вентиле; Uобр.м – максимальное обратное напряжение на вентиле; nобм, Iобм –число вентильных обмоток и действующее значение тока в каждой из них.

Значениякритериев сравнения силовых схем источников питания и схем их подключения к печи, приведенных на рис. 10, представлены в табл. 2.Таблица 2Сравнительная характеристика схем РТПТ и РТПНЧПоз. наСхема подрис.10 ключения печиабвгдежСхема источникаKпIр.ср,о.е.Трехфазная мостовая1,051"Электрод Две звезды1,26 (1,33)* 0,5электрод"Кольцевая1,260,5Трехфазная мостовая1,052"Электрод Две звезды1,26 (1,33)* 1подина"Кольцевая1,261ТрехэлектроднаяНПЧ1,050,94Iр.д,Uр.обр, о.е.о.е.1,732,10,866 4,19 (4,84)**1,2254,193,461,051,73 2,09 (2,42)**2,4492,092,452,22Iр.обм,о.е.0,7070,8661,731,411,733,4640,667На основе выполненного сравнения различных схем преобразователей частоты сиспользованием приведенных выше критериальных коэффициентов для РТП с непроводящей подиной выбрана схема трехфазно-трехфазного преобразователя частоты снепосредственной связью и раздельным управлением вентильными группами, которая в однолинейном виде приведена на рис.10, ж.