Автореферат (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты), страница 8

Для достижения требуемой длительности плавки и минимизации расхода электроэнергии при ограниченнойтемпературе футеровки с помощью математических моделей, разработанных в главах4 и 5, в диалоговом режиме определяется энергоэффективная геометрия рабочегопространства по интегральным показателям плавки: длительности расплавления,КПД, удельному расходу электроэнергии.Для обеспечения эффективного МГД-перемешивания ванны расплавленного металла выполняются каналы независимого контроля и регулирования режимов каждого из подовых электродов.Выполненные методические и практические разработки внедрены при созданиисталеплавильных комплексов: двух печей емкостью 12 т с тиристорными выпрямителями, одной печи емкостью 2 т с питанием от ИМПТ, выходной каскад котороговыполнен на IGBT-транзисторах, на ООО «ВКМ-Сталь» (г.

Саранск), двух ДППТ емкостью 15 т с тиристорными выпрямителями на ООО ПК «БСЗ» (г. Брянск). Исследования, проведенные на этих печах при выплавке стали для крупного железнодорожного литья подтвердили разработанные теоретические положения, а также эффективность предложенных автором методических разработок и технических решений.28Динамическое симметрирование объемного распределения мощности в рабочем пространстве печи позволило повысить стойкости футеровки печи, сократить длительность плавки на 10-15 минут.

Обеспечен удельный расход электроэнергии на расплавление 15 т стали на уровне 420 кВт*ч/т. На ОАО «ЧМЗ» (г. Чусовой) при плавкечугуна внедрена ДППТ емкостью 3 т с тиристорным выпрямителем, использующимсхему рис. 8 с удвоенной глубиной регулирования напряжения на электроде.Результаты исследований дуги постоянного тока нашли подтверждение при создании и эксплуатации ДППТ для технологического процесса плавки алюминия.

Впечах постоянного тока: емкостью 0,3 т, установленной на ОАО «АБС ЗЭиМ Автоматизация» (г. Чебоксары) и в ДППТ емкостью 1,5 т для выплавки алюминиевых сплавов из лома на ОАО «Волговятсквторцветмет» (г. Нижний Новгород) получено подтверждение снижение в 2 раза угара алюминия (до 1%) по сравнению с переплавомалюминиевого лома в отражательных газовых печах. При переплаве алюминиевыхчушек увеличена в 3 раза производительность и снижен более чем на 30 % удельныйрасход электроэнергии по сравнению с индукционными печами той же емкости.Первая стадия расчета РТП: при заданной технологии выбор схемы установкивыполняется на основе технико-экономического анализа возможных вариантов исполнения энергетической части печного комплекса.

На рис. 13 и 14 приведено сравнение параметров, определяющих стоимость трех схем питания крупных РТП с использованием следующих установок: продольной компенсации реактивной мощности(УПК), поперечной емкостной компенсации (ПЕК) и преобразователя частоты (ИПЧ)или источника постоянного тока (ИПТ). В соответствии с технологическими и энергетическими требованиями, с учетом приведенного выше сравнения вариантов схем(рис. 3, рис. 10, табл.2) выбирают род используемого тока, конструктивная и силоваясхемы печи. С поправкой на отсутствие поверхностного эффекта определяется количество и сечение сводовых электродов.Рис.13. Мощность компенсирующих устройствРис.14. Мощность трансформаторовВыбирается образцовая печь – наиболее близкая к проектируемой по технологии,конструктивной схеме и мощности.

На основе энергетического баланса образцовойпечи и исходных данных, в качестве которых обычно задаются производительность играфик загрузки, определяется активная электрическая мощность печи.Полезное напряжение Uп на электроде на основе методики А. С. Микулинского споправкой k, учитывающей различие схемы питания образцовой и проектируемой печей согласно параметрам на рис. 3, определяется выражением (18):29U п = с k Рпn ,(18)где с – коэффициент для образцовой печи; Рп - полезная мощность на один электрод;n – константа, для дуговых процессов равная 0,33, а для многошлаковых – 0,25.Вторая стадия расчета посвящена анализу циркулирующих в электропечнойустановке потоков энергии, а также их информационных параметров.Процесс передачи энергии из питающей сети через полупроводниковый преобразователь в печь имеет особенности.

Они связаны с тем, что кроме нелинейной дуговой нагрузки в силовую цепь включены нелинейные ключевые элементы, работа которых определяется не только системой управления преобразователя, но и параметрами режима печи. В общем случае в цепях печных токоподводов, охваченных взаимными индуктивностями, помимо сетевой частоты 50 Гц в анодном токе существенно выражены канонические для выпрямителей гармоники, а в выпрямленном токе с номерами, равными mk (m – пульсность схемы выпрямления, k – натуральные числа). В печных установках, работающих на токе пониженной частоты, присутствуют также гармоники кратные пониженной частоте и комбинации указанных частот. Разработанная автором методика позволяет рассчитать энергетические характеристики установки с учетом несинусоидальности токов и циклического переключенияохваченных взаимными индуктивностями участков разветвленного токоподвода печного комплекса.

Расчет второй стадии выполняется в четыре этапа.На первом этапе проводится предварительный расчет и конструирование цепи,включающей рабочее пространство печи с электродами и токоподвод от преобразователя к электродам. Энергетические процессы в печи, питаемой током пониженной частоты, такие как распределение мощности и электромагнитное перемешивание в ванне, при первом приближении определяются по эквивалентной синусоиде с частотойтока в электродах. На постоянном токе отсутствует, а при пониженной частоте пренебрежимо малы поверхностный эффект и эффект близости, перенос мощности междуфазами, оказывающие отрицательное влияние на режим работы токоподводов припромышленной частоте тока. Поэтому допускается на 10-20% более высокая плотность тока, чем при 50 Гц.

В самоспекающихся электродах снижается сегрегацияэлектродной массы и повышается надежность их работы.Вторым этапом является расчет и разработка конструкции токоподвода междутрансформатором и преобразователем с учетом только основной частоты 50 Гц.На третьем этапе выполняется расчет высокочастотной коммутации энергиимежду вентилями преобразователя, а также между соответствующими проводникамитокоподвода. Коммутационные токи модулированы как промышленной, так и пониженной частотой, что также находит отражение в расчете.Трехмерная форма линий протекания токов, передающих энергию в печь, динамически меняется согласно упомянутым выше частотам.

Соответственно, циклическиизменяются при каждой коммутации собственные и взаимные индуктивности цепей,по которым ток протекает. Параметры таких переключений, влияющие как на энергетические, так и на регулировочные характеристики, рассчитаны с помощью полученных в данной работе соотношений, аналогичных выражению (16), математическогомоделирования, а также характеристик, представленных в табл.2 и на рис.12, 13.Вторая стадия расчета завершается четвертым этапом - расчетом рабочих электрических характеристик печного комплекса. На рис.15 представлены характеристикиРТП мощностью 24 МВА при частотах 12,5 (сплошные линии) и 50 Гц (пунктир).30Построенные характеристики подтверждают возможность значительного улучшения основных энергетических и эксплуатационных параметров РТП при переводеее на питание током пониженной частоты.

Одним из принципиальных преимуществиспользования пониженной частоты является возможность повышения полезноймощности и производительности печи. Необходимо отметить, что рабочая точка характеристики на рис.15, соответствующая току электрода 75 кА, расположена на восCos , æ, элS, P, Pnoт , Pn, Q,MBA1,0 200эл0,9 180QUn, B0,8 160цCosSQ56æ0,3600,2400,120048Un0,5 1008064P0,6 1200,4MBAp72Sэл0,7 140MBт_ _ _ 50 Гц____ 12,5 Гц40PnUn3224Pnoт16PPnIнPnoт8I, кА0004080120160200240280320360Рис.15. Сравнительные рабочие электрические характеристики РТПмощностью 24 МВА при промышленной и пониженной частотахходящей ветви графика активной мощности.

При том же токе на частоте 50 Гц достигнут максимум активной мощности. Дальнейшее повышение мощности без увеличения рабочего напряжения не представляется возможным. Увеличение же рабочегонапряжения, как следует из проведенного в главе 3 исследования, связано с повышением доли токов «треугольника», что отрицательно сказывается на технологическоми энергетическом режимах печи. Сохранение при пониженной частоте оптимальногонапряжения на электродах обеспечивает наилучшее для данного технологическогопроцесса распределение мощности в печи и повышение ее производительности.На третьей стадии формируют каналы контроля и управления потоками энергии и материалов, что позволяет в комплексе решить две задачи – идентификацию состояния процесса плавки и эффективное управление электропечной установкой в соответствии с характеристиками, определенными на предыдущей стадии.Концепция модернизации действующих руднотермических печей с переводомих на питание током пониженной частоты была апробирована на лабораторной печной установке мощностью 250 кВА и внедрена на двух промышленных РТПНЧ мощностью 1,2 МВА для выплавки карбида кальция и ферросплавов в опытном цехе НИИМеталлургии (г.

Челябинск) и 24 МВА для выплавки ферросилиция на Запорожскомзаводе ферросплавов (г. Запорожье, Украина). Теоретические положения, методические и практические разработки настоящей работы получили подтверждение в ходепромышленных испытаний РТПНЧ при работе на частоте тока 0,5 - 4 Гц.Применительно к РТП в схеме питания печи с проводящей подиной особоезначение имеет устранение положительной обратной связи в рабочем пространстве31печи. В традиционных многоэлектродных печах из-за наличия тока, замыкающегосянепосредственно между электродами, положительная обратная связь проявляется вколебаниях электрического и технологического режимов РТП. В схеме с проводящейподиной причина такой неустойчивости режима устранена, так как сводовый электрод один или их несколько под одним потенциалом и, следовательно, токи «треугольника» отсутствуют, а энергия передается в ванну по каналам токов «звезды».Для обеспечения эффективного управления системами печного комплексанеобходимо учитывать перекрестные связи между каналами.