Автореферат (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты), страница 9

Декодирование информационных параметров потоков энергии позволяет идентифицировать состояние технологического процесса и, с помощью имитационного моделирования, прогнозировать результаты воздействия управляющих воздействий на объект. Примером специально созданного канала может служить управление перераспределением тока междуконтактными щеками сводовых электродов. Реализация данного канала обеспечивается за счет специальной конструкции трансформатора, выпрямителя, короткой сети,контактных узлов электродов и системы контроля электрического режима.Разработанная методика расчета РТП с полупроводниковыми источниками питания позволила создать ресурсосберегающие руднотермические печные комплексы,работающие на выпрямленном токе: универсальную РТПТ мощностью 0,14 МВт дляисследовательских целей в ОАО «ЦНИИЧермет» им. И.П.Бардина (г.

Москва), мощностью 1,0 МВт для обеднения шлаков (г. Дрохов, Германия) и мощностью 6,4 МВтдля выплавки кремний на ОАО «ЗАлК» (г. Запорожье, Украина). На протяжении 9,5лет промышленной эксплуатации РТПТ мощностью 6,4 МВт постоянного тока зафиксированы высокие энергетические и технологические характеристики: повышение качества выплавляемых продуктов, экономия до 40% электродов, повышение коэффициента мощности выше 0,9 и устранение несимметрии потребляемой мощности пофазам. Подтверждены расчетные энергетические характеристики, определенные поразработанной автором методике, что позволяет рекомендовать ее для дальнейшегоприменения при проектировании высокоэффективных РТПТ.В работе выполнено сравнение тепловых потерь ванны с электроизолированнойподиной и с разработанной автором проводящей подиной [26]. Расчеты показали, чтодополнительные тепловые потери, связанные с необходимостью охлаждения токоведущей части подины, составляющие около 0,5% от мощности печи, практически невлияют на энергетический баланс печи.

На рис.16 приведены экспериментальныеданные, снятые на двух сходных по конструкции двухэлектродных РТПТ мощностью6,4 МВт: постоянного тока с проводящей подиной (а) и РТП переменного тока частотой 50 Гц с утепленной изолированной подиной (б). Обследование печей показало, впечи с проводящей водоохлаждаемой подиной не происходит значимого изменениябаланса энергии в сторону увеличения суммарных тепловых потерь печи.Наиболее современная РТПТ c источником питания от ИМПТ мощностью 560кВт (с характеристиками Р1 - Р4 на рис. 4), внедрена на ОАО «ПЗЦМ» (г. Касимов).Для ЭШП, работающей на токе пониженной частоты (0,1-10 Гц), для получениявысококачественных сплошных и полых заготовок автором разработана схема комплекса для переплава расходуемых электродов, собранных по бифилярной схеме, более экономичная, чем ранее применявшаяся монофилярная схема.

На пониженной частоте перераспределяется мощность между плавящимся электродом и шлаковой ванной, уменьшается глубина жидкой ванны металла и ширина двухфазной области, афронт кристаллизации приобретает более плоскую форму. В результате повышается32качество формируемых заготовок, создаются условия для увеличения их габаритов,по сравнению с возможностями ЭШП, работающих на токе промышленной частоты.Наложение постоянной составляющей на ток пониженной частоты дополнительноповышает гибкость управления энергетическим потоком, что важно в стартовых и переходных режимах. При заданном качестве выплавляемого слитка повышается скорость электрошлакового переплава и снижается удельный расход электроэнергии.Днищ е 60 кВтБоковаяфутеровка 180кВтКонтактныещ еки 270 кВтб)Рис.16.

Тепловые потери токоведущих элементов и футеровки печи 6,4 МВтпостоянного тока с проводящей подиной (а), переменного тока с изолированной подиной (б)На первой стадии расчета ЭШП учитывают особенность использования пониженной частоты, которая проявляется в снижении индуктивного сопротивления печного контура и уменьшения поверхностного эффекта в расходуемом электроде. Соответственно скорректированные параметры электропечного контура и скорости плавления расходуемого электрода учитывается при определении рабочего тока и напряжения пониженной частоты.На второй стадии выполняются расчеты энергетических потоков в рабочих и,особенно, стартовых режимах, которые служат основой для обеспечения устойчивости всего цикла электрошлакового производства.Третья стадия предложенной методики расчета и проектирования, посвященаразработке каналов контроля и управления процессом переплава бифилярно выполненного расходуемого электрода.

Изменение длины расходуемого электрода приводит к соответственному изменению частоты его собственных колебаний. При совпадении частоты собственных колебаний с частотой рабочего тока, оказывающего электродинамическое воздействие на электрод, возникает механический резонанс.

Резонанс фиксируется связанной с электродами тензоизмерительной системой. Эта информация интерпретируется системой и используется для управления источникомпитания, изменяющего частоту и форму рабочего тока с целью параметрической оптимизации режима плавки. Система настраивает управляющее воздействие в виде параметров электромагнитного потока в рабочее пространство печи.

Характеристикипотока энергии, направляемого в печь, изменяются с помощью преобразователя частоты. Обеспечивается управление параметрами состояния электрошлакового процесса, такими как форма фронта кристаллизации и ширина двухфазной области, создаются новые принципиальные возможности активного воздействия на качество выплавляемых заготовок и технико-экономические параметры переплава.Выполненные исследования энергетических потоков и их информационных параметров, разработка каналов контроля и управления процессом переплава и структуры электрошлаковых печных установок послужили научно-методической основой,33позволившей реализовать в ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» (г.

Москва) новую силовуюсхему с дополнительным источником питания пилотной ЭШПНЧ. Испытанная напилотном печном комплексе силовая схема с адаптивным бифилярным/монофилярным включением расходуемых электродов реализована на промышленной ЭШПНЧ, внедренной на ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» (г. Орск). При частотетока 0,5 - 5 Гц с коэффициентом мощности 0,86 выплавлены высококачественные полые и сплошные заготовки диаметром до 0,6 и длиной до 8 метров.В седьмой главе на основе результатов проведенных исследований разработаноинформационно-методическое обеспечение для системного проектирования и определения энергоэффективных решений для дуговых и шлаковых печных комплексов,использующих ток пониженной частоты и постоянный ток.

Для реализации теоретических положений диссертации выполнен ряд практических разработок, защищенныхпатентами на изобретения [26 - 32, 34, 36]. Созданы и внедрены в производство дуговые сталеплавильные, руднотермические, электрошлаковые печные комплексы, в которых использование тока пониженной частоты и постоянного тока позволило повысить выход годного, сократить расход электроэнергии и исходных материалов, улучшить качество выплавляемого металла и экологические характеристики, снизить стоимость комплексов по сравнению с существующими решениями.Представленные в главе 7 результаты промышленного внедрения разработанныхавтором основных теоретических и методических положений диссертации подтверждают достоверность, научную и практическую значимость выполненной работы, ееактуальность и востребованность в промышленности.ЗАКЛЮЧЕНИЕВыполнено комплексное исследование и определены закономерности энергетических процессов в дуговых и шлаковых электропечных установках, использующихпостоянный ток и ток пониженной частоты.

Научно обоснован ряд предложенныхтехнических решений, позволивших внедрить в промышленность энергоэффективныепечные комплексы, решающие ряд актуальных задач в сфере электротехнологии.1. Предложена энергетическая зонная структура плавильных электродныхкомплексов с полупроводниковыми преобразователями с выделением трех внутрипечных зон: дуги, низкоэлектропроводных и высокоэлектропроводных материалов ивнепечной энергетической структурной единицы, включающей энергетическое оборудование.

Разработана классификация печных комплексов по соотношению междумощностью дугового разряда и мощностью резистивного нагрева в зоне низкоэлектропроводных материалов. Показано, что для печей с преобладанием мощности дугового разряда наиболее эффективно использование постоянного тока, а для питанияплавильных печей, в которых преобладает резистивный нагрев материалов, предпочтительно применение тока пониженной частоты 0,1 – 10 Гц.2.

Выявлены новые возможности повышения энергоэффективности электропечных комплексов путем формирования требуемого теплового поля в каждой изэнергетических зон и управления интенсивностью тепловых процессов в рабочемпространстве печей путем перераспределения внепечных потоков энергии. Показано,что использование полупроводниковых источников питания позволяет адаптироватьэнергетическую структуру электропечных комплексов к изменяющимся условиямплавки, оперативно перераспределяя мощность в рабочем пространстве печи.343.

Разработана имитационная математическая модель плавления шихты в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока, в которой моделирование динамикинестационарного процесса плавления шихты осуществляется совместно с определением вольтамперных и регулировочных характеристик дуги при различной ее длине итемпературе в печи. Реализованное в диалоговом режиме имитационное моделирование при проектировании и управлении дуговыми печами обеспечило сокращениедлительности расплавления шихты дугой до 50 минут (на 10 – 15 минут) при ограниченном (не выше 1750С) нагреве керамической футеровки стен и свода печей.4.

Разработана математическая модель энергетического режима дуги переменного тока, учитывающая влияние частоты тока на форму напряжения дуги и на электрическое сопротивление дугового промежутка. Экспериментально на лабораторнойи промышленных печах подтверждена устойчивость печной дуги при пониженнойчастоте 0,1 - 15 Гц однофазного и трехфазного тока от 2 до 60 кА при длительностидо 30 мс паузы тока, связанной с переменой полярности электродов.5. Показано, что для комплексов руднотермических печей с электроизолированной подиной имеет преимущества схема с тиристорным преобразователем частоты с непосредственной связью. Определены зависимости энергетических параметровкомплексов от частоты и установлена энергетически выгодная частота, равная 1/12τп(где τп – длительность бестоковой паузы при перемене полярности тока в электроде).Разработаны способы раздельного регулирования напряжения на электродах, позволяющие стабилизировать их положение в печи.