Диссертация (Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты)

Национальный исследовательский университет«Московский энергетический институт»На правах рукописиНехамин Сергей МарковичСОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХДУГОВЫХ И ШЛАКОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКАИ ТОКА ПОНИЖЕННОЙ ЧАСТОТЫСпециальность 05.09.10 ЭлектротехнологияДиссертация на соискание ученой степенидоктора технических наукНаучный консультант:заслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук, профессорКувалдин Александр БорисовичМосква 2015ОглавлениеВведение…………………………………………………………………………...8Глава 1.

Основные положения существующей теории и практики созданияэлектродуговых и шлаковых плавильных электропечных комплексов с полупроводниковыми источниками питания…………………………….……211.1.Дуговой разряд в печи и методы его расчета.………………………..211.1.1. Дуга постоянного тока. …………………………………………………...211.1.2. Дуга переменного тока…………………………………………………....291.2.Теплообмен в дуговых печах переменного и постоянного тока ……301.3. Шунтирование электрической дуги и последовательное с ней включение сопротивления шлака в дуговых и руднотермических печах переменного ипостоянного тока.…………………………………………………………331.4.Энергетическая система электрошлаковых печей…………………….391.5.Перемешивание металла в ванне печи…………………………………..421.6. Энергетические характеристики печей как потребителейэлектроэнергии и способы их улучшения …………………………………………………..461.7.дляСхемы преобразования частоты и выпрямления тока, использующиесяпитания электродуговых и шлаковых плавильных комплексов……………………………………………………………………………..561.8.

Управление энергетическим режимом руднотермических, электродуговых и шлаковых плавильных комплексов……………………………………..621.8.1. Управление энергетическим режимом РТП…………………………….651.8.2. Управление энергетическим режимом ДППТ…………………………..651.8.3. Управление энергетическим режимом ЭШП…………………………...671.9.Выводы по главе 1………………………………………………………...76Глава 2. Структура энергетических процессов в электродных печных комплексах, работающих на постоянном токе и токе пониженной частоты..8022.1.Сравнительный энергетический баланс электродных печей …………..812.2. Структура энергетических потоков в электродных плавильных печныхкомплексах с полупроводниковыми преобразователями……………………..852.3. Классификация электродуговых и шлаковых печных комплексов с источниками питания током пониженной частоты и постоянным током…………952.4.Выводы по главе 2………………………………………………………...99Глава 3.

Энергетические потоки в зоне шихтовых материалов с низкой электропроводностью…………………………………………………………………..1023.1. Распределение энергии в зоне шихтовых материалов с низкой электропроводностью для печей, питаемых постоянным током и током пониженнойчастоты………………………………………………………….......................1023.2.

Управление потоком энергии в рабочей зоне с высокимэлектрическим сопротивлением как способ регулированиятехнологического режима……………………………………………………........................................1113.4.Выводы по главе 3……………………………………………………….116Глава 4. Особенности теплообмена печной дуги в рабочем пространстве плавильных печей, питаемых током пониженной частоты и постояннымтоком……………………………………………………………………………….1194.1.Рабочие характеристики дуги на постоянном токе…………………..1194.2. Динамика процесса плавления шихтовых материалов в ваннедуговой печи…………………………………………………………………………1224.3.Рабочие характеристики дуги при пониженной частоте тока……….1294.4.Шунтирование дуги в РТП……………………………………………..1454.5.Выводы по главе 4……………………………………………………….156Глава 5.

Магнитогидродинамические процессы в жидкой металлической ванне при использовании тока пониженной частоты и постоянного тока…….15935.1. Физическое моделирование МГД перемешивания жидкой металлической ванны при низкой частоте рабочего тока печи………………………..1595.2. Математическое моделирование электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне дуговой печи постоянного тока……………………..1645.3.

Математическое моделирование гомогенизации расплава и выравнивания его температуры в ванне дуговой печи постоянного тока…………….1725.4.Выводы по главе 5……………………………………………………….177Глава 6. Схемы питания печей током пониженной частоты и постоянным током, их энергетические характеристики и регулированиеэлектрическогорежима печных комплексов……………………………………………………1806.1.Схемы питания печей током пониженной частоты и постояннымтоком и их основные энергетические параметры…………………………..1816.2. Регулировочные характеристики электропечных комплексов с источниками питания током пониженной частоты……………………………………2046.2.1. Раздельное фазоимпульсное регулирование напряжения на трех электродах РТП, питаемой током пониженной частоты……………………………...2056.2.2.

Фазоимпульсная стабилизация тока низкой частоты вэлектродахРТП………………………………………………………………………………2106.2.3. Фазоповоротная стабилизация напряжения на электродах и тока низкойчастоты в электродах РТП……………………………………………………..2136.3. Рабочие электрические характеристики печного комплекса систочником питания током пониженной частоты…………………………................2216.4. Схемы питания ЭШП током пониженной частоты и регулирование режима при бифилярном подключении печи………………………………...........2276.5.Схемы питания ДППТ и регулирование их режима …………………2356.5.1. Схема питания ДППТ с синфазным включением каскадных тиристорныхгрупп…………………………………………………………………………….2366.5.2.

Схема питания ДППТ с межфазным включением каскадных тиристорныхгрупп…………………………………………………………………………….24046.5.3. Питание ДППТ от источника с ИМПТ………………………………...2466.6. Автоматическое адаптивное регулирование энергетического режима печных комплексов с полупроводниковыми источниками питания……………2556.7.Выводы по главе 6……………………………………………………….267Глава 7. Использование результатов исследований при разработке методических положений по проектированию электродуговых и шлаковых печных комплексов с источниками питания током пониженной частоты ипостояннымтоком.

Промышленная реализация…………………………………………….2737.1. Основные методические положения расчета и проектирования плавильных установок с питанием током пониженной частоты ипостоянным током……………………………………………………………............................2737.1.1. Структура расчета и проектирования комплексов дуговых сталеплавильных печей постоянного тока……………………………………………………2747.1.2. Особенности расчета и проектирования комплексов руднотермическихпечей постоянного тока и пониженной частоты……………………………..2757.1.3. Особенности расчета и проектирования комплексов электрошлаковых печей пониженной частоты………………………………………………………2817.2.Комплексы дуговых печей постоянного тока…………………………2837.2.1.Дуговые сталеплавильные печные комплексы постоянного тока……2847.2.2.

Дуговые печные комплексы постоянного тока для плавкиалюминия……………………………………………………………………………….2897.3.Руднотермические печные комплексы постоянного тока……………2947.3.1. Руднотермические печные комплексы с тиристорными выпрямителями………………………………………………………………………………..2947.3.2. Руднотермические печные комплексы с ИМПТ ………………………3007.4.Руднотермические печи, питаемые током пониженной частоты..3027.5.

Печи электрошлакового переплава, питаемые током пониженной частоты…………………………………………………………………………………30557.6.Выводы по главе 7……………………………………………………….312Заключение……………………………………………………………………...318Литература ……………………………………………………………………...323Приложения ……………………………………………………………………353Приложение 1. Результаты математического моделирования плавления шихтыв дуговой сталеплавильной печи постоянного токаемкостью 15тонн...……………………………………………………………………………353Приложение 2.

Алгоритм расчета ДППТ……………………………………..355Приложение 3. Алгоритм расчета РТПНЧ и РТПТ…………………………..356Приложение 4.Упрощенная схема питания РТП током пониженной частоты…………………………………………………………………………………357Приложение 5. Промышленные РТП с питанием током пониженнойчастоты……………………………………………………………………….....358Приложение 6.

Алгоритм расчета ЭШПНЧ ………………………………….359Приложение 7. Полупроводниковые источники питания печей …………...360Приложение 8. Протокол проведения опытных плавок стали в печиДПС-12 с контролем МГД перемешивания ………………………………….361Приложения 9 - 12. Акты использования и внедрения результатовдиссертации…………………………………………………………………………363 - 371Приложение 13.

Матетматическое моделировани фазоповоротной стабилизациинапряжения на электродах и тока низкой частоты вэлектродахРТПНЧ……………………………………………………………………………372Приложение 14. Протокол приемосдаточных испытаний дуговой сталеплавильной печи ДПС-2…………………………………………………………………379Приложение 15. Осциллограмма ИМПТ и гармонический состав его сетевоготока на печи ДП-0,5..……………………………………………………………3816Перечень встречающихся сокращенийАКП- агрегат ковш-печьВАХ (ДВАХ)- вольт-амперная характеристика (динамическая ВАХ)ДСП- дуговая сталеплавильная печь (если в сравнительном контексте, то печь переменного тока промышленной частоты)ДППТ- комплекс дуговой печи постоянного токаИАТ- индукционная печь для плавки алюминияИМПТ- импульсный многоканальный преобразователь в транзисторном исполненииИПЧ- источник питания током пониженной частотыМГД- магнитогидродинамикаНПЧ- непосредственный преобразователь частотыПБВ- переключатель без возбуждения ступеней напряженияПЕК- поперечно-емкостная компенсацияПТПЧ- постоянный ток и ток пониженной частотыРПН- переключатель под напряжением ступеней напряженияРТП- руднотермическая печьРТПНЧ- комплекс руднотермической печи пониженной частотыРТПТ- комплекс руднотермической печи постоянного токаСТК, Статком- статические компенсаторы реактивной мощностиУПК- продольно-емкостная компенсацияЭМП- электромагнитное перемешиваниеЭДП- электродуговая печьЭП (ЭППП)- электродные печи, охватывающие типы печей: электродуговые, руднотермические, шлаковые, электрошлаковые (то же вкомплексе с полупроводниковым преобразователем)ЭПС- электропечь сопротивленияЭШП- электрошлаковая печьЭШПНЧ- комплекс электрошлаковой печи пониженной частоты7ВведениеДуговые сталеплавильные, руднотермические и электрошлаковые печи являются одними из наиболее крупных и массовых потребителей энергии и сырьевых ресурсов.

Единичная мощность металлургических электропечей превышает 100 МВА. Заводы, оборудованные такими печами, имеют мощность до 1ГВА, в год потребляют миллионы тонн металлолома, минерального и углеродистого сырья, выпускают миллионы тонн стали и сплавов.Распространенный экстенсивный способ развития электрометаллургических производств связан с повышением единичной мощности электропечныхагрегатов [77, 80, 100]. Повышение мощности источников питания печей самопо себе не является проблемой, но соответствующее увеличение производительности печей ограничено условиями теплопередачи, определяющими процессы полезного усвоения вводимой мощности [211].

В последние десятилетиявнимание исследователей и разработчиков привлекают открывающиеся возможности повысить эффективность использования вводимой в печи энергииблагодаря ее более рациональному распределению и гибкому управлению в печах, питание которых осуществляется от полупроводниковых преобразователейпостоянным током [83, 85, 264] или током пониженной частоты [27, 261].Большой вклад в создание эффективных электродуговых и шлаковых плавильных электропечей, традиционно питаемых током промышленной частоты,внесли ученые М. С.