Оптимізація параметрів вторинних струмопідводів феросплавних електропечей

Размещено на http://www.allbest.ru

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Спеціальність 05.09.10 - Електротермічні процеси та установки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оптимізація параметрів вторинних струмопідводів

феросплавних електропечей

Філімоненко Ніна Миколаївна

Луганськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Електротехніка та системи діагностики" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Яковенко Валерій Володимирович, завідувач кафедри "Електротехніка та системи діагностики" СНУ ім. В. Даля.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дзюба В'ячеслав Леонідович, завідувач кафедри "Технологія машинобудування" СНУ ім. В. Даля;

кандидат технічних наук, доцент Ткаченко Юрій Савич, доцент кафедри "Електричні машини та апарати" Донбаського гірничо - металургійного інституту.

Провідна установа: Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 18 вересня 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 29.051.02 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, Україна, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а).

Автореферат розісланий 14.08.2003 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Ю.І. Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Виробництво високоякісних сталей вимагає наявності різноманітних видів феросплавів. Кременисті і марганцеві феросплави застосовуються при виробництві сталей у якості розкислювачів для зв'язування кисню, а хромисті феросплави частіше використовуються для легування сталей з метою додання їм антикорозійних властивостей. Феросплави виробляються у спеціальних феросплавних електропечах, які ще називають рудовідновлювальними електропечами (РВП). У хімічній промисловості у рудовідновлювальних електропечах одержують жовтий фосфор і карбід кальцію. У кольоровій металургії застосовується феронікель, який також отримують у РВП. У різних регіонах України (Луганській, Запорізькій, Дніпропетровській і Кіровоградській областях) діють феросплавні заводи, що експлуатують РВП. Технологічний режим РВП залежить, у першу чергу, від електричного режиму, параметри якого визначаються, багато в чому, конструкцією вторинного струмопідводу (короткої мережі), що з'єднує низьку сторону пічного трансформатора та електрод, що сам спікається.

При розробці режимів експлуатації електродів, що самі спікаються, важливо домогтися їх стійкого й симетричного температурного режиму. Цього можна досягти, маючи належним чином спроектовану коротку мережу. Багато удосконалень, зв'язані з поліпшенням режимів, були спрямовані на розробки нових конструкцій окремих вузлів, поліпшення геометрії ванни РВП, установки пристроїв уздовж - ємнісної компенсації й дослідження умов роботи електродів, що самі спікаються.

Зростання одиничних потужностей РВП і збільшення діаметрів електродів до 2,0 м привели до відносного погіршення електричних показників РВП, що викликає необхідність продовжити роботи з удосконалювання вторинного струмопідводу. Тому дослідження параметрів і режимів експлуатації електродів, що самі спікаються, і вторинних струмопідводів, дослідження основних факторів, що впливають на геометрію температурних полів і виявлення умов досягнення їх симетрії, розробка математичної моделі вторинного струмопідводу та створення на її основі інженерної методики розрахунку вторинного струмопідводу, що виконані в межах даної роботи, мають істотне значення для вирішення проблеми створення високопродуктивних енергозберігаючих технологій.

Великий внесок у вивчення й реалізацію цих процесів внесли М.І. Гасик, Б.М.Стрункий, В.Г. Кушнарьов, В.Л. Розенберг, В.І.Горбенко, Н.Н.Постников, А.С.Бородачьов, А.Г.Лунін та ін.

Актуальність теми. Один з основних шляхів підвищення енергетичної ефективності експлуатації РВП - це створення вторинних струмопідводів із відповідними електричними характеристиками: низьким індуктивним опором і таким розташуванням провідників, що забезпечує раціональний розподіл струмів у контактному вузлі щока - електрод.

Взаємозв'язок електричного та технологічного режимів РВП, теплофізичних явищ в електродах і теплотехнічних процесів у ванні печі визначає комплексне розв'язання задачі досягнення симетрії температурного режиму спікання електродів. Ефективність РВП можна підвищити на основі досліджень теплових потоків в електроді, що сам спікається, і ванні печі, електричних характеристик вторинного струмовідводу та його окремих вузлів, розробки методики визначення оптимальної транспозиції провідників струмопідводу. Ці теоретичні й практичні дослідження дозволили створити комп'ютерні програми для проектування струмопідводів РВП. Використання цих програм в інженерній практиці на підприємствах, що експлуатують рвп, дозволить підвищити ефективність експлуатації печей, тобто забезпечити впровадження енергозберігаючих технологій. Якщо врахувати, що кожна РВП є унікальним технічним об'єктом, то підвищення ефективності її роботи виходить за межі пересічної науково - технічної задачі та набуває галузевого значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Представлена дисертація є результатом науково-дослідних робіт, що виконані в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля в рамках госпрозрахункових і державних бюджетних тем: "Створення системи автоматичного регулювання режиму спікання електродів" Э-204-85, "Дослідження й розробка конструкції вторинного струмопідводу і системи контролю розташування електродів, що самі спікаються, щільно укритих електропечей" Э-037-88, "Дослідження магнітосепаруючих апаратів і контрольних систем металургійного виробництва. Теорія, упровадження" ГН-22-97, "Магнітні прилади фазового аналізу сплавів заліза" ГН-37-98, "Синтез електромагнітних систем електричних апаратів" ГН-104-95. Науково-дослідницькі роботи виконані при особистій участі автора дисертаційної роботи.

Мета й задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є оптимізація параметрів вторинних струмопідводів за критеріями забезпечення потрібної геометрії температурних полів електродів та мінімального реактивного опору струмопідводу, за рахунок удосконалювання його конфігурації, що забезпечує покращення енергетичних показників роботи РВП.

Досягнення поставленої мети вимагає розв'язання наступних завдань:

аналіз існуючих методів досягнення симетрії температурних полів електродів РВП і вибір напрямку досліджень.

теоретичні та експериментальні дослідження й аналіз температурних режимів електродів і ванни РВП з урахуванням усіх факторів, що впливають на формування температурного поля;

теоретичні та експериментальні дослідження електричних режимів роботи вторинних струмопідводів для визначення їхньої участі у формуванні технологічного режиму РВП;

розробка математичних моделей вторинного струмопідводу та електрода для виконання теоретичних досліджень;

теоретичні дослідження на математичній моделі вторинного струмопідводу з метою визначення його оптимальних електричних характеристик і порівняння результатів із практичними даними;

теоретичне та експериментальне дослідження взаємного впливу режимів надходження електроенергії в електрод, що самі спікається, і теплових потоків власне електрода й ванни на формування температурного поля електрода з метою забезпечення оптимального технологічного процесу виплавки феросплавів;

розробка рекомендацій для проектування струмопідводу з конфігурацію, яка забезпечує раціональний розподіл струмів по його окремих елементах. Це необхідно для проектування нових і реконструкції діючих вторинних струмопідводів електропечей, що будуть мати поліпшені експлуатаційні характеристики в порівнянні з існуючими.

Об'єкт дослідження. Вторинні струмопідводи та електроди, що самі спікаються, рудовідновлювальних печей.

Предмет дослідження. Розподіл струмів по елементах вторинного струмопідводу і температурний режим роботи електродів, що самі спікаються, рудовідновлювальних печей.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених завдань використовувалися фізичний експеримент на діючій печі? експеримент на фізичній моделі в лабораторних і виробничих умовах? математичне моделювання конфігурації вторинних струмопідводів? математичне моделювання умов експлуатації електродів? статистична обробка експериментальних даних і результатів математичного моделювання й одержання на її основі функціональних зв'язків і емпіричних залежностей.

Наукова новизна отриманих результатівУ

запропоновано спосіб вибору оптимальної конфігурації вторинного струмопідводу на основі розрахунків, що дає можливість найбільш раціонально, у порівнянні з методами, які існують, підтримувати стабільні умови експлуатації електродів, що самі спікаються, і забезпечити енергозберігаючий режим експлуатації РВП;

уперше встановлено, що для досягнення симетрії температурних полів електродів, що самі спікаються, необхідне перевищення струмового навантаження контактних щік, звернених до футерівки, на 10 - 20% (у залежності від типу печі) у порівнянні зі струмовим навантаженням контактних щік, звернених до центра печі - за рахунок цього забезпечується симетрія температурного поля електрода;

розраховані оптимальні за критеріями електричних характеристик кути між гірляндами гнучких провідників (45 - 70о) і кути між трубошинами електродотримача, що забезпечить симетричні температурні поля електродів, а, отже, їхню сталу експлуатацію, у порівнянні з існуючими режимами роботи?

теоретично визначені і практично підтверджені взаємні впливи основних факторів, що формують характеристики режиму спікання електрода: електричний режим вторинного струмопідводу, теплові потоки ванни й електрода. Їх урахування дозволило підвищити ефективність експлуатації електричного контуру РВП і домогтися сталого технологічного режиму роботи печі. струмопідвід електропіч температурний електрод

Практичне значення отриманих результатів. На підставі виконаних досліджень розроблені й створені конструкції вторинних струмопідводів, що забезпечують високотехнологічні режими роботи РВП і впровадженіУ

у конструкції вторинного струмопідводів печей типу ОКБ - 613 потужністю 27 МВ·А на Стаханівському заводі феросплавів?

у навчальний процес програми підготовки бакалаврів за фахом "Електричні машини й апарати"?

можливе використання системи автоматизованого проектування для розрахунків струмопідводів потужних енергоустановок типу дугових сталеплавильних печей.

Особистий внесок автора. Особисто автором визначено задачу наукових досліджень і сформульовані теоретичні положення роботи, розроблені алгоритми рішення задач та програмні модулі, що забезпечують їх комп'ютерну реалізацію. Запропоновано методику експерименту і підібрана необхідна апаратура експериментальної установки, створені розрахункові моделі для проектування вторинних струмопідводів. Експериментальні дослідження, а також упровадження їхніх результатів у промисловість виконані разом з авторами відповідних публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних і регіональних наукових конференціях.

Конференція "Університет і регіон", м. Луганськ, грудень 2002р., міжнародна науково-технічна конференція "Інформаційна техніка й електромеханіка" (ИТЭМ-2003), м. Луганськ, квітень 2003р.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 8 робіт у наукових журналах, збірниках матеріалів наукових конференцій, отримане 1 авторське посвідчення СРСР.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури, додатків. Повний обсяг роботи становить 150 сторінок, у тому числі 101 сторінка основного тексту, 12 сторінок списку літератури (107 джерел), 23 повних сторінки з малюнками та таблицями (16 малюнків, 7 таблиць), 14 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано основні напрямки, мету та задачі наукових досліджень, викладено сутність, стан наукової проблеми, наукову новизну, практичну значність і реалізацію результатів роботи, наведено відомості про апробацію роботи та публікації за темою роботи.

У розділі І виконано огляд літератури за темою дисертації: це стосується режимів експлуатації електродів, що самі спікаються, та електричних параметрів вторинних струмопідводів.

Огляд літератури свідчить про те, що найменш опрацьованими є питання оптимізації систем електричного кола вторинного струмопідводу та вдосконалення геометрії температурних полів електродів: сучасні методики розрахунків вторинних струмопідводів є громіздкими та не дуже ефективними, геометрія розташування температурних зон електродів не відповідає вимогам надійної експлуатації. Достатньо вивчено питання фізико - хімічних процесів в електродній масі під час її спікання, а також властивостей електродів та їх режими для печей, які є в експлуатації на протязі тридцяти років.

У зв'язку з цим сформульовано конкретні завдання дослідження параметрів та режимів експлуатації вторинних струмопідводів та електродів сучасних електропечей.

У розділі ІІ розглянуті фактори, що впливають на процес спікання електрода та геометрію розташування температурних зон, описані експериментальні роботи з вивчення різних способів досягнення симетрії температурних полів і визначено напрямок робіт із симетрування.

Результати експериментальних досліджень використані для уточнення існуючих математичних моделей електрода і вторинного струмопідводу, що дозволяють вирішити задачі поліпшення умов спікання і, відповідно, збільшення надійності експлуатації електродів і електропічного агрегату в цілому. Аналіз результатів досліджень виявив:

основними факторами, що впливають на процес спікання електрода, є: виділення тепла при проходженні струму по робочій частині електрода; виділення тепла при проходженні струму в контакті щока-електрод; утрати тепла з водою, що охолоджує контактні щоки;

асиметрія розташування температурних полів по перетині електрода обумовлена нерівномірним розподілом теплових потоків: у частинах електрода, звернених до футерівки, теплові потоки менше, ніж у частинах, звернених до центру ванни печі. Розбіжності теплових потоків викликані нерівномірним розподілом щільності струмів у робочому кінці електрода, що пояснюється ефектом близькості; нерівномірним розподілом струмів по трубошинах і контактних щоках, що викликано як нераціональною конструкцією вторинного струмопідводу, так і ефектом близькості;

досягнення симетрії температурного поля електрода шляхом збільшення теплового опору на ділянці електрод-контактна щока-вода практично нездійсненне;

зміна струмового навантаження контактних щік істотно впливає на розташування температур в електродах. При цьому зі збільшенням навантаження зовнішніх контактних щік зменшується асиметрія температурного поля електрода;

відключенням трубошин або підключенням додаткових кабельних гірлянд неможливо здійснити вирівнювання струмового навантаження контактних щік і досягти симетрії температурного поля електрода.

У розділі ІІІ здійснено математичне моделювання та електрода, що сам спікається.

Коротко описана математична модель електрода, яка спирається на метод елементарних теплових балансів. Ділянка електрода, що моделюється, розбивається на циліндричні елементи за радіусом (індекс i) та висотою (індекс k) електрода. Для довільного i, k-того елементу можна записати рівняння теплового балансу:

,	(1)

де - кількість тепла, яке увійшло до елементу i, k відповідно за напрямами (i 1), (k 1)

- кількість тепла, яке виділилось в елементі за рахунок проходження електричного струму;

- кількість тепла, яке пішло на підвищення двобічної енергії i, k-го елемента за проміжок часу .

Після перетворення виразу (4) отримуємо розрахункову залежність визначення температури i, k - го елементу через проміжок часу .

,	2)

де - температура i, k - го елементу через проміжок часу ;

- температура i, k - го елементу у поточний момент часу;

- повна теплоємність i, k - го елементу;

- проміжок часу.

Наведена математична модель електрода вирішує двомірну задачу теплопередачі та враховує межові умови експлуатації електродів.

На підставі досліджень на математичній моделі електрода встановлено, що для забезпечення симетрування температурних полів електродів, що самі спікаються, необхідно забезпечити перевищення струмового навантаження контактних щік, звернених до футерівки, над струмовим навантаженням контактних щік, звернених до центру ванни печі, на 10-20%.

Результати досліджень показують, що можна цілком задовільно експлуатувати електроди діаметром 2,1 - 3,0 м навіть за умови застосування пересічних електродних мас. При цьому максимальні перепади температур між циліндричними шарами не перевищують критичних, а розташування зони коксування знаходиться на такому ж рівні, що й в електродів діаметром 1,4 - 1,9 м.

У розділі IV наведені результати досліджень конструкцій вторинних струмопідводів із застосуванням математичних моделей.

При проектуванні РВП серйозні труднощі викликають розрахунки параметрів ділянок гнучких провідників і трубошин електродотримачів (їхніх опорів, особливо індуктивних, і розподілу струмів по окремих провідниках). Математичне моделювання є найбільш універсальним і економічним засобом для вивчення параметрів вторинного струмопідводу.

Розрахунок параметрів вторинного струмопідводу припускає: визначення активного опору кожного провідника; визначення реактивного опору, що полягає в розрахунках власного індуктивного опору кожного провідника і взаємних індуктивних опорів його з усіма іншими провідниками; розрахунок повного опору провідника; розрахунок опорів ділянок вторинного струмопідводу; розрахунок розподілу струмів по окремих провідниках.

При розрахунку складних контурів, якими є трубошини і гнучкі провідники, зручно користуватися методом ділянок, котрий полягає в тому, що контури, які мають складну форму, розділяються на декілька ділянок простої форми. Після цього визначаються індуктивності окремих ділянок.

У цьому випадку власна індуктивність контуру і взаємна індуктивність двох контурів розраховується в такий спосіб:

;	(ki),	(3)

де Lk - власна індуктивність k-тої ділянки;

Mki - взаємна індуктивність k-тої та i-тої ділянок.

Величини Lк і Mкi можуть бути визначені по формулах:

;	(4)

,	(5)

де м0 - абсолютна магнітна проникність вакууму;

Mk - взаємна індуктивність двох ниток струму I1, I2, які проходять через елементи d1 і d2 площини Sk перетину контуру k - тої ділянки;

Mki - взаємна індуктивність двох ниток струму I1 і I2, які проходять через елементи d1 і d2 площин Sk і Si перетинів k - тої й i - тої ділянок.

З урахуванням цього побудована розрахункова схема вторинного струмопідводу. Кожна трубошина електродотримача і кожна з груп гнучких провідників розбита на три прямолінійні ділянки.

Таким чином, математична модель представлена у вигляді розрахункової схеми, яка відображує структуру об'єкта, та математичних залежностей, що описують його властивості. Математична модель вторинного струмопідводу має наступні особливості:

вторинний струмопідвод проектується в пам'яті машини в координатному вигляді, тобто представлений координатами прямолінійних ділянок розбивки трубошин і гнучких кабелів;

виявлено 36 основних, принципово різних варіантів розташування пар провідників у просторі і встановлені критерії розпізнання варіантів;

по вхідним даним програма здійснює розрахунок координат точок розбивки струмопідводу на ділянки, розрахунок активних, індуктивних і повних опорів кожної ділянки, окремого провідника і струмопідводу в цілому;

розраховується розподіл струмів по окремих ділянках струмопідводу та коефіцієнти симетрії струмового навантаження;

результати моделювання й експериментальних досліджень вторинних струмопідводів показують достатню точність розробленої математичної моделі (відносна помилка розрахунку не перевищує 5%)

Розроблено математичну модель вторинного струмопідводу, що дозволяє визначати параметри великої кількості варіантів конструкцій вторинного струмопідводу РВП. За допомогою розрахунків на цій моделі встановлене наступне: при рівнобіжному розташуванні гірлянд гнучких провідників сусідніх полюс-фаз і рівнобіжному розташуванні трубошин електродотримача сусідніх полюс-фаз неможливо домогтися такого розподілу струмів по елементах короткої мережі, при якому забезпечується симетричне температурне поле електрода; оптимальної, із погляду симетрування температурних полів і мінімального опору, є конструкція вторинного струмопідводу з кутом між гірляндами гнучких провідників 45-70° і кутом між трубошинами електродотримача 45-70°.

У розділі V наведені дані експериментальної перевірки на РВП результатів теоретичних досліджень і рекомендацій.

На Стаханівському заводі феросплавів існують рудовідновлювальні печі потужністю 27 MB·А, обладнані струмопідводами з розсунутими під кутом 60° гірляндами гнучких кабелів і горизонтальних ділянок трубошин електродотримача. Для ізотерм 70° , 700° С різниця рівнів складає 0 0,06 м , а для ізотерми 500° С - 0ч0,05 м, тобто можна говорити про практичне досягнення симетрії температурного поля електрода.

Одночасно з виміром температур в електроді проводилися дослідження параметрів вторинних струмопідводів (розподіл струмів по трубошинах та контактних щоках, а також електричний опір), які практично підтвердили результати розрахунків.

На підставі експериментальних та теоретичних досліджень розроблено інженерну методику розрахунків параметрів ділянок трубошин та гнучких провідників вторинного струмопідводу та режимів спікання електродів за допомогою номограм та емпіричних формул. Емпіричні формули враховують взаємний зв'язок між діаметром електрода, його витратою, щільністю струму в електроді, розподілом струму по контактних щоках і розташуванням зони спікання.

Після вибору геометричних та електричних параметрів печі та конструкції вторинного струмопідводу, розрахунки пропонується робити у такому порядку:

визначається за допомогою номограм повний опір трубошин та гірлянд гнучких провідників (на полюс-фазу), а також коефіцієнт симетрії навантаження контактних щік струмом.

визначається витрата електрода за добу з рівняння:

,	6)

де S- потужність печі, кВА;

R- питома витрата електродної маси, кг/т;

- питома витрата електричної енергії, кВт·г/т;

- питома вага електродної маси, кг/м3;

И - площина перетину електрода, м2 ;

n - кількість електродів.

розраховується середнє положення зони спікання на периферії електрода за допомогою емпіричного рівняння:

,	(7)

де y - швидкість сходу електрода, м/год;

DЭ - діаметр електрода, м ;

j - щільність струму в електроді, кА/м2.

визначається різниця рівня ізотерм 500° С за рівнянням:

,	(8)

де j - щільність струму в електроді, кА/м2;

KC - коефіцієнт симетрії навантаження струмом;

K - коефіцієнт із табл. 1.

Таблиця 1

Значення коефіцієнта “K”

Діаметр електрода, м	1,4-1,7	1,7-1,9	1,9
К	1,05-1,1	1,1-1,2	1,3

визначається положення зони спікання в частинах електрода, звернених до центру печі ( lц ) та до футерівки (lф ):

	(9)

Висновки

Розв'язано задачу вибору оптимальної конфігурації вторинного струмопідводу за критерієм визначення мінімального реактивного опору та оптимального розподілу струмів по окремих ділянках і елементах струмопідводу на підставі аналізу теплових потоків електрода , що забезпечує сталі умови експлуатації електродів й енергозберігаючий режим роботи РВП.

Запропоновано методику розрахунків температурних полів електродів на математичній моделі, яка забезпечує вибір варіанта за критерієм оптимального розподілу струмів по елементах вторинного струмопідводу з метою досягнення симетричного розташування зон коксування по висоті та перетину електрода. Визначено, що для забезпечення симетричного температурного поля електрода навантаження струмом контактних щік, звернених до футерівки печі повинно бути на 10 - 20% більшим, чим у контактних щік, звернених до центру печі.

Математичне моделювання вторинних струмопідводів дозволило визначити, що для забезпечення раціонального розподілу струмів по контактних щоках необхідно витримувати наступну конфігурацію струмуподводу: кути між гірляндами гнучких провідників сусідніх полюс-фаз мають бути в межах 45 - 70о, кути між горизонтальними ділянками трубошин електродотримача мають бути в тих же межах.

На підставі математичного моделювання струмопідводів та температурних полів електродів забезпечена така геометрія розташування температурних полів, котра дозволяє зробити висновки про практичне досягнення симетрії температурних полів: різниця рівнів зон початку коксування не перевищує 0,05 м.

Забезпечено рівномірне спікання електрода і вихід його з контактних щік із температурою 720 - 750о С, що є ознакою оптимальних умов коксування електроду та роботи контакту щока - електрод. Дотримання такого температурного режиму дозволяє запобігти обривів електрода й передчасного прогорання кожуха з виходом рідкої електродної маси.

Визначені головні теплові потоки, які впливають на режим спікання електрода: виділення тепла у контакті щока - електрод, виділення тепла у робочому кінці електроду та втрати тепла з водою, яка охолоджує контактні щоки. Встановлено взаємозв'язок між цими потоками та електричним режимом роботи РВП.

На підставі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено адаптовану методику інженерних розрахунків, яка реалізована у вигляді емпіричних формул та номограм. Вони враховують взаємний зв'язок між діаметром електрода, розподілом струму по контактних щоках, щільністю струму в електроді, розташуванням зони спікання та конфігурацією вторинного струмопідводу.

Результати досліджень впроваджені в проекти реконструкції РВП потужністю 27 МВ·А Стаханівського заводу феросплавів, де спостерігалось зростання cosц печі на 2,1%, а продуктивності - на 1,8%. Крім того, результати дисертаційної роботи впроваджені в учбовий процес при виконанні практичних завдань та дипломних робіт кафедри "Електромеханіка" у СНУ ім. В. Даля.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

Яковенко В.В., Филимоненко Н.Н., Филимоненко К.В. Методика расчетов температурных полей самообжигающихся электродов на математической модели // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. ім. В. Даля. - 2002. - №7(53). - С.41 - 46.

Филимоненко К.В., Филимоненко Н.Н., Герман В.Р. Исследование и разработка приборного способа определения положения реакционной зоны в ванне рудовосстановительной электропечи // Вісн. Східноукр. держ. ун - ту. - 1997. - №4(8). - С.144 - 147.

Филимоненко Н.Н. Об особенностях электрических и температурных режимов самообжигающихся электродов рудовосстановительных электропечей // Вісн. Східноукр. держ. ун - ту. - 1997. - №4(8). - С.140 - 144.

Яковенко В.В., Филимоненко Н.Н. Исследование тепловых условий работы самообжигающегося электрода // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. ім. В. Даля.- 2002. - №8(54). - С.141 - 146.

Кушнарев В.Г., Филимоненко К. В., Полтавцева Н.Н., Воропаев И.П., Курапин И.Н., Домрачев Г.В. Исследование токоподводов и самообжигающихся электродов на математических моделях и действующих рудовосстановительных электропечах // Исследование специальных вопросов электротермии. - Чебоксары: Чебоксарский гос. ун - т. - 1983. - С. 90 - 95.

Филимоненко Н.Н., Филимоненко К.В. Исследование температурных полей самообжигающихся электродов ферросплавных печей с помощью математических моделей // Матеріали VIII Міжнародної науково-практичної конференції "Університет і регіон". - Частина 2. - Луганськ: вид - во Східноукр. нац. ун - ту ім. В. Даля. - 2002. - С.44.

Філімоненко Н.М. Вплив конструкції вторинного струмопідводу на теплову площину електроду, що сам спікається // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2003. - №6(64). - С.83 - 86.

Устройство для регулирования температуры самоспекающегося электрода: А.с. №1424143 СССР, МКИ Н 05 В 7/09. / Савранский М.И., Филимоненко К.В., Дятлов В.И., Кушнарев В.Г., Полтавцева Н.Н., Московцева М.Д. (СССР), ВНИИЭТО. - №4001882; заявлено 30.12. 85; Опубл. 15.05.88, Бюл. №34-34с.

Анотація

Філімоненко Н.М. Оптимізація параметрів вторинних струмопідводів феросплавних електропечей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.10 - електротермічні процеси та установки. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2003.

Дисертація присвячена оптимізації електричних параметрів вторинних струмопідводів і електродів, що самі спікаються, феросплавних електропечей на основі виконаних комплексних досліджень на діючих печах і математичних моделях.

Досліджено взаємний вплив електричного й теплового режимів роботи електродів, що самі спікаються, з урахуванням усіх факторів, що впливають на формування температурного поля електрода.

Розроблено математичну модель вторинного струмопідводу феросплавної електропечі та математичну модель електрода. Розрахунки на цих моделях дозволили створити конструкцію вторинного струмопідводу з конфігурацією, що забезпечує мінімальний реактивний і повний опір, а також раціональний розподіл струмів по окремих провідниках і елементам вторинного струмопідводу. Це дозволяє досягти формування симетричного температурного поля електрода, що сам спікається, по його перетину й витримки необхідних температур по висоті - у результаті створюються умови стійкого технологічного режиму експлуатації електрода, і дотримується енергозберігаючий режим роботи феросплавної печі.

Результати теоретичних досліджень підтверджені експериментом на діючих печах.

Ключові слова: феросплавна електропіч, електрод, що сам спікається, вторинний струмопідвод.

The summary

Fillimonenko N.N. Optimization of parameters of the secondary electric networks of electric furnaces for production of ferroalloys. - Manuscript.

Dissertation for Scientific Degree of Candidate of Sciences (Engineering), specialization 05.09.10 - Electrothermal Processes and Installations. - East Ukrainian National University named after Vladimir Dal, Luhansk, 2003.

The thesis is devoted to optimization of electrical parameters of the secondary electrical feeders and self - annealing electrodes of electric furnaces for production of ferroalloys on the basis of the executed complex researches on operating furnaces and mathematical models.

All the factors, which influence the electrical and thermal duties of self - annealing electrodes have been explored. All the factors, which influence the shaping of a temperature field of an electrode, have been taken into consideration.

The mathematical models of the secondary electrical feeder of the electric furnace for production of ferroalloys of an electrode have been designed. The calculations on these models, which have allowed creating a construction of secondary electrical feeders, have been made. The construction of a circuit creates minimum reactive and complete resistance, and also rational current distribution on separate conductors and elements of secondary electrical feeders. It allows to achieve the shaping of a symmetric temperature field of an electrode on its cross-section and keeping of necessary temperatures on height. As a result, the conditions of a high technological duty of an electrode maintenance and the energy - saving duty of the operation of electric furnace for production of ferroalloys are being observed.

The results of theoretical researches are confirmed by the experiments on operating furnaces.

Key words: electric furnaces for production of ferroalloys, the self - annealing electrode, secondary electrical feeder.

Аннотация

Филимоненко Н.Н. Оптимизация параметров вторичных токоподводов ферросплавных электропечей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.10 - электротермические процессы и установки. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2003.

Диссертация посвящена оптимизации электрических параметров вторичных токоподводов и самообжигающихся электродов ферросплавных электропечей на основе выполненных комплексных исследований на действующих печах и математических моделях.

Исследовано взаимное влияние электрического и теплового режимов работы самообжигающихся электродов с учетом всех факторов, которые воздействуют на формирование температурного поля электрода. Определены главные факторы, которые оказывают влияние на геометрию температурного поля, это: выделение тепла при прохождении тока в контакте щека-электрод и по рабочему концу электрода, а также потери тепла с водой, охлаждающей контактные щеки. Для равномерного обжига электрода необходимо добиться формирования симметричного температурного поля. Кроме того, температура выхода электрода из контактных щек должна быть около 700оС и его кожух должен быть не разрушен. Несимметрия теплового поля зависит от нерационального распределением токов по трубошинам электрододержателя и контактным щекам и неравномерного распределения плотности тока по сечению электрода вследствие эффекта близости.

Создана математическая модель вторичного токоподвода ферросплавной электропечи и математическая модель электрода. На основании исследований на математической модели установлено:

- при параллельном расположении гирлянд гибких проводников соседних полюс - фаз и параллельном расположении трубошин электрододержателя соседних полюс-фаз невозможно добиться такого распределения токов по элементам короткой сети, при котором обеспечивается симметрия температурного поля электрода;

- оптимальной, с точки зрения симметрирования температурных полей и минимального сопротивления, является конструкция вторичного токоподвода с углом между гирляндами гибких проводников 45-70° и углом между трубошинами электрододержателя 45-70°;

- для обеспечения симметрирования температурных полей самообжигающихся электродов необходимо обеспечить превышение токовой нагрузки контактных щек, обращенных к футеровке, над токовой нагрузкой контактных щек, обращенных к центру ванны печи на 10 - 20%, т.е. соблюдение коэффициента симметрии токовой нагрузки КС = 1,1 - 1,2 для различных типов печей.

С помощью расчетов на математической модели вторичного токоподвода создана конструкция токоподвода с конфигурацией, которая обеспечивает минимальное реактивное и полное сопротивления, а также рациональное распределение токов по отдельным проводникам и элементам вторичного токоподвода. Это позволяет достичь формирования симметричного температурного поля самообжигающегося электрода по его поперечному сечению и выдержки необходимых температур по высоте. В результате создаются условия устойчивого технологического режима эксплуатации электрода, и соблюдается энергосберегающий режим работы ферросплавной печи. Аналитическими исследованиями установлено, что возможно создание вторичных токоподводов РВП, обеспечивающих симметрирование температурных полей электродов диаметром до 3,0 м включительно.

Исследования на математической модели самообжигающегося электрода показали, что можно вполне удовлетворительно эксплуатировать электроды диаметром 2,1 - 3,0 м даже при условии применения рядовых электродных масс. При этом максимальные перепады температур не превышают критических, а положение зоны коксования находится на таком же уровне, что и у электродов диаметром 1,4 - 1,9 м.

Обоснована целесообразность применения данной модели при исследовании и проектировании вторичных токоподводов РВП - экспериментальная проверка результатов теоретических исследований выполнена на действующих РВП. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными показало их удовлетворительное совпадение.

На основании созданной математической модели разработана инженерная методика расчета параметров участка трубошин и гибких проводников вторичного токоподвода и режимов обжига электродов с помощью номограмм и эмпирических формул. Эмпирические формулы учитывают взаимосвязь между диаметром электрода, его расходом, плотностью тока в нем, распределением тока по контактным щекам и положением зоны обжига.

Результаты исследований апробированы на Стахановском заводе ферросплавов. На действующей печи мощностью 27 МВ·А применена новая конфигурация токоподвода с разведенными под углами гирляндами гибких проводников и трубошинами электрододержателя, что позволило симметрировать тепловое поле электрода. При этом cosц печи увеличился на 2,1%, а годовая производительность выросла на 1,8%.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс для выполнения практических заданий и дипломных работ на кафедре "Электромеханика" в ВНУ им. В. Даля.

Ключевые слова: ферросплавная электропечь, самообжигающийся электрод, вторичный токоподвод.

Размещено на Allbest.ru

...