Розробка та дослідження електросталеплавильного комплексу з індукційно-дуговим перетворенням електроенергії

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Недостатня ефективність існуючих дугових та індукційних електросталеплавильних печей пояснюється характерними особливостями електрофізичних процесів та недосконалим конструктивним виконанням електросталеплавильного устаткування. Зважаючи на дефіцит і постійне подорожчання енергоносіїв та низьку конкурентоспроможність існуючого металургійного та ливарного виробництва є актуальним проведення подальших науково-експериментальних досліджень електрофізичних процесів плавлення металів за допомогою індукційно-дугового перетворення електроенергії та створення за їх результатами високоефективних електросталеплавильних комплексів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності електросталеплавильних печей для отримання високоякісних сталей та їх сплавів з необхідними властивостями завдяки одночасній дії електромагнітних полів від індуктора та електричних дуг, яка викликає різнонаправлені рухи розплаву металу, що призводить до інтенсифікації процесів плавлення.

Для досягнення зазначеної мети в дисертаційній роботі були поставлені наступні науково-технічні задачі:

-- провести аналіз літературних джерел з проблематики сучасного стану та розвитку методів нагріву шихти та плавлення металу в індукційних та дугових печах;

-- розробити математичну модель для опису розподілу електромагнітних полів у порожнині комплексу при сумісній дії індуктора та електричних дуг на рівні миттєвих значень;

-- теоретично обґрунтувати методику визначення розподілення електродинамічних сил, що виникають у розплаві металу, а також провести дослідження та аналіз розподілу цих сил в перерізі поверхневого шару розплаву металу;

-- розробити схемні та алгоритмічні рішення для керування процесом перетворення електричної енергії в теплову в процесі сталеплавлення;

-- провести дослідження ефективності запропонованого електротехнічного комплексу на експериментальній установці в промислових умовах;

-- комплексно проаналізувати й узагальнити отримані результати досліджень і сформулювати висновки та рекомендації стосовно ефективності та галузі застосування розроблених рішень.

1. Аналіз вітчизняних та закордонних літературних джерел за темою дисертаційної роботи, тобто за існуючими способами перетворення електричної енергії в теплову за допомогою індукційних та дугових систем

Проаналізовані існуючі способи електросталеплавлення високоякісного металу з використанням дугових та індукційних сталеплавильних печей для визначення переваг і недоліків в їх роботі, а також відповідності сучасним вимогам до енергозбереження та якості металу. З метою подальшого удосконалення процесів електросталеплавлення проведено детальний аналіз відомих досліджень, які були проведені в цьому напрямку. Вперше спробу удосконалення дугової сталеплавильної печі, вводячи до неї додаткове магнітне поле, здійснив проф. С.І. Тельний, який виявив два можливих напрямки використання додаткового магнітного поля в дуговій печі: а) для впливу на електричні дуги (обертання дуг, зміну напрямку їх видування), яке отримало загальну назву “електромагнітне керування дугами”; б) для руху металу, тобто “електромагнітного (індукційного) перемішування”. Інженер Л.І. Морозенський запропонував пристрій, який призначений для керування дугами та одночасно для перемішування металу. Найбільш відомими закордонними роботами є пристрої, які захищені німецьким та англійським патентами, але інформацію про промислове використання подібних печей не виявлено.

У той же час багато авторів наголошують, що в скороченні часу теплоенергетичного періоду плавлення за рахунок інтенсифікації процесу закладені великі резерви збільшення продуктивності електропечей. Використання цього резерву дало б змогу скоротити загальний час усього процесу виплавляння металу, а це, в свою чергу, дасть можливість суттєво економити електроенергію, витрати якої прямо пропорційні часу роботи печі.

На сьогодні дослідження сумісної дії електромагнітних полів в електротехнічному комплексі з індукційно-дуговим перетворенням електричної енергії (рис. 1) не проводились, тому проведення подальших досліджень цілеспрямованого силового впливу магнітного поля на струмопровідний розплав металу з метою підвищення інтенсифікації металургійних процесів та покращення ефективності електровикористання є актуальним.

2. Теоретичне дослідження електродинамічних процесів електросталеплавлення, а саме взаємодії магнітного поля зі струмопровідною рідиною в порожнині печі за допомогою системи рівнянь

Для зручності проведення досліджень електромагнітного поля здійснено перехід до безрозмірних величин, для чого введено характерні масштаби: розмір R0 (радіус циліндричної печі), швидкості ( -- обертова швидкість поля), часу (відношення характерного розміру до характерної швидкості), густини електричного струму , векторного електромагнітного потенціалу та об'ємної електродинамічної сили . Тоді рівняння (1) перетворюється до виду в безрозмірних величинах (2).

; (1)

. (2)

Для безрозмірних величин використано такі позначення: -- векторний електромагнітний потенціал; -- швидкість течії рідини; -- час; -- безрозмірна густина електричного струму; -- магнітна індукція; -- відносна частота обертання течії рідини.

Область, в якій знаходиться електромагнітне поле, являє собою круговий циліндр, заповнений рідким провідником струму (розплавом металу, що рухається з постійною швидкістю). Ця область обмежена за висотою, однак у ряді випадків скінченністю висоти посудини можна знехтувати, що значно спрощує частину подальшого аналізу. Електромагнітне поле займає, як правило, значно більшу область простору печі, що складається з сукупності вкладених один в один співвісних кілець та циліндрів з різними фізичними властивостями. При цьому з'являються межі розділу, на яких повинні виконуватися наступні умови:

а) неперервність нормальної складової вектора магнітної індукції ;

б) неперервність дотичної складової вектора напруженості поля ;

в) дотична складова напруженості магнітного поля на межі розділу двох середовищ (з різними електромагнітними властивостями) може змінюватися на величину, яка дорівнює лінійній густині поверхневого струму nвi, де nв- кількість витків, i - миттєве значення струму. Отже, якщо на деякій поверхні розподілені провідники, по яких пропускається електричний струм, то , де -- одиничний вектор нормалі до границі розділу, який направлений з одного середовища в друге.

Граничні умови для векторного електромагнітного потенціалу визначені з урахуванням того, що та , звідки .

З умов неперервності нормальної складової вектора магнітної індукції випливає неперервність дотичної складової векторного електромагнітного потенціалу на границі розділу двох середовищ .

Для проведення досліджень процесів, що відбуваються в електротехнічному комплексі, спочатку розглянута окремо робота ідеалізованих індуктора та трифазної системи електричних дуг. Ідеалізований індуктор, який створює змінне електромагнітне поле, має симетрію відносно осі печі, тому для опису електродинамічних процесів достатньо задати одну складову векторного електромагнітного потенціалу .

Складові вектора магнітної індукції визначаються рівняннями:

, (3)

, (4)

а векторний електромагнітний потенціал можна визначити з рівняння (2):

. (5)

Просторовий розподіл та величина електродинамічних сил, які діють на струмопровідну рідину в змінному магнітному полі, є важливими характеристиками електросталеплавильних комплексів, в значній мірі визначаючи ефективність їх використання. Величина густини електричного струму може бути знайдена із застосуванням закону Ома. Після визначення величини густини електричного струму та магнітної індукції електродинамічні сили можна визначити в безрозмірних величинах. Використовуючи вирази для визначення густини струму та вектора магнітної індукції:

, (6)

, (7)

визначалися складові електродинамічних сил через векторний потенціал :

, (8)

. (9)

Рівняння (3)-(9) складають математичну модель для дослідження ідеалізованого індуктора.

Постійна складова густини електродинамічних сил створює стаціонарний рух рідини, гармонійно змінна частина створює примусовий хвильовий рух рідини з частотою, яка вдвічі перевищує частоту зміни поля, а також періодичні зміни тиску в рідині.

Ідеалізована трифазна система електричних дуг (рис. 3), яка створює електромагнітне поле, має рівновіддалені відносно вісі печі дуги, то для опису електродинамічних процесів достатньо задати одну z-складову векторного магнітного потенціалу.

Складові вектора магнітної індукції визначаються рівняннями (10) та (11), а векторний потенціал визначається з рівняння (2):

, (10)

, (11)

. (12)

Силовий вплив електромагнітного поля від дуги на розплавлений метал визначається головним чином взаємодією струму електричної дуги та власного магнітного поля. Якщо в розплав введено три електричні дуги від ідеалізованої трифазної системи, тоді густина електричного струму матиме тільки одну z-складову, а складові електродинамічних сил визначаються з рівнянь:

, (13)

, (14)

Рівняння (10) - (14) складають математичну модель для дослідження ідеалізованої трифазної системи електричних дуг.

Розглянемо сумісне електромагнітне поле, створене ідеалізованим індуктором, який живиться однофазним змінним струмом та електричними дугами ідеалізованої трифазної системи

Через те, що визначити складові векторного електромагнітного потенціалу для тривимірної задачі досить складно, то складаємо модель з рівнянь (15)-(19) для дослідження одночасної дії електромагнітних полів та визначення розподілу електродинамічних сил, користуючись рівняннями складових магнітної індукції та густини струму при індукційному та дуговому режимах роботи в безрозмірному вигляді

, (15)

, (16)

, (17)

, (18)

. (19)

За визначеними складовими електродинамічних сил спрощується вирішення магнітогідродинамічної задачі, пов'язаної з дослідженням руху розплавленого металу в порожнині електротехнічного комплексу.

3. Дослідження розподілу електромагнітних полів в порожнині електротехнічного комплексу від електромагнітного індуктора та електричних дуг

За допомогою математичних моделей з прийнятими граничними умовами, які наведені в другому розділі, визначені характерні параметри змінного електро-магнітного поля в сталеплавильній печі. А саме: контури розподілення векторного електромагнітного потенціалу в розплаві металу, розподілення величин магнітної індукції, яка складається з радіальної та осьової складових й густини струму в азимутальному напрямку в перерізі печі.

За допомогою визначеного контуру розподілення векторного електромагнітного потенціалу можна визначити закономірність розподілу величин та параметрів електромагнітного поля. Одним з них є розподілення модульних значень величини магнітної індукції в порожнині комплексу, що дозволяє визначити розподілення радіальної та осьової складових магнітної індукції в комплексній формі в заданому перерізі. Також розглянуто розподілення модульних значень величини густини струму в порожнині комплексу, що дозволяє визначити розподілення густини струму в азимутальному напрямку в комплексній формі в заданому перерізі.

Для визначення розподілення електродинамічних сил посередині розплаву металу в порожнині печі в радіальному напрямку спочатку визначено розподілення азимутальної густини струму та радіальної й осьової складових магнітної індукції в заданому перерізі. Для визначення електродинамічних сил, які діють на розплав металу в середині печі, використовуються рівняння (8)-(9).

Результати дослідження розподілу електродинамічних сил в радіальному напрямку біля футерування показують, що електродинамічні сили мають найбільше значення посередині висоти розплаву металу. Це призводить до появи двоконтурної циркуляції металу в середині печі. Також було виявлено зменшення радіальної складової електродинамічних сил в поверхневому та біля подини шарах розплаву металу в печі, але найбільш доцільно провести дослідження електродинамічних сил в поверхневому шарі розплаву металу.

За допомогою математичних моделей з прийнятими граничними умовами, які наведені в другому розділі, визначаються характерні параметри електромагнітного поля в електросталеплавильній печі. А саме: контури розподілення векторного електромагнітного потенціалу електромагнітного поля в розплаві металу, розподілення величин магнітної індукції, яка складається з радіальної та азимутальної складових, густини струму в осьовому напрямку в перерізі поверхневого шару розплаву в печі.

Для визначення розподілення електродинамічних сил в радіальному напрямку через центр електричної дуги, що діють на розплав металу, спочатку визначаються розподілення азимутальної та радіальної складових магнітної індукції та осьової густини струму. Далі використовуються рівняння (13)-(14). В результаті отримуємо розподілення радіальної та азимутальної складових електродинамічних сил через дугу фази “А”.

З отриманих результатів дослідження розподілення електродинамічних сил видно, що в радіальному напрямку сили значно більші ніж у азимутальному. При цьому радіальна складова електродинамічних сил діє тільки на невеликій відстані від “колодязя”. Це пояснюється особливостями розподілення магнітної індукції та густини струму, що дає уяву про закономірності цілеспрямованого впливу електромагнітного поля на розплавлений метал в порожнині електросталеплавильної печі. Також необхідно зазначити, що саме радіальною складовою в даному перерізі викликано явище “колодязя”. Такі сили будуть діяти навколо електричної дуги, створюючи тим самим турбулентні течії на поверхні розплаву металу, що значно прискорює інтенсифікацію процесу плавлення.

При дослідженні електродинамічних сил в радіальному напрямку між центрами електричних дуг, що діють на розплав металу, отримуємо розподілення радіальної та азимутальної складових електродинамічних сил у відносних одиницях, які виявилися відносно малими у порівнянні з електродинамічними силами, що діють навколо електричної дуги.

Для визначення сумісного поля від електромагнітного індуктора та електричної дуги використовуються відомі розподілення магнітних індукцій та густин струмів в поверхневому шарі розплаву металу. Користуючись рівняннями (15)-(16), отримуються розподілення радіальної, азимутальної та осьової складових магнітної індукції, а також азимутальної та осьової складових густини струму в радіальному перерізі через центр електричних дуг і вісь печі.

Для визначення електродинамічних сил, які діють на розплав металу в поверхневому шарі печі, використовуються рівняння (17)-(19). В результаті отримуємо розподілення радіальної (рис 14), азимутальної та осьової складових електродинамічних сил через електричну дугу фази “А” (фази “В” й “С” - аналогічно), а також розподіл модульного значення величин складових електродинамічних сил (рис. 15).

В результаті проведених досліджень маємо, що радіальна та осьова складові електродинамічних сил від електромагнітного індуктора та електричної дуги, що живляться від мережі живлення частотою 50 Гц, підсилюються одна за рахунок іншої і діють одночасно на розплав металу; їх дія призводить до руху металу за межами області дії електродинамічних сил. Накладання цих рухів призводить до більш інтенсивного й різнонаправленого руху всього об'єму розплавленого металу. Азимутальна складова електродинамічних сил між електромагнітним індуктором та електричною дугою (за найменшою довжиною) призводить до появи різноманітних змін в структурі руху розплаву, що породжує багаточисленні ефекти, один з яких - це інтенсифікація процесу плавлення металу. Також необхідно зазначити наявність вихрових потоків, які викликають додаткові локальні рухи металу, що обумовлюють появу різнонаправлених локальних турбулентних течій в середині розплаву металу. Це суттєво впливає на інтенсифікацію процесу плавлення, сприяє підвищенню якості металу за рахунок повного розчинення домішок в період металургійної обробки та створює умови для очищення розплаву (видалення газів та неметалевих включень). У разі необхідності для збільшення глибини проникнення електромагнітних полів в середину розплаву металу з метою забезпечення кращої взаємодії з електромагнітними полями електричних дуг необхідне зменшення частоти струму, що живить індуктор.

4. Експериментальне дослідження запропонованого електротехнічного комплексу в різних режимах роботи, порівняльний аналіз експлуатаційних характеристик для підтвердження результатів теоретичних досліджень

В процесі експерименту були проведені плавлення трьома способами сталі марки 40ХНМЛ з метою виявлення переваг і недоліків запропонованого комплексу. Для визначення якості отриманої сталі були проведені необхідні фізичні випробування та хімічні аналізи в умовах заводської лабораторії, що підтвердили відповідність зразків вимогам чинних стандартів.

5. Рекомендації щодо створення запропонованого електротехнічного комплексу з урахуванням особливих умов експлуатації та алгоритмів роботи

Надані рекомендації щодо вибору основного електроустаткування та застосування тиристорного компенсатора реактивної потужності. Визначені умови, що забезпечують надійну та безпечну експлуатацію.

Застосування багатофункціонального тиристорного компенсатора реактивної потужності (ТКРП), потужність та тип якого обирається на підставі техніко-економічного обґрунтування, значно підвищує ефективність роботи електротехнічного комплексу. ТКРП працює за принципом “непрямої компенсації”, при якій генерація реактивної потужності здійснюється за допомогою конденсаторних батарей силових фільтрів, а її надлишок споживається тиристорно-керованим реактором. Це забезпечує швидкодіючу автоматичну компенсацію реактивної потужності всього електротехнічного комплексу, що дозволяє значно підвищити його к.к.д.

Висновки

електромагнітний індуктор сталеплавлення

У дисертаційній роботі вирішені науково-технічні задачі, пов'язані з підвищенням ефективності електросталеплавлення в дугових та індукційних печах шляхом поєднання індукційного та дугового способів плавлення металу з урахуванням цілеспрямованої дії електромагнітного поля на струмопровідний розплав металу, що дає змогу інтенсифікувати металургійні процеси та покращити якість готової продукції. Результати проведених теоретичних та практичних досліджень дозволяють зробити такі висновки:

1. Проведено аналіз сучасних тенденцій модернізації електросталеплавильного обладнання та її впливу на режими та техніко-економічні показники роботи електричних печей. Показано, що суттєве підвищення ефективності електросталеплавлення в дугових та індукційних печах можна досягнути шляхом інтенсифікації режимів плавлення на окремих етапах металургійного процесу.

2. Вперше запропоновано нову ефективну електричну схему живлення електротехнічного комплексу з індукційно-дуговим перетворенням електричної енергії для плавлення прецизійних сталей та сплавів. Обґрунтована доцільність використання трифазної системи електричних дуг, чотирьох секцій електромагнітного індуктора та тиристорного компенсатора реактивної потужності з фільтрами вищих гармонік.

3. Вперше розроблена математична модель та обґрунтована методика визначення результуючої електродинамічної сили в перерізі поверхневого шару розплаву при одночасній дії електромагнітних полів індуктора й електричних дуг та показано вплив цих сил на інтенсивність перемішування розплаву металу.

4. Проведене дослідження розподілу електродинамічних сил в перерізі поверхневого шару розплаву металу показало, що сили, які виникають від електромагнітного індуктора та електричних дуг, підсилюються одна за рахунок іншої і діють одночасно на розплав металу. Взаємна дія цих сил призводить до руху металу за межами області дії електродинамічних сил. Накладання цих рухів призводить до більш інтенсивного й різнонаправленого руху всього об'єму розплаву металу, що значно прискорює процес плавлення та сприяє рівномірному розчиненню домішок в рідкому металі з одночасним виведенням газів та неметалевих часток з нього. Це дало можливість отримати метали з високою однорідністю моноструктури, що забезпечило збільшення механічної міцності виготовленої продукції.

5. Розроблено методику розрахунку основних елементів запропонованої схеми живлення. Сформульовані основні вимоги до конструктивних елементів і приведені рекомендації щодо розрахунку та вибору тиристорного компенсатора реактивної потужності з фільтрами вищих гармонік, а також іншого електроустаткування.

6. Вперше в умовах виробництва проведено експериментальне плавленням металу в запропонованому електротехнічному комплексі з індукційно-дуговим перетворенням електричної енергії в теплову. Проведені експериментальні дослідження взаємодії полів від електромагнітного індуктора та електричних дуг повністю підтверджують результати моделювання за допомогою розробленої математичної моделі.

7. Розроблені раціональні алгоритмічні рішення для ефективного керування роботою електротехнічного комплексу за допомогою запропонованої схеми живлення на кожному окремому етапі технологічного процесу, яке забезпечило значне зростання інтенсифікації усього металургійного процесу, що дало можливість:

- скоротити витрати електричної енергії на 5-7% в порівнянні з індукційними та 12-16% у порівнянні з дуговими печами за рахунок оптимізації способів і технологій електросталеплавлення;

- підвищити продуктивність існуючих електросталеплавильних печей за рахунок скорочення часу одного циклу плавлення на 60 хвилин у порівнянні з індукційними та на 30 хвилин у порівнянні з дуговими печами, що збільшує кількість плавлень, проведених за добу;

- повністю відмовитися від попереднього неелектричного нагріву, що дає економію природного газу 35-45 м. куб. на кожне плавлення.

8. Створено базу для проведення подальших досліджень магнітогідродинамічних явищ у розплаві металу, що виникають від цілеспрямованої дії електромагнітних полів з метою удосконалення металургійних процесів і технологічного устаткування.

Література

1. Сталеплавильний комплекс: Пат. № 6644 Україна, МПК7 С 21 С 5/00. Ю.Е. Пачколин, І.Д. Труфанов, О.С. Левада, Ю.Л. Гура, О.О Бондаренко, І.А. Андріяс, В.В. Луньов, В.П. Метельський. -- № 20041008595; заявл. 21.10.2004; опубл. 16.05.2005, бюл. № 5.

2. Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э., Галько С.В. Методология экспертного управления электросталеплавлением на основе интегрального критерия энергосбережения. Х.: Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государственного политехнического университета, Выпуск 113, 2000. - С. 304 - 310.

3. Метельський В.П., Пачколін Ю.Е. Електродинамічні сили в електротехнічних комплексах з індукційно-дуговим перетворення електроенергії // Електротехніка те електроенергетика. - 2005. - №2. - С.41-47.

4. Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Бондаренко В.И., Пачколин Ю.Э. Теоретические аспекты моделирования и проектирования экспертных энергосберегающих систем управления электросталеплавлением. Х.: Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государственного политехнического университета, Выпуск 10, 2001. - С. 346 - 349.

5. Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Крутой А.В, Пачколин Ю.Э. Цифровые системы управления высокочастотного нагрева цветных металлов. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, № 3/2004 (26), 2004. - С. 42 - 45.

6. Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э. Математическое моделирование энергетического поля сталеплавильного агрегата с комбинированным электротехническим комплексом. // Электротехника и электроэнергетика, - Запорожье: ЗНТУ, № 1, 2003. - С. 66 - 71.

Размещено на Allbest.ru