Выбор рационального режима работы комплекса "линия разливки металла – дуговая сталеплавильная печь"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор рационального режима работы комплекса "линия разливки металла - дуговая сталеплавильная печь"

В.М. Салтыков

П.А. Шастин

Аннотация

Проанализировано влияние режима работы линии разливки металла (ЛРМ) как на удельный расход электроэнергии (ЭЭ) дуговой сталеплавильной печи (ДСП), так и на удельный расход ЭЭ комплекса "ЛРМ-ДСП". Выявлены рациональные режимы работы комплекса при различной производительности ЛРМ.c позиции минимума энергозатрат.

Ключевые слова: энергосберегающие режимы, линия разливки металла, дуговая сталеплавильная печь, комплекс, удельный расход электроэнергии.

Введение

Основой поточного литейного производства является комплекс: "диния разливки металла - плавильная печь". Данный комплекс потребляет до 75% суммарного расхода топливно-энергетических ресурсов, поставляемых в литейный цех 1. Большинство литейных цехов в качестве плавильного агрегата используют дуговые сталеплавильные печи (ДСП), благодаря возможности которых выплавлять все марки чугунов и сталей, что делает технологический процесс более гибким по сравнению с другими плавильными печами - индукционными печами, вагранками и т.д. При этом, с позиции рационализации энергопотребления комплекс "линия разливки металла - дуговая сталеплавильная печь" (ЛРМ - ДСП) имеет свои особенности.

Режимы работы линии разливки металла с позиции электропотребления

Определяющей технологический процесс комплекса ЛРМ-ДСП является линия разливки металла 2. Производство отливок представляет собой циклический технологический процесс. Расплавленный металл заливается в разовые песчаные формы. Производительность линии разливки определяется скоростью подачи форм к месту заливки металла.

Время цикла ТЦ можно разделить на две составляющие: время производства технологических операций ТОП и время простоя ТП:

ТЦ = ТОП + ТП, (1)

Как правило, для производства единицы продукции требуется выполнить определенное количество технологических операций за определенное время и затратить на это определенное нормированное количество ЭЭ. Поэтому время производства технологических операций ТОП можно считать постоянным, а изменение времени цикла при изменении текущей производительности осуществляется за счет изменения времени простоя:

ТОП = const, ТП = var, ТЦ = var, (2)

Удельный расход ЭЭ УД на единицу выпущенной продукции циклического процесса определяется по выражению:

УД=WЦ= WОП + WП = РСР.ОП . ТОП + РСР.ХХ . ТП, (3)

где WОП, WП - потребленная ЭЭ за время ТОП и ТП; РСР.ОП. РСР.ХХ - среднее значение мощности за время ТОП и ТП.

Удельный расход ЭЭ ЛРМ как циклического процесса в основном зависит от режима ее работы. Выделяют 4 режима:

Режим номинальной производительности, при котором:

ТЦ = Т Ц.НОМ = const, ТОП = ТОП.НОМ = const,, ТП = ТП.НОМ = const, (4)

Режим равномерно распределенной производительности, при котором:

ТЦ = f(V,ТПЛ) = var, ТОП = ТОП.НОМ = const,, ТП = f(V,ТПЛ) = var, (5)

Режим "хаотичной" производительности, при котором:

ТЦ = prob ТОП = ТОП.НОМ = const,, ТП = prob, (6)

4. Режим холостого хода, при котором:

ТЦ = ?, ТОП = ТОП.НОМ = 0, ТП = ?, (7)

где V - требуемый объем продукции за интервал планирования ТПЛ.

Зависимость удельного расхода ЭЭ линии разливки металла (ЛРМ) от принятого режима с учетом ее производительности приведена на рис.1. При этом, принято, что ЛРМ имеет номинальную производительность 125 форм в час.

В режиме номинальной производительности после выпуска требуемого объема продукции за интервал планирования ЛРМ можно отключить от сети. В результате исключается дополнительный расход ЭЭ во время простоя.

При проектировании технологической вентиляции ЛРМ для экономии первоначальных затрат ее часто совмещают с общепромышленной вентиляцией. Совмещенную вентиляцию нельзя отключать даже при полной остановке производственной установки, имеющей технологическую вентиляцию, что приводит к дополнительному весьма существенному перерасходу ЭЭ в ЛРМ при ее простое в режиме номинальной производительности (рис.1, кривая 1). Напротив, при разделенных технологической и общепромышленной вентиляции первую можно выводить из работы и экономить ЭЭ (рис.1, кривая 2). Режим номинальной производительности позволяем минимизировать удельный расход ЭЭ линии разливки металла.

В режиме равномерно распределенной производительности время цикла устанавливается, исходя из требуемого объема продукции за установленный интервал планирования. В результате при снижении производительности ЛРМ ниже номинальной увеличивается время простоя в цикле. Современные ЛРМ оборудуются частотными электроприводами, позволяющих без снижения механического ресурса двигателей от пусковых токов часто отключать подсистемы ЛРМ при завершении ими выполнения технологических операций и включать при начале нового цикла. Во время разгона и торможения потребляют электроэнергию, что делает данный режим более энергозатратным (рис.1, кривая 3) по сравнению с режимом номинальной производительности (рис.1, кривая 1,2)..

В режиме "хаотичной" производительности нет достоверной информации о моменте начала нового цикла производства продукции, что не позволяет планировать момент отключения подсистем ЛРМ при окончании производства технологических операций. Поэтому в данном режиме нет возможности автоматически отключать подсистемы ЛРМ во время простоев, что ведет к максимальным энергозатратам (рис.1, кривая 4) по сравнению с остальными режимами работы ЛРМ.

.

Рис. 1. Удельный расход ЭЭ на единицу выпускаемой продукции в различных режимах работы ЛРМ: 1 - режим номинальной производительности; 2 - режим равномерно распределенной производительности; 3 - режим "хаотичной" производительности

Таким образом, наиболее эффективным режимом работы ЛРМ являемся режим номинальной производительности. Но минимизация электропотребления ЛРМ может привести к перерасходу ЭЭ в ДСП, следовательно, необходимо рассматривать электропотребление комплекса "ЛРМ-ДСП" совместно.

Режимы работы ДСП линии разливки металла с позиции электропотребления

Технология выплавки металла в ДСП, как правило, предполагает порционную подачу в нее металла. Плавка металла в ДСП ведется по определенному алгоритму. Алгоритм плавки представляет собой четкую последовательность операций, направленную на выпуск металла определенного химического состава к определенному моменту времени. В литейном производстве алгоритм плавки, как правило, содержит следующие действия, на которые затрачивается время плавки: завалку печи ТЗАВ, расплавление металла ТРАСПЛ, доводку металла до требуемого химического состава ТДОВ, нагрев металла до температуры выпуска ТНАГР и слив металла ТСЛ.

Таким образом, продолжительность плавки складывается из данных интервалов времени:

ТПЛАВ = ТЗАВ + ТРАСПЛ + ТДОВ + ТНАГР + ТСЛ (8)

Как правило, время завалки, нагрева до температуры выпуска и слива изменяются в незначительных пределах, время доводки при планировании плавки точно определить невозможно, т.к. невозможно достоверно определить химический состав металла к концу расплавления завалки. Поэтому в качестве данных параметров при планировании плавки принимаются их нормированные (условно постоянные) значения. Следовательно, на продолжительность плавки можно воздействовать, регулируя время расплавления.

ТЗАВ, ТДОВ, ТНАГР, ТСЛ = const, ТРАСПЛ = var (9)

Время плавки ТПЛАВ зависит, прежде всего, от потребности в металле: если потребность в металле растет, то время плавки должно сокращаться, если потребность падает, возможно увеличение продолжительности плавки.

В поточном литейном производстве потребность в металле определяет режим работы линии разливки металла (ЛРМ). В режиме номинальной производительности требуется выдача большого объема металла сразу, а после выполнения задания по выпуску за интервал планирования может последовать длительный перерыв, в течение которого потребность в металле отсутствует. В режиме равномерно распределенной производительности ЛРМ потребность в металле равномерно распределена по интервалу планирования, что позволяет эксплуатировать печь менее интенсивно и планировать плавку по возможности с минимальным удельным расходом ЭЭ. В режиме "хаотичной" производительности ЛРМ точный момент потребности в металле неизвестен, поэтому необходимо поддерживать постоянный запас металла и пополнять его в кратчайший срок. В этом случае печи необходимо быть готовой к работе в режиме близком к максимальной производительности в любой момент времени на интервале планирования.

Допустимое время плавки ТДОП определяется по следующему выражению:

(10)

где МЗ - масса завалки шихты в ДСП, кг; МФ - усредненная за интервал планирования масса металла, заливаемая в форму, кг; GЛРМ.ТЕК - текущая производительность ЛРМ, форм/час.

Массу завалки и усредненную массу металла, заливаемого в форму, можно принять условно постоянными. Следовательно, допустимое время плавки ДСП зависит от текущей производительности ЛРМ, которая, в свою очередь, определяется режимом ее работы.

Допустимое время расплавления при планировании плавки определяется по выражению:

ТРАСПЛ = ТДОП - (ТЗАВ + ТДОВ + ТНАГР + ТСЛ) (11)

При достижении времени плавки значения, при котором печь выпускает металл с минимальным расходом ЭЭ, дальнейшее увеличение ТПЛАВ не требуется и целесообразно организовать простой печи, продолжительность которого ТПР можно определить по выражению: Т

ТПР = ТДОП - ТПЛАВ (12)

Минимальная производительность ДСП GДСП.МИН при расплавлении металла которую требуется поддерживать для удовлетворения потребности ЛРМ в металле, рассчитывается по формуле:

(13)

Производительность является рабочей характеристикой печи, наряду с удельным расходом ЭЭ, которые, в свою очередь, определяются электрическими и тепловыми характеристиками печи. Расчет тепловых потерь, тепловой характеристики печи, является сложной трудоемкой задачей, поэтому в практических расчетах, как правило, они принимаются в виде средней мощности тепловых потерь РТП. Аналитические выражения рабочих характеристик и необходимых для их расчета электрических характеристик приведены в 3,4:

Регулирование потребляемой мощности и, соответственно, электроэнергии в ДСП осуществляется переключением ступеней печного трансформатора (ПТ) и изменением величины тока дуги с помощью перемещающихся электродов.

Для решения задачи рационализации электропотребления комплекса "ЛРМ-ДСП" необходимо привести удельный расход ЭЭ печи на тонну выплавляемого металла к удельному расходу ЭЭ в ДСП на единицу выпускаемой продукции линии разливки - заливаемой форме.

Удельный расход ЭЭ в ДСП на единицу выпускаемой продукции ЛРМ УД.ДСП определяется по выражению:

, (14)

где индекс i - порядковый номер плавки; N - количество плавок ДСП за интервал планирования ТПЛ; РРАСПЛ,,РНАГР - мощность потребляемая ДСП из сети за время расплавления и нагрева до температуры выпуска.

Значения РРАСПЛ,,РНАГР определяются на основании минимально допустимой производительности ДСП. При нагреве металла до температуры выпуска целесообразно поддерживать мощность дуги, обеспечивающую минимум удельного расхода ЭЭ. При расплавлении металла необходимо поддерживать мощность дуги, достаточную для расплавления металла в течение планируемого отрезка времени ТРАСПЛ. В удельный расход ЭЭ ДСП включена энергия, необходимая для компенсации тепловых потерь РТП.

Если допустимое время плавки ТДОП позволяет вести расплавление с минимальным удельным расходом ЭЭ, то дальнейшее снижение времени плавки нецелесообразно.

В комплексе с линией разливки металла (ЛРМ) производительностью 125 ф/ч, как правило, достаточно использование печи ДСП-6 с печным трансформатором ЭТМПК-4200/10 с реактором. При расчете характеристик использовались следующие значения параметров системы электроснабджения SКЗ = 250 МВА, UИСХ = 10,2 кВ, b = 1,2. Технические данные печного трансформатора и реактора, а также сопротивления короткой сети ДСП-6 приведены в 3. Средняя мощность тепловых потерь ДСП-6 составляет РТП = 0,6 МВт. Согласно карте плавки ДСП-6 для чугунно-литейного производства одного автозавода приняты следующие нормы времени для периодов плавки: ТЗАВ = 5 мин, ТРАСПЛ = 45 мин, ТДОВ = 15 мин, ТНАГР = 4 мин, ТСЛ = 3 мин. Норма времени плавки ТПЛАВ = 82 мин.

На основании анализа рабочих характеристик ДСП-6 с позиции возможности выплавки требуемого объема металла к назначенному моменту времени с минимально возможным удельным расходом ЭЭ, работающей в комплексе с ЛРМ производительностью 125 ф/час, были получены зависимости удельного расхода ЭЭ в ДСП от производительности ЛРМ в разных режимах ее работы (рис.2).

В режиме "хаотичной" производительности ЛРМ удельный расход ЭЭ в ДСП принимает максимальные значения (рис.2, кривая Х). В данном режиме достоверно неизвестно, когда и в каком объеме потребуется металл, поэтому необходимо держать определенный запас металла и пополнять его как можно быстрее, т.е. с максимальной производительностью ДСП и повышенным расходе ЭЭ. Плавное увеличение удельного расхода ЭЭ происходит за счет возрастания доли тепловых потерь в плавке.

Рис. 2. Удельный расход ЭЭ в ДСП-6 на единицу выпускаемой продукции ЛРМ в различных режимах ее работы: Н - режим номинальной производительности; РР - режим равномерно распределенной производительности; Х - режим "хаотичной" производительности

В режиме равномерно распределенной производительности ЛРМ (рис.2 кривая РР) печь может работать с меньшей производительностью и с меньшим удельным расходом ЭЭ. При производительности ЛРМ 110 ф/ч достигается минимум удельного расхода ЭЭ в ДСП на единицу продукции ЛРМ благодаря возможности работы печи на характеристике с минимальным удельным расходом ЭЭ. Дальнейшее увеличение удельного расхода обусловлено возрастанием доли тепловых потерь.

В режиме номинальной производительности ЛРМ (рис. 2, кривая Н) печь работает на характеристике с постоянной производительностью и постоянным удельным расходом ЭЭ большим в общем случае по сравнению с режимом равномерно распределенной производительностью ЛРМ. Но влияние тепловых потерь на удельный расход ЭЭ в ДСП стабилизируется при достижении времени простоя печи за период планирования достаточного для полного остывания печи, что, в свою очередь, ведет к стабилизации удельного расхода ЭЭ.

Таким образом, прослеживается влияние режима работы ЛРМ на удельный расход ЭЭ в ДСП.

Выбор рационального режима работы ЛРМ с позиции минимума удельного расхода электроэнергии комплекса "ЛРМ-ДСП"

Граница безразличия между режимами работы комплекса "ЛРМ-ДСП" определяется на основе следующего выражения:

(15)

где индекс "РР" соответствует равномерно распределенному режиму, индекс "Н" - режиму номинальной производительности.

При условии:

(16)

целесообразно работать в режиме номинальной производительности ЛРМ.

При условии:

(17)

целесообразно работать в режиме равномерно распределенной производительности ЛРМ.

Количественную оценку предпочтительности работы комплекса в рассмотренных режимах можно определить по выражению:

(18)

В частности, для комплекса "ЛРМ-ДСП" при работе ЛРМ производительностью 125 ф/ч совместно с ДСП-6 граница равновесия рациональных режимов сохраняется до выпуска продукции ЛРМ с производительностью 95 ф/ч, что составляет 76% от номинальной производительности ЛРМ.

Заключение

В заключении целесообразно представить основные результаты по выполненной работе: металл электроэнергия сталеплавильный

1. Разработана методика выбора рационального режима работы комплекса "Линия разливки металла - дуговая сталеплавильная печь" ("ЛРМ-ДСП") с позиции минимизации удельного расхода электроэнергии (ЭЭ);

2. Выявлена возможность равномерного распределения потребности ЛРМ в металле по интервалу планирования удельный расход ЭЭ комплекса "ЛРМ-ДСП" в диапазоне высокой производительности ЛРМ 76-100 % от номинальной, расхождения которых находится в диапазоне 0,83-2,71%, что, в свою очередь, позволяет плавить металл ДСП на рабочей характеристике близкой к минимальному удельному расходу ЭЭ ДСП;

3. Получено, что при простоях между плавками до полного остывания ДСП с позиции минимизации удельного расхода ЭЭ комплекса целесообразной является работа ЛРМ в области средней производительности до 50-75% от номинальной, а для ДСП - работа в режиме минимального расхода электроэнергии, при увеличении производительности ЛРМ до 100% при сокращении времени простоем и тепловых потерь целесообразной является работа ДСП в режиме максимальной производительности.

Библиографический список

1. Вагин Г.Я. Анализ энергопотребления литейных цехов машиностроительных предприятий с целью снижения энергоемкости литья. // Промышленная энергетика. 2007. №2. С 14-17.

2. Салтыков В.М., Шастин П.А. Структурный анализ электропотребления линии разливки чугуна и энергосберегающие режимы ее работы// Вестник СамГТУ. Серия "Технические науки". - 2008. С.177-185.

3. Салтыков В.М., Салтыкова О.А., Салтыков А.В. Влияние характеристик дуговых сталеплавильных печей на качество напряжения в системах электроснабжения. Под общ. Ред. Салтыкова В.М. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 245 с.:ил.

4. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок. -М.: Энергия. - 1975. - 204 с.

Размещено на Allbest.ru