Боковая Я.А.

Донецкий национальный технический университет, Украина

Методы управления энергетическим процессом                       в дуговых сталеплавильных печах

 

Современные электротермические печи (ЭТП) представляют собой автоматизированные агрегаты, которые характеризуются высокой производительностью и эффективным использованием установленной энергетической мощности.

Для выплавки качественных сталей в металлургическом производстве широко применяются электротермические печи прямого действия, из которых наибольшее распространение получили дуговые сталеплавильные печи (ДСП) и технологические комплексы «ПЕЧЬ-КОВШ» с дуговым подогревом.

Исследования электротермических режимов печей проводились на физических и математических моделях. Эдемский В.М. и Наумов Е.А. представили ДСП моделью с двумя безынерционными нелинейными блоками типа «зона нечувствительности», моделирующими зависимость напряжения и тока фазы от длины дуги. Другие авторы, например [1], интерпретируют ЭТП безынерционным звеном и звеном запаздывания с передаточной функцией . Время от момента включения привода до начала перемещения электрода определялось зазорами в передаче и эластичностью звеньев исполнительного механизма.

Авторами работ [2, 3] рекомендуется выбирать электрический режим печи в интервале силы тока от І', соответствующей наименьшему удельному расходу электрической энергии на одну тонну выплавляемой стали, до І1, соответствующей наибольшей удельной производительности печи. Предложены зависимости для определения этих токов:

                                                                    (1)

                                                                             (2)

где  - мощность тепловых потерь, мВт; - фазное напряжение, В; r и х -активное и реактивное сопротивление короткой сети, соответственно, Ом; z - полное сопротивление короткой сети, которое определяется по формуле Ом.

В работах [2, 3] за критерий оптимальности предлагается выбрать наименьший удельный расход электрической энергии W на одну тонну выплавляемой стали, что отвечает условию  при силе тока . Однако это условие справедливо только в период расплавления шихты на высших ступенях напряжения и неприемлемо для других периодов плавки.

Для обеспечения требуемой точности температуры металла ± 10°С необходимо иметь возможность варьировать скорость нагрева ванны путем управления мощностью Рпол с точностью не менее ± 200 кВт. Плавное регулирование мощности Рпол может осуществляться только за счет изменения тока .

На каждой ступени напряжения максимальной подведенной мощности от печного трансформатора Рп соответствует максимальное значение тока . Величина  и электрический КПД печной установки  при токе І1 сохраняют относительно высокие значения – не менее 0,7÷0,8. При токе І>І1 подведенная мощность Рп уменьшается, а суммарная мощность электрических и тепловых потерь Рпот печной установки увеличиваются. Минимальная допустимая величина тока должна быть не ниже значения тока граничных условий устойчивого горения дуг Iгр. При І<І1 мощность Рп и мощность потерь Рпот уменьшаются, a  и  увеличиваются. С точки зрения себестоимости такой режим является допустимым и позволяет управлять нагревом жидкого металла. Варьирование токов дуг от І1 до граничных условий устойчивого горения дуг Iгр и напряжений на ступенях печного трансформатора позволяет получить значение мощности подводимой от печного трансформатора Рп в диапазоне от минимальной Pmin до номинальной Рном мощности печного трансформатора.

Граничная сила тока устойчивого горения дуг Iгр определяется выражением:

                                                                             (3)

где I0 - сила тока холостого хода печного трансформатора, А; х - индуктивное сопротивление печного трансформатора, Ом.

Так как ток дуги представляет собой случайную величину, то для определения параметров режимов ДСП следует применять статистические методы. Учитывая, что влияние отдельных возмущений на силу тока невелико, закон распределения токов дуг можно принять близким к гауссовому. Чтобы получить характеристику случайного процесса, достаточно знать математические ожидания параметров и корреляционные функции. Эдемским В.М. установлено [4], что коэффициент корреляции по ходу плавки изменяется нерегулярно, однако в целом его значение возрастает.

По статистическим данным токов дуг и их изменениям в ходе плавки можно определить средние значения токов дуг отдельных фаз, а затем и технико-экономические показатели печи. Для определения оптимальных электрических режимов печи требуется оценивать все изменения и обычно такую оценку выполняют путем контроля мощности, напряжения питающей сети, токов дуг и др [5].

Следует учесть, что существующие методы и средства контроля электрических параметров позволяют осуществлять оптимизацию по критерию энергозатрат только в периоды расплавления твердой шихты. Сведений относительно оптимизации электротермических процессов в окислительных и восстановительных периодах плавки металлов не обнаружено.

Существующие АСУ теплового и технологического режима плавки стали осуществляет регулирование полезной мощности по разности фактической и заданной температуры металла со значительным периодом дискретности — около 20 минут. Система регулирования в интервалах между измерениями находится в состоянии свободного движения, траектория которого определяется, главным образом, возмущающими воздействиями. В этих условиях возможно повышение скорости нагрева, что приведет к перегреву металла и непроизводительному расходу электроэнергии. Оптимизация электрического режима при регулировании температуры металла в этой системе не предусмотрена.

Для устранения этих недостатков следует решить задачу сокращения интервалов получения информации о температуре металла и скорости её изменения, а также разработать алгоритм оптимального управления тепловым режимом плавки. Сокращение периода дискретизации путем увеличения частоты измерений неприемлемо, так как это увеличивает расход дорогостоящих высокотемпературных термопар, поэтому предлагается создание наблюдателя состояния за процессами плавки и восстановления. Наблюдатель построить на основе существующих аналитических и экспертных моделей. Результаты измерений использовать для коррекции накапливающейся ошибки наблюдения.

 

Литература:

1.      Самойлович Ю.А. Нагрев стали: Справ, пособие/ Ю.А. Самойлович, В.И. Тимошпольский. - Мн.: Высш. шк., 1990. - 480 с.

  1. Игнатов И.И.. Расчет электрических параметров и режимов луговых сталеплавильных печей / И.И. Игнатов, А.В. Хаинсон // Электричество.- 1983. - №8. - С. 62-65.

3.      Сойфер В.М. Дуговые печи в сталеплавильном цехе/ В.М. Сойфер, Л.Н. Кузнецов. - М.: Металлургия, 1989. - 176 с.

4.      Наумов Е.А. Моделирование системы автоматического «гулирования дуговой печи с учетом случайных возмущении / Е.А. Наумов, В.М. Эдемский, Р.В. Минеев // Черная металлургия. - 1975. - №5. - с. 77-83.

  1. А.с. 296082 (СССР). Способ автоматического регулирования электрического режима электропечи / СВ. Алексеев (СССР), Бюл. №10, 1971. - С. 196.