Исследование электромеханических характеристик гибких токоподводов сталеплавильных печей и разработка технических требований

Сталеплавильное производство продолжает оставаться ключевым в цепи технологических переделов получения стального проката. В пользу электроплавки, по мнению специалистов [1], будет снижаться конвертерное производство стали в результате возрастания металлофонда. В Федеральной программе перевооружения отечественной металлургии предусматривается приоритет развития и реконструкции сталеплавильного производства, что находит выражение в увеличении доли производства электростали. Последняя в общем мировом производстве стали превысила уже 30%, а в США приближается к 40%. В России доля электростали в 1994 г. составила только 13,2% (6,45 Мт) [2]. Поэтому увеличение выплавки электростали в нашей стране является основным направлением обновления сталеплавильного производства и всей черной металлургии России.

Полезная емкость сталеплавильных дуговых печей и их производительность по расплаву значительно возросли в последние годы. Наиболее крупные электропечи (335 т) работают в США. Наметилась устойчивая тенденция интенсификации процессов плавки. Поставлена цель выплавлять более 120 т стали в часреализуемая при этом удельная мощность, в настоящее время достигает 1 МВА/т [3]. Годовая производительность ДСП емкостью 100−125 т с трансформатором 105 МВА может достигать 800−950 тыс. т [4]. В настоящее время в России действует 65 электропечей емкостью от 6 до 150 т (не считая печей в литейных цехах) [5]. Наибольшее количество электростали выплавляют в печах емкостью от 80 до 200 т [2].

В конструкции печей произошли существенные изменения, позволившие повысить стойкость сводов и стенапробируются различные варианты выпуска металла, перевод электропитания на постоянный ток, совершенствуется технология.

Наиболее высоким техническим уровнем в СНГ характеризуется электросталеплавильный цех Молдавского металлургического завода с печами ДСП-100И6 (80 MB А) [2,6], где за счет таких мероприятий, как эркерный выпуск, установка системы стеновых и дверной газокислородных горелок, плакированных медью электрододержателей, добились большого эффекта в увеличении производительности печей.

Особенностью производства стали в АО «ОЭМК» Оскольского электрометаллургического завода [7] является использование в шихте для плавки 50−70% меташшзованных окатышейэлектропечи переведены на использование водо-охлаждаемых сводовуспешно эксплуатируются токоведущие консоли фирмы «Фукс-системтехник» и спреерное охлаждение электродов той же фирмы, что снижает расход электродов на 0,13−0,18 кг/т.

Использование рабочих режимов длинных дуг в сочетании с наведением пенистого шлака, надежно экранирующего дуги, способствует снижению (до 50%) торцевого расхода графитированных электродов [8].

Несмотря на отдельные достижения, состояние парка дуговых сталеплавильных печей в России существенно отстает от уровня США по количеству и показателям работы большегрузных печей. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации ДСП в режимах высокой удельной мощности (600 кВА/т и выше) выявил ряд негативных явлений, в том числе вопросы обеспечения удовлетворительной стойкости футеровок, нагрева металлоконструкций в электромагнитном поле больших рабочих токов, резко выраженное явление переноса мощности по фазам, увеличение уровня шума и электромеханические колебания элементов конструкции электропечи. При этом расход огнеупоров на отечественных электропечах достигает 4−6 кг/т стали, электроэнергии от 500 до 700 кВтч/ т стали, значительна длительность плавки. Пылегазовые выбросы металлургическими предприятиями составляют 20% от выбросов всей промышленности. Это обусловлено тем, что более 60% стали в России производится на устаревшем оборудовании, доля прогрессивных способов производства стали составляет 48,5%, непрерывная разливка — 31.8%, а также значительным количеством простоев, большой длительностью технологического периода (из-за недостатка агрегатов внепечного рафинирования), малым использованием кислорода, недостаточным применением альтернативных источников энергии.

5].

Сдерживающими факторами в развитии современных ДСП являются проблемы, обусловленные электродинамическими взаимодействиями сильноточных токоподводов ДСП в условиях значительных колебаний рабочих токов при расплавлении шихты. Особую актуальность данная задача обрела с изменением функционального назначения дуговых сталеплавильных электропечейплавильный агрегат, работающий в комплексе с установками внепечной обработки стали. При этом режим максимальной мощности, являющийся основным рабочим режимом, характеризуется высоким уровнем колебательности электромеханической системы, что приводит к преждевременному износу элементов конструкции, возникновению аварийных вибраций и т. д. Наблюдается реальное ограничение верхнего предела удельных мощностей, сдерживающее рост технико-экономических показателей работы ДСП.

Исследования электродинамических явлений в ДСП проводились рядом авторов [9,10,11,12]. Была установлена физическая природа этих явлений, предложены математические модели, позволяющие вскрыть общие закономерности, отражающие зависимость параметров колебаний электрических режимов от соотношения электрических параметров печи и свойств механической системы ДСП, участвующей в процессе колебаний. Однако используемый в работах [9,10,11] математический аппарат ограничивал возможности моделей, а принятые допущения отдалили их от реального объекта. Поэтому выработанные в результате указанных исследований рекомендации для проектировщиков ДСП, например, триангуляция вторичного токоподвода, повышение жесткости стойки электрододержателя, не позволили существенно снизить отрицательные последствия электродинамических колебаний. Узлы конструкции электрододержателя по-прежнему не выдерживали переменных электродинамических нагрузок, колебания электрического режима приводили к снижению ввода мощности в плавильное пространство, не происходило снижения низкочастотных составляющих тока в печи.

Большой вклад в исследование электродинамических колебаний электрического режима и систем электродов-электрододержателей внесла работа [12]. На базе нового представления о действующих в ДСП взаимосвязях, включающих как элементы токоподвода, так и элементы механической конструкции, и рассматривая ДСП как целостную электромеханическую систему, автором [12] были выявлены два замкнутых колебательных контура с прямыми и обратной по длине дуги связями, исследован механизм возникновения и развития колебаний в контуре «дуга-электрододержатель с электродом-дуга», определены основные факторы, влияющие на жесткость системы электрод-электрододержа-тель, исследовано влияние электрических параметров и конструктивных факторов на электромеханическую устойчивость установки. Анализ внутренних взаимосвязей электромеханической системы ДСП, новый уровень детализации исследуемого объекта, использование математического аппарата метода конечных элементов позволили сделать выводы, имеющие важное значение для определения цели, задач и обоснования положений данной работы.

Однако, исследуя взаимосвязь между электрическими и механическими характеристиками ДСП, автор [12] не рассматривает процессы, предшествующие возбуждению колебаний электромеханической системы под действием переменных электродинамических усилий. К этим процессам относятся физические явления в собственно дуговом разряде, явления, сопровождающие плавление шихты, которые первоначально вызывают амплитудную модуляцию тока. Кроме того, на данном этапе исследований ДСП представляет интерес динамическое поведение кабельных гирлянд, которые также сильно подвержены воздействию электродинамических усилий и являются источником колебательности рабочих токов ДСП. Первостепенную роль приобретают также экологические аспекты работы печей, выявление причин возникновения которых позволит сделать экологическую защиту ДСП более эффективной и надежной.

Традиционные, ставшие уже классическими, методы создания конструкций сверхвысокомощных ДСП зачастую не принимают во внимание тенденцию укрупнения печей и увеличения их удельных мощностей, а также специфику процессов и физических явлений, протекающих в рабочем пространстве и в зоне горения мощной печной дуги и влияющих не только на электрические, но и на механические характеристики электропечи. Неполное представление о взаимосвязях между колебаниями электрических и механических параметров, причинах их возникновения, а также отсутствие удобного инструмента для оценки уровня электродинамических взаимодействий в электромеханической системе не позволяет вывести агрегат на необходимые мощности и, следовательно, производительности.

Таким образом, очевидна необходимость дополнительных исследований электромеханических свойств ДСП, с одной стороны, для выявления всех элементов и внутренних взаимосвязей в электромеханической системе ДСП, определения наиболее эффективных путей снижения колебательности электрического режима, электромеханической системы и связанных с ними экологических последствий работы печис другой стороны, для создания рабочего инструмента для инженера-конструктора ДСП, позволяющего на этапе проектирования оценивать технические решения с точки зрения их влияния на электромеханические свойства проектируемых установок. В настоящей работе предложена математическая модель электромеханической системы дуговой электропечи, основанная на новом уровне детализации ДСП как физического объекта.

Таким образом, целью работы является разработка основных концепций анализа ДСП как электромеханической системы с внутренними взаимосвязямиисследование причин возбуждения и развития колебаний в дуговой установкеисследование влияния электромеханических колебаний кабельных гирлянд на электрические режимы печиразработка технических требований к конструкции гибкого токоподвода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Анализ современного состояния проблемы, предлагаемых путей ее решения, имеющихся моделей ДСП как электромеханической системы с внутренними взаимосвязямианализ кабельных гирлянд как объекта колебаний и моделей, включающих данный элементформулировка требований к постановке математического моделирования на новом уровне детализации ДСП как физического объекта.

2. Экспериментальные исследования рабочих режимов высокомощных ДСП, включая определение фактических параметров механической системы и ее поведение при электродинамическом взаимодействии токоподводованализ физической природы возмущений в зоне горения мощной печной дуги, характерной для ДСПисследование электромеханической системы дуговой сталеплавильной электропечи, обладающей способностью к возбуждению электромеханических колебанийисследование механизма возникновения и развития колебаний в ДСПвыявление причин возникновения экологически неблагоприятных воздействий на человека и окружающую среду при работе ДСП, анализ традиционных мер и способов решения экологических задачразработка рекомендаций по снижению колебательности электрического режима и элементов конструкции ДСП, а также взаимосвязанных с ними экологически неблагоприятных явлений.

3. Разработка математической модели электромеханических колебаний гибкого токоподвода ДСП.

4. Исследование динамических свойств кабельных гирлянд, влияния электрических режимов на интенсивность электромеханических колебаний вторичного токоподвода различных типов ДСП, включая обратное влияние кабельных гирлянд на электрические режимы, в частности, на перенос мощности по фазам ДСПоценка максимальных отклонений кабелей с учетом низкочастотных возмущенийисследование влияния механических параметров системы на характер электромеханических колебанийисследование причин преждевременного износа кабелей при использовании клицобоснование выбора оптимального количества проводников кабельной гирлянды одной фазы с учетом электродинамики гибкого токоподводаоценка электромеханической устойчивости установки с учетом колебаний кабельных гирлянд.

ВЫВОДЫ.

1. Предложена математическая модель с использованием метода описания электрических режимов работы ДСП с помощью трехфазной несимметричной схемы замещения совместно с системой дифференциальных уравнений для проводимостей дуг. Токи трехфазной системы ДСП рассчитываются во взаимосвязи с изменениями индуктивного сопротивления короткой сети, обусловленными колебаниями кабельных гирлянд, а также с учетом возмущений электрического режима.

2. Проведен гармонический анализ с помощью разложения Фурье электромеханических колебаний кабельных гирлянд электропечей ДСП-100И6, ДСП-100И7 и ДСП-50ИЗ. Основными по амплитуде оказались гармоники с частотами, близкими к основной собственной частоте колебаний кабелей, которая находится в диапазоне 0.17−0.25 Гц.

3. Исследован характер изменения фазных индуктивностей исследуемых ДСП. С помощью разложения в ряд Фурье Ках выявлено, что наибольший вес приходится на низкочастотные (0−0.25 Гц) колебания его величины. Из анализа численных результатов установлено, что частотные диапазоны изменения электрических параметров ДСП (фазные индуктивности, К^) совпадают с диапазоном собственных частот гибких кабелей. Таким образом, подтверждено, что колебания кабельных гирлянд под действием электродинамических усилий являются одной из причин повышения уровня колебательности электрического режима ДСП в диапазоне частот до 1 Гц.

4. Исследовано влияние электромеханических колебаний кабельных гирлянд на перенос мощности по фазам ДСП. Изменения фазных индуктивностей и соответствующие им изменения мощностей дуг имеют идентичный характер. Средние значения мощностей в фазах, А и В равны и составили 2.5−107 Вт. В фазе С средняя мощность за расчетное время несколько ниже — 2.3−107 Вт.

Частотный анализ колебаний мощности в фазах электропечи с помощью преобразования Фурье не выявил зависимость этих колебаний от изменений индуктивностей вторичного токоподвода, обусловленных перемещениями кабельных гирлянд. Для исследования вопросов переноса мощности по фазам ДСП в математическое представление явлений необходимо вводить дополнительные уравнения, учитывающие существующие процессы.

5. В режиме электромеханической неустойчивости глубина модуляции токов печи, обусловленная электромеханическими колебаниями электромеханической системы, достигает номинального значения тока. Изменения фазных индуктивностей вследствие перемещений кабельных гирлянд при значениях градиента потенциала дугового промежутка р, близких к максимальным реально возможным (18−103 В/м), соответствуют колебания амплитуды тока, величина которой не превышает 85% от его номинального значения. Таким образом подтверждено, что преобладающий вклад в повышение колебательности электрического режима ДСП вносят автоколебания систем электрод-электрододержатель. Подтверждена целесообразность настройки САР на диапазон частот ниже 1 Гц, что не способствует снижению электродинамической устойчивости установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе выполнен практический анализ и проведены дальнейшие исследования электромеханической системы ДСП, способной к возбуждению электромеханических вибраций элементов конструкции и колебаний электрического режима, природа которых обусловлена физическими явлениями в зоне горения мощной лечной дуги.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. С помощью анализа физической природы возмущений электрического режима ДСП установлено, что первоисточниками изменения уровня колебательности токов печи являются физические явления при плавлении шихты, связанные с поведением электромеханической системы при изменении тока. При этом между токоведущими элементами печи действуют возмущающие электродинамические силы с частотой, соответствующей двойной частоте изменений тока вследствие явлений макрошунтирования дуги и (или) обвалов шихты, которая попадает в диапазон собственных частот элементов конструкции ДСП. На основе представления о взаимосвязях в ДСП, подтверждено, что изменения электрического режима и колебания электромеханической системы — это неизбежное явление при работе любой ДСП, обусловленное физическими причинами их возникновения, механическими свойствами элементов конструкции и работой САР.

2. Установлен принципиально различный характер влияния вибраций систем электрод-электрододержатель и колебаний кабельных гирлянд на электрический режим ДСП. В отличие от вибраций электрододержателей кабельные гирлянды не могут оказывать непосредственное механическое воздействие на дугу. Перемещаясь под действием переменных электродинамических усилий, кабели изменяют свое взаимное расположение, а, следовательно, взаимоиндуктивные связи и реактивное сопротивление установки. При этом основные частоты электромеханических колебаний кабельных гирлянд близки к их собственным частотам, которые находятся в диапазоне 0.17−0.25 Гц. Доказано, что выявленная экспериментально на действующей печи ДСП-100И6 амплитудная модуляция токов с частотами до 1 Гц обусловлена, в том числе, электромеханическими колебаниями гибких кабелей.

3. Экспериментально доказано, что наряду с колебаниями кабельных гирлянд САР на действующих печах также является одним из источников амплитудной модуляции токов с частотой до 1 Гц, что связано с искусственным расширением зоны нечувствительности регулятора.

Подтверждено, что влияние САР на колебательность электрического режима ДСП связано с резонансными явлениями при работе регулятора с частотами, близкими к собственным частотам колебаний систем электрод-электродо-держатель. Поэтому использование быстродействующих регуляторов приводит к существенному повышению нестабильности электрического режима печи. Обоснована необходимость настройки параметров САР путем увеличения зоны нечувствительности во избежание совпадения с собственными частотами колебаний электрододержателя, которые находятся в диапазоне 2−6 Гц.

Подтверждена целесообразность настройки регулятора мощности ДСП в диапазоне частот ниже 1 Гц, обусловленную необходимостью устранения экстремальных рабочих режимов. При этом работа регулятора может вызывать резонансные явления при колебаниях гибкого токоподвода, однако это не приводит к невозможности эксплуатации печи в связи с неопределяющим влиянием динамики кабелей на электрические режимы ДСП, что подтверждается на практике.

4. Разработана математическая модель электромеханических колебаний кабельных гирлянд, основанная на новом представлении о причинах и механизме их возникновения, взаимосвязи с колебаниями электрических параметров в ДСП. Предложенная модель представляет собой инструмент для исследования влияния электродинамики на поведение электромеханической системы как действующих, так и проектируемых ДСП, С помощью модели исследовано влияние электрических режимов на уровень электромеханических колебаний кабельных гирлянд различной пространственной конфигурации, а также механических характеристик кабелей на интенсивность колебаний.

5. Установлено, что увеличение суммарной жесткости кабельных гирлянд при использовании клиц обуславливает резкое усиление электромеханических колебаний, что способствует быстрому истиранию рукавов и выходу кабелей из строя. Для предотвращения быстрого износа кабелей рекомендовано использовать резиновые бандажи, защищающие рукава кабелей от ударов и трения.

Предложено использовать четыре параллельных проводника на фазу печи. Применение шести и более кабелей на фазу приводит к существенной неравномерности распределения тока между проводниками. Уменьшение числа кабелей в гирлянде должно осуществляться с учетом электродинамического поведения гибкого токоподвода и предусматривать специальные меры (изменение конструкции) по снижению жесткости кабелей.

6. Обоснована конструкция гибкого кабеля с резиновым сердечником, которая, благодаря снижению жесткости по сравнению с кабелями, имеющими пружинный сердечник, обеспечивает лучшие динамические свойства при колебаниях гирлянд.

7. Доказано, что экологически неблагоприятные явления (шум, пылега-зовые выбросы, фликкер) — это неотъемлемое свойство дуговых сталеплавильных печей. Первопричинами их возникновения служат процессы в мощной печной дуге и явления при плавлении шихты. В значительной степени интенсивность экологически неблагоприятных факторов определяется низкочастотными колебаниями электрического режима, а следовательно, автоколебаниями электромеханической системы ДСП. Об этом свидетельствует совпадение порядка частот этих процессов. Показано, что наряду с существенным повышением уровня шума большая опасность заключается в механическом повреждающем воздействии звуковых вибраций на органы человека вследствие резонанса.

Предложено характеризовать интенсивность экологических факторов величиной градиента потенциала дуги. Граница электромеханической неустойчивости ДСП может служить одновременно границей экологической совместимости электропечи.

Обоснован новый подход к решению экологических задач, основанный на понимании тесных взаимосвязей между физическими явлениями в плавильном пространстве печи, электрическими процессами, механическими характеристиками конструкции и экологически неблагоприятными явлениями ДСП. Предложены пути оптимизации негативных воздействий на людей и окружающую среду при работе ДСП через снижение колебаний электрического режима и электромеханической системы ДСП путем изменения механических параметров электрододержателя (увеличение жесткости стойки и повышение демпфирующих свойств) и кабелейустранения резонирующих частот первичных возмущений электрического режима за счет применения более мелкой шихтыиспользования подпружинивающих роликовнастройки параметров САР.

7. Режимы электромеханической неустойчивости при определенных параметрах ДСП определяются горизонтальными колебаниями торца электрода, при которых амплитуда изменений тока достигает номинального значения. Установлено, что электромеханические колебания кабельных гирлянд опредедяют изменения амплитуды токов печи, которая при максимальных значениях градиента потенциала дугового промежутка {3=18 103 В/м не превышает 85% от номинального значения тока, что подтверждает определяющий вклад автоколебаний электромеханической системы в повышение колебательности электрического режима.