Міністерство освіти і науки України
ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Пачколін Юрій Ефтович
УДК 621.365.6
СПЕЦІАЛІЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОМПЛЕКС НА БАЗІ ІНДУКЦІЙНО-ДУГОВОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Запоріжжя – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Метельський Володимир Петрович,
Запорізький національний технічний університет,
декан електротехнічного факультету
Офіційні опоненти: — доктор технічних наук, професор
Марущак Ярослав Юрійович,
Національний університет "Львівська політехніка", професор кафедри електропривода та автоматизації промислових установок —
кандидат технічних наук, доцент
Зіновкін Володимир Васильович
Запорізький національний технічний університет, доцент кафедри електропривода та автоматизації промислових установок
Провідна установа: Донецький національний технічний університет, кафедра “Електропривода та автоматизації промислових установок”, Міністерства освіти і науки України
м. Донецьк.
Захист відбудеться “ 10 ” червня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К17.052.02 в Запорізькому національному технічному університеті (69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 226).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету (69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64).
Автореферат розісланий “ 28 ” квітня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Бондаренко В.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Електрометалургійний комплекс України на сьогодні є надзвичайно енергоємним, матеріалоємним та неефективним. Такий стан пояснюється орієнтацією в минулому на дешеві енергоносії та використання застарілих високозатратних електротехнологій, використання електрообладнання, яке виробило свій ресурс, й інженерних методик, які засновані на використанні напівемпіричних коефіцієнтів при оцінці умов експлуатації.
В умовах постійного підвищення цін на енергоносії та зростання конкуренції між світовими виробниками металу, найважливішими та найактуальнішими стають задачі розробки та впровадження нових високоефективних електротехнологічних комплексів, які забезпечують суттєве зниження витрат електричної енергії при одночасному підвищенні якості та покращенні екологічних показників виробництва.
Розв’язання зазначених задач потребує проведення подальших наукових досліджень режимів роботи електротехнологічних комплексів, розвитку теорії перетворення електричної енергії в теплову і методів пошуку електротехнологічних режимів плавлення та підвищення техніко-економічних показників.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Державної науково-технічної програми "Електрозбереження в електроенергетиці"; Закону України "Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки" Вісник Верховної Ради України 2001 р. № 48, ст. 253, Київ, 11.07.2001, № ; Постанови Кабінету Міністрів України від 24.12.2001 № 1716 "Про затвердження переліку Державних наукових і науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки на 2002–2006 рік"; Комплексної програми "Наукові основи електроенергетики" Національної академії наук України; Державної науково-технічної програми "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології", згідно з Постановою Кабінету Міністрів України від 07.02.96 р. № та Комплексної Державної програми енергозбереження України, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 05.02.97 р. за № 148 та розпорядженням голови Запорізької обласної державної адміністрації від 19.02.97 р. за № 1 "Про першочергові заходи щодо формування обласної програми енергозбереження та забезпечення її виконання"; Концепції "Обласної комплексної програми енергозбереження", затвердженої рішенням сесії обласної Ради народних депутатів від 30.06.95 р. № 1; Темплану Міністерства освіти України "Розробка нових методів управління складними динамічними системами і технологічними процесами", затвердженого 28.05.96 р.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії електротехнологічних режимів в частині розробки методів дослідження електромагнітних явищ при сумісній дії дугових та індукційних процесів та створення на їх основі високоефективних електротехнологічних комплексів для плавлення високоякісних металів та сплавів.
Основні задачі дослідження:—
аналітичний аналіз існуючих методів дослідження та розрахунку електротехнологічних режимів електроплавлення високоякісних металів і сплавів для визначення напрямів пошуку шляхів вирішення поставленої науково-технічної задачі;—
теоретичні дослідження електричних режимів електротехнічного й електротехнологічного обладнання з метою визначення характерних факторів, які сприяють підвищенню енергоефективності та екологічної безпеки електротехнологічних комплексів на основі дугових та індукційних явищ.—
розробка принципових основ та математичної моделі для дослідження електромагнітних явищ при одночасній дії дугових та індукційних процесів в рамках граничних просторових розмірів;—
розробка спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугових явищ в замкнутій порожнині;—
розробка методик та способів експериментальних досліджень електричних та електромагнітних характеристик макетного взірця спеціалізованого електротехнологічного комплексу з метою підтвердження теоретичних положень та підвищення ефективності використання електричної енергії;—
формування техніко-економічних показників спеціалізованого електротехнологічного комплексу та здійснення порівняльного аналізу.
Об'єктом дослідження є спеціалізований електротехнологічний комплекс з сумісним індукційно-дуговим способом електроплавлення металу.
Предметом дослідження є режими електроплавлення, електротехнологічні та електромагнітні процеси що відбуваються в спеціалізованому електротехнологічному комплексі під сумісним впливом і взаємодією електричної дуги з електромагнітним полем індуктора.
Методи дослідження:—
розв’язання рівнянь Максвелла з використанням Лапласіана та дивергенції векторного добутку напруженості електричного та магнітного полів у спеціалізованому електротехнологічному комплексі з наступним використанням теореми Остроградського – Стокса та обчисленням вектора Умова–Пойтінга;—
імітаційне моделювання електромагнітного поля, магнітного потоку та щільності струмів з метою визначення характеристик режимів електротехнологічних режимів електроплавлення при сумісній дії електромагнітного індуктора та електричної дуги;—
теорія диференціальних рівнянь другого порядку з нелінійними коефіцієнтами в межах нових граничних та початкових умов для отримання аналітичних залежностей параметрів електромагнітного поля та вектора Умова-Пойтінга.
Наукова новизна одержаних результатів
В дисертації отримала подальший розвиток теорія електричних режимів, електротехнологій та підвищення ефективності електротехнологічних комплексів що базується на принципово нових технічних рішеннях електроплавлення металу, яка полягає в наступному:—
запропоновано новий спосіб створення спеціалізованого електротехнологічного комплексу для плавлення металу, в якому використано сумісну дію індукційно-дугових електромагнітних явищ, що дозволяє значно покращити якість виплавленого металу і техніко-економічні та екологічні показники;—
вперше розроблені нові математичні моделі дослідження режимів та електро-магнітних явищ в електротехнологічному комплексі для електроплавлення металу, які реалі-зують автоматизоване керування режимами при сумісному індукційно-дуговому процесі, що забезпечує підвищення енергоефективності спеціалізованого електротехнологічного комплексу;—
отримані, раніше не відомі, алгоритми залежностей електротехнологічних режимів, електромагнітного поля та щільності вихрових струмів від сумісної взаємодії електричної дуги та електромагнітного поля індуктора, які дозволили вперше забезпечити більш ефективний електротехнологічний процес;—
вперше досліджені енергетичні, електромагнітні явища та техніко-економічні показники електротехнологічних режимів плавлення металу при сумісному індукційно-дуговому способі електроплавлення, використання якого дозволило суттєво підвищити техніко-економічні параметри;
Практичне значення одержаних результатів
Створено та впроваджено у виробництво спеціалізований електротехнологічний комплекс, що поєднує в собі електромагнітний індуктор, який розташований в бічних стінках, та електричну дугу, новизна технічних рішень якого підтверджена патентом (на корисну модель) “Сталеплавильний комплекс”, заявка №20041008595 від 21.10.2004 р.
Розроблена та впроваджена методика імітаційного моделювання розподілу щільності вихрових струмів, індукції та потоку при взаємодії індукційних та дугових процесів, яка використана при інженерних розрахунках спеціалізованих електротехнологічних комплексів з сумісним індукційно-дуговим перетворення електричної енергії в теплову.
Розроблена методика дослідження удосконалених фізичних моделей макетного взірця електротехнологічного комплексу в ідеалізованих лабораторних умовах та на промислових підприємствах, що дозволило більш точно визначити закономірність розподілення магнітного поля в порожнині комплексу.
Розроблені алгоритми керування режимами роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії з метою отримання покращених техніко-економічних та екологічних показників.
За результатами досліджень розроблені методичні вказівки для проведення лабораторно-практичних робіт з предмету "Електроустаткування підприємств і цивільних споруд" зі спеціальності 5.090609 "Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд" та рекомендовано до використання в курсовому та дипломному проектуванні за цією спеціальністю у Запорізькому електротехнічному коледжі Запорізького національного технічного університету.
Матеріали дисертаційної роботи використані при розробці проекту на модернізацію існуючої дугової сталеплавильної печі ДСП-1,5 на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії ВАТ “Мотор – Січ” (м. Запоріжжя) та рекомендовані для проведення інженерних розрахунків, які пов’язані з проектуванням електротехнологічного устаткування.
Особистий внесок автора. Автором виконано аналітичний огляд відомих електротехнологічних комплексів, їх режимів роботи та способів керування, запропоновано новий сумісний індукційно-дуговий спосіб електроплавлення металу та раціональні алгоритми для його здійснення, отримані нові залежності, які характеризують режим електроплавлення при запропонованому способі, а також розроблені відповідні йому математичні моделі, виконані теоретичні та експериментальні дослідження сумісного індукційно-дугового режиму електроплавлення, виконано порівняння техніко-економічних показників цього режиму електроплавлення з відомими.
У роботах, які опубліковані у співавторстві, особисто автору належать: [1] – аналіз проблем енергозбереження сучасних електротехнологічних систем, які використовуються у ВАТМотор-Січ; [2] – моделювання процесів енергоперетворення в спеціалізованому електротехнологічному комплексі на базі сумісної дії електромагнітного індуктора та електричної дуги; [3] – виявлення впливу режимів роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу на енергозбереження в металургійному виробництві; [4] – розробка математичної моделі роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії в теплову; [5] – аналіз використання та розробка алгоритмів роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу з впровадженням цифрових систем в електричних схемах керування процесом нагріву; [6] – пропозиція розташування електромагнітного індуктору в бічних стінках спеціалізованого електротехнологічного комплексу та виготовлення фізичної моделі; [7] – аналіз результатів досліджень режимів електроплавлення під впливом сумісної дії системи "електрична дуга – електромагнітний індуктор"; [8] – виявлення факторів, які впливають на роботу систем оперативного аналізу; [9] – виявлення основних шляхів зниження споживання електричної енергії при експлуатації електротехнологічних комплексів; [10] – моделювання електромагнітних процесів, які відбуваються в спеціалізованому електротехнічному комплексі; [11] – застосування оптико-електронних каналів в системах автоматизації керуванням металургійними процесами;.
Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні теоретичні положення, результати та висновки доповідались автором та обговорювалися на: Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”, м. Алушта, 2000 – 2002 рік; Міжнародній науково-практичній конференції "Современная техника и технологии энергосбережения на промышленных предприятиях", м. Запоріжжя, ВІТ, 2003 рік; Міжнародній науково-технічній конференції "Информационная техника и электромеханика", м. Луганськ, 2004; Міжнародній науково-технічній конференції "Електромеханічні системи автоматизації, методи моделювання та оптимізації", м. Кременчук, 2004 рік; міжкафедральному семінарі електротехнічного факультету Запорізького національного технічного університету, 21 грудня 2004 р.; науковому семінарі відділу електромеханічних систем Інституту електродинаміки Національної Академії Наук України, м. Київ, 25 січня 2005 р.; на засіданні кафедри "Електропривод та автоматизація промислових установок" Національного університету "Львівська політехніка" 9 лютого 2005 р. та на засіданні кафедри "Електропривод та автоматизація промислових установок" Донецького національного технічного університету 21 лютого 2005 р.
Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових робіт, з них 5 статей у фахових наукових виданнях, 5 – у збірниках наукових праць.
Структура та обсяг роботи. Повний обсяг дисертації становить 201 сторінку друкованого тексту, до складу якого входять: 178 сторінок основної частини, що містить вступ, п’ять розділів, висновки по роботі та список використаних джерел; і 14 додатків. Список використаних джерел містить 119 найменувань та займає 10 сторінок. В дисертації 20 рисунків та 1 таблиця, які займають 13 сторінок основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, яка полягає у необхідності удосконалення електротехнологічного плавильного комплексу з метою приведення його техніко-економічних характеристик до сучасніших вимог щодо енергозбереження, якості металу або сплаву та екологічної чистоти його виробництва. Показано її зв'язок з науковими програмами та темами, сформульовані мета і головні наукові та практичні задачі дослідження, викладені наукові положення, що захищаються, показані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, а також показано рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.
У першому розділі з використанням літературних джерел проведено аналіз існуючих досліджень та методів розрахунків в області індукційних та дугових процесів енергоперетворення. Вирішенням цих питань займалися вчені: Тельний С.І., Морозенський Л.І., Окороков М.В., Шидловський А.К., Борисов Б.П. та інші. В результаті чого були виявлені існуючі основні положення щодо принципів дії дугових та індукційних плавильних печей. Також був проведений аналіз існуючих схем і способів електроплавлення з метою виявлення переваг і недоліків для визначення технічних рішень щодо покращення ефективності енерговикористання.
Виконано техніко-економічний аналіз найбільш поширених у ливарних цехах машинобудівних заводів електроплавильних агрегатів, встановлено недоліки та виявлені можливості їх удосконалення з метою зменшення енергоспоживання з покращенням якості готової продукції при умові поліпшення екологічності виробництва.
На підставі аналізу проведених досліджень в електротехнологіях виявлено взаємозв’язок основних електротехнічних параметрів, які підлягають розробці та впровадженню у виробництво нових спеціалізованих електротехнологічних комплексів на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії в теплову.
Отримані результати показали, що існуюча велика енергозатратність і недостатньо висока якість готової продукції, а також не здатність до впровадження сучасних енергозберігаючих технологій та покращання якості виплавляння металу, існуючого устаткування, сьогодні не задовольняє а ні виробників, а ні споживачів металу.
Для заощадження енергоносіїв і отримання високоякісних конкурентоспроможних металевих виробів виникла негайна потреба створення нового високоефективного та екологічно безпечного електротехнологічного устаткування.
На підставі висновків були сформульовані мета, задачі та обраний напрямок досліджень.
У другому розділі розглянуті вплив електромагнітного поля, створеного індуктором, який розташовано в бічних стінках спеціалізованого електротехнологічного комплексу на режими електроплавлення, електромагнітні явища на визначення вектор Умова-Пойтінга.
Електромагнітні процеси в спеціалізованому електротехнологічному комплексі досліджувалися відомими методами, зокрема розв’язання рівнянь Максвела для напруженості електричного та магнітного полів з наступним використання теореми Остроградського-Стокса та обчисленням вектора Умова-Пойтинга. Отримано аналітичні співвідношення складових векторного потенціалу магнітного поля.
При розрахунках поля у точках, віддалених від обмотки у радіальному напрямку, враховувалася циліндричність конструкції. Оскільки окремі складові векторного потенціалу при використанні циліндричної системи координат взаємопов’язаними між собою, то використовувався скалярний магнітний потенціал. У цьому випадку для цих координат, що віддалені від струмових частин обмоток, елементарні провідники були представлені у вигляді нескінченно тонких.
Визначені початкові та граничні умови для розрахунку параметрів магнітного поля в повітряному простору.
Викладені теоретичні передумови для створення математичних моделей та алгоритмів ефективної роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії.
У третьому розділі розроблена математична модель дослідження електромагнітних явищ запропонованого спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії. Розв'язані задачі оптимізації енергетичної рівномірності розподілення теплоенергетичного потоку в робочому просторі дугової плавильної печі з індукційним джерелом та крайові задачі для рівнянь Максвела. Еквівалентне електромагнітне поле плавильного агрегату умовно розподіляється на повздовжню та поперечну складові та розв'язуються за методом розділення змінних. Застосовано вторинну декомпозицію, що є методом мінімальних автономних блоків. Побудовано дескриптори фізичних автономних блоків.
Для визначення еквівалентного електромагнітного поля запропонованого спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії розглядаються поля від електродів та індукційної обмотки. Необхідно розглядати автономно кожну регулярну складову (подовжню і поперечну) методом поділу змінних. При такому представленні від загальної системи диференціальних рівнянь "відокремлюється" (приймається до розгляду) диференціальне рівняння вигляду
(1)
де L – індуктивність системи;
Гн – контурне значення напруженості поля для елементарного контуру.
У цьому випадку електромагнітне поле довільного контуру буде представляти електромагнітне поле (тимчасова складова ) у вигляді накладення рішень з довільними подовжніми залежностями виду відкіля будемо мати
(2)
(символ – позначення поперечних координат: – x,y,z – подовжня координата [H], [Е] – матриці електричного та магнітного поля), при цьому
(3)
де – коефіцієнт однорідних підобластей, які описуються рівнянням
(4)
Використовуючи теоретичні дослідження та отримані аналітичні залежності електромагнітних параметрів у порожнині спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії, проводилося моделювання на електронно-обчислювальних машинах за допомогою комп'ютерних програм у відповідності до розроблених алгоритмів. Програми для проведення дослідження були складені на основі алгоритмів, які приведені у вигляді блок-схем для індукційної (рис. 1.а) та дугової печі (рис. 1.б). Ці алгоритми враховують початкові та граничні умови, схему та параметри електромагнітного індуктора або електричної дуги, області та параметри їх середовища, матеріалів та їх властивостей, методи моделювання та виведення результатів.
а)б)
Рис. 1. Блок схема алгоритму дослідження роботи комплексів на базі індукційних (а) та дугових (б) процесів.
Результати розподілення магнітної індукції наведені на рис. 4 та рис. 5. Графічні залежності на рис. 2 та рис. 3, рис. 6 та рис. 7, на яких: 1 – абсолютне значення, 2 – дійсна частина, 3 – уявна частина.
Рис. 2. Розподілення магнітного струму Рис. 3. Розподілення щільності струму
в порожнині індукційної печі (в горизон- в порожнині індукційної печі (в горизон-
тальному перерізі посередині висоти печі). тальному перерізі посередині висоти печі).
Рис. 4. Розподілення магнітної індукції в порожнині індукційної печі:
1 – магнітний шунт;
2 – індуктор;
3 – порожнина індуктора.
Рис. 5. Розподілення магнітної індукції в порожнині дугової печі
1 – магнітний шунт;
2 – індуктор;
3 – порожнина індуктора;
А, В, С – фази електричної дуги.
Рис. 6. Розподілення магнітного потоку в Рис. 7. Розподілення щільності струму в
горизонтальному перерізі дугової печі на горизонтальному перерізі дугової печі на
поверхні металу (нормальний режим роботи) поверхні металу (нормальний режим роботи)
Рис. 8. Просторовий розподіл індукції магнітного поля в порожнині спеціалізованого електротехнологічного комплексу в повітряному зазорі у симетричному режимі роботи:
1 – модульна величина магнітної індукції від дії електричної дуги;
2 – модульна величина магнітної індукції від дії електромагнітного індуктора;
3 – модульна величина магнітної індукції від сумісної дії електричної дуги та електромагнітного індуктора.
У четвертому розділі розглянуті питання розробки електричної схеми живлення електротехнологічного комплексу з відомим індукційно-дуговим режимом електроплавлення металу та раціональних алгоритмів його здійснення. Розроблена електрична схема живлення макетного взірця комплексу для проведення експериментальних досліджень.
Рис. 9. Просторовий розподіл індукції магнітного поля в порожнині спеціалізованого електротехнологічного комплексу в перерізі через електрод (фаза А) у симетричному режимі.
1 – модульна величина магнітної індукції від дії електричної дуги;
2 – модульна величина магнітної індукції від дії електромагнітного індуктора;
3 – модульна величина магнітної індукції від сумісної дії електричної дуги та електромагнітного індуктора.
У відповідності до розробленої методики та безпосереднього проведення експериментальних досліджень були розроблені раціональні алгоритми режимів роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу за допомогою створення електротехнічних еквівалентних навантажень.
На основі зазначених експериментальних досліджень, визначено доцільність використання сумісної дії електричної дуги та електромагнітного поля за алгоритмом роботи автоматичного регулятора, що керує роботою спеціалізованого електротехнологічного комплексу (рис. 10).
На основі запропонованих алгоритмів роботи автоматичного регулятора спеціалізованого електротехнологічного комплексу (рис. 11) розроблена електрична схема живлення (рис. 12) за допомогою якої були проведенні дослідження в реальних умовах виробництва. Вони показали, що індукційне плавлення з використанням електричного струму різної частоти більш економічне, технологічне, дозволяє впроваджувати енергозберігаючі технології, і має перспективу широкого застосування, але існує ряд проблем, що не дає можливості повністю відмовитися від використання дугових плавильних печей. Тому є всі підстави для використання на виробництві системи "електрична дуга – електромагнітне поле індуктора".
Рис. 10. Алгоритм роботи автоматичного регулятора, що керує роботою спеціалізованого електротехнологічного комплексу.
Визначений позитивний вплив електромагнітного поля індуктора, який розташований у бічних стінках дугової плавильної печі можна розділити на такі аспекти:
Покращення показників енергозбереження:
1)
Зниження споживання електроенергії запропонованим спеціалізованим електротехнологічним комплексом на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії у порівнянні з існуючими на виробництві складає на 10–13% за рахунок скорочення часу плавлення на 15 – 21 %.
2)
Скорочення теплових втрат з робочого простору не менш чим на 8 – 12 % за рахунок зменшення викидів газу, який утворюється під час роботи електричної дуги, що виносить з собою велику кількість теплової енергії з порожнини комплексу.
3)
Забезпечується збільшення градієнта швидкості розплавлення металу на 15 – 25 % за рахунок введення додаткової енергії індукційним способом (рис. 13-14).
4)
Концентрація значної кількості теплової енергії в невеликих ємностях, за рахунок сумісної дії електричної дуги та індуктору, дає можливість швидко досягати високих температур, які неможливо отримати при інших способах теплогенерації.
Покращення екологічних показників та умов праці:
1)
Скорочення викидів пилу за рахунок уловлювання електропровідних компонентів електромагнітним полем індуктора.
2)
Зниження рівня виробничого шуму спеціалізованого електротехнологічного комплексу на 1 – 2 % за рахунок скорочення часу роботи електричної дуги, що сприяє поліпшенню захисту персоналу плавильного цеху від шуму.
3)
Зменшення димових газів завдяки відмовленню від використання газокисневих або факельних киснево-паливних пальників для попереднього нагріву шихти.
4)
Зменшення частки викидів оксиду і діоксиду вуглецю на 7 – 12 % в період рафінування досягається використанням у цей період плавлення лише теплової енергії індуктора.
Покращення техніко-економічних показників:
1)
Зменшення зношення графітних електродів на 3 – 5 % за рахунок рівномірного розподілення електричної дуги під дією електромагнітного поля індуктора.
2)
Збільшення терміну служби футерування за рахунок застосування водоохолоджувального індуктора, який вбудований у бічні стінки дугової печі на 24
3)
Підвищення загальної продуктивності роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу за рахунок скорочення часу на окремих фазах технологічного процесу (приблизно на 11-16 %).
Покращення процесу плавлення та якості металу:
1)
Досягнуто більш рівномірне температурне поле в різних частинах порожнини комплексу за рахунок сумісної дії горіння дуги та електромагнітного поля індуктора.
2)
Збільшення швидкості розплавлення периферійних шарів металошихти на
20 – 30 % за рахунок дії електромагнітного поля індуктора.
3)
Використання спеціалізованого електротехнологічного комплексу дозволяє враховувати індивідуальні особливості кожного плавлення та підвищувати ефективність автоматизованого керування електротехнологічним режимом плавлення.
4)
Зменшення "забруднення" металу оксидами вуглецю при вигорянні електродів (приблизно на 9 %) дозволяє отримати бажану чистоту хімічного складу металу або сплаву за рахунок виключення надмірного бурного кипіння металу в період рафінування завдяки використанню в цей період лише теплової енергії індуктора.
5)
Повне розчинення спеціальних домішок до металу або сплаву за рахунок обер-тових електродинамічних зусиль створених магнітним полем індуктора, які забезпечують постій-ний інтенсивний рух металу, що дає необхідну однорідність мікроструктури готових виробів.
6)
Сприяння кращому відокремленню шлаку від металу за рахунок дії електромагнітного поля індуктора, який працює на зниженій частоті.
У п’ятому розділі проведено аналіз режимів роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу та визначені особливості конструкційних елементів. Розроблено алгоритм роботи запропонованого спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії, який здійснюється за блок схемою, яка наведена на рис. 5
З метою підтвердження доцільності використання на виробництві запропонованого спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії в складено енергетичний баланс використовуючи вихідні дані реально працюючих на ВАТ “Мотор Січ” індукційних та дугових печей відповідної ємності.
Виконано аналіз питомих витрат енергоносіїв та електричної енергії в магнітних шунтах. Визначені характерні особливості відповідно до конструктивних елементів спеціалізованого електротехнологічного комплексу.
Рис. 15. Алгоритми режимів роботи спеціалізованого електротехнологічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії.
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі отримали розвиток теорій та практика створення електротехнологічних комплексів плавлення металу.
1. Проведено аналіз відомих методів дослідження та розрахунку електричних режимів електроплавлення високоякісних металів та сплавів, існуючих електротехнологічних комплексів, що дозволило сформувати раціональні напрямки дослідження та розрахунку (векторного поля, імітаційного моделювання, рішення нелінійних диференційних рівнянь з граничними умовами) та визначити напрямки удосконалення електротехнологій в частині зниження енерговитрат, збільшення продуктивності та підвищення екологічних показників.
2. Виконані дослідження режимів роботи існуючих електротехнологічних комплексів, на базі яких запропоновано сумісний індукційно-дуговий спосіб електроплавлення металу, що дозволяє підвищити енергоефективність, продуктивність, якість виплавленого металу та екологічні умови виробництва.
3. Отримані нові аналітичні та графічні залежності, які характеризують якісно та кількісно сумісний індукційно-дуговий режим електроплавлення металу, на базі який розроблені математичні моделі, що дозволяють здійснити дослідження зазначеного режиму електроплавлення.
4. Створено дослідний зразок електротехнологічного комплексу сталеплавильної печі ДСП 1.5 на ВАТ “Мотор-Сич” (м. Запоріжжя) з сумісним індукційно-дуговим режимом електроплавлення металу, в основі розробки якого покладені отримані автором результати досліджень режиму електроплавлення та запропоновані ним раціональні алгоритми керування цим режимом.
5. На лабораторному та дослідному зразках електротехнологічного комплексу з сумісним індукційно-дуговим режимом електроплавлення досліджено електромагнітні явища, техніко-економічні та екологічні показники плавлення металу. Встановлено, що при запропонованому режимі електроплавлення (у порівнянні з існуючими електротехнологічними комплексами аналогічного призначення): знижується енергоспоживання на 10-13%, одночасно збільшується продуктивність комплексу на 14 %, а також — покращується якість виплавленого металу та значно покращуються екологічні умови його виробництва.
6. Підтверджена достовірність отриманих теоретичних результатів роботи експериментальними дослідженнями на лабораторному та дослідному зразках електротехнологічних комплексів з сумісним індукційно-дуговим способом електроплавлення (розходження теоретичних та експериментальних результатів не перевищує 5-7 %).
7. Основні результати дисертаційної роботи використовувалися при проектуванні та отримали впровадження в дослідному зразку електротехнологічного комплексу ДСП-1.5 з сумісним індукційно-дуговим способом електроплавлення металу, використовуються в навчальному процесі при підготовці молодших спеціалістів у Запорізькому електротехнічному коледжі та спеціалістів в Запорізькому національному технічному університеті, рекомендуються до використання проектувальному та обслуговуючому персоналу електротехнологічних комплексів.
Основні наукові положення та результати дисертації відображені в наступних роботах:
1
Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э., Галько С.В. Методология экспертного управления электросталеплавлением на основе интегрального критерия энергосбережения // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. — Харьков: ХДПУ — 2000. — Випуск . — С. 304 – 310.
2
Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Бондаренко В.И., Мохамад С. Рихан, Пачколин Ю.Э. Теоретические аспекты моделирования и проектирования экспертных энергосберегающих систем управления электросталеплавлением // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. — Харьков: НТУ “ХПІ” — 2001. — Выпуск 10— С. 346 – 349.
3
Труфанов И.Д., Пачколин Ю.Э., Бондаренко А.А. Системотехнические проблемы энергосбережения современных электротехнологических систем управления электросталеплавлением // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. — Харьков: НТУ “ХПІ” — 2002. — Т. 2, Выпуск 12. — С. 507 – 511.
4
Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э. Математическое моделирование энергетического поля сталеплавильного агрегата с комбинированным электротехническим комплексом. // Электротехника и электроэнергетика. — 2003. — № 1. — С. 66 – 71.
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: Наукові праці КДПУ. — № 3/2004 (26). — С. 42 – 45.
6
Патент на корисну модель “Сталеплавильний комплекс” (Заявка № від 21.10.04р., висновок про видачу деклараційного патенту 28.02.05р.), МПК 7С21С5/00 / Ю.Е. Пачколин, І.Д. Труфанов, О.С. Левада, Ю.Л. Гура, О.О Бондаренко, І.А. Андріяс, В.В. Луньов, Ю.П. Петруша, В.П. Метельський.
7
Труфанов И.Д., Пачколин Ю.Э., Бондаренко А.А. Стохастическая оптимизация процессов энергосбережения в электросталеплавлении // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета. — 2001. — Выпуск 1/2001(10). — С. 163 – 166.
8
Труфанов И.Д., Метельский В.П., Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э., Крисан Ю.А., Горбачёв Э.В. Системотехника синтеза оптико-электронных систем оперативного анализа магнитных характеристик электрооборудования электрометаллургии. // Волоконная оптика в системах связи, промышленной автоматики и медицине — Запорожье: ЗНТУ — 2002. – С. 78-82.
9
Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Метельский В.П., Молчанов А.М., Пачколин Ю.Э. Пути снижения потребления электроэнергии в металлургическом производстве. // Інноваційна модель соціально-економічного розвитку Запорізького регіону. Збірник наукових праць першої науково-практичної конференції — Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. - С. 73 – 85.
10
Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э., Богданова Л.Ф. Стохастическое моделирование процессов энергопреобразования дугового сталеплавильного комплекса с комбинированным энергетическим агрегатом // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. — 2004. — № 6 (76). — С. 158 – 162.
11
Труфанов И.Д., Метельский В.П., Богданова Л.Ф., Пачколин Ю.Е. Динамика оптико-электронных каналов интерфейса электрометаллургических систем автоматизации // Сучасний стан та перспективи використання ВОЛЗ. Первинні мережі як транспортна основа телекомунікаційної інфраструктури України — Запоріжжя: ЗНТУ — 2003. — С. 78 – 82.
Анотація
Пачколін Ю.Е. Спеціалізований електротехнологічний комплекс на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії: - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – "Електротехнічні комплекси та системи". Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Запоріжжя, 2005.
В дисертаційній роботі отримали розвиток теорія та практика створення електротехнологічних комплексів плавлення металу. Проведено аналіз відомих методів дослідження та розрахунку режимів електроплавлення високоякісних металів та сплавів, режимів роботи існуючих електротехнологічних комплексів, що дозволило вибрати раціональні методи дослідження та розрахунку та визначити перспективні направлення удосконалення електротехнологічних комплексів: енерговитрати, продуктивності та екологія.
Виконані дослідження режимів роботи існуючих електротехнологічних комплексів, на базі яких запропоновано сумісний індукційно-дуговий спосіб електроплавлення металу.
Отримані нові аналітичні та графічні залежності, які характеризують якісно та кількісно сумісний індукційно-дуговий режим електроплавлення металу, на базі яких розроблені математичні моделі.
Створено дослідний зразок електротехнологічного комплексу сталеплавильної печі ДСП 1.5 на ВАТ “Мотор-Сич” (м. Запоріжжя) з сумісним індукційно-дуговим режимом електроплавлення металу.
На лабораторному та дослідному зразках електротехнологічного комплексу з сумісним індукційно-дуговим режимом електроплавлення досліджено техніко-економічні та екологічні показники плавлення металу. Встановлено, що при запропонованому режимі електроплавлення (у порівнянні з існуючими електротехнологічними комплексами аналогічного призначення): знижується енергоспоживання на 20-25% та одночасно збільшується продуктивність комплексу на 25 %, а також — покращується якість виплавленого металу та значно покращуються екологічні умови його виробництва.
Підтверджена достовірність отриманих теоретичних результатів роботи експериментальними дослідженнями (розходження теоретичних та експериментальних результатів не перевищує 5-7 %).
Ключові слова: СПЕЦІАЛІЗОВАНИЙ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОМПЛЕКС, ЕЛЕКТРИЧНА ДУГА, ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ ІНДУКТОР, ТРАНСФОРМАТОР, АЛГОРИТМ КЕРУВАННЯ.
Аннотация
Пачколин Ю.Э. Специализированный электротехнологический комплекс на базе индукционно-дугового преобразования электрической энергии: - Рукопись.
Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – "Электротехнические комплексы и системы". Запорожский национальный технический университет Министерства образования и науки Украины, Запорожье, .
В диссертационной работе проведен анализ известных исследовательский приемов и расчета режимов электроплавления высококачественных металлов и сплавов, режимов работы существующих электротехнологических комплексов, который разрешил выбрать рациональные исследовательские приемы и расчеты (векторного поля, имитационного моделирования, решение нелинейных дифференциальных уравнений с граничными условиями) и определить перспективные направления усовершенствования электротехнологических комплексов электроплавления металла в части снижения энергозатрат, увеличение производительности и повышение экологических условий производства металла.
Выполнены исследования режимов работы существующих электротехнологических комплексов, на базе которых предложено совместный индукционно-дуговой способ электроплавления металла, который позволяет для электротехнологического комплекса повысить энергоэффективность, производительность, качество выплавленного металла и экологические условия производства.
Получены новые аналитические и графические зависимости, которые характеризуют качественно та количественно совместный индукционно-дуговой режим электроплавления металла, на базе которого разработаны математические модели, которые разрешают осуществить исследование указанного режима электроплавления.
Создан опытный образец электротехнологического комплекса сталеплавильной печи ДСП .5 в ОАО “Мотор-Сич” (г. Запорожье) с совместным индукционно-дуговым режимом электроплавления металла, в основе разработки которого положены полученные автором результаты исследований режима электроплавления и предложены им рациональные алгоритмы управления этим режимом.
На лабораторном и опытном образцах электротехнологического комплекса с совместным индукционно-дуговым режимом электроплавления исследовано технико-экономические та экологические показатели плавления металла. Установлено, что при предложенном режиме электроплавления (по сравнению с существующими электротехнологическими комплексами аналогичного назначения): снижается энергопотребление на 20-25% и одновременно увеличивается производительность комплекса на 25 %, а также — улучшается качество выплавленного металла и значительно улучшаются экологические условия его производства.
Подтвержденная достоверность полученных теоретических результатов работы экспериментальными исследованиями на лабораторном и исследовательском образцах электротехнологических комплексов с совместным индукционно-дуговым способом электроплавления (расхождение теоретических та экспериментальных результатов не превышает 5-7 %).
Основные результаты диссертационной работы использовались при проектировании и получили внедрение в опытном образце электротехнологического комплекса ДСП-1.5 с совместным индукционно-дуговым способом электроплавления металла, используются в учебном процессе при подготовке младших специалистов в Запорожском электротехническом колледже и специалистов в Запорожском национальном техническом университете, рекомендуются к использованию проектировщикам и эксплуатационникам электротехнологических комплексов.
Ключевые слова: СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИНДУКТОР, ТРАНСФОРМАТОР, АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ
The summary
Pachkolin J.E. An electrotechnological steel-smelting complex on the basis of induction-arc transformation of electric energy: - the Manuscript.
The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.09.03 "Electrotechnical complexes and systems". The Zaporozhye national technical university of the Ministry of Education and a science of Ukraine, Zaporozhye, 2005.
In the dissertation the new approach to the decision of problems of power transformation is offered, proved and realized on the basis of use of joint action of an electric arc and an electromagnetic field of inductor with the purpose of reception of high-quality production and increase of power efficiency.
In work the analysis of existing methods of researches and accounts of electromagnetic processes is given with the purpose of search of the most effective scientific and technical decisions in technologies of electrofusion of high-quality metals and alloys, and also research modes of operation of the existing electrotechnical equipment.
The developed mathematical models of the specialized electrotechnological complex and technique of modelling of electromagnetic processes in working space of a complex with inductor-arc process transformation of electric energy in thermal.
The offered optimum algorithms of work of an automatic regulator and modes of operation of a complex, for improvement of quality of made production due to a uniform distribution of impurity, and also to alignment of temperature of all melt due to action of an electromagnetic field of inductor.
It is carried out comparisons of technical and economic parameters of work of the specialized electrotechnological complex with existing on manufacture and on its basis of a substantiation of expediency of use of joint action of an electric arc and an electromagnetic field of inductor.
The electrotechnological steel-smelting complex on the basis of inductor-arc transformation of electric energy allows to realize the most modern power keeping technologies steel fusion, considerably to raise quality and to expand assortment of finished goods that promotes increase of its competitiveness in the world market.
Key words: THE SPECIAL ELECTROTECHNOLOGICAL COMPLEX, ELECTRIC ARC, ELECTROMAGNETIC INDUCTOR, THE TRANSFORMER, ALGORITHM OF CONTROL.
