Національний університет “Львівська політехніка”

Пачколін Юрій Ефтович

УДК 621.365.6

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО КОМПЛЕКСУ З ІНДУКЦІЙНО-ДУГОВИМ ПЕРЕТВОРЕННЯМ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ

05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Львів - 2007

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,
декан електротехнічного факультету
Запорізького національного технічного університету,

Офіційні опоненти: — доктор технічних наук, професор,
Радімов Сергій Миколайович
головний науковий співробітник кафедриенергетичного менеджменту
Одеського національного політехнічного
університету
—

кандидат технічних наук, доцент
Волянський Роман Сергійович
доцент кафедри електрообладнання
Дніпродзержинського державного технічного
університету

Провідна установа: — Інститут електродинаміки
Національної академії наук України (м. Київ), відділ стабілізації параметрів електромагнітної енергії

Захист відбудеться “23” березня 2007 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.02 в Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, ауд. 114 г.к.)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (м. Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий “16” лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Коруд В.І.

Загальна характеристика роботи

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.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний нап-рямок досліджень здійснено відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 29 листопада 2000 року №1754 “Про використання коштів державного бюджету, передбачених на фінансування заходів із конверсії підприємств оборонного комплексу й створення нових видів цивільної продукції” та науково-технічної програми “Електротехніка-2005: Розробка та виробництво електротехнічної продукції загально технічного призначення”, затвердженою Мінпромполітики України 21.10.2001, Закону України "Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки" Вісник Верховної Ради України 2001 р. № 48, ст. 253, Київ, 11.07.2001, № ; Комплексної програми "Наукові основи електроенергетики" Національної академії наук України; Державної науково-технічної програми "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології".

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 роз-витку 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 електро-динамічних 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.

Об'єктом дослідження є процеси перетворення електричної енергії в індукційно-дуговому електросталеплавильному комплексі.

Предметом дослідження є електромагнітні поля від індуктора та електричних дуг в порожнині електросталеплавильного комплексу.

Методи дослідження. Для створення математичної моделі електромагнітних процесів в порожнині електротехнічного комплексу використовувалися методи класичної теорії електродинаміки; методи теорії подібності; методи розв’язання систем диференціальних рівнянь другого порядку з нелінійними коефіцієнтами в межах граничних та початкових умов; числові методи математичного моделювання, а також експериментальне дослідження на діючих електросталеплавильних печах

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розвинуто теоретичні засади для дослідження електромагнітних полів, утворених сумісною дією індуктора та системи електричних дуг, що дало змогу визначити розподіл електромагнітних полів та електродинамічних сил у порожнині печі.

2. Вперше обґрунтована доцільність поєднання в одному електротехнічному комплексі індукційного та дугового способів перетворення електричної енергії в теплову, в результаті чого скорочується використання електричної енергії та підвищуються якісні показники електросталеплавлення.

3. Отримано, на основі математичної моделі, залежності розподілу електромагнітної індукції та густини струмів в шихті й розплаві, що дало змогу отримати розширені уявлення про векторні поля у перерізі поверхневого шару розплаву металу, що є базою для аналізу різнонаправлених рухів розплаву.

4. Отримано раціональні співвідношення потужностей індуктора та електричних дуг, за реалізації яких підвищується ефективність використання електричної енергії та продуктивності комплексу, що є основою для розроблення теоретичних аспектів оптимізації процесу перетворення електричної енергії в технологічне тепло в комплексі.

Практичне значення одержаних результатів

1. Створено та виконано промислове впровадження у експлуатацію електротехнічного комплексу, конструкція якого дає змогу реалізувати цілеспрямовану дію електромагнітних полів з метою підвищення показників використання електричної енергії. Цей комплекс поєднує переваги індукційного та дугового способів плавлення металу.

2. Запропонована математична модель для проведення електромагнітних досліджень дає змогу визначити електродинамічні сили, які виникають від сумісної дії індуктора та електричної дуги. Ці сили спричиняють інтенсивні рухи і в кінцевому результаті підвищують ефективність фізико-технічних процесів розплаву й поліпшують якість сталі та сплавів. На основі створеної математичної моделі є можливість досліджувати складні в’язкі рухи в розплаві та їх вплив на розподіл температурних полів (інтенсифікацію процесу плавлення).

3. Запропоновано алгоритми керування режимами роботи індуктора й трифазної системи електричних дуг, які дають змогу підвищити техніко-економічні показники плавлення сталі та сплавів в запропонованому електротехнічному комплексі, поліпшити якісні показники металу, а також ряд екологічних показників.

4. Розроблені конструктивні та електротехнологічні рішення використані при розробці проекту модернізації існуючої дугової сталеплавильної печі ДСП-1,5, що встановлена на ВАТ “Мотор Січ” (м. Запоріжжя) з метою її оснащення системою індукційно-дугового перетворення електричної енергії в теплову.

5. За результатами досліджень розроблені методичні вказівки для проведення лабораторно-практичних занять для студентів електротехнічних спеціальностей, які використовуються в курсовому та дипломному проектуванні у Запорізькому національному технічному університеті.

Особистий внесок автора. Результати дисертаційної роботи отримані автором особисто і полягають у наступному:— 

проведено аналітичний огляд вітчизняних і закордонних літературних джерел за темою дисертаційної роботи;— 

за допомогою розробленої математичної моделі запропонованого комплексу проведено теоретичне дослідження з метою визначення електромагнітних та електродинамічних параметрів процесу електросталеплавлення (електромагнітний потенціал, магнітна індукція, густина струму, електродинамічні сили);— 

здійснено аналіз та узагальнення результатів теоретичних досліджень для визначення на їх основі електротехнічних параметрів індукційно-дугового перетворення електричної енергії в електромагнітну та теплову.

У роботах, які опубліковані у співавторстві, особисто автору належать: [1] – ідея розташування електромагнітного індуктора в бічних стінках електротехнічного комплексу та виготовлення фізичної моделі; [2] – аналіз проблем енергозбереження сучасних електротехнічних систем, які використовуються у ВАТ „Мотор-Січ”; [3] – проведення математичного моделювання електромагнітних полів від індуктора та трифазної системи електричних дуг для виявлення розподілу електродинамічних сил в перерізі поверхневого шару розплаву металу та комплексно проаналізовані й узагальнені отримані результати досліджень; [4] – моделювання процесів енергоперетворення в електротехнічному комплексі на базі сумісної дії електромагнітного індуктора та електричної дуги; [5] – аналіз використання та розробка алгоритмів роботи електротехнічного комплексу з впровадженням цифрових систем в електричних схемах керування процесом нагріву; [6] – розробка математичної моделі роботи електротехнічного комплексу на базі індукційно-дугового перетворення електричної енергії в теплову; [7] – виявлення впливу режимів роботи електротехнічного комплексу на енергозбереження в металургійному виробництві; [8] – виявлення основних шляхів зниження споживання електричної енергії при експлуатації електротехнічних комплексів; [9] – моделювання електромагнітних процесів, які відбуваються в електротехнічному комплексі; [10] – виявлення факторів, які впливають на роботу систем оперативного аналізу; [11] – застосування оптико-електронних каналів в системах автоматизації керуванням металургійними процесами; [12] – аналіз результатів досліджень режимів електроплавлення під впливом сумісної дії системи "електрична дуга – електромагнітний індуктор".

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні теоретичні положення, результати та висновки доповідались автором, обговорювалися та отримали схвальний відгук на: Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”, м. Алушта, 2000 – 2002 роки; 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.; на засіданні кафедри "Електропривод та автоматизація промислових установок" Донецького національного технічного університету 21 лютого 2005 р.; на засіданні семінару НАН України „Моделі та методи комп’ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем” в Національному університеті „Львівська політехніка” 26 жовтня 2006 року.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових робіт, з них 6 статей у фахових наукових виданнях, 5 – у збірниках наукових праць. Отримано патент України на корисну модель.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел із 154 найменувань та 13 додатків на 24 сторінках. Обсяг дисертації — 172 сторінки, у тому числі 118 сторінок основної частини, 90 рисунків і 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, викладена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, дається загальна характеристика роботи.

У першому розділі проведено 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.

Другий розділ присвячено теоретичним дослідженням електродинамічних процесів електросталеплавлення, а саме взаємодії магнітного поля зі струмопровідною рідиною в порожнині печі за допомогою системи рівнянь (1)-(7).

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 (рис. 2), який створює змінне електромагнітне поле, має симетрію відносно осі печі, тому для опису електродинамічних процесів достатньо задати одну j-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. ), 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) ) 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 (рис ).

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.

В третьому розділі проведено дослідження розподілу електромагнітних полів в порожнині електротехнічного комплексу від електромагнітного індуктора та електричних дуг.

Для проведення досліджень електро-магнітного поля, створеного індуктором, і визначення основних складових електродинамічних сил магнітного поля зі струмопровідною рідиною використовуємо симетричну модель відносно осі z. Розрахункова область для вирішення електромагнітної задачі показана на рис. і складається з наступних підобластей: W1 – розплав металу; W2 – секції індуктора, виконані з водоохолоджувальної мідної труби прямокутного перерізу; W3 – шихтований магнітопровід з електротехнічної сталі; W4 – керамічне неструмопровідне футерування; W5 – неструмопровідна подина; W6 – повітря.

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). В результаті отримано розподілення радіальної (рис. ) та осьової (рис. ) складових електродинамічних сил.

На всіх рисунках розподілень електродинамічних сил радіус порожнини печі позначено символом R в абсолютних величинах.

З рис. 6 та рис. 7 видно, що в радіальному напрямку сили більше ніж у осьовому. При цьому електродинамічні сили діють тільки на невеликій відстані від індуктора, що дає уяву про закономірності цілеспрямованого впливу електромагнітного поля на розплавлений метал в порожнині електросталеплавильної печі.

Результати дослідження розподілу електродинамічних сил в радіальному напрямку біля футерування (рис. ) 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 (рис. ).

Для визначення основних складових електромагнітних сил від взаємодії електричної дуги ідеалізованої трифазної системи з розплавом металу використовуємо модель, розрахункова область якої для вирішення електромагнітної задачі показана на рис. 11 і складається з наступних підобластей: W1 – розплав металу; W2 – електрична дуга між електродом та струмопровідною рідиною; W3 – “колодязь”, утворений електродинамічними силами; W4 – керамічне не струмопровідне футерування; W5 – індуктор; W6 – шихтований магнітопровід з електротехнічної сталі; W7 – повітря. Початковими параметрами вибрано симетричну мережу живлення з симетричними миттєвими струмами в фазах електричних дуг в комплексній формі: фаза А – 3629 А; фаза В – (-1814,5-3142j) А; фаза С– (-1814,5+3142j) А.

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 (рис. ) та азимутальної (рис. ) 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 ), 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. ).

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.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню запропонованого електротехнічного комплексу в різних режимах роботи, а також здійснено 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. Приведена на рис. 16 мікроструктура сталі показує, що найкраща структура сталі отримана в запропонованому індукційно-дуговому режимі.

У п’ятому розділі наведені рекомендації щодо створення запропонованого електротехнічного комплексу з урахуванням особливих умов експлуатації та алгоритмів роботи (рис. 17). 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

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.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМАТИКОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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. — № ; 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. – 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.

7. Труфанов И.Д., Пачколин Ю.Э., Бондаренко А.А. Системотехнические проблемы энергосбережения современных электротехнологических систем управления электросталеплавлением. Х.: Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государственного политехнического университета, Выпуск 12, том 2, 2002. - С. 507 – 511.

8. 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. 29 травня 2003 р. /Ред. кол. Внуков Ю.М. (відп. ред.) та ін. - Запорожжя: ЗНТУ, 2003. - С. 73 – 85.

9. Труфанов И.Д., Андрияс И.А., Пачколин Ю.Э., Богданова Л.Ф. Стохастическое моделирование процессов энергопреобразования дугового сталеплавильного комплекса с комбинированным энергетическим агрегатом. Луганск: Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, № 6 (76), 2004. - С. 158 – 162.

10. 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. // Материалы научно-технической конференции "Волоконная оптика в системах связи, промышленной автоматики и медицине" /Под ред. к.т.н., доцента Щекотихина О.В. - Запорожье: ЗНТУ, 2002. - С. 78 – 82.

11. Труфанов И.Д., Метельский В.П., Богданова Л.Ф., Пачколин Ю.Е. Динамика оптико-электронных каналов интерфейса электрометаллургических систем автоматизации. Матеріали науково-технічної конференції 22 – 26 жовтня 2002 р., м. Запоріжжя, ЗНТУ. – 2003. С. 78 – 82.

12. Труфанов И.Д., Пачколин Ю.Э., Бондаренко А.А. Стохастическая оптимизация процессов энергосбережения в электросталеплавлении. Кременчуг: Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета, Выпуск 1/2001 (10), 2001. – С. – 166.

13. Пачколін Ю.Е., Метельський В.П. Дослідження впливу сумісної дії електромагнітних полів, створених індуктором та електричною дугою, на процес електросталеплавлення. // Електромашинобудування та електрообладнання. Одеський національний політехнічний університет. – К.: Техніка, 2006. – С. 37 – 41.

АНОТАЦІЯ

Пачколін Ю.Е. Розробка та дослідження електросталеплавильного комплексу з індукційно-дуговим перетворенням електроенергії. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 — Електротехнічні комплекси та системи. — Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2007.

Дисертаційну роботу присвячено теоретичним дослідженням цілеспрямованого впливу електромагнітних полів на розплав металу та промислово-експериментальним випробуванням процесів енергоперетворення, які відбуваються в електротехнічному комплексі з індукційно-дуговим перетворенням електричної енергії в теплову. При проведенні теоретичних досліджень визначені рівняння складових електродинамічних сил, що виникають в розплаві металу від дії електромагнітного поля та визначені передумови для проведення подальших досліджень гідродинамічних явищ в розплаві металу з метою удосконалення існуючих металургійних процесів. Досліджено розподіл основних складових електромагнітних сил в розплавленому металі у порожнині електротехнічного комплексу в різних режимах роботи. При окремому індукційному режимі концентрація складових величин електромагнітного поля має місце біля електромагнітного індуктору. Водночас виявлено, що зміна частоти струму, що живить індуктор дає змогу змінювати глибину проникнення електромагнітного поля в розплав у результаті чого отримана можливість керувати інтенсивністю процесів, що відбуваються в порожнині комплексу. Електродинамічні сили в дуговому режимі виникають у безпосередньому наближені до електричної дуги, що пояснює появу “колодязю” та діють тільки в поверхневому шарі розплаву металу. При сумісному режимі роботи встановлено, що при живленні індуктора від мережі на промисловій частоті взаємодія електродинамічних сил на розплав металу незначна, але рухи, створені цими силами створюють різнонаправлені течії в розплаві металу, що призводить до інтенсифікації процесу плавлення. При проведені експериментальних досліджень в умовах виробництва були підтверджені теоретичні розрахунки, які дають змогу зробити висновок, про доцільність використання запропонованого електротехнічного комплексу для виплавляння високоякісних металів. З урахуванням умов експлуатації електротехнічного комплексу визначені основні вимоги до конструктивних елементів. Приведені рекомендації щодо розрахунку й вибору тиристорного компенсатора реактивної потужності та іншого електроустаткування.

Ключові слова: електротехнічний комплекс, електрична дуга, електромагнітний індуктор, електродинамічна сила, тиристорний компенсатор реактивної потужності

АННОТАЦИЯ

Пачколин Ю.Э. Разработка и исследование электросталеплавильного комплекса с индукционно-дуговым преобразованием электроэнергии. —
Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы. — Национальный университет „Львивська политэхника”, Львов, 2007.

Диссертационная работа посвящена теоретическим исследованиям целенаправленного воздействия электромагнитный полей на расплавленный металл и промышленно-экспериментальным испытаниям процессов энергопреобразования, которые происходят в электротехническом комплексе с индукционно-дуговым преобразованием электрической энергии в тепловую. При проведении теоретических исследований получены уравнения составляющих электродинамических сил, которые возникают в расплаве металла от действия электромагнитного поля и определены предпосылки для проведения дальнейших исследований гидродинамических явлений в расплаве металла с целью усовершенствования существующих металлургических процессов. Исследовано распределение основных составляющих электромагнитных сил в расплавленном металле в полости электротехнического комплекса в разных режимах работы. При отдельном индукционном режиме концентрация составляющих величин электромагнитного поля имеет место возле электромагнитного индуктора. При этом максимальное значение сил наблюдается в середине расплава металла, что является одной из причин появления двухконтурной циркуляции. Сам факт электродинамической циркуляции металла, которая может быть весьма интенсивной, является достоинством индукционного режима работы. Циркуляция ускоряет расплавление, выравнивает температуру и химический состав расплава, способствует взаимодействию металла со шлаком. Однако в каждом из контуров металл циркулирует раздельно, слабо смешиваясь, и на поверхности ванны образуется выпуклый мениск. Электродинамические силы в дуговом режиме возникают в непосредственном приближении к электрической дуге, что объясняет появление "колодца" и действуют только в поверхностном пласте расплава металла, вызывая разнонаправленные течения. При совместном режиме работы установлено, что взаимодействие электродинамических сил на расплав металла незначительно при питании от сети на промышленной частоте, но движения, созданные этими силами создают развитые турбулентные течения в расплаве металла, которые приводят к интенсификации процесса плавления. При проведении экспериментальных исследований в условиях производства были подтверждены теоретические расчеты, которые дают возможность сделать вывод о целесообразности использования предложенного электротехнического комплекса для выплавки высококачественных металлов. В процессе эксперимента были проведены плавки метала с целью выявления достоинств и недостатков в работе предложенного комплекса. В результате получена высококачественная сталь марки 40ХНМЛ. Для определения качества полученной стали были проведены необходимые физические испытания и химические анализы в заводской лаборатории, которые подтвердили соответствие полученных образцов требованиям действующих стандартов. С учетом условий эксплуатации комплекса определены основные требования к конструктивным элементам. Приведены рекомендации относительно расчета и выбора тиристорного компенсатора реактивной мощности и другого электрооборудования. При выборе тиристорного компенсатора реактивной мощности учитывалось следующее: мощность конденсаторных батарей фильтров выбирается не только для поддержания нулевого перетока реактивной мощности на границе с энергосистемой, а и для ограничения уровня колебаний напряжения в сети в соответствии с “Правилами пользования электрической энергии”; учитывается скорость увеличений колебаний тока в сети при работе предложенного комплекса, для этого была использована быстродействующая комбинированная система автоматического регулирования с компенсацией возбуждения в разомкнутом контуре и внешнем контуре по коэффициенту мощности; использовано по-фазное регулирование для нейтрализации несиметрии напряжения, которая вызвана резкопеременной нагрузкой на каждую фазу; состав примененных фильтров соответствует спектральному составу гармоник, которые возникают при работе комплекса.

Ключевые слова: электротехнический комплекс, электрическая дуга, электромагнитный индуктор, электродинамическая сила, тиристорный компенсатор реактивной мощности.

ABSTRACT

Pachkolin J.E. Electrosteel-smelting complex with induction-arc transformation of the electric power are development and research. — Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - National university „Lviv