WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

«РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫМИ ПЕЧАМИ, СНИЖАЮЩИХ ПОЛОМКИ ЭЛЕКТРОДОВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

На правах рукописи

МАСЛОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ДУГОВЫМИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫМИ ПЕЧАМИ,

СНИЖАЮЩИХ ПОЛОМКИ ЭЛЕКТРОДОВ

Специальность 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рубцов В.П.

Москва, ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ,

МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ, СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Анализ конструкций и классификация дуговых сталеплавильных печей

1.2 Обзор методов снижения вероятности поломок электродов............... 1.3 Формулирование целей и задач диссертационной работы

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКОГО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДА С ШИХТОЙ

2.1 Анализ причин поломок электродов

2.2 Принцип построения механизма перемещения электрода

2.3 Разработка математического описания и исследование механической части РМ

2.4 Разработка математической модели удара электрода в шихту............ 2.5 Математическая модель системы «механизм перемещения – электрод – шихта»

2.6 Исследование процессов взаимодействия электрода с шихтой........... 2.7 Принцип построения регулятора мощности ДСП

2.8 Выводы по главе II

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ

ДСП

3.1 Разработка уточненной структурной схемы регулятора мощности ДСП

3.2 Исследование регулятора мощности ДСП на имитационной модели

3.3 Настойка и исследование уточненной математической модели регулятора мощности ДСП

3.4 Разработка и исследование усовершенствованного регулятора мощности ДСП, исключающего поломки электродов

3.5 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ

4.1 Разработка методики экспериментального исследования механизма удара

4.2 Результаты экспериментов и их обработка

4.3 Разработка методики экспериментального определения упругих свойств шихты

4.4 Определение зависимости коэффициента упругости шихты от ее насыпной плотности

4.5 Реализация системы и разработка алгоритмов управления............... 4.6 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПРИВЛЕКАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЕКТА ПО

РЕАЛИЗАЦИИ НОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В

ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Плавильные агрегаты, применяющие электрическую энергию в качестве средства для получения технологического тепла, имеют значительные теплотехнические, технологические, конструктивные и экологические преимущества [57]. Наибольшее распространение получили дуговые сталеплавильные печи прямого нагрева, в которых электрическая дуга горит между электродом и нагреваемым (плавящимся) металлом.

Большая мощность и высокая температура электрической дуги позволяют быстро нагревать и плавить шихту, при этом температура нагрева расплавленного металла может быть существенно выше, чем в других плавильных агрегатах. Дуговая электропечь имеет сравнительно небольшие размеры, дуга в печи горит в непосредственной близости от шихты, поэтому передача тепла шихте значительно облегчается и ускоряется.

мировой металлургии, и, как следствие, выплавка стали увеличивается ежегодно [9,26].

Все больше стран предпочитают использовать для получения стали электродуговой способ. Общемировые тенденции направлены на рост электросталеплавильного и кислородно-конвертерного способов производства стали.

На сегодняшний день доля производства стали в ДСП растет с каждым годом. По состоянию на 2011 год она составляла 28%. По прогнозам к она составит 37%, постепенно вытесняя с рынка мартеновский способ, в связи с его экологическими и энергетическими параметрами.

Совокупность роста потребностей в стали и увеличение роли электросталеплавильного производства приводит к необходимости создания новых дуговых электроустановок и модернизации уже существующих комплексов, а конкурентоспособный рынок требует постоянно улучшать характеристики создаваемых установок и повышать их производительность.

На протяжении всей истории создания и эксплуатации дуговых сталеплавильных печей ДСП усовершенствовалась их конструкция, система питания и претерпела значительные изменения система управления электроустановками. На сегодняшний день уже считаются отработанными конструктивные решения и системы питания ДСП. В связи со значительным расширением элементной базы и компьютерных технологий одним из основных методов повышения производительности электроустановок является разработка новых алгоритмов управления элементами, подводящими и регулируемыми мощность, вводимую в ванну печи – регулятором мощности ДСП.

В последнее время наиболее широкое применение получают дуговые сталеплавильные печи постоянного тока, лишенные многих недостатков печей переменного тока, таких как угар металла, обильные пылегазовыбрасы, отсутствие перемешивания расплава, большой угар графитированных электродов, интенсивный шум, резкопеременный характер нагрузок на системы электроснабжения, высокий расход электроэнергии и т.д. [53,58].

Поэтому в качестве объекта исследования целесообразно рассматривать дуговые печи постоянного тока ДППТ. Не смотря на существенные конструктивные и технологические различия между ДСП и ДППТ, разницы в незначительными изменениями могут быть использованы в ДСП.

На основании вышеизложенного задача поисков новых алгоритмов управления ДСП и создание регулятора мощности, исключающего поломки электродов, на сегодняшний день, является актуальной.

Цель диссертационной работы: разработка алгоритмов и систем управления дуговыми сталеплавильными печами, снижающих поломки электродов.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса плавки металла в дуговой печи, режимов работы электрооборудования и механизмов, уровня и тенденций развития систем управления и приводов перемещения электродов, конструктивных и компоновочных решений печей.

2. Выявление причин и последствий поломок электродов в ДСП.

3. Разработка моделей взаимодействия электрода и шихты.

4. Экспериментальное исследование свойств шихты.

5. Экспериментальное исследование механизма удара электрода в шихту.

6. Разработка математической модели регулятора мощности ДСП, учитывающей взаимодействие электрода и шихты.

7. Исследование влияния параметров привода и шихты на допустимую скорость перемещения электрода, не вызывающей его поломки.

8. Реализация алгоритмов и систем автоматического управления обеспечивающих снижение поломок электродов и экспериментальные исследования системы.

В первой главе проводится анализ состояния развития конструкций и механизмов перемещения электродов дуговых печей, систем управления и электропитания. Рассматриваются особенности технологического процесса плавки в ДП. Отмечается вклад отечественных и зарубежных исследователей в решение проблемы построения комплекса, включающего ДСП, источник питания и систему управления. Показана целесообразность проведения исследований по совершенствованию алгоритмов и систем управления дуговыми сталеплавильными печами (ДСП), снижающих вероятность поломки электродов в процессе плавки.

Вторая глава посвящена разработке моделей механической части экспериментальных данных, взаимодействия электрода с шихтой.

Разработанная математическая модель механизма перемещения электрода при соударении с шихтой позволяет исследовать механические процессы, протекающие в электроде при ударе. Кроме того, она является инвариантной относительно типа привода. Анализ полученных на ней характеристик показал необходимость учета механизма удара при построении регулятора мощности ДСП.

Третья глава посвящена разработке и исследованию регулятора мощности ДСП, учитывающего механические процессы, протекающие при ударе электрода с шихтой. Анализируются влияние различных факторов на механическую целостность электродов и предлагаются решения по предотвращению их поломок. Разрабатываемая система позволяет учитывать возникающий при касании электрода с шихтой во время зажигания дуги механический момент, действующий на привод в качестве дополнительной нагрузки. Кроме того, созданная система позволяет определять величину усилия, возникающего в электроде при ударе в шихту в зависимости от параметров привода и свойств используемой шихты.

В четвертой главе разрабатывается методика экспериментального исследования на действующих дуговых печах механической части регулятора мощности, механических процессов, происходящих во время удара электрода о шихту, и приводится экспериментальное определение упругих свойств шихты.

В пятой главе проводится экономический анализ разработанной системы для конечного потребителя. Приводится сравнение экономических параметров до и после внедрения усовершенствованного регулятора мощности и показывается экономическая привлекательность проекта.

Разработанная система была реализована и внедрена ООО «НПФ КОМТЕРМ» при проектировании дуговых печей ДП-0,05 и ДП-0,1МТ в рамках модернизации лабораторного комплекса Государственного научного комплекса РФ ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина».

ГЛАВА 1. Анализ состояния развития конструкций, механизмов перемещения электродов, систем электропитания и управления Анализ конструкций и классификация дуговых сталеплавильных 1. Конструктивно-технологические особенности дуговой электропечи делают ее чрезвычайно мобильным плавильным агрегатом, позволяющим использовать разнообразные графики работы. Благодаря этому дуговые печи машиностроительных заводов.

Дуговая печь имеет ряд экологических преимуществ по сравнению c другими плавильными агрегатами:

легче и дешевле осуществить улавливание и очистку печных газов в связи с их меньшим количеством и меньшими размерами печи в процессе электроплавки используется и подлежит утилизации или складированию в отвалах меньшее количество шлака.

C момента начала применения дуговых печей для выплавки стали довольно быстро оформились основные направления или основные области использования дуговых печей [26].

B производственной программе дуговых печей для выплавки стали, идущей на изготовление стального фасонного литья, преобладают углеродистые марки сталей. Успешное использование дуговых печей в данном направлении стало возможным благодаря их высокой маневренности (возможности работы по любому графику) и сравнительной легкости получения перегретого металла, необходимого для производства стальных фасонных отливок сложной конфигурации. Эта область применения дуговых печей существует и в настоящее время. В плавильных отделениях современных фасоннолитейных цехов применяют обычно печи небольшой емкости с относительно небольшой удельной мощностью печного трансформатора. Технология плавки стали, как правило, проста и заключается в ведении одношлакового процесса. Постепенно в сортаменте таких цехов появились и легированные стали, правда, в небольшом объеме [9, 27, 47].

преимущественно низко- и среднелегированных сталей, в том числе, подшипниковых и идущих на изготовление проката, вызвано возможностью регулировать состав атмосферы печи, переплавлять без больших потерь высоколегированные отходы нержавеющих, быстрорежущих и прочих сталей, a при необходимости, осуществлять легирование расплава в ванне дуговой печи с высокой степенно усвоения легирующих элементов.

C начала 1960-х годов оформилось и быстро развивается еще одно направление использования дуговых сталеплавильных печей — производство рядовых углеродистых сталей для изготовления проката, в том числе и листового проката. В настоящее время это направление по объему производимого металла существенно превосходит все остальные как в развитых зарубежных странах, так и в нашей стране и в странах третьего мира. Благодаря этому во всем мире объем производства электростали постоянно увеличивается, a доля электростали в общем объеме производства стали в таких наиболее экономически развитых странах, как Япония и США, превышает 40 %. Около 40 % в общем производстве стали составляет производство электростали в Китае, вышедшем на первое место по объему выплавляемой стали. Доля электростали в общем объеме производства стали в нашей стране пока не превышает 30% [9, 26].

электросталеплавильное производство имеет хорошие перспективы применения в обозримом будущем, как во всем мире, так и в России.

Современные сверхмощные дуговые сталеплавильные печи практически сравнялись по производительности с кислородными конверторами. Поэтому для производства рядовых сталей во всем мире предпочитают строить заводы c электросталеплавильными цехами. Состояние мировой энергетики и мировые ресурсы лома позволяют идти таким путем [10].

B нашей стране также имеется потенциальная возможность интенсивного развития (и модернизации) электросталеплавильного производства. Необходимыми условиями для этого являются: инвестиции в отрасль в нужном объеме; развитие и реформа энергетики России; бережное отношение к имеющимся запасам лома; подъем и развитие отечественного машиностроения; помощь правительства отечественной металлургии.

Существующие в настоящее время дуговые сталеплавильные печи можно классифицировать по следующим признакам.

1. По виду используемого тока дуговые печи подразделяются на печи постоянного и переменного тока.

2. По емкости ДСП можно разделить на печи малой емкости (до 20 т), средней (21 т 75 т) и большой (более 75 т) емкости.

3. В зависимости от удельной мощности источника питания дуговые печи подразделяются на маломощные (менее 400 кВА/т), средней мощности (400600 кВА/т), высокомощные (600800 кВА/т), сверхмощные (более кВА/т).

4. В зависимости от вида используемых огнеупоров различают основные и кислые печи.

5. Наличие или отсутствие водоохлаждаемых элементов позволяет выделить дуговые печи с огнеупорной футеровкой и водоохлаждаемые печи (обычно применяют водоохлаждаемые панели стен и свода).

6. В зависимости от способа выпуска различают печи с выпуском стали по желобу (классический или сифонный выпуск) и печи с донным выпуском (центральный донный, эксцентричный и эркерный).

7. В зависимости от конструкции дуговые печи бывают портальные и беспортальные.

8. Существуют двухванные печи.

9. Есть дуговые печи, оснащенные устройствами для нагрева шихты (с шахтным подогревателем, системы Констилл, Брус и др.) [9].

Общий вид современной дуговой сталеплавильной печи показан на рис. 1.1. Она оснащается следующими основными элементами:

• корпус печи;

• футеровка;

• свод;

• водоохлаждаемые элементы и система охлаждения;

• вторичный токоподвод;

• электрододержатели с механизмом перемещения;

• портал (или безпортальная конструкция) с системой подъема и поворота свода;

• механизм наклона печи;

• фундамент печи;

Кроме того, в комплекс ДСП входят:

• регулятор мощности;

• печной трансформатор;

• АСУТП;

• завалочные бадьи;

• система бункеров, весодозирования и подачи шлакообразующих и легирующих компонентов в печь;

• устройство для вдувания порошкообразных материалов в ванну;

• система отбора и очистки образующихся при электроплавке газов;

• система электроснабжения.

Основное назначение дуговых печей – плавка металлов и сплавов.

Существуют дуговые печи прямого и косвенного нагрева. В дуговых печах прямого нагрева дуга горит между электродами и расплавленным металлом.

В дуговых печах косвенного нагрева – между двумя электродами.

Наибольшее распространение получили дуговые печи прямого нагрева, применяемые для плавки черных и тугоплавких металлов. Дуговые печи косвенного нагрева применяются для плавки цветных металлов и иногда чугунов.

Дуговая печь представляет собой футерованный кожух, закрытый сводом, сквозь отверстие в своде внутрь опущены электроды, которые зажаты в электрододержателях.

Плавление шихты и обработка металла ведется за счет тепла электрических дуг, горящих между шихтой и электродами [9, 34].

Конструкция дуговой печи предусматривает слив металла через сливной носок. Скачивание шлака осуществляется через рабочее окно, вырезанное в кожухе.

Технологический процесс плавки металла в дуговой печи Обработка загруженной в дуговую печь твердой шихты начинается со стадии расплавления, на этой стадии в печи зажигается дуга и начинается расплавление шихты под электродами. По мере расплавления шихты электрод опускается вниз, образуя колодцы. Особенностью стадии расплавления является неспокойное горение электрической дуги. Низкая устойчивость дуги объясняется низкой температурой в печи.

Переход дуги с одной шихты на другие, а также многочисленное обрывание дуги называется эксплуатационными короткими замыканиями, которые вызываются обвалами и перемещениями проводящих кусков шихты.

Другие стадии обработки металла находятся в жидком состоянии и характеризуются спокойным горением дуг. Однако требуется широкий диапазон оперативного регулирование и высокая точность поддержания мощности, вводимой в печь. Регулирование мощности обеспечивает требуемый ход металлургической реакции [33].

Рассмотренные особенности технологического процесса требуют от дуговой печи:

способности быстро реагировать на эксплуатационные короткие замыкания и обрывы дуги, быстро восстанавливать нормальный электрический режим, ограничивать до допустимых пределов токи эксплуатационных замыканий;

гибкость управления мощностью, вводимой в печь.

В электроприводах механизмов печи применяют обычно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором напряжением 380 В на мощности от 1—2 кВт в небольших печах до 20—30 кВт в более крупных печах.

Двигатели приводов перемещения электродов — постоянного тока с питанием от электромашинных или магнитных усилителей, а также от тиристорных преобразователей. Эти приводы входят в состав самостоятельного агрегата — регулятора мощности печи [52, 55].

Двигатели, обслуживающие механизмы дуговых печей, работают в тяжелых условиях (пыльная среда, близкое расположение сильно нагретых конструкций печи), поэтому они имеют закрытое исполнение с теплостойкой изоляцией (краново-металлургических серий).

Рассмотрение конструкций позволяет выявить возможные способы регулирования её электрического режима:

Изменение подводимого напряжения.

Изменение сопротивления дуги, т.е. изменение ее длины.

В современных установках используются оба способа. Грубая регулировка режима осуществляется переключением ступеней вторичного напряжения трансформатора, точная – с помощью механизма перемещения электродов. Управление механизмами перемещения электродов осуществляется с помощью использования автоматических регуляторов мощности (АРМ).

Автоматические регуляторы мощности дуговых печей должны обеспечивать:

автоматическое зажигание дуг;

автоматическое устранение обрывов дуги и эксплуатационного короткого замыкания;

быстродействие около 3 секунд при устранении обрывов дуги эксплуатационного короткого замыкания;

апериодический характер процесса регулирования;

возможность плавно изменять мощность, вводимую в печь, в пределах от 20-125% от номинальной и поддерживать ее с точностью 5%;

остановку электродов при исчезновении напряжения питания.

Апериодический характер процесса регулирования необходим, чтобы исключить опускание электродов жидкий металл, что может науглеродить его и испортить плавку, а также исключить поломку электродов при контакте их с твердой шихтой. Выполнение этого требования обеспечивает защиту от перечисленных выше режимов при аварийном или рабочем отключении печи [9].

На электропечах малой емкости отечественного производства в качестве механизма перемещения электрода обычно использовались электромеханические приводы с канатной передачей. Типовые схемы механизмов приведены на рис. 1.2 а) и е). В качестве исполнительного привода зачастую использовался электродвигатель постоянного тока с одноили двухступенчатым червячным редуктором, вал которого снабжался барабаном для стального каната. Механизм перемещения выполнялся двух электрододержателем. Подвижная часть механизма перемещения связывалась с барабаном мотор-редуктора при помощи каната и блоков, и закреплялась в подвижных опорах – роликах. Для частичной компенсации веса подвижной части механизма и снижения мощности привода обычно использовались противовесы 4.

На серийных отечественных печах проектная максимальная скорость перемещения электрода составляла не более 1,75 м/мин. Однако на некоторых печах путем переделки редукторов были опробованы скорости перемещения до 4,5 м/мин. Экспериментально установлено, что увеличение скорости автоматического регулирования электрода в механизмах с канатной передачей не улучшает качества регулирования, а приводит к автоколебательному процессу.

Практика эксплуатации таких механизмов показала, что применяемый в качестве тягового органа канат имеет следующие недостатки:

диаметр барабана необходимо выбирать соответственно диаметру троса, обычно равный не менее 25 диаметрам троса, что делает привод громоздким, с большим передаточным отношением и большим числом направляющих блоков;

эксплуатация троса, особенно его замена сложна и трудоемка;

при упоре электрода в шихту натяжение троса ослабевает и велика вероятность выпадения троса из направляющих его блоков, что приводит к запутыванию троса;

трос является эластичным звеном (подобным пружине), упругость которого отрицательно сказывается на точности регулирования увеличенной скорости перемещения электродов.

К существенным преимуществам такого типа механизмов перемещения электрода относится малое число поломок электродов от упора в шихту.

Поскольку электрод и металлоконструкции, удерживающие его, имеют механическую развязку относительно типа привода, то в момент упора на электрод действует только вес самого электрода и вес металлоконструкции.

В процессе совершенствования конструкции дуговых печей и улучшения их технических характеристик при проектировании большинства ДСП стали использовать механизмы перемещения с реечной передачей.

Типовые схемы таких механизмов приведены на рис. 1.2 в) и д). Схемы перемещающейся стойкой и с перемещающимся электрододержателем.

Отличие заключается в способе механической связи подвижной части 3 с мотор-редуктором. На выходной вал червячного мотор редуктора устанавливалась шестерня 5, а к подвижной части 3 крепилась рейка, взаимодействующая с шестерней. Использование такой механической передачи исключало появление дополнительного упругого звена, по сравнению с канатным механизмом [5, 38, 39, 40].

Предохранение электрода от поломки осуществляется следующим образом. В схему вводилось дополнительное упругое звено – пружина сжатия, закреплённая между рейкой и подвижной частью механизма. При ручном управлении, когда электрод упрется в шихту, электродвигатель продолжает перемещать рейку вниз, которая, преодолев жесткость пружины (жесткость и ход пружины должны быть соответственно рассчитаны и отрегулированный путевой выключатель и отключает электродвигатель.

Электрод в этот момент будет сжиматься усилием от собственного веса плюс усилие, обусловленное жесткостью сжатой пружины. Вероятность поломки электрода в этой схеме заметно выше по сравнению с использованием канатного механизма. Но реечная передача позволяет работать на более высоких скоростях и исключает заклинивания подвижной части во время движения вниз при загрязнении направляющих, что наблюдается при использовании канатных механизмов.

Реечные и канатные механизмы перемещения электродов до сих пор проектировании новых механизмов отдают предпочтение гидравлическим и механизмам, использующих в качестве механической передачи – передачу «винт-гайка».

Рис. 1.2 Типовые схемы механизмов перемещения распространение. Они являются наиболее быстродействующими и в них полностью решена проблема поломок электродов в результате упора в шихту за счет использования датчиков давления. Особенности использования гидравлики позволяют безошибочно определить момент упора по повышению давления в системе. Кроме того гидравлические регуляторы имеют малую инерцию и просты в эксплуатации и ремонте.

Недостатком гидравлических механизмов до сих пор остаются его стоимость и использование горючей жидкости (гидравлического масла) в качестве рабочей среды [32, 60].

Механизмы перемещения электрода с передачей «винт-гайка» широко используются в связи с его низкой стоимостью и простотой эксплуатации обслуживания. Кроме того при использовании передачи «винт-гайка» в отличие от канатной и реечной передачи отсутствует самохоход.

Электроды предназначены для подачи электрического тока в рабочее Поэтому к материалу для изготовления электродов предъявляют ряд специфических требований. Они должны иметь достаточную механическую электропроводность; обладать стойкостью против окисления в рабочем пространстве печи и вне ее, обеспечивать надежный контакт в головках электрододержателей и местах соединения секций электрода, иметь невысокую стоимость. Удовлетворяют таким требованиям в настоящее время только электроды из углеродистого материала.

В подавляющем большинстве случаев на дуговых сталеплавильных печах применяют графитированные электроды круглого сечения. Качество графитированных электродов и способ подвода к ним электрического тока определяют в значительной степени величину электрических потерь печной установки, часто достигающую 10% от подводимой к печи мощности [33].

Небольшие печи, снабженные трансформаторами невысокой мощности, работают на сравнительно небольших токах (менее 40 кА), что позволяет использовать на них сравнительно недорогие электроды обычного качества.

Дуговые печи сверхвысокой мощности работают на очень больших токах.

Для таких печей используют специальные высококачественные электроды, обладающие низким электрическим сопротивлением, более плотные и прочные, способные выдерживать высокие токовые нагрузки и значительные механические усилия, возникающие при работе сверхмощной печи, и менее подверженные поломкам. Характеристики электродов приведены в табл. 1. Снижению расхода электродов способствуют уменьшение пористости и электродной массе, повышающей электрическое сопротивление электродов;

снижение удельного электрического сопротивления; увеличение предела прочности электродов на изгиб (прочность на изгиб - самая низкая прочностная характеристика электродов).

Удельное электрическое сопротивление более Предел прочности на изгиб, МПа, не менее Предел прочности на сжатие, МПа, не менее Объемная г/см3, не менее Температурный коэффициент расширения Первые дуговые электропечи имели монолитные электроды, при работе с ними образовывалось большое количество огарков, которые не использовались металлургами. Очень быстро электропечи перешли на сборные наращиваемые электроды, которые можно использовать практически целиком. Современные непрерывно наращиваемые электроды имеют обработанные на токарных станках торцы, в которых по оси электрода выполнены отверстия с резьбой. В отверстие ввинчивают ниппель (на половину его длины), изготовленный из такого же материала, как и электроды. На выступающую из торца электрода другую половину ниппеля навинчивают следующий электрод. В результате получается свинченный электрод, или «электродная свеча». Ниппели и отверстия для них могут быть цилиндрическими или коническими.

Для удобства транспортировки и эксплуатации электроды изготавливают длиной 1000...2700 мм, поэтому работающая электродная «свеча» состоит из двух и более секций, соединенных ниппелями [59].

Электроды небольшого диаметра обычно делают с цилиндрическими отверстиями и ниппелями, среднего и большого диаметра – с коническими отверстиями и ниппелями. По ТУ 1911-109-052-2003 отечественные электроды диаметром до 200 мм включительно и ниппели к ним изготовляют с цилиндрической резьбой (рис. 1.3 а и б); электроды диаметром 200 мм и более и ниппели к ним - с конической резьбой.

В связи с высокой стоимостью шихтовых материалов и сложной энергоемкой технологией изготовления цена высококачественных графитированных электродов велика и может достигать (за рубежом) американских долларов за 1 т. При большом расходе электродов доля затрат на электроды в себестоимости стали может быть значительной (в отдельных случаях до 8 10% [33]). Электрометаллурги (ученые, конструкторы, эксплуатационники) должны стремиться уменьшить по возможности расход электродов на 1 тонну выплавляемой стали.

Для улучшения технико-экономических показателей производства электростали большое значение имеют мероприятия по снижению расхода электродов. Расход их зависит от многих факторов: качества электродов;

конструкции печи, применения газокислородных горелок и других средств интенсификации плавления шихты; технологии плавки; качества применяемого лома; параметров газоулавливающих устройств и т.д. Поэтому в настоящее время величина расхода электродов на 1 т выплавляемой стали колеблется в широких пределах: от 1,6 2,8 кг в современных сверхмощных печах и до 4 6 кг в небольших электропечах отечественных фасоннолитейных цехов машиностроительных заводов.

Суммарный расход электродов на плавку обычно определяется тремя статьями:

1) расход рабочих концов электрода или эрозия торцов электродов, т. е. испарение (сублимация) графита в зоне горения дуги и растворение графита в шлаке (или металле);

2) расход боковой электродной поверхности (окисление графита с боковой поверхности электродов);

3) так называемый промежуточный расход электродов (потери в виде неиспользуемых огарков и вследствие поломок).

Следует отметить, что распределение общего расхода электродов по статьям также существенно зависит от факторов, перечисленных выше. При работе печей малой мощности расход рабочих концов электродов составляет 30 % общего расхода, окисление с боковой поверхности – 55 60, промежуточный расход – 10 15% [34]. По данным [35], в сверхмощной печи начала 1980-х годов при общем расходе электродов 4 кг на I т стали расход рабочих концов составлял 50 %, окисление с боковой поверхности и промежуточный расход - 10% общего расхода. В современных сверхмощных дуговых печах, широко использующих альтернативные источники тепла для ускорения расплавления шихты и подготовленную шихту, распределение общего расхода электродов по статьям выглядит следующим образом: расход рабочих концов – 65 70%, окисление с боковой поверхности – 25 30, промежуточный расход - 5 10% (оценочно).

Практика эксплуатации дуговых сталеплавильных печей показала, что общий расход электродов хорошо коррелируется с общим расходом электроэнергии: с увеличением расхода электроэнергии возрастает и расход электродов. Поэтому любые организационно-технические мероприятия, способствующие снижению общего расхода электроэнергии на плавку, уменьшают и расход электродов (уменьшение продолжительности заправки, завалки, выпуска, использование альтернативных источников тепла, отказ от рафинирования металла в печи, совмещение плавления и окислительного периода и т.д.).

Промежуточный расход электродов за счет поломок огарков электродов и потерь при остановках печи на ремонт может быть уменьшен при использовании подготовленной шихты, рациональной шихтовке плавки, рациональном размещении шихты в рабочем пространстве печи, рациональном электрическом режиме плавки, применении быстродействующих автоматических регуляторов электрического режима, устранении обвалов шихты во время плавления, осторожном обращении с электродами в процессе транспортировки и складировании [9,17].

В последние годы значительная часть металлургических предприятий России осуществила коренную перестройку своего электросталеплавильного производства: установлены современные сверхмощные дуговые печи, освоена современная технология плавки с использованием альтернативных источников тепла, применяется внепечная обработка стали и т.д. Это позволило выйти на современный уровень расхода электродов (2,0 кг на 1 т стали и менее). При таком низком расходе электродов, как в нашей стране, так и за рубежом снизился интерес к некоторым способам уменьшения расхода электродов, считавшимися перспективными (мероприятия по уменьшению расхода электродов за счет окисления боковой поверхности и, в частности, использование защитных покрытий, водоохлаждаемых комбинированных электродов и т.д.). Однако вопрос снижения расхода электродов за счет их поломок нельзя считать решенным в полной мере.

Поломки электродов в дуговых сталеплавильных печах можно разделить на два вида: поломки на стадии первоначального зажигания электрической дуги и вследствие обвала шихты на стадии проплавления колодцев. Борьба с последним видом заключается в повышении быстродействия регулятора мощности, которое влияет на быстроту ликвидации эксплуатационного короткого замыкания, вызванного падением куска шихты в проплавленный колодец, и улучшение механических свойств электродов и качества ниппельного соединения.

В данной работе будут рассмотрены причины поломок электродов на стадии зажигания дуги.

Кроме механических свойств электродов на их целостность оказывает существенное влияние параметры шихты.

Основным сырьем для выплавки стали в электродуговых печах, в отличие от конвертеров, является твердая металлошихта, состоящая преимущественно из металлоотходов собственных металлургических производств и поступающего со стороны товарного лома. К регламентируемым показателям качества металлошихты во всем мире относят, прежде всего, такие факторы, как определенность химического состава, насыпная плотность и габаритные размеры отдельных составляющих шихты.

Определенные требования предъявляют и к фракционному составу металлошихты. Наличие такого рода требований обусловлено тем, что шихта высокой насыпной плотности, имеющая стабильный оптимальный размер кусков, позволяет ограничиться лишь одной подвалкой, исключив тем самым необходимость второй подвалки с соответствующим отключением печи, отводом свода с электродами и т.д. Это, в свою очередь, позволяет существенно форсировать плавку [10].

Кроме того, от фракционного состава используемой металлошихты зависят технико-экономические показатели работы плавильного агрегата, в том числе угар металла, определяющий выход жидкого (годного) металла.

На всех современных печах загрузку шихты осуществляют сверху при помощи загрузочной бадьи. Старые печи загружают, пользуясь мульдами.

При загрузке печи бадьями всю шихту загружают в один - два приема и независимо от емкости печи длительность загрузки составляет 5 - 10 мин.

Длительность завалки мульдами зависит от насыпной плотности шихты и емкости печи. Завалка мульдами печи емкостью 40 тонн продолжается 50 мин.

Быстрая завалка позволяет сохранить тепло, аккумулированное кладкой печи, в результате чего сокращается продолжительность плавления, уменьшается расход электроэнергии и электродов и увеличивается стойкость футеровки.

При завалке сверху порядок укладки шихты в бадье предопределяет расположение ее в печи. Оптимальный порядок загрузки бадьи:

на дно бадьи загружают небольшое количество легковесного мелкого лома, стружку для предохранения подины от ударов крупных падающих кусков;

наиболее крупную шихту догружают вперемежку с шихтой средних размеров в центральную часть бадьи так, чтобы в печи крупные куски оказались непосредственно под электродами;

по периферии бадьи распределяют куски средних размеров, сверху засыпают легковесный и мелкий лом для быстрого погружения электродов в начале плавления и исключения прямого воздействия дуг на футеровку стен.

Такая последовательность загрузки бадьи обеспечивает наиболее плотную укладку шихты в печи, что важно для стабильного горения дуг.

С одной стороны – присутствие в шихте под электродами крупных кусков замедляет проплавление колодцев и исключает возможность погружения электродов до подины раньше, чем накопится слой жидкого металла, защищающий подину от прямого воздействия дуг. Но с другой стороны возрастает вероятность поломки электрода.

Для достижения оптимальной укладки шихта должна состоять:

Причем примерно половину мелочи нужно загружать вниз, а вторую половину – поверх остальной завалки [6].

Легирующие элементы надо располагать таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная скорость их плавления и минимальный угар.

Тугоплавкие металлы, такие как ферромолибден или ферровольфрам, следует загружать в центральную часть бадьи; легкоплавкие металлы, например никель, которые в зоне дуг интенсивно испаряются – ближе к откосам.

Обзор методов снижения вероятности поломок электродов При исследовании причин поломок электродов и в процессе разработки комплексной системы по предотвращению поломок электродов были изучены существующие способы решения поставленных задач и был проведен патентный поиск работ в этой области.

Наиболее интересные работы, имеющие практическое применение будут описаны в данном параграфе.

В 1998 году в Сибирской государственной горно-металлургической академии был разработан способ управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи. Авторы изобретения: Буторин В.К.; Веревкин В.И.; Веревкин Г.И.; Штайгер А.Ф. [29]. В своей работе авторы описывают проблему поломки электродов вследствие упора и механического взаимодействия с токонепроводящей шихтой. В качестве последней может выступать бетонный, кирпичный бой (мусор), крупные куски извести и т.п.

При упоре электрода в токонепроводящую шихту ввиду наличия явления блуждания дуги происходит ее перемещение в направлении токопроводящей среды с расплавлением этого участка электропроводной шихты. Наблюдается постепенное удлинение дуги. Режимная точка на зависимости напряжения дуги от силы тока дуги устанавливается как точка пересечения вольтамперной характеристики дуги с внешней характеристикой стабилизируется автоматическим регулятором, то при удлинении дуги и увеличении напряжения дуги регулятор дает команду на дальнейшее опускание электрода.

Упираясь в токонепроводящее препятствие, электрод нажимает на него, заставляя смещаться в направлении наименьшего сопротивления. В процессе движения вероятность установки контактной поверхности непроводящего препятствия эквидистантно поверхности рабочего конца электрода, особенно с учетом овальной формы разгара рабочего конца, является минимальной. Поэтому, испытывая осевое сопротивление наклонно расположенной контактной поверхности токонепроводящего препятствия, электрод одновременно начинает испытывать значительные радиальные усилия реакции со стороны препятствия. В условиях защемления второго конца электрода в электрододержателе происходит его изгиб. Вследствие явлений частичного радиального смещения токонепроводящей шихты, а также (либо) проскальзывания электрода относительно ее контактной поверхности, степень изгиба электрода может возрастать. Процесс продолжается до тех пор, пока возникающие в сечении электрода напряжения не превысят их предельно допустимых значений. Поскольку площадь поперечного сечения ниппельного соединения электрода существенно меньше его сплошного сечения, то поломка электрода возникает в основном по ниппельному соединению.

Частичное ограничение ранее свободных электромеханических колебаний электрода приводит к снижению амплитуды колебаний.

Поскольку скорости движения электрода и развития процессов в его контакте с токонепроводящей шихтой достаточно низкие, то по полученным данным поломка чаще всего происходит по прошествии 7080с с момента образования контакта. В течение первых 4060с наблюдается устойчивое монотонное снижение амплитуды горизонтальных колебаний, что служит информативным признаком утыкания электрода в токонепроводящую шихту.

В процессе проплавления колодца в некоторых случаях наблюдается обвал подплавленной шихты таким образом, что находящаяся вблизи границ колодца и ранее не оказывающая существенного влияния на процесс проплавления токонепроводящая шихта смещается под электрод. Далее процесс утыкания электрода протекает по приведенной выше схеме.

Иногда токонепроводящая шихта обваливается на боковую поверхность электрода, приводя к его радиальному нагружению и снижению амплитуды колебаний. В последнем случае развитие процесса в контакте «электрод токонепроводящая шихта» может происходить в одном из двух направлений.

Во-первых, по пути увеличения опасных радиальных нагрузок, что приводит к устойчивому снижению амплитуды горизонтальных колебаний электрода.

В этом случае возникает опасность скорого разрушения электрода.

Во-вторых, по мере плавления по пути смещения токонепроводящей шихты в направлении от электрода, что обуславливает рост амплитуды его колебаний.

В качестве решения проблемы авторы предлагают способ своевременного распознавания ситуации, прекращения плавления и подъема электродов на время устранения токонепроводящей шихты.

Сущность изобретения заключается в том, что способ управления электрическим режимом дуговой электросталеплавильной печи включает:

измерение электромеханических колебаний системы «электрод – электрододержатель» в горизонтальной плоскости в частотном проведение дополнительно для каждого электрода непрерывного анализа динамики поведения амплитуды колебаний системы «электрод – электрододержатель» в последний интервал времени фиксирование зависимости электромеханических колебаний от времени в масштабах, кратных 1 мм/с по оси времени и 0,3 мм/% по оси ординат относительно средней амплитуды колебаний при определение зависимости амплитуды колебаний во времени;

текущую линейную аппроксимацию амплитуды колебаний на электрода - прерывание плавления, поднятие электродов и устранение токонепроводящей шихты.

В качестве меры предотвращения поломки электрода в результате взаимодействия его с токонепроводящей шихтой предлагается следующая технология: прерывание плавления, поднятие электрода и устранение из печи самой токонепроводящей шихты.

В процессе поднятия электрода, предпринимаемого из-за упора в токонепроводящую шихту, степень искривления, а значит и радиальные усилия на электрод снижаются. Условия его работы улучшаются.

В процессе поднятия электрода, предпринимаемого из-за обрушения токонепроводящей шихты на его боковую поверхность, длина плеча, на котором на электрод действует усилие реакции со стороны шихты, практически не меняется. Условие работы электрода вплоть до его выхода из контакта с шихтой не ухудшаются, а после выхода улучшаются.

Способ позволяет осуществить идентификацию наличия устойчивого контакта в системе «электрод – токонепроводящая шихта» и избежать поломки электрода из-за его механического взаимодействия во время плавления с токонепроводящей средой путем прерывания плавления, поднятия электрода и устранения токонепроводящей среды.

Дополнительно введенная операция фиксирования зависимости электромеханических колебаний от времени в масштабах, кратных 1 мм/с по оси времени и 0,3 мм/% по оси ординат относительно средней амплитуды колебаний, при нормальном плавлении создаст условия для установления графической зависимости амплитуды колебаний во времени при определенном соотношении масштабов осей координат, что далее дает возможность количественного распознавания технологической ситуации по углу падения альфа. Определение зависимости амплитуды колебаний во Операция текущей линейной аппроксимации зависимости амплитуды от времени на интервале времени позволяет:

оперативно формировать информацию о тенденции устойчивого осуществлять фильтрацию помехи на уровне полезного сигнала о тенденции устойчивого изменения амплитуды;

амплитуды на последнем интервале времени t, удобной для последующего использования линейной формой.

Оценка угла падения аппроксимирующей прямой по отношению к оси времени позволяет сформировать количественную оценку устойчивой тенденции изменения амплитуды.

информативный признак наличия устойчивого контакта в системе «электрод - токонепроводящая среда».

Принятие решения на прерывание плавления, поднятие электродов и устранение токонепроводящей среды представляет собой формирование сигналов управлений, позволяющих избежать поломки электрода из-за его механического взаимодействия с токонепроводящей средой. Прерывание операции плавления, поднятие электродов и устранение токонепроводящей среды позволяет избежать возможной поломки электрода.

На рис. 1.4 приведена временная зависимость электромеханических колебаний системы электрод – электрододержатель в горизонтальной плоскости в период перед поломкой электрода.

реализации способа по одному из электродов печи.

Способ реализуется следующим образом. В период плавления шихты в дуговой электрической печи 10 с помощью датчика производят первичное преобразование 1 горизонтальных колебаний электрода 11 по информации о колебаниях электрододержателя 12 в эквивалентный электрический сигнал.

Рис. 1.4 Зависимость электромеханических колебаний системы 1 – временная зависимость колебаний; 2 – аппроксимирующий отрезок прямой на участке времени ; 3 - аппроксимирующий отрезок прямой электрода; - последний интервал времени.

Полученный сигнал усиливают и преобразуют (блок 2) для удобства последующей регистрации (блок 3) в виде временной зависимости колебаний 1 (рис. 1.4). Устанавливают масштабы по осям координат. Они должны быть кратными 1 мм/с по оси времени и 0,3 мм/% по оси ординат. В последнем случае за 100% принимается средняя амплитуда колебаний при нормальном устойчивом режиме плавления.

Далее определяют зависимость амплитуды колебаний во времени и за последний интервал времени осуществляют ее линейную аппроксимацию. Для этого фиксируют точки перегиба зависимости колебаний системы «электрод – электрододержатель».

1 - преобразование электромеханических колебаний; 2 - усиление и преобразование сигнала; 3 регистрация сигнала; определение аппроксимация; 5 - оценка угла падения аппроксимирующей прямой по плавления; 8 - поднятие электродов; 9 - устранение токонепроводящей шихты; 10 - дуговая электросталеплавильная печь; 11 - электрод; 12 электрододержатель; 13 - жидкий металл; 14 - шихта; 15 - токонепроводящая шихта; 16 - колодец.

Их ординаты являются амплитудами колебаний. На участке зависимости 1 проводят прямую 2 несколько ниже огибающей таким образом, чтобы пиковые значения точки перегиба зависимости располагались равномерно по обе стороны прямой 2. Поскольку зависимость 1 относительно оси времени располагается достаточно симметрично (рис.

1.4), то аппроксимируют одну из областей зависимости 1, например положительную.

При автоматической реализации функции 4 (рис. 1.5) оперативно ищут точки перегиба на положительной области зависимости 1 (рис. 1.4) и на участке осуществляют текущую кусочно-линейную аппроксимацию временной последовательности ординат характерных точек с использованием известных методов, например методом наименьших квадратов.

Далее оценивают угол наклона аппроксимирующей прямой 2 по отношению к оси времени (блок 5, рис. 1.5). При автоматической реализации функции 5 определяют arctg коэффициента при линейном члене уравнения аппроксимирующей прямой 2 (рис. 1.4) в упомянутых выше координатах.

Проверяют условие (блок 6, рис. 1.5). В случае выполнения функций 4-6 человеком в одном из вариантов оценивают среднее за время смещение пиков (точек перегиба) зависимости 1 (рис. 1.4) относительно аппроксимирующей прямой, нанесенной под углом 25o. По другому варианту в блоке 5 измеряют угол прямой 2 по отношению к оси времени и оценивают выполнение условия. Если условие не выполняется, то продолжают реализовывать функции 4-6. При выполнении условия реализуют функции 7плавление прерывают, электроды поднимают и устраняют токонепроводящую шихту. После чего плавление продолжают.

Способ позволяет предотвращать поломки электродов, происходящие вследствие их механического взаимодействия во время плавления с токонепроводящей шихтой, сократить расходы на дорогостоящие электроды, снизить экономические затраты, связанные с простоями и заменами электродов, а также повысить производительность печей.

поставленной задачи и снизить вероятность поломок электродов в ДСП.

Однако такой способ имеет ряд недостатков. Наиболее важным из них – необходимость проведения достаточно сложного математического анализа и наличие фильтрации снимаемого сигнала. Время, затрачиваемое на эти операции в сочетании с фильтрами, установленными на выходе датчиков, может достигать 1-2 сек, что в совокупности с большой постоянной времени привода не позволяет вовремя остановить электрод. Метод измерения частоты колебания рукава электрододержателя может быть применен к наиболее современным печам, использующие новые механизмы, в которых обеспечивается плавность перемещения. Для старых дуговых печей, которые в большом количестве до сих пор используются на машиностроительных и литейных предприятиях нашей страны, и у которых наблюдаются заклинивания и существенные колебания во время движения электрода, такой способ определения малоприменим.

Задача поломки электродов в ДСП может быть решена не только за крупнокусковую шихту, но и правильной шихтовкой плавки. Обычно шихтовку корзины выполняют таким образом, что бы после ее выгрузки в верхних слоях в зоне горения дуг находилась мелкая токопроводящая шихта.

Соблюдение этого условия улучшает работу электродов и снижает вероятность его поломки.

перераспределяется, и очень часто происходит попадание крупных кусков лома в зону горения дуги. В таком случае вероятность поломки электродов резко возрастает.

Aktiengesellschaft Мачулат Томас разработал способ для определения свойств содержания дуговой печи для плавления загружаемого материала [28].

Способ включает определение свойств и/или положения загружаемого материала, присутствующего в основном в твердой фазе в дуговой печи, которую разделяют на множество сегментов и предусматривают на каждом сегменте, по меньшей мере, один акустический сенсорный датчик. При этом электрической дугой между электродами и загружаемым материалом создают акустические сигналы, измеряют отраженные и/или проходящие сквозь загружаемый материал акустические сигналы посредством акустических сенсорных датчиков, оценивают измеренные акустические сигналы и определяют свойства и/или положение загружаемого материала в дуговой печи.

На рис. 1.6. показана система для определения свойств содержания шихты в печном пространстве. Дуговая печь 1 включает три электрода 3а, 3b, 3c, которые входят внутрь корпуса печи 2.

Между электродами 3а, 3b, 3c или между электродами и ванной печи течет электрический ток. 3а счет этого печи образуется электрическая дуга 6.

Для измерения электрических сигналов, например для измерения тока между электродами 3а, 3b, 3c, предусмотрен электрический сенсорный датчик 4. По периметру печи расположены акустические сенсорные датчики 5а, 5b, 5с, 5е, 5g, 5h, 5s, 5t, с помощью которых определяют акустические сигналы.

Измеренные данные акустических сенсорных датчиков 5а, 5b, 5с, 5е, 5g, 5h, 5s, 5t подключены к устройству оценки 11. При необходимости, к устройству оценки 11 подводят также измеренные данные, по меньшей мере, одного электрического сенсорного датчика 4.

Акустические сенсорные датчики 5а, 5b, 5с, 5е, 5g, 5h, 5s, 5t могут быть расположены не только на корпусе печи 2, но и в своде дуговой печи рис. 1.7.

Акустические сенсорные датчики 5а, 5b, 5с, 5е, 5g, 5h, 5s, 5t могут быть, например, расположены связанными непосредственно или косвенно с корпусом печи 2 и/или с дуговой печью 1.

Устройство оценки 11 связано с вычислительным устройством 10. Оно выдает управляющие сигналы CS на дуговую печь, чтобы, например, воздействовать на положение электродов 3а, 3b, 3c и/или подвод энергии к электродам 3а, 3b, 3c. Для этого вычислительное устройство 10 содержит управляющий модуль 12. 3а счет оценки сигналов акустических сенсорных датчиков 5а, 5b, 5с, 5е, 5g, 5h, 5s, 5t производят анализ механического шума.

На рис. 1.7 схематически представлены содержание ванны печи 2, а также электрода 3а. В корпусе печи 2 находится загружаемый материал 7, в частности лом и отходы, который расплавляют с помощью электрода 3а в расплав 8. Расплавление загружаемого материала 7 происходит под действием электрической дуги 6, которая образуется между электродом 3а и загружаемым материалом 7 или, соответственно, расплавом 8. Внутри дуговой печи 1 выше расплава 8 может образовываться шлак 9.

Загружаемый материал 7 выполнен в виде множества кусков и присутствует преимущественно в твердой фазе. Свойства содержания дуговой печи 1, в частности свойства загружаемого материала 7, характеризуются, прежде всего, кусковатостью, т.е. крупностью кусков загружаемого материала 7. Кусковатость загружаемого материала характеризуется, например, длиной, шириной, высотой, положением, формой, весом и/или плотностью загружаемого материала 7 или, соответственно, образующих кусков загружаемого материала 7.

Названные показатели или, характеристики загружаемого материала 7, могут вызывать обвалы лома и отходов, которые могут приводить к поломкам электродов и тем самым к простою дуговой печи 1. В первый момент зажигания дуги возможна поломка электродов вследствие попадания на наклонный участок куска загружаемого материала.

Для измерения механического шума акустические сенсорные датчики 5а, 5b, 5с, 5е, 5g, 5h, 5s, 5t расположены на подходящих местах измерения вокруг печи и на крышке печи. С помощью акустических сенсорных датчиков 5а, 5b, 5с, 5е, 5g, 5h, 5s, 5t можно производить анализ механического шума. Одновременно стоящие в распоряжении токовые сигналы, то есть электрические сигналы ES (рис. 1.6), предварительно обрабатываются и анализируются с помощью представленного на рис.1. устройства вычисления 10.

Рис. 1.7 Пример для распространения акустических сигналов в корпусе печи Акустические сигналы Nd, Ne, Ng, создаются, в частности, электрической дугой 6 между электродом и загружаемым материалом 7 или, соответственно, расплавом 8. Часть акустических сигналов Ng, Ne отражается на загружаемом материале 7. Так возникают отраженные акустические сигналы Nd.

С помощью обработанных акустических данных и электрических сигналов можно заранее определять расположение крупных кусков лома, и, следовательно, определять вероятные поломки электродов вследствие упора и обвалов лома. Данные оценки определяют предпочтительно также при помощи электрических измерений. Полученные данные можно запоминать в банке данных и использовать для прогнозирующего регулирования дуговой печи 1. В банке данных запоминают характеристичные для свойств содержания дуговой печи данные, называемые в последующем характеристики. В качестве характеристик обвала можно, например, запоминать последовательности сигналов перед обвалом лома и отходов или при нахождении крупного куска шихты в зоне горения дуги.

Описанный выше способ позволяет предотвратить поломку электрода не только при упоре электрода в шихту, но и в результате обвала шихты. Но стоит заметить, что определение расположения и крупности кусков шихты электрической дуги например. Предложенный автором алгоритм хорошо подходит для печей переменного тока с тремя электродами, в которых возможно поочередное зажигание дуг, и лишь ограниченно применим к печам постоянного тока, в которых отсутствует мощный источник шума до зажигания электрической дуги.

Очевидно, что имеющиеся способы борьбы с поломками электродов не позволяют решить в полной мере поставленную задачу.

Отметим, что проблема поломок электродов наиболее актуальна при использовании электромеханических регуляторов мощности. В гидравлических регуляторах проблема решается путем использования в цепи управления перемещением электрода датчика давления гидравлической жидкости. В случае электромеханического привода установка подобных датчиков приводит к раскачиванию системы, за счет использования в их конструктиве гибких частей, что отрицательно сказывается на качественных показателях регулятора мощности.

Формулирование целей и задач диссертационной работы перемещения электродов и систем управления, ряд вопросов можно считать в достаточной степени решенными. Что касается вопросов снижения вероятности поломок электродов, то на данный момент их нельзя считать в полной мере проработанными, в связи с чем, эти задачи нуждаются в дополнительном исследовании.

Поломка электрода в ДСП является негативным явлением, которое помимо увеличенного расхода графитированного материала, влечет за собой дополнительные временные, энергетические и ресурсные затраты.

Для дуговых печей малой и средней мощности характерно использование как электромеханического, так и электрогидравлического регуляторов мощности. На сегодняшний день проблема поломок электродов для гидравлического регулятора мощности решена (см. п. 1.1) в полной мере. Для электромеханического регулятора такого решения пока еще не найдено, а все существующие предложения имеют ряд недостатков и полностью не гарантируют устранения поломок.

Поэтому в данной работе будет рассмотрен электромеханический регулятор мощности ДСП и предложены пути по его модернизации с целью снижения поломок электродов.

На основании проведенных исследования была сформулирована цель диссертационной работы - разработка алгоритмов и систем управления дуговыми сталеплавильными печами, снижающих поломки электродов.

В связи с этим в данной диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса плавки металла в дуговой печи, режимов работы электрооборудования и механизмов, уровня и тенденций развития систем управления и приводов перемещения электродов, конструктивных и компоновочных решений печей.

2. Выявление причин и последствий поломок электродов в ДСП.

3. Разработка моделей взаимодействия электрода и шихты.

4. Экспериментальное исследование свойств шихты.

5. Экспериментальное исследование механизма удара электрода в шихту.

6. Разработка математической модели регулятора мощности ДСП, учитывающей взаимодействие электрода и шихты.

7. Исследование влияния параметров привода и шихты на допустимую скорость перемещения электрода, не вызывающей его поломки.

8. Реализация алгоритмов и систем автоматического управления обеспечивающих снижение поломок электродов и экспериментальные исследования системы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКОГО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДА С ШИХТОЙ.

Известно, что быстродействие регулятора мощности ДСП зависит от скорости перемещения электрода, поэтому на сегодняшний день сформировалась тенденция увеличения скоростей перемещения электродов.

Работа электродуговой печи на повышенных скоростях перемещения электрода на начальных этапах плавки приводят к возникновению процессов, пагубно влияющих на механическую целостность электродов, узлов и механизмов печи. Опыт работы с высокими скоростями перемещения электродов показывает увеличение их расхода, связанного с поломками при зажигании дуги на твердую шихту, поэтому стоит обратить особое внимание на процессы, протекающие при соприкосновении электрода и шихты, и влияние их на работу регулятора мощности.

От скорости перемещения электрода зависит сила удара электрода, возникающая на стадии зажигания дуги при упоре в шихту. Результатом воздействия этих сил зачастую является поломка электрода.

Дуговые сталеплавильные печи широко используются на литейных и машиностроительных заводах. В качестве шихтового материала зачастую используется лом черных металлов. Состав лома зависит от завода и его продукции. Зачастую это отходы собственного производства – брак, литейные отходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, стружка от обдирки слитков, отходы, возвращаемые заводами потребителями, направляемые на переплав изношенное и устаревшее оборудование, инструмент, а так же лом, собранный отделениями вторчермета. Очевидно, что такие составляющие загружаемого в печь лома неоднородны по составу и имеют разнообразную форму и размеры. При загрузке печи загрузочной корзиной или бадьей спрогнозировать распределение лома в ее пространстве практически невозможно. Велика вероятность попадания крупных элементов в верхние слои загруженного лома и в область горения дуги – подэлектродное пространство.

В начале плавки после загрузки печи начинается процесс зажигания дуги. При этом электрод перемещается вниз до касания с шихтой. Момент касания сопровождается резким скачком тока – появляется ток короткого замыкания. Поскольку инерционность системы управления приводом достаточно велика, происходит перерегулирование, т.е. после касания электрода о шихту проходит некоторое время, когда сигнал о наличии короткого замыкания, по которому регулятор понимает, что электрод соприкоснулся с шихтой, уже сформировался, но электрод еще не остановился – он по-прежнему продолжает движение в шихту с прежней скоростью. В процессе взаимодействия электрода с куском шихты возникают усилия как в электроде, так и в шихте. Результатом соударения может служить либо деформирования кусков шихты под электродом, либо, в случае плотной шихты, возникновение критических усилий в самом электроде.

Если при попадании торца электрода на ровную поверхность загруженной шихты в электроде возникают только осевые усилия, то при попадании на наклонную поверхность крупногабаритного элемента шихты помимо осевых, менее безопасных, возникают радиальные усилия, которые в большинстве случаев приводят к поломке электродной свечи в месте соединения – в ниппельном гнезде.

Помимо описанных выше причин поломок электродов, в связи с особенностями подготовки шихты, имеет место еще один алгоритм разрушения электрода – попадание неметаллических (токонепроводящих) элементов в печь при ее завалке. В таком случае в режиме зажигания дуги электрод соударяется с токонепроводящим куском шихты, а сигнал о касании электрода с шихтой не формируется, поскольку в цепи отсутствует ток, который необходим для определения момента прекращения движения электрода вниз и формирования сигнала на подъем электрода и растягивания дуги.

Для снижения числа поломок электродов в момент зажигания дуги и разработки регулятора мощности с возможностью исключения поломок электродов были проведены исследования процессов, проходящих в момент соприкосновения торца электрода и шихты (Глава 4). Помимо этого необходимо иметь полное представление о параметрах шихты и их влиянии на вероятность поломок электродов. Методика проведения эксперимента по определению упругих характеристик шихты и результаты приведены в Главе Для дуговых печей малой и средней мощности характерно использование как электромеханического, так и электрогидравлического регуляторов мощности. До сегодняшнего дня проблема поломок электродов для гидравлического регулятора мощности решена в полной мере. Для электромеханического такого решения пока еще не найдено, а все существующие предложения имеют ряд недостатков и полностью не гарантируют устранения поломок.

Поэтому в данной работе будет рассмотрен электромеханический регулятор мощности ДСП и предложены пути по его модернизации с целью снижения поломок электродов.

Принцип построения механизма перемещения электрода Механизм перемещения электрода является неотъемлемой частью регулятора мощности. Рассмотрим типовое построение механизма перемещения электрода с электромеханическим приводом. Функциональная схема (рис. 2.1) состоит из исполнительного двигателя 1, механического преобразователя (редуктора) 2, устройства преобразования окружной скорости в 3, электрододержателя 4, и электрода 5. В качестве исполнительного привода на печах с электромеханическим регулятором Рис.2.1 Функциональная механической части регулятора мощности должен быть управляемым, поэтому на вход помимо питания необходимо подавать сигнал задания.

Для снижения скорости вращения и увеличения крутящего момента на вал двигателя устанавливается редуктор (механический преобразователь 2). Преобразователем вращательного движения в линейное служит механическая передача винт-гайка или зубчатое колесо-рейка. Большинство дуговых печей, построенных в 60 годах, имеют тросовые передачи. В данной работе они рассматриваться не будут по причине наличия растяжения тросов приводящих к колебанию системы (см. Глава 1). Основное требование к преобразователям вращательного движения в линейное – жесткость элементов и отсутствие люфтов. В последнее время все чаще используют винтовую пару. По сравнению с передачей «зубчатое колесо – рейка» она является самотормозящей и гарантирует отсутствие неконтролируемого перемещения под собственным весом в условиях сильных вибраций. Кроме того возможно применения более дешевого цилиндрического редуктора взамен червячного.

Электрододержатель 4 жестко связывает электрод с механизмом перемещения. Работа дуговой печи на первых этапах плавки сопровождается частыми короткими замыканиями, поэтому электрод часто поднимается и опускается с большой скоростью. Кроме того имеются значительные вибрации связанные с динамическими силами от протекания больших токов.

Для обеспечения необходимого качества регулирования конструкция электрододержателя должна обладать большим запасом прочности на изгиб, а перемещение конца (дальнего от стойки) рукава при максимальной нагрузке не должно превышать 0,5-1,5 мм.

Разработка математического описания и исследование Для дальнейшего исследования регулятора в целом необходимо составить математическую модель его механической части. Описанная в п.

1настоящей структурная схема которой приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Структурная схема механической части регулятора мощности В качестве задающего сигнала в модели используется величина крутящего момента на валу электродвигателя (блок 1). Механизм перемещения электрода представлен в общем виде и включает в себя две механические передачи – преобразование крутящего момента в окружную скорость и преобразование окружной скорости в линейную скорость.

Крутящий момент с вала электродвигателя преобразуется в окружную скорость исполнительного элемента механизма перемещения. За это преобразование отвечают блоки 3. При этом учитываются потери на сухое и вязкое трение отдельных узлов и деталей (вязкость смазочного материала, трение в подшипниках и т.д.). Они соответственно вводятся в систему в виде отрицательных обратных связей по окружной скорости (блоки 4 и 5) при помощи сумматора 2. Преобразование окружной скорости в линейную происходит по средством механических передач (поз.2 и 3 рис. 2.1.) моделируемых при помощи усилительных блоков 6 и 7. Заметим, что величина коэффициентов усиления равна передаточным отношениям соответствующих механических передач. Скорость движения стойки электрододержателя, приводимая в движение при помощи механической передачи, равна скорости движения электрода, поскольку электрод и стойка жестко связаны друг с другом посредству электрододержателя. Зная скорость перемещения электрода в каждый момент времени и его начальное положение можно рассчитать положение электрода. Эта операция осуществляется путем интегрирования скорости по времени. За эту операцию отвечает интегрирующий блок 8.

Анализ и синтез предлагаемой системы целесообразно проводить методами структурного моделирования, используя, пакет прикладных программ MatLAB/Simulink [7,56]. Для этого была создана математическая модель, представленная на рис. 2.3.

Рис.2.3 Математическая модель механической части РМ В качестве входного сигнала используется два импульса крутящего момента Step 1 и Step 2, моделирующие разгон привода и выход его на установившийся режим. Вывод сигналов перемещения и скорости осуществляется при помощи виртуального осциллографа Scope.

Наименования блоков, приведенных на рисунке, соответствуют оригинальным звеньям используемого программного комплекса.

Проведем анализ построенной системы. На рис. 2.4 представлены осциллограммы скорости и перемещения электрода. Под действием момента электрод перемещается вниз. В данной модели отсутствуют какие-либо ограничения по перемещению, поэтому электрод с равномерной скоростью опускается все время моделирования. Смоделируем перемещение электрода с разными скоростями. Для этого зададим разные импульсы крутящих моментов. Разгон системы осуществляется за время равное 1с. В первом случае двигатель разгоняет электрод до скорости. Общее перемещение электрода составляет 24 мм за время моделирования 10 секунд.

Уменьшив скорость электрода до, он проходит путь равный 9,6мм, что 2,5 раза меньше чем в первом случае.

Рис.2.4. Осциллограммы перемещения и скорости электрода Результаты исследования подтверждают адекватность разработанной модели, которая может быть использована для сравнения различных кинематических схем механизмов и выбора целесообразного варианта для конкретного регулятора. Для исследования процессов, возникающих при ударе электрода в шихту необходимо разработать алгоритм и построить математическую модель, описывающую этот удар.

2.4 Разработка математической модели удара электрода в шихту На первой стадии плавки в дуговой сталеплавильной печи зажигание электрической дуги производится путем касания электродом переплавляемой шихты для организации короткого замыкания, в результате чего происходит локальный нагрев места соприкосновения в следствии протекания большого тока – тока КЗ, и дальнейшее начало термоионизации – обязательного условия возникновения дуги в ДСП. Для дальнейшего возникновения дуги необходимо устранить КЗ и увеличивать дуговой промежуток, что и делает автоматика регулятора мощности. Однако в момент первого касания электрода в шихту происходит удар и зачастую он приводит к поломке электродов. Рассмотрим более подробно процессы, протекающие при этом.

После этапа завалки печи и закрытия свода электрод находится в верхнем положении. С момента включения печи и начала опускания электрода до приближения его к шихте проходит достаточно много времени и электрод успевает разогнаться до номинальной скорости. Величина скорости зависит от емкости и мощности печи. В настоящее время с целью повышения быстродействия и производительности печи скорости перемещения электрода увеличиваются и достигают значений в 6 12 м/мин.

Соприкосновение электрода на такой скорости с шихтой безусловно приводит к возникновению усилия удара в электроде направленное как по оси электрода, так и в радиальном направлении.

Шихта с физической точки зрения представляет собой упругое тело.

Поэтому с ростом воздействия на нее растет и сила сопротивления этому действию. Иными словами заглубление электрода в шихту сопровождается ростом силы сопротивления.

Итак, составим структурную схему описанного процесса удара (рис.

2.5).

Входным внешним сигналом для разрабатываемой системы будет являться величина перемещения электрода. Для наглядности описания процессов в качестве нуля логично выбрать верхний уровень шихты, т.е.

уровень касания нижнего торца электрода и шихты.

Движение электрода начинается из начального положения, задаваемого блоком 1, со скоростью. Начальное положение электрода задается вручную и считается от нулевой точки. Входной сигнал перемещения электрода сравнивается при помощи сумматора 2 с заданным значением начального положения. Поскольку перемещение, по умолчанию, является отрицательным сигналом (направление движения электрода - от начального положения к нулю), то сумма сигналов постоянно уменьшается. До момента достижения суммы сигналов нулевого уровня ключевой элемент 3 включен на блок 4, вводящий в систему сигнал нулевого уровня. Когда сумма сигналов перемещения станет равной 0, т.е. электрод коснется шихты, ключевой элемент изменяет свое положение и вместо нулевого сигнала, вводит в систему сигнал перемещение электрода после его касания с шихтой, т.е. величину просадки, который в свою очередь поступает на вход блока 5, описывающий упругие характеристики шихты. На выходе блока формируется сигнал усилия, возникающего в шихте в результате ее сжатия под действием электрода. Перевод этого усилия в момент сопротивления осуществляется при помощи усилительного блока 6. Коэффициент усилительного блока равен плечу действия силы. Чтобы получить напряжение в электроде, возникающее в результате действия усилия удара, необходимо ввести площадь, к которой приложено это усилие. Для этого в системе имеется усилительный блок 7, усилительный коэффициент которого равен площади контакта электрода с шихтой.

Блок 5 несет в себе информацию о используемой шихте и ее свойствах.

Задачей этого блока является формирования сигнала усилия пропорционального входному перемещению. Условия пропорциональности задаются в табличном виде и соответствуют упругой характеристики шихты.

Рис. 2.5 Структурная схема механизма удара Определение упругих характеристик шихты с различными насыпными свойствами описано в главе 4.

Проведем анализ и синтез работы математической модели удара электрода о шихту. Для этого построим модель по описанному выше алгоритму в среде прикладных программ MatLAB Simulink рис. 2.6.

Рис. 2.6 Математическая модель механизма удара Сигнал перемещения электрода моделируется при помощи звена Ramp, задающего падающую характеристику от 0 до бесконечности.

Начальное положение электрода задаем 0,3 м с помощью звена Constant1.

перемещения в звено Lookup Table1. Усилители Gain и Gain1 служат для вывода величины момента сопротивления и напряжения в электроде. Для сравнения с максимально допустимым значением напряжений в электроде в модель добавлено звено Constant2, устанавливающее значение 20,6 МПа. Для вывода напряжения в электроде, момента сопротивления и перемещение построенной системы для разных свойств шихты. Результаты представлены на рис. 2.7.

электрода и его разность с сигналом начального положения. Как говорилось рассматриваемой разности нулю. Это происходит в момент времени секунд. Дальнейшее перемещение электрода сопровождается просадкой шихты.

Рис.2.7 Осциллограммы перемещения электрода, момента сопротивления и Поскольку в модели удара не предусматривается никаких ограничений по перемещению (они возникнут позже при построении комплексной модели удара), то электрод будет опускаться с равномерной скоростью все время моделирования. На средней осциллограмме приведен момент сопротивления на привод, возникающий при упоре электрода в шихту. Из-за отсутствия ограничений в описываемой модели величина момента также ничем не ограничена. Отметим что при использовании разной шихты угол наклона характеристики разный. Угол увеличивается при увеличении жесткости шихты, т.е. увеличению ее насыпной плотности.

На нижней осциллограмме приведено напряжение в электроде, возникающее при упоре в шихту. Характер зависимости напряжения схож с моментом сопротивления. Для сравнения в модели приводится значение предельно-допустимого напряжения в электроде по данным Московского электродного завода «Графит-ЭЛ», которое составляет 20,6 МПа. Очевидно, что точки пересечения с линией предельно-допустимого напряжения являются критическими точками. Работа электродных свечей ниже линии предельно-допустимого напряжения невозможна, она приведет к ее поломке.

Также не рекомендована работа в зоне близкой к предельно-допустимому напряжению.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод об адекватности модели и возможности использования ее для дальнейших исследований и создания усовершенствованного алгоритма управления ДСП.

2.5 Математическая модель системы «механизм перемещения – Разработанные математические модели механической части регулятора мощности и механизма удара позволяют создать более общую математическую модель системы «механизм перемещения – электрод – шихта». Данная система позволит исследовать механические процессы, проходящие в момент удара электрода в шихту на первом этапе плавки в период зажигания дуги, определить количественные значения всех используемых величин и дать им качественную оценку. Кроме того появится возможность выделить параметры и определить их рекомендуемые значения, необходимые для сохранения целостности электродов.

Структурная схема системы «механизм перемещения – электрод – шихта» представлена на рис. 2.8. Она представляет собой связку двух разработанных ранее модулей механической части РМ (п. 3 настоящей главы) и механизма удара в шихту (п. 4 настоящей главы). В качестве входного сигнала для модуля удара является выходной сигнал блока 8.

Нагрузка на механизм перемещения электрода и на исполнительный привод должна возрастать с ростом усилия, создаваемого шихтой. Поэтому выходной сигнал блока 13 через усилительный блок 14 поступает на вход механизма перемещения с отрицательным знаком, нагружая привод и замедляя движение электрода.

Рис. 2.8 Структурная схема системы «механизм перемещения – По причине нелинейности предлагаемой системы дальнейший анализ и синтез будем проводить методами структурного моделирования, используя, пакет прикладных программ MatLAB/Simulink. Предложенная структурная схема, легла в основу математической модели, представленной на рис. 2.9.

Наименования блоков, приведенных на рисунке, соответствуют оригинальным звеньям используемого программного комплекса.

Рис. 2.9 Математическая модель системы «механизм перемещения – электрод Исследование процессов взаимодействия электрода с шихтой Исследование системы будем приводить в относительных величинах.

Расчет коэффициентов и точная настройка модели на данном этапе разработки не требуется, по причине отсутствия модели привода.

Предлагаемая модель является идеализированной и корректно отображает лишь интервал времени до полной остановки электрода. Поведение модели после равенства скорости электрода нулю не является корректным и анализироваться далее не будет.

правильность ее показаний. Для этого посмотрим временную зависимость перемещения электрода рис. 2.10. Начало движения электрода происходит из начального положения, задаваемого звеном Constant1. При заданном времени разгона скорость электрода изменяется в течение первых 3,5 секунд, поэтому зависимость в этом интервале времени нелинейная. Электрод движется вниз, поэтому значение перемещения со временем уменьшается. В момент равенства сигнала перемещения электрода нулю достигается равенство сигнала с блока Integrator1 и Constant1, что приводит к переключению ключевого звена Switch1 и включению в обратную связь звеньев системы, описывающих упругие характеристики шихты. Отметим, что до переключения Switch1 обратная связь имела значение «0», задаваемого блоком Constant, и не влияла на перемещение электрода. После касания электродом шихты ее упругие свойства заставляют электрод тормозить.

Однако происходит это не сразу. Электрод полностью остановится только в том случае, если момент сопротивления шихты возрастет до значения момента, приводимого в движение электрод. На рассматриваемой модели для этого требуется 0,2с. За это время электрод проходит некоторый путь в шихте, сжимая ее. После остановки на электрод действует сила сопротивления шихты, заставляющая его изменить знак скорости и начать подниматься.

Рис. 2.10 Осциллограмма перемещения и скорости электрода Происходит это из-за особенности задания момента с привода. Модель не является следящей системой и поэтому корректно работает только до момента равенства скорости нулю.

Характер полученных зависимостей совпадает с теоретическими представлениями о механизме удара. Исходя из этого, можно сделать вывод об адекватности разработанной модели и возможности ее использования для исследования механизма удара электрода о шихту.

Как известно, сила, возникающая при соударении двух тел, зависит от скоростей их движения и от их свойств. В нашем случае усилие сопротивления шихты перемещению электрода будет зависеть от скорости движения электрода в момент удара и от упругих свойств шихты. Поэтому необходимо провести исследование влияние этих параметров на процессы, происходящие при ударе электрода в шихту.

Рис.2.11 Осциллограммы момента сопротивления, перемещения и скорости электрода при разных насыпных плотностях шихты Используя разработанную математическую модель, проведем ряд экспериментов, варьируя свойства шихты и скорость перемещения электрода.

Как говорилось ранее, наиболее часто ДСП работают на насыпных плотностях шихты в интервале 1,0 1,4 т/м3. Упругие свойства для таких шихт были исследованы экспериментально и для них получены зависимости силы сопротивления от величины просадки (Глава 4). Используя эти данные в разработанной модели можно построить осциллограммы перемещения электрода из начального положения до остановки при касании с шихтой, скорости перемещения электрода в момент удара и возникающего момента сопротивления при разных насыпных плотностях (рис. 2.11).

Из полученных данных видно, что чем больше насыпная плотность шихты, тем ее упругие характеристики выше и тем меньше электрод заглубляется в шихту. Объясняется это нехваткой мощности привода для дальнейшего продолжения движения электрода. Кроме того хорошо прослеживается увеличение момента сопротивления с ростом насыпной плотности. Причина роста момента заключается в увеличении силы сопротивления просадке шихте при увеличении ее плотности. По полученным осциллограммам можно построить зависимость величины просадки шихты и момента сопротивления от насыпной плотности (рис. 2. и 2.13). Отметим, что на данном этапе исследования проводятся в относительных единицах. Корректно настроить модель и получить количественные показатели невозможно из-за ограничения математической модели, а именно моделирования привода.

При реальной работе ДСП выбор насыпной плотности шихты практически невозможен. Она напрямую зависит от перерабатываемого сырья, которое постоянно меняется. Поэтому в качестве инструмента воздействия на величину момента и усилия сопротивления предлагается выбрать скорость перемещения электрода.

Просадка шихты Момент сопротивления Рис. 2.13 Зависимость момента сопротивления от насыпной плотности сопротивления, действующего на привод и перемещение электрода в осциллограмм видно, что чем больше скорость, тем выше перерегулирование и электрод глубже погружается в шихту и тем более высокий момент сопротивления возникает.

Рис. 2.14 Осциллограммы момента сопротивления, перемещения и скорости электрода при разных скоростях перемещения электрода По полученным осциллограммам можно построить зависимость величины просадки электрода и момента сопротивления от величины скорости перемещения электрода (рис.2.15).

Математическая модель системы «механизм перемещения – электрод – шихта» является универсальной моделью, не зависящей от типа привода, и может быть использована для комплексного изучения переходных процессов зажигания электрической дуги в ДСП при исследовании регулятора мощности ДСП.

Рис.2.15 Зависимость просадки шихты и момента сопротивления от скорости Режимы работы ДСП в основном определяются характеристиками электрической дуги, устранения эксплуатационных КЗ, поддержание и регулирование вводимой в печь мощности. Последнее осуществляется изменением напряжения на дуге. Реализуется это путем изменения ступеней напряжения на питающем трансформаторе, либо изменением длины дуги за счет перемещения электрода. В случае использования постоянного тока в качестве питающего, в цепи появляется дополнительный элемент – преобразователь тока и тогда появляется возможность плавно регулировать ток. Обычно в сталеплавильных печах переключение ступеней напряжения производится только при переходе на следующую стадию плавки, а регулирование в рамках одной стадии происходит путем изменения межэлектродного расстояния. Кроме того зажигание электрической дуги и отработка эксплуатационных КЗ при обвалке шихты производится также путем перемещения электрода. Поэтому далее будет рассмотрен только один канал регулирования мощности вводимой в печь и отработки возмущающих воздействий – перемещение электрода.

Классический электромеханический регулятор мощности строится согласно функциональной схемы, упрощенный вид которой приведен на рис.

2.16 [16, 20, 36, 38]. Современные системы управления технологическими установками строятся на промышленных контроллерах поз.1, обеспечивающих сбор и обработку данных с датчиков объекта, управление исполнительными приводами и устройствами, поддержание рабочего режима и контроль состояния всего комплекса. На вход контроллера задаются технологические параметры объекта управления, задания и уставки рабочего режима и параметры системы, в данном случае ток и напряжение в цепи питания электрической дуги.

Рис. 2.16 Функциональная схема регулятора мощности ДСП измерительного трансформатора тока TA, обычно установленного на токоведущую шину, и измерительного трансформатора напряжения TV и подаются на вход промышленного контроллера после блока преобразования воспринимаемые контроллером. Обычно это либо токовый сигнал 020 мА исполнительным органом РМ ДСП является механизм перемещения электрода, а точнее – привод механизма перемещения электрода. В вырабатывается управляющий сигнал на привод. Понятие привод включает в себя комплекс из электродвигателя поз.4 рис. 2.16 и силового устройства управления. Преобразование вращательного движения в поступательное осуществляется при помощи механизма перемещения электрода, состоящего из механических передач. Обычно используется несколько преобразований.

Так распространены комбинации редуктор – «винт – гайка» поз. 5 или редуктор – «шестерня - рейка». К механизму перемещения электрода также можно отнести и электрододержатель поз.6, задачей которого является удержание графитированного электрода поз. 7 и обеспечение подвода тока к нему с минимальными электрическими потерями. Электрическая дуга поз. горит между токопроводящей шихтой поз.9 и электродом внутри рабочего пространства, ограниченного ванной печи поз.10.

используются привод постоянного тока с независимым возбуждением и асинхронные приводы, состоящие из асинхронного электродвигателя и частотного регулятора напряжения. Реже используются синхронные двигатели и сервоприводы. Подавляющее большинство ДСП литейного класса емкостью до 15 тонн с электромеханическими регуляторами мощности используют в качестве привода перемещения электродов двигатели постоянного тока с независимым возбуждением. Частотные регуляторы напряжения в те времена были мало развиты и стоимость их была значительно выше. Поэтому дальнейшее создание модели регулятора мощности будет включать в себя использование привода постоянного тока с независимым возбуждением. Такая модель системы является наиболее перспективной для использования ее при модернизации системы управления ДСП.

Функциональная схема ДПТ НВ приведена на рис 2.17. Управление двигателем постоянного тока поз.1 производится путем изменения напряжения, приложенного к цепи якоря, при неизменном напряжении на обмотке возбуждения поз. 2 и магнитном потоке возбуждения.

Таким образом, входное воздействие для двигателя постоянного тока является напряжение, а выходным – скорость и момент.



Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – ОГЛАВЛЕНИЕ...»

«Махалин Александр Николаевич ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук НАУЧНЫЙ...»

«Грачева Елена Ивановна РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Казань 2014 Оглавление ВВЕДЕНИЕ............»

«Михалев Сергей Владимирович СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 6-10кВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : д.т.н., профессор...»

«ТАРАНОВ Сергей Игоревич СТРУКТУРА И СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГОРНО–ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических...»

«РАДЬКО Сергей Иванович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук,...»

«Лукпанов Женисбек Кожасович Электропривод нефтеперекачивающих станций с преобразователями частоты 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : Сагитов П.И. Алматы, 2007 41 Алматы, 2005 Содержание Введение.. 1 Исследование технологических особенностей работы мощных электроприводов нефтеперекачивающих насосных станций. 1.1 Способы...»

«Масликов Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ Специальность: 05.09.10– Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«ПАПШЕВ Вячеслав Андреевич МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ БИОКЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ЛАЗЕРНЫМ ИКИЗЛУЧЕНИЕМ С УЛУЧШЕНИЕМ ИХ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Специальность 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : д.т.н., проф. Лясников В.Н. Саратов – 2014 2 Содержание: Введение 1. Современное состояние вопроса совершенствования...»

«ГОРБИК Владислав Сергеевич СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ МАКСИМАЛЬНОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ПО КОНТУРУ ТОКА (МОМЕНТА) ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на...»

«ТИМОЩЕНКО Константин Павлович РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЦИФРОАНАЛОГОВОГО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«Пищалев Константин Евгеньевич Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук...»

«УДК 62-83::621.314.5 МОДЗЕЛЕВСКИЙ Дмитрий Евгеньевич ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук профессор...»

«Овсянников Владимир Николаевич МОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОГРАНИЧЕННЫМ УГЛОМ ПОВОРОТА РОТОРА Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : кандидат технических наук, доцент Макаричев Ю.А. Самара 2014 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.....»

«КАБАЛИН ЕГОР ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ДВУХКОНТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТИГЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ Специальность 05.09.10 - Электротехнология Диссертация на соискание учной степени кандидата технических наук Научный руководитель : д. т. н., профессор Кувалдин А.Б. Москва -...»

«ДИЁРОВ РУСТАМ ХАКИМАЛИЕВИЧ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – к.т.н., доцент...»

«Самсонов Дмитрий Сергеевич Электроимпульсная технология получения ультрадисперсных материалов 05.09.10 – Электротехнология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д. т. н., профессор Гончаров В. Д. Санкт-Петербург – 2014 2 Содержание Введение.................................... Глава 1 Методы...»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – 201 ОГЛАВЛЕНИЕ Оглавление Введение Глава 1. Анализ работы стана ХПТ...»

«ДЖАБОРОВ МЕХРУБОН МАХМАДКУЛОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени Кандидат технических наук Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Н....»

«БЫСТРОВ АЛЕКСЕЙ ВАДИМОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ ОДНОЖИЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАПРЯЖЕНИЕ 6-500 КВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Хевсуриани И.М. Москва СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.