CC BY
35
'Г' УДК 621.365.22 (075.8)
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧАХ
М.Г. Кузьмин, С.А. Кузин, Р.А. Бикеев
¡11 Новосибирский государственный технический университет В.Ф. Хацевский
Павподарский государственный университет им. С. Торайгырова
III Аса цуатты дагальщ болат цорытатын электр пештершдегi
CI" электрод-электродустагыш жуйесш1ц горизонталдыц тербел1стерт1ц
|Ц§ женерименттi к зерттеулертщ нэтижелер1 царастырылган. Электр пештершщ ушфазалык, жуйестдег1 фазалардьщ эрекеттеетт арцылы электродинамикальщ куштердт эсер етутен болган этктромеханикалык, тербел1стерд1ц процесше талдау жасалган.
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований горизонтальных колебаний системы электрод - этктрододержатель в сверхмощных дуговых сталеплавильных электропечах. Приводится анализ причинно-следственных процессов электромеханических колебаний, вызванных электродинамическими силами при взаимодействии фаз в трехфазной системе электропечей.
The results of experimental researches of horizontal fluctuations of system an electrode — electmde holder in super powerful aiv steel-melting electric furnaces are considered. The analysis of causal-investigatory processes of electwmechanic fluctuations, caused by electrodynamic power at interaction of phases in three-phase system of electric furnaces are made.
1. Пос1
В результате проведенного комплексного изучения дуговых сталеплавильных печей (ДСП), включающего математическое моделирова-
ювка задачи
ние и экспериментальные исследования, была разработана обобщенная схема действующих взаимосвязей в электромеханической системе ДСП,
приведенная на рис Л. Система включает в себя совмещенные по проявляемым электродинамическим и механическим свойствам различные участки токоподвода, механические конструкции и автоматический регулятор мощности. Обобщенная схема дает новое представление о причинно-следственных связях возникновения и развития колебаний в ДСП и положена в основу математического моделирования электромеханических колебаний и анализа результатов экспериментальных исследований.
Обобщенная схема изображена для одной фазы, но следует учитывать, что каждый заформализо-ванный участок схемы (кроме трансформатора) характеризуется фазным током, находящимся в электродинамической взаимозависимости с соседними фазами, и изменяется от прямых и обратных связей в системе. Это приводит к электромеханическим колебаниям соседних фаз при изменении тока в конкретной фазе. При этом указанная связь с большей интенсивностью проявляется в опережающей фазе по сравне-
нию с отстающей. Эти процессы имеют равнозначные причины с переносом мощности по фазам электромеханической системы. Участок гибких кабелей является источником изменения индуктивного сопротивления токоподвода А((у; ■ Ь) с учетом различных составляющих тока по частотам (\¥;); электромеханические колебания на участке элек трододержателя с трубошинами и электродом приводят к пространственному изменению положения конца электрода (х, у, г) и, следовательно, изменению длины дуги 1д < частотой собственных колебаний системы; участок регулятора мощности изменяет положение электрода, составляющую длины дуги по оси " - /., пространственное расположение гибких кабелей (также по оси 2 - д^ ). Многофакторные причины первичных возмущений, действующих на дуг овой разряд, характеризуются статистически неопределенными закономерностями; каждое возмущение может характеризоваться вероятностью возникновения, следовательно, частотой влия ния на рабочий ток.
2. Анализ причинно-следственных связей при развитии электромеханических колебаний в ДСП
Процесс возникновения иразви- тродинамических сил Р' - /(1А, /
1С), которым противодействуют внутренние силовые факторы, обусловленные деформациями и жесткостью механической системы. При
тия колебаний. При протекании то ков 1
■ 4БСпо токоподводу механическая система каждой фазы оказывается под действием межфазных элек-
этом достигается квазиустойчивое равновесное напряженно-деформированное состояние. Причинами выхода системы из равновесия являются физические явления, непосредственно определяющие первичные колебания амплитуды фазных токов и, следовательно, изменения электродинамических усилий /V = /(1А, /д. 1С). С действием электродинамических сил связано колебательное движение гибких кабелей, что вызывает изменение взаимоиндуктивных связей, результирующего индуктивного сопротивления токоподвода короткой сети Хк ~/(щ.-Ь ), и, как результат, модулируется изменение тока
ЛГ =-/[А(а.Ькс)].
В результате действия переменных электродинамических сил на медные трубошины, электродо-держатель и электрод происходит деформация всей электромеханической системы. Изменяется пространственное местоположение рабочего конца электрода, изменяется длина и электрическое сопротивление дуги, что вызывает изменение рабочего тока в токоподводе на величину А/ =/ (1.1,1) и, следовательно,
к у 2
изменяются электродинамические силы. Это вновь приводит к изменению деформаций в электромеханической системе ДСП. На эти процессы накладывается изменение тока и
деформации в системе электрод-электрододержатель от вертикального перемещения электродов. Ток дуги, одновременно являясь первоисточником электродинамических сил, зависит от1 положения электрода в пространстве и изменения реактивного сопротивления установки за счет колебаний гибких кабелей, а также за счет изменения во времени относительной симметрии токоподводов фаз при вертикальном перемещении электродов. Очевидное наличие замкнутых контуров с прямыми и обратными внутренними связями приводит к возникновению и самоподдержанию электромеханических колебаний. На все эти процессы в конкретной фазе накладываются взаимодействия токов отдельных фаз.
Существенное различие механических свойств системы на отдельных участках (электрод, электродо-держатель с токоподводом, гибкие кабели) определяют интенсивность (амплитуды) и частоты колебательных движений в системе. Динамические характеристики (собственные частоты элементов конструкции, формы колебаний, коэффициенты затухания) определяют способность электромеханической системы ДСП ограничивать отбор энергии от источника питания (трансформатора), а значит, снижать вводимую в печь активную мощность.
Экспериментальные и расчет-
по-моделирующие исследования показывают, что автоколебания рассматриваемой системы могут переходить в резонансные колебания при совпадении собственных частот отдельных участков системы с час-готами возмущений электрического режима. При этом наблюдаются максимальные амплитуды перемещений гибких кабелей и системы электрод-электрододержатель. Это определяет значительные обратные влияния электромеханической системы на электрические режимы печи. Следствием резонанса элект-рододержателей с электродом могут быть повторно-кратковременные обрывы дуги, приводящие к невозможности осуществления электро-гехнологического процесса.
Кабельные гирлянды, обладая высокими демпфирующими свойствами и большой подвижностью, пассивно отрабатывают изменения электрического режима и вводят в ток низкочастотные гармоники за счет изменения индуктивности установки. Различное влияние отдельных участков электромеханической
системы на колебательные процессы через изменение электрических режимов печи позволяет рассматривать колебания кабельных гирлянд отдельно от колебаний участка электрод-электрододержатель. Экспериментальные исследования электрических режимов работы ДСП подтверждают существование регулярных возмущений с частотами 2...б Гц, обусловленных автоколебаниями системы электрод-эз'ектродо-держатель, и нерегулярны.': колебаний с частотами до 1 Гц, св>. аниь'х с перемещениями в пространства гибких токоподводов.
Таким образом, колебания электрических параметров и электромеханические колебания элементов конструкции ДСП под действием электродинамических сил являются неотъемлемым свойством рас-см атрива ем ых электромеханических систем, обусловленным физической природой возмущений в зоне горения печной дуги, электродинамическим взаимодействием фаз и механическими свойствами самих систем.
3. Методы экспериментальных исследований
На основе экспертного анализа действующего парка ДСП было принято решение о проведении экспериментальных исследований на базовых для отечественной электрометаллургии электропечах емкостью 100 т. Для обеспечения досто-
верности и воспроизводимости результатов исследований эксперименты проводились на печах ДСП-100И6 Молдавского металлургического завода и аналогичных печах завода «Амурсталь» (г. Комсо-мольск-на-Амуре). Для анализа об-
щности выявленных свойств ДСП как электромеханических систем привлекались отдельные результаты экспериментальных исследований электромеханических колебаний на электропечах ДСП-50 («Днепрос-пецсталь», г. Запорожье), ДСП-1ООНЗ (Донецкий металлургический завод), ДСП-25Н2 (завод «Красный Октябрь», г. Волгоград), ДСЛ-12 постоянного тока (Челябинский металлургический комбинат). Полный комплекс исследований проведен также на экспериментальной ДСП емкостью 300 кг (ОАО «СКБ Сибэ-лектротерм», г. Новосибирск).
В основу методической постановки экспериментальных исследований положена синхронная запись колебаний электрических, а, следовательно, электродинамических параметров и механических колебаний системы электрод-электродо-держатель. Для получения сведений об электродинамическом поведении системы использовались традиционные подходы измерения мгновенных значений токов трех фаз с помощью светолучевого осциллографа.
Для исследования поведения системы электрод-электрододержа-тель была разработана комплексная оригинальная методика, включающая оптический метод измерения колебаний электродов, тензорезис-тивный метод измерения механических характеристик, реохордный метод измерения положения коорди-
нат отдельных точек электромеханической системы. В экспериментах использовался динамометр и тяговая лебедка. Виброграммы регистрировались самопишущими приборами и светолучевым осциллографом. Все методы измерений использовались одновременно на электропечах ДСП-100И6, ДСП-ЮОНЗ, ДСП-50 и ДСП-25Н2.
Схема устройства оптической системы для измерений горизонтального перемещения рабочего конца электродов приведена на рис. 2 и включает источник питания (1) и оптический квантовый генератор непрерывного действия (О КГ) типа ЛГ-56 с основной длиной волны генерации 0,63 мкм мощностью излучения 2 мВт (2). Генерируемый лазерный луч подавался на многогранное вращающееся зеркало (3) и далее через линзы (4 и 6), диафрагму (5) попадал в кремниевый фотодиод ФД-7К (7), из которого сигнал через усилитель (5) подавался на самопишущий прибор Н-327-5 (9).
Оптическая система визировалась таким образом, чтобы в исходном состоянии электрод частично перекрывал световой поток. При колебаниях электрода из положения а в положение б происходило дополнительное частичное перекрытие электродом светового потока или, наоборот, частичное открытие затененной части потока. Изменение светового потока регистрировалось
фотодиодом. При проведении экспериментов на электропечи ДСП-I ООН ЗА (Донецкий металлургический завод) использовался лазер типа ЛГ-52-1 с мощностью излучения 8 мВт.
Одновременно с оптическими измерениями проводились измерения с использованием тензорезисто-ров. Схема измерений приведена на рис. 3. В холодной зоне (Т < 70 °С) тензорезисторы (позиции 1 и 2 на рис. 3) представляли собой констан-тановую зигзагообразную проволоку, залитую в лаковую пленку. Проводник из коистантана при растяжении-сжатии существенно меняет сопротивление. Тензорезисторы наклеивались вдоль линий деформации- В горячей зоне на рукаве электрододержателя (датчики 3 и 4) использовались проволочные тензорезисторы типа НМП-430 производства Краснодарского завода «Тен-зоприбор». Стальная основа тензо-резистора закреплялась на металлоконструкциях с использованием точечной сварки.
Датчик в точке 1 позволял определить угол поворота стойки электрододержателя вокруг оси Zзa счет возникающего крутящего момента на крайних фазах (Мкр). Датчиком в точке 2 измерялась относительная деформация е2 в плоскости Х07., в точке 3 - относительная деформация е, в плоскости ХОТ, в точке 4 - относительная деформация б4 в плос-
кости Х02. При обработке экспериментов учитывалась измеряемая температура в области расположения датчиков Зч4(Т = 340. ..370°С).
На головке электрододержате-лей устанавливался реохорд для измерения пространственных перемещений этой координаты при тарировке тензорезшторов. Рабочие ре-охордные датчиси пространственных перемещение устанавливались в точке б (датчик угловых перемещений) и в точке 7 (вертикальные перемещения стойки). В точке прикладывалось измеряемое динамометром тарировочное усилие.
Определение податливости конструкции электрододержателя в направлении оси У осуществлялось в специальном эксперименте. В точке 5 (см. рис. 3) прикладывалось усилие, создаваемое ручной лебедкой. Тяговый трос подсоединялся через регистрационный динамометр. Пространственное перемещение электрододержателя под действием измеряемого усилия регистрировалось реохордом, установленном в точке 6 на механизме зажима электрода. По показаниям реохорда и величине приложенного усилия определялась податливость электродо держателя.
Возбуждение свободных колебаний осуществлялось с помощью лебедки, которой оттягивали стойку электрододержателя через специальную проволоку в направлении
оси У. При достижении заданного отклонения, измеряемого оттариро-ванным реохордом, проволоку перерубали. При этом система электрододержателя с электродом переходила в режим свободных колебаний. В последующем возбуждение свободных колебаний в отдельном цикле экспериментов осуществлялось толчками привода вертикального перемещения стоек всех трех фаз поочередно, толчками приводов отворота свода и наклона печи. Виброграммы регистрировались при различном вылете стоек электрододержателя с использованием свето-лучевого осциллографа.
В рабочем режиме синхронно снимались осциллограммы мгновенных значений токов всех трех фаз, виброграммы крутильных и изгибных колебаний, относительные деформации в плоскости элект-
рододержателя ХОХ, горизонтальной плоскости ХО У. Фиксировался вылет стойки с помощью реохорда.
Результаты измерений оптическим и тензометрическим методами в горизонтальной плоскости ХОУ практически совпали. Точность проведенных экспериментов оказалась в диапазоне класса использованных приборов и составила ±2,5 %. Записи режимов проводились в начале расплавления завалки, в период проплавления колодцев в шихте, после окончания периода расплавления, после подвалки шихты и в период свободного горения дуг. Для измерения диссипативных свойств системы электрод-электро-додержатель дополнительно записывались вертикальные перемещения электрода с помощью реостатного датчика, механически связанного с поверхностью колеблющегося электрода.
4. Результаты экспериментальных исследований на электропечи
ДСП-100И6
Исследование закрепления сила в направлении У и измерялось
стойки в направляющих роликах. Для
оценки влияния жёсткости направляющих роликов на перемещения торца электрода был проведен следующий эксперимент. В крайнем нижнем положении стойки, практически при нулевом её вылете над верхними роликами, в районе головки электрододержателя (см. рис. 3) прикладывалась нормированная
перемещение в этом направлении головки электрододержателя. Так как все факторы, за исключением жесткости роликов, в этом положении дают фактически нулевой вклад, то измеренная податливость электрододержателя д - 5-Ш7 м/Н определяется податливостью роликов при повороте стойки. Измеренная податливость согласу-
ется с величиной, полученной при испытаниях 1-ой ДСП-100И6 на стенде ПО «Сибэлектротерм».
Свободные колебания системы )лектрод-электрододержатель. Благодаря наличию большого числа степеней свободы, свободные колебания электрододержателя с электродом представляют собой сумму нескольких гармоник в диапазоне 1.5...6 Гц (реже - до 10 Гц). Однако для каждой степени свободы характерна, как правило, одна ведущая частота. На рис. 4 видно, что колебания стойки: крутильные, изгибные в плоскости изгиб-ные в плоскости ХОХ - имеют правильную синусоидальную форму и свою частоту.
Следует заметить, что при больших, чем на рис. 4 амплитудах колебаний, характерных для рабочего
Частоты свободных колебаш
режима печи, крутильные колебания стойки навязывают свою частоту из-гибным колебаниям в плоскости YOZ, поэтому в дальнейшем колебания электрододержателя характеризуются двумя величинами: частотой крутильных колебаний стойки и частотой изгибных колебаний стойки в плоскости XOZ. Полученные данные приведены в таблице.
Диссипативные свойства системы электрод-электрододержатель характеризовал г с ь логарифмическими декреметами затухания колебаний, измерентши в нижнем положении стойки. Ихве-личины оказались равны: для крутильных колебаний стойки Q-0,15...0,45, для изгибных колебаний стойки в плоскости XOZ Q = 0,1... 0.15.
Таблица
й электрододержателя 1-ой фазы, Гц
Наименование деформации Положение стойки
нижнее среднее Верхнее
1. Кручение стойки:
а) без электрода 4.0-4.5 3.0 -
Б) с электродом 2.5 2.0 1.5
2. Изгиб стойки в
плоскости Х07,
а) без электрода 6.2 4.5 -
Б) с электродом - 3.5 2.5
Низкочастотная модуляция амплитуды токов. При исследовании колебаний токов в диапазоне
0...10 Гц выяснялись следующие вопросы:
а) насколько значительны эти
колебания;
б) каков их частотный спектр;
в) являются ли они следствием электромеханических колебаний электрододержателя с электродом или вызываются системой автоматического регулирования (САР) ДСП.
С этой целью параллельно регистрировались токи всех фаз(7у, l2(t),I3(t), крутильные - хгт(t) и из-гибные колебания стойки 1-ой фазы и положение стойки 1-ой фазы по высоте Z(t).
Визуально на регистрограм-мах можно выделить участки: с хаотическими изменениями амплитуд токов (рис. 5а); с их регулярной низкочастотной модуляцией (рис. 5.6, 5 .в).
Токи на участках типа а) характеризуются среднеквадратичным отклонением амплитуды в 7...15 % от её среднего значения. На участках типа б) модуляция глубже - 20... 100 %. Участки типа а) и б) отличаются также по амплитуде механических колебаний: на участках типа б) она, как правило, больше. Если на участках типа а) амплитуда крутильных колебаний стойки соответствует крутящему моменту в 8-103...12-Ю3 Н-м, то на участках типа б) от 12-103 до 20-1 О3 Н-м, а иногда - до 50-Iff Н-м.
На участках типа б) наблюдалось два варианта модуляции амплитуд токов: модуляция синхронная с крутильными колебаниями стойки
(диапазон частот 1,5...2,5 Гц, рис. 36) и модуляция с частотой 3...4 Гц (рис. 5в). Частота в 3...4 Гц характерна для колебаний электрододержателей в плоскости ХОХ, и, поскольку
электромеханические колебания происходят с частотами, близкими к собственным, причиной модуляции тока с такой частотой можно считать электромеханические колебания в плоскости электрододержателя.
Более тщательный анализ частотного спектра был осуществлен посредством дискретного
преобразования Фурье отдельных регистрограмм рабочего режима. Результаты частотного
представления регистрограмм, приведенных на рис. 5а, 56, даны на рис. 6.
Для анализа связи модуляции токов с горизонтальными колебаниями электрододержателей наибольший интерес представляет регист-рограмма тока 1-ой фазы, поскольку колебания его амплитуды можно сравнить с параллельно сделанными записями крутильных колебаний и вертикальных перемещений стойки этой фазы. На рис. 6 видно, что амплитуда тока 11 (I) модулируется синхронно с крутильными колебаниями стойки т-ст(1) (частота около 2,2 Гц). На рис. 5. а явно выраженной низкочастотной модуляции тока не просматривается. Однако
анализ частотных спектров обеих записей показал, что максимальную амплитуду в разложении //('1) имеет гармоника с частотой, равной частоте крутильных колебаний стойки {2,0...2,А Гц на рис. 6.6 и 1,6 Гц на рис. 6.а).
Были обнаружены значительные амплитуды гармоник с частота-ми около 5 Гц ив диапазоне 0,1... 0.8 Гц. Модуляция тока с частотой около 5 Гц связана с изгибными колебаниями электрода, так как частота свободных колебаний графитиро-ванного электрода лежит в диапазоне 5...6 Гц. Источником модуляции амплитуды тока с частотой менее 1 Гц является контур с кабельной гирляндой в электромеханической системе ДСП.
Переходя к вопросу о влиянии САР ДСП на низкочастотную модуляцию токов, заметим, что на обследованной ДСП мы ни разу не наблюдали вертикального возвратно-поступательного перемещения стойки с частотой более 0,5 Гц. Другими словами, реально САР не отрабаты-
вает наблюдаемые низкочастотные колебания амплитуды токов в диапазоне частот 1,5...5,0 Гц. Этот вывод сог ласуется с данными по другим отечественным [1] и зарубежным ДСП [2, 3].
Влияние САР ДСП на механические колебания системы электрод,-электрододержатель носит случайный характер. Вибрации электродо-держателя наблюдаются и на фоне вертикального перемещения стойки, и в его отсутствие. Крайне редко наблюдаются короткие (3.. 4 периода) серии толчков, обусловленные САР, с частотой около 0,45 Гц, вызывающих глубокую модуляцию тока с этой же частотой и синхронные всплески горизонтальных колебаний электрододержателя. Однако, частота этих всплесков в 4 раза меньше собственной частоты колебаний конструкции, а их амплитуды не намного превышают средний уровень.
Полученные на отечественных печах данные согласуются с результатами экспериментов немецких ученых на дуговой сталеплавильной печи емкостью 80 т [2, 3].
ЛИТЕРАТУРА
1 .Чередниченко B.C., Ведин А.Н., Кузьмин М.Г. Электродинамика дуговых сталеплавильных печей: Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-воНГТУ, 2000.- 52 с.
2. Pemus В., Timm К. Analyse Elektromechanischer Skhwingungen
Von Elektroden - Tragarm - Systemen an Drehstrom Lichtbogenofen. - Stal u.Eisen, 105(1985), Nr. 16, S. 837-842.
3. Фавер X., Тимм К. Причины периодических колебаний напряжения в дуговых электрических печах / Черные металлы. - 1982. - №4.
А1=г%, ¡у у, А1=т
Рис.1. Обобщенная схема ДСП, как объекта со взаимосвязанными колебательными контурами
1
Рис. 2. Схема оптической системы измерения перемещений конца электрода в горизонтальной плоскости ХОУ:
Рис. 3. Схема установки тензодатчиков на электрододержателе ДСП-100И6: I-электрод; II - стойка электрододержателя; III - рукав электрододержателя с токоподводом.
Рис. 4. Свободные колебания стойки: стих, сгяу - нормальные напряжения при изгибе в плоскостях Х02 и УОЪ\ акр - касательные напряжения при кручении стойки
'Л^МДА/
a б в
Рис. 5. Регистрограммы рабочего режима: а) хаотичное изменение амплитуд токов; б) низкочастотная модуляция
амплитуды тока h, синхронная с крутильными колебаниями стойки электрододержателя ; в) низкочастотная модуляция амплитуд токов ¡¡, 1з, |> с частотой около 3 Гц.; Ь , L, îi - токи в фазах; Z - вертикальное перемещение стойки; гст- касательное напряжение на стойке
Рис. 6. Частотное представление крутильных колебаний стойки и токов трех фаз с помощью дискретного преобразования Фурье.
