CC BY
47
УДК 621.365.2
Л.П. Горева, А.О. Кривова
ИНФРАЗВУКОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПЕРСОНАЛ, ОБСЛУЖИВАЮЩИЙ ДУГОВЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Сделана попытка определения уровня инфразвуковых колебаний в районе рабочей площадки дуговой сталеплавильной электропечи (ДСП). Решение задачи основано на математическом моделировании электродинамических взаимодействий в электромеханической системе ДСП. Математическая модель основана на методе конечных элементов. Результаты моделирования показали, что инфразвуковые воздействия на персонал, обслуживающий ДСП, достигают максимально допустимых значений.
L.P. Goreva, A.O.Krivova
INFRASONIC INFLUENCE ON THE PERSONNEL SERVING ARC STEEL FURNACE
Attempt of definition of an infrasonic fluctuations level on the working platform of the arc steel furnace is made. The decision of a problem is based on mathematical modeling of electrodynamics' interactions in electromechanical system of furnace. The model is based on the finite-element method. Results of modelling have shown, that infrasonic influences on the personnel of the furnace can reach admissible values.
Согласно ранее проведенным на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки» (АЭТУ) НГТУ исследованиям, дуговая сталеплавильная электропечь (ДСП) при своей работе способна генерировать электродинамические автоколебания электрического режима и механической системы перемещения электродов. Амплитуда колебаний зависит от комплекса параметров: электрического режима, сопротивления вторичного токоподвода, жесткости механической системы перемещения электродов. Частота автоколебаний близка к ведущей собственной частоте рассматриваемой механической системы. Ранее это явление рассматривалось с точки зрения отрицательного влияния на работу печи и питающую сеть. В настоящей работе это явление исследовано с точки зрения генерации инфразвуковых колебаний давления в столбе электрической дуги и влияния их на персонал, обслуживающий печь, тем более что индивидуальные средства защиты обслуживающего печь персонала не спасают от действия инфразвука, тогда как именно такие воздействия крайне опасны для человеческого организма.
Решение задачи основано на моделировании электродинамических взаимодействий в электромеханической системе ДСП. На рис. 1 представлена обобщенная схема ДСП как электромеханической системы. Согласно этой схеме, трансформатор является независимым источником питания, обеспечивающим необходимые электрические режимы работы ДСП. Параметры электрической дуги при заданных напряжениях и
сопротивлениях вторичных токоподводов фаз определяют токи в дугах 1й. Между элементами вторичного токоподвода действуют электродинамические силы, которые определяются величинами фазных токов. Так как элементы вторичного токоподвода жёстко установлены на электрододержателе, являющемся частью механической системы ДСП, электродинамические силы приводят к деформации всей механической системы, а следовательно, к изменению координат конца электрода ЛX, ЛУ, ЛZ, а это приводит к изменению длины дуги Л1й. Таким образом, в электромеханической системе ДСП присутствует обратная связь, соединяющая выход системы с её входом, которая состоит в том, что перемещение нижнего конца электрода оказывает влияние на силу тока дуги и на электродинамические усилия. Такая система при определенных условиях способна генерировать колебания, т. е. является автоколебательной, причем изменения длины дуги имеют горизонтальную составляющую, а значит, соответствующие изменения электрического режима не могут отрабатываться системой автоматического регулирования установки.
Рис. 1. Обобщенная схема ДСП как электромеханической системы
Разработанная на кафедре АЭТУ математическая модель такой системы [1] основана на методе конечных элементов (МКЭ), позволяющем свести систему дифференциальных уравнений статического напряженно-деформированного состояния механической системы с бесконечным числом степеней свободы к системе линейных уравнений, отражающих напряженно-деформированнное состояние отдельных точек непрерывной конструкции, а значит системы с конечным числом степеней свободы. Для описания динамического поведения такой механической системы использовано уравнение
М • й2 X / &2 + В • йХ / & + К • X = ^(г, X), (1)
где М - матрица инерционных свойств; В - матрица коэффициентов демпфирования; К - матрица жесткости механической системы; Х - вектор перемещений узлов расчетной
схемы по степеням свободы; F(t,X) - вектор электродинамических сил.
В данной работе при расчете трехфазного несимметричного электропечного контура с дугами токи в фазах определялись без учета нелинейности дуги и переходных процессов в цепи тока [2]. При этом использована простейшая модель дуги, в которой напряжение на дуге не зависит от тока и является линейной функцией от ее длины.
Определяющим параметром такой модели является градиент потенциала дугового промежутка р. Исследованиям этого параметра посвящены многие работы. Для периода расплавления разброс максимальных значений в,
Рис. 2. Расчетная схема системы перемещения электрода ДСП-100И6 с токоведущим рукавом
по разным источникам, составляет от 9 до 12 кВ/м.
Исследование проведено для системы перемещения электрода реконструированной электропечи ДСП-100И6, оснащенной токопроводящими рукавами фирмы «Фукс» (рис. 2).
Если в уравнении (1) приравнять к нулю правую часть, то получаем математическое описание свободных колебаний механической системы.
Его решение позволяет получать ряд значений собственных частот системы и соответствующих им векторов собственных форм. В результате расчетов мы получили значения первых трех собственных частот системы перемещения электродов:
Для крайней фазы Для средней фазы
1-я собственная частота /с 1 = 3,02 Гц, /с 1 = 3,58 Гц
2-я собственная частота /с 2 = 3,98 Гц, /с 2 = 4,69 Гц,
3-я собственная частота /с 3 = 4,91 Гц, /с 3 = 5,40 Гц
Таким образом, полученные собственные частоты находятся в инфразвуковом диапазоне (/<16 Гц).
Электродинамические колебания при моделировании характеризуются глубиной модуляции тока М. В ходе численных экспериментов была получена зависимость глубины модуляции тока от электрического режима при градиенте потенциала в=10 кВ/м.
Для определения уровня интенсивности инфразвука использованы формулы для нахождения максимального давления сжатия в столбе электрической дуги (2) [3], интенсивности и уровня звука (3) [4]:
_ Д[2
^ _ № ' ^Ж2, (2)
где - магнитная проницаемость, д0=4п'10- Гн/м; Я - радиус столба дуги при токе дуги 50 кА и плотности тока в катодном пятне 500 А/см2, Я^6 см.
_
Р'с
Ь _ 10'
С
I з
V1 зв 0 ,
(3)
где р=/тах - эффективное значение звукового давления, Па; с=344 м/с - скорость звука в воздухе; р - плотность воздуха, кг/м3 (р=0,293 кг/м3 при Т= 1200°С); 1зв0 - пороговое значение интенсивности звука, которое стандартизировано, Вт/м2 (1зв0=10-12 Вт/м2).
Полученная зависимость уровня звука от электрического режима приведена на рис. 3. Из рис. 3 видно, что амплитуды инфразвуковых воздействий в рабочем пространстве печи достигают 150 дБ. Кожух печи выполняет звукоизоляционную функцию, снижая уровень инфра- и звуковых воздействий на 30% [4]. Таким образом, на обслуживающий печь персонал действует инфразвук интенсивностью 100-110 дБ.
Ь, дБ
I, кА
2
140
120
100
80
60
40
Рис. 3. Зависимость уровня инфразвука от электрического режима
Полученные результаты говорят о необходимости защиты персонала от инфразвуковых воздействий, так как индивидуальные средства защиты обслуживающего печь персонала не спасают от действия инфразвука. Более эффективными являются решения, направленные не снижение уровня электромеханических колебаний. Этого можно достичь путем регулирования тока в реальном времени [5]. Основная идея состоит в том, что для управления электрическим режимом ДСП применяются два независимых, но взаимосвязанных контура автоматического управления: управление реактивным сопротивлением, которое обычно подключается последовательно к электропечному трансформатору на первичной стороне, для того чтобы при изменении длины дуги ток дуги оставался постоянным; управление активным сопротивлением дуг путем вертикального перемещения электродов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чередниченко В.С. Электродинамика трехфазных систем дуговых сталеплавильных электропечей / В. С. Чередниченко, Л. П. Елманова // Электротехнологические процессы и установки: сб. науч. тр. Новосибирск: ИТ СО РАН, 1995. С. 3-19.
2. Марков Н. А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок / Н А. Марков. М.: Энергия, 1975. 204 с.
3. Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева: учебник для вузов / А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердев, А.М. Кручинин и др.; под ред. А.Д. Свенчанского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1981. 296 с.
4. Защита от шума и вибраций в черной металлургии / под ред. В.И. Заборова. М.: Металлургия, 1976. 248 с.
5. Бикеев Р.А. Динамические режимы в электромеханических системах дуговых сталеплавильных печей и их воздействие на вводимую активную мощность: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Р.А. Бикеев. Новосибирск, 2004. 19 с.
Горева Людмила Павловна -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки» Новосибирского государственного технического университета
Кривова Анастасия Олеговна -
студентка Новосибирского государственного технического университета
