Контроль и управление степенью развития электрической дуги в рудно-термической печи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.365

A.П.СУСЛОВ, проректор по эксплуатации имущественного комплекса, (812) 327-73-58 Н.И.КОТЕЛЕВА, канд. техн. наук, ассистент, (812) 328-82-12 Ю.Л.ЖУКОВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент, gukovskiy@bk.ru

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург

B.В.ВАСИЛЬЕВ, канд. техн. наук, главный специалист, (812) 448-80-06 ЗАО «ПитерГОРпроект», Санкт-Петербург

A.P.SUSLOV, prorektorof the property complex exploitation, (812) 327-73-58 N.I.KOTELEVA, PhD in eng. sc., assistant lecturer, (812) 328-82-12 YU.L.SZUKOVSKIY, PhD in eng. sc., associate professor, (812) 328-82-12 National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg V.V.VASILEV, PhD in eng. sc., chief specialist, (812) 448-80-06 «Pitergorproeckt» Co, Saint Petersburg

КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ СТЕПЕНЬЮ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

На примере фосфорной печи рассматривается характер влияния изменения напряжения и тока на распределение мощности в рудно-термической печи между дугой, шунтирующим ее сопротивлением и расплавом.

Ключевые слова: рудно-термическая печь, контроль, управление.

CONTROL AND MANAGEMENT E OF ELECTRIC ARC RATIO IN ORE-SMELTING FURNACE

In the case of phosphoric furnace the influence of changes in voltage and current to the power distribution in ore-smelting furnaces between the arc shunt resistance and melt are considers. Key words: ore-smelting furnace, monitoring, control.

По так называемой энергетической классификации рудно-термических процессов, предложенной в свое время М.С.Макси-менко [3], каждый технологический процесс, осуществляемый в электропечи, наиболее эффективно протекает при определенном соотношении энергии, выделяемой в дуге p, и энергии, выделяемой в сопротивлении материалов, заполняющих ванну печи q. Это объясняется тем, что наличие дуги в рудно-термической печи носит неоднозначный характер. Высокая температура в области горения дуги не только повышает скорость восстановительной реакции, но и способствует развитию нежелательных побочных процессов: диссоциации целевых продуктов (карбид кальция), процессов пылеобразова-

ния, когда к частицам шихты, механически увлекаемым газами, покидающими печь, прибавляются конденсаты паров элементов шихты и их оксидов, что ведет к загрязнению целевого продукта (фосфора).

Конденсируясь в верхних горизонтах ванны печи, пары, образующиеся в области горения дуги, способствуют спеканию шихты, ухудшая ее газопроницаемость. В результате на колошнике образуются так называемые «свищи», когда газы из печи выходят по отдельным каналам, а не по всему сечению ванны. Температура отходящих газов при этом повышается, что приводит к росту температуры на колошнике и под сводом и росту тепловых потерь с отходящими газами.

Однако в отдельных процессах, в которых необходимой стадией является предварительная газификация ряда компонентов шихты (производство кристаллического кремния), определенная степень развития дуги допустима и даже желательна.

Отсюда следует, что контроль степени развития электрической дуги, т.е. мощности, выделяемой в ней, имеет большое практическое значение.

Непосредственный прямой контроль степени развития дуги в рудно-термической печи представляет значительные трудности, главным образом, из-за труднодоступности реакционного пространства, высокой температуры и агрессивности среды. Однако в последнее время все шире разрабатываются и делаются попытки применения косвенных методов контроля развития дуги, основанных на использовании явлений, сопровождающих ее горение, в том числе учитывая изменения гармонического состава напряжения и тока электродов [1, 4].

Нелинейность и несимметричность вольт-амперной характеристики электрической дуги вызывает в той или иной степени искажения формы кривых напряжения и тока. Анализ искажений напряжения дуги практически невозможен из-за труднодоступности пространства, в котором горит дуга. В то же время получение сигнала, пропорционального току электрода, возможно на любом участке короткой сети. Именно поэтому гармоническому анализу в большинстве случаев и подвергается ток электрода [4].

Прежде всего представляет интерес связь гармонического состава тока электрода с напряжением и током дуги.

Известно [5], что при прямоугольной форме напряжения дуги при разложении ее в ряд Фурье напряжение тройной частоты, т.е. значение гармонической составляющей с частотой 150 Гц - третьей гармоники,

и = 1/3 ид.

При другой форме напряжения дуги из < 1/3 Щд.

В реальной печи напряжение дуг измерить практически невозможно, поэтому, заменив значение напряжения утроенным

---------- л _

-|Бф —(во]--{БИуЧРП

Рис.1. Схема анализатора высших гармоник и его подключения

значением напряжения 3-й гармоники, для печей с открытой дугой получим

зи 3

Рд = и

-Р,

(1)

ф

где Рд - мощность дуги; Р - мощность, потребляемая одной фазой печной установки.

Еще раз подчеркнем, что уравнение (1) справедливо лишь для печей, эквивалентная схема замещения которых представляет сопротивление дуги, соединенное последовательно с сопротивлением расплава или шихты. В этом случае ток дуги равен общему полному току электрода.

Эквивалентная схема замещения одной фазы рудно-термической печи с шунтированной дугой, горящей на расплав, представлена на рис.1.

Шунтированная дуга горит на расплав или шихту, т.е. через расплав проходит только часть полного тока электрода, при этом напряжение и на шунте, и на дуге одинаково:

ид = 1/3 иш.

где иш - падение напряжения на шунтирующем дугу сопротивлении шихты или расплава.

Формула (1) в этом случае недействительна и для определения мощности дуги целесообразно привлечь содержание в токе электрода гармонической составляющей с частотой 150 Гц. Тем более, что измерение ее возможно на любом удобном участке электрической цепи, по которой проходит полный ток.

В соответствии с отмеченной ранее зависимостью напряжения гармонической со-199

Санкт-Петербург. 2013

ставляющей с частотой 150 Гц (Цз) от падения напряжения дуги (Ц), содержание в токе электрода той же гармоники (/3)

2 _ U3lд _ 1 Uglg

I3

3 К

где Як - сопротивление печного контура; /д - ток дуги.

Относительное содержание в токе электрода 3-й гармоники определяется уравнением

(I \2 73

1 Uд jд

Ii J 3 U ф J,

(2)

где Цф - фазное напряжение; /1 - ток 1-й гармоники, практически равный току электрода.

В уравнении (2) числитель правой части равен мощности, потребляемой дугой (Рд), а знаменатель - печной установкой (Р). Отсюда уравнение (2) запишем в виде

(1 У

Ii

1 Ll

3 Р

(3)

Это уравнение позволяет определить такой важный показатель работы рудно-термической печи, как мощность, выделяемая в дуге

Рд _ 3

(J л zA.

Ii

Р .

(4)

Допустив, что индуктивность ванны печи при изменении напряжения и мощности остается постоянной, значение падения напряжения в дуге

Цд = Цф - ад,

где Я0 - электросопротивление расплава, на который горит дуга.

Заменив в уравнении значение Цд в соответствии с предыдущим выражением, получим

Гт У

Ii

1 U ф - R0 Ii Iд

3 U ф

Ii

(5)

или

(1 У

Ii

3

1 - R0 RK

Ii

(6)

Определение возможности использования анализа гармонического состава тока электродов для оценки степени развития электрической дуги в печи для получения фосфора осуществлялось с помощью схемы измерения (рис.1). При работе печи электрические сигналы с магнитных поясов (поясов Роговского), установленных на полуфазах одного из электродов, подавались на входное устройство (ВУ) анализатора. ВУ усиливал сигналы и подавал их в блок детекторов (БД). Одновременно ВУ коммутировал сигналы, поступавшие на усилитель отношений (УО) высших гармоник к основной гармонике. УО обеспечивал постоянство амплитуды основных гармоник, амплитуды остальных гармоник определялись соотношением между ними и основной гармоникой во входном сигнале. С выхода УО сигнал поступал в блок фильтров (БФ), настроенных на частоты, кратные основной частоте, т.е. 50 Гц. Выделенные сигналы детектируются и поступают в блок интеграторов (БИ). Сигналы, пропорциональные величине основной гармоники и относительному содержанию во входном сигнале кратных ей гармоник, фиксируются на регистрирующем приборе (РП).

Анализ полученных данных показал, что гармонический состав тока электродов определяется многими факторами: электротехнологическими параметрами работы печи, режимом выпуска шлака и особенностями ведения технологического процесса. Наличие и выпуск феррофосфора не отражается на гармоническом составе тока. Это объясняется тем, что электрическое сопротивление феррофосфора на несколько порядков меньше сопротивления остальных материалов, находящихся в ванне печи, которыми и определяется электрический режим.

Во время проводившихся исследований на печи РКЗ-80Ф при нормальной работе наибольшего значения достигало содержание в токе электрода гармонической составляющей с частотой 150 Гц - 15-25 %. Несколько меньшим было относительное со-

i

3

д

3

2

3

Рис.2. Зависимости 13 / 11 = /(/;) (а) и 13/11 = /(Я) (б) при различном напряжении на низкой стороне печного

трансформатора 1 - 524 В; 2 - 486,5 В; 3 - 449 В; 4 - 311,5 В

держание гармоническом составляющей с частотой 250 Гц. Относительное содержание 2-й гармоники редко превышало 1,0 %. При обрушениях шихты, отмечавшихся по шуму в загрузочных течках, наблюдалось резкое возрастание содержания нечетных гармоник - до 35 %. Исходное значение содержания гармоник устанавливалось в течение 5-10 мин в зависимости от характера обрушения. Одновременно с обрушением отмечалось и искажение синусоиды производной тока, регистрируемое на экране осциллографа.

На рис.2 представлены зависимости относительного содержания в токе электрода гармонической составляющей с частотой 150 Гц от тока и активного сопротивления ванны, построенные на основании данных, полученных в один из периодов работы печи.

Характер полученных кривых на рис.2, а соответствует уравнению (5) при

условии IjL = const, а на рис.2, б - урав-

Цф h

нению (6) при 1дИ = const.

Эти два замечания позволяют сделать очень важные для работы рудно-термической печи выводы о характере влияния на распределение энергии в ванне печи способов регулирования мощности c изменением напряжения на низкой стороне печного трансформатора и сопротивления ванны печи путем перемещения электродов.

В первом случае изменение фазного напряжения влияет на характер распределения мощности в ванной печи в результате изменения мощности дуги. Это объяснимо с точки зрения природы возникновения и существования электрической дуги в рудно-термической печи. При увеличении мощности, выделяемой в реакционном тигле, увеличивается его объем, при этом толщина электропроводного шунтирующего дуги слоя шихты остается прежней. Сопротивление шунта лишь немного уменьшается в результате увеличения диаметра тигля. Отсюда рост тока электрода с увеличением фазного напряжения происходит, главным образом, за счет тока дуги.

С уменьшением питающего напряжения имеет место обратная картинка: уменьшение тока электрода происходит практически только за счет уменьшения тока дуги.

Во втором случае (регулирование потребляемой печью мощности осуществляется перемещением электродов) изменение тока в электроде происходит в результате изменения сопротивления ванны, при этом распределение (соотношение) тока между дугой и шунтом постоянно. С увеличением сопротивления ванны (уменьшением тока) доля мощности, выделяемой в дуге растет, с уменьшением сопротивления ванны (увеличением тока) падает.

-201

Санкт-Петербург. 2013

Таким образом, уравнения (5) и (6) позволяют не только определять мощность, выделяемую в электрической дуге, но и в зависимости от условий протекания технологического процесса в ванне поддерживать необходимую мощность, регулируя ее распределение между дугой и сопротивлением шихтовых материалов и расплава в соответствии с требованиями этого процесса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Князев В.С. Исследование и совершенствование электроплавки стали на основе анализа тока дуг: Авто-реф. дис.... канд техн. наук. ЛПИ. Л., 1980.

2. Лапшин И.В. Автоматизация дуговых печей. М.,

2004.

3. Максименко М.С. Основы электротермии. Л.,

1937.

4. Микулинский А. С. Характер спектра рабочего тока в ферросплавной печи / А.С.Микулинский, Е.А.Богданов, В.М.Эдемский // Электрическая промышленность. Сер. Электротермия. 1975. Вып.10 (170).

5. Моргулев С.А. К вопросу расчета электрического режима ферросплавных печей // Сборник трудов ВНИИЧМ. М., 1954.

REFERENCES

1. Knyazev V.S. Research and improvement of electro steel based on the analysis of current arcs: The author summary of the masters thesis. Leningrad. 1980.

2. Lapshin I. V. Automation arc furnaces. Moscow, 2004.

3. MaksymenkoM.S. Fundamentals electrothermics. Leningrad, 1937.

4. Mikulinsky A.S. Operating current character of the spectrum in the ferroalloy furnace / A.S.Mikulinsky, E.A.Bogdanov, V.M.Edemskiy // Electrical industry. Ser. Electroheat. 1975. Issue 10 (170).

5. Morgulev S.A. To the calculation of electric mode ferroalloy furnaces // Proceedings VNIICHM. Moscow, 1954.