CC BY
14
Научная статья УДК 621.365.22 DOI: 10.14529/power220307
РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ УСТАНОВОК КОВШ-ПЕЧЬ С АНАЛИЗОМ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ТОКОВ ДУГ
A.А. Николаев, aa.nikolaev@magtu.ru, https://orcid.org/0000-0001-5014-4852
B.С. Ивекеев, vivekeev@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-0730-8257 П.Г. Тулупов, tulupov.pg@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-3058-2406
C.С. Рыжевол, snaffls18@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-8525-279X Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия
Аннотация. Целью данного исследования является разработка усовершенствованных алгоритмов управления электрическими режимами установок ковш-печь, предусматривающих автоматическую адаптацию длин электрических дуг к различным условиям аргонной продувки и разной толщине шлака. Рассмотрены вопросы оптимизации несимметричных режимов горения дуг, обеспечивающих максимальное снижение излучений и повышение теплового КПД в фазах, расположенных рядом с зеркалом жидкого металла при донной продувке и работе аварийной фурмы. Приведены результаты экспериментальных исследований поведения поверхности жидкого металла и шлака при различных режимах аргонной продувки, а также различной толщине шлакового слоя. На основе результатов экспериментов предложены новые алгоритмы управления электрическим режимом установки ковш-печь. Данные алгоритмы позволяют производить динамическую адаптацию длин электрических дуг к изменяющимся режимам аргонной продувки, а также шлаковым режимам с использованием информации о гармоническом составе токов дуг. За счёт этого обеспечиваются необходимые условия для улучшения энергетических, временных и технологических показателей установок ковш - печь, поскольку от корректной адаптации электрического режима к изменяющимся условиям плавки напрямую зависит величина теплового КПД электрических дуг, а также КПД технологической установки в целом.
Ключевые слова: установка ковш-печь, система управления электрическими режимами, гармоники тока электрической дуги, коэффициент шлака, аргонная продувка
Благодарности: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № FZRU-2020-0011).
Для цитирования: Разработка усовершенствованных алгоритмов управления электрическими режимами установок ковш-печь с анализом гармонического состава токов дуг / А.А. Николаев, В.С. Ивекеев, П.Г. Тулупов, С.С. Рыжевол // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2022. Т. 22, № 3. С. 62-75. DOI: 10.14529/power220307
Original article
DOI: 10.14529/power220307
DESIGN OF IMPROVED CONTROL ALGORITHMS FOR LADLE FURNACES WITH ANALYSIS OF ELECTRIC ARC CURRENT HARMONIC COMPOSITION
A.A. Nikolaev, aa.nikolaev@magtu.ru, https://orcid.org/0000-0001-5014-4852 V.S. Ivekeev, vivekeev@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-0730-8257 P.G. Tulupov, tulupov.pg@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-3058-2406 S.S. Ryzhevol, snaffls18@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-8525-279X Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia
Abstract. The aim of this research is the design of improved control algorithms for ladle furnaces, considering arc length adaptation to different argon blow conditions and slag layer depth. The paper considers the issues of optimizing asymmetric arc burning regimes, which ensure the maximum reduction in radiation and an increase in thermal efficiency in phases located near the liquid metal mirror during bottom blowing and emergency lance operation. The experimental results of liquid bath surface behavior in dependence from blowing intensity and slag layer depth are presented. On the basis of experimental results, new algorithms of electric modes control in ladle furnaces are proposed. These algorithms allow dynamic adaptation of electric arc lengths to different argon blowing modes and slag layer depth to be provided. Applying of this algorithm allows the requisite conditions for improving of different quality indicators in
© Николаев А.А., Ивекеев В.С., Тулупов П.Г., Рыжевол С.С., 2022
ladle furnace to be ensured, since the correct adaptation of electric mode to varying conditions of melting has a direct connection with thermal efficiency of electric arcs and efficiency of equipment in general.
Keywords: ladle furnace, electric modes control system, electric arc current harmonic composition, slag coefficient, argon blowing
Acknowledgments: The work was carried out within the framework of the government order (project No. FZRU-2020-0011) of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation.
For citation: Nikolaev A.A., Ivekeev V.S., Tulupov P.G., Ryzhevol S.S. Design of improved control algorithms for ladle furnaces with analysis of electric arc current harmonic composition. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2022;22(3):62-75. (In Russ.) DOI: 10.14529/power220307
Введение
Важную роль в современной металлургической промышленности занимает производство жидкой стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). На сегодняшний день из всего годового объема выпускаемой продукции, полученной на отечественных предприятиях, порядка 30 % производится в электросталеплавильных цехах. Неотъемлемым звеном в технологической цепочке производства электростали является установка ковш-печь (УКП). Основной функцией данного агрегата является доведение жидкого полупродукта до необходимого химического состава в соответствии с заданной маркой стали. Стоит отметить, что данные агрегаты являются весьма энергоемкими и влекут за собой значительные эксплуатационные затраты. Так, например, мощности печных трансформаторов современных УКП превышают значения 50 МВА [1, 2]. Исходя из этого все большую актуальность приобретают вопросы, направленные на оптимизацию электрических режимов электросталеплавильных агрегатов с целью улучшения их временных, энергетических и технологических показателей работы [3-6]. При этом, как показывает анализ отечественной и зарубежной литературы, малоизученным является вопрос разработки и внедрения алгоритмов и систем управления электрическими режимами УКП с автоматической адаптацией к изменяющимся условиям аргонной продувки и шлаковым режимам.
Современные электросталеплавильные агрегаты в большинстве случаев оснащены собственными системами управления электрическими режимами, установленными заводами-изготовителями (регуляторы Melt Expert, ArCOS, Simelt, Q-REG, HI-REG, Ferrotron - DECTEQ и др.). Функциональные возможности вышеперечисленных систем управления для УКП являются ограниченными. В большинстве систем управления заданные параметры регулирования (полное сопротивление фазы Z2®, активное сопротивление дуг Rд или полные проводимости фаз Г2Ф) рассчитываются заранее для различных сочетаний ступеней РПН печного трансформатора (ЖТР) и рабочих кривых (АрК), определяющих длину электрической дуги, а выбор необходимых ступеней трансформатора осуществляется вручную технологическим персоналом. Таким образом, можно сделать вывод
о том, что в современных системах управления электрическими режимами УКП отсутствует автоматическая адаптация электрических режимов к изменяющимся режимам аргонной продувки, а также шлаковым режимам, от которых зависит степень экранирования электрических дуг и их тепловой КПД [7, 8].
Таким образом, целью данного исследования является разработка интеллектуальных систем автоматического управления электрическими режимами УКП с функцией динамической адаптации длин электрических дуг и ступеней РПН печного трансформатора к текущему шлаковому режиму и режиму аргонной продувки с учетом расположения возмущений (зеркал металла) на поверхности жидкой ванны относительно электродов фаз УКП, создаваемых работой продувочных блоков в днище стальковша или аварийной фурмы. В качестве критерия, по которому предлагается реализация динамической коррекции электрических режимов УКП, может выступать гармонический состав токов дуг, определяемый суммарным коэффициентом гармонических составляющих тока K (в зарубежной терминологии - параметр Total Harmonic Distortion или THD7).
Результаты экспериментальных исследований поведения поверхности жидкого металла и шлака при различных режимах аргонной продувки с учетом измененного расположения продувочного блока
Технически операция аргонной продувки выполняется с помощью специальных продувочных блоков, установленных в большинстве случаев в днище стальковша. Режим донной продувки выставляется вручную сталеваром с визуальной оценкой степени перемешивания металла через рабочее окно. В данном случае расход аргона и его давление используются как основные задающие параметры. При продувке аргоном на поверхности жидкой ванны с внешним слоем шлака образуется зеркало металла. Размеры зеркала зависят от расхода аргона, состояния и положения донных пробок, толщины шлакового слоя, температуры расплава и шлака. Вследствие интенсивной аргонной продувки зеркало металла создает возмущения, оказывающие негативное влияние на режимы горения электрических дуг фаз УКП, расположен-
ных наиболее близко к зоне продувки. Рассмотрим данный процесс на примере установок ковш-печь для обработки стальковшей с металлом 125 т, с мощностью печного трансформатора 25 МВА, функционирующих на одном из металлургических предприятий (рис. 1, 2). Схемы расположения продувочных блоков в днищах стальковшей показаны на рис. 2. В обоих случаях фазы 1 и 2 подвержены наиболее сильному влиянию зеркала металла.
Достижение максимального эффекта по повышению стойкости футеровки стальковшей требует проведения дополнительных работ по коррекции электрических режимов УКП 1, 2 и алгоритмов автоматического переключения рабочих кривых из-за изменения влияния зеркала жидкого металла на режимы горения электрических дуг.
На представленных УКП были проведены экспериментальные исследования поведения поверхности жидкого металла и шлака при различных режимах аргонной продувки и выполнены исследования геометрии зеркала жидкого металла при работе аварийной фурмы. Исследования проводились с использованием видеофиксации. Были проведены четыре серии экспериментов. Первая серия - для пониженной температуры расплава Т = 1568 °C и толщины шлака h^^^ = 150 мм, вторая -для повышенной температуры Т = 1602 °C и тол-шины шлака hШ = 150 мм. Первая и вторая серии экспериментов проводились при донной продувке аргоном, третья и четвертая серии экспериментов проводились при аргонной продувке через аварийную фурму. Третья серия экспериментов проводилась для пониженной температуры Т = 1552 °C и толщины шлака hШ = 120 мм, четвертая - для повышенной температуры Т = 1610 °C и толщины шлака h-aL = 120 мм. Это позволило оценить влияние степени разжижения шлака на геометрические параметры зеркала, а также на образование волн и брызг.
В качестве примера рассмотрим более подробно первую серию экспериментов для УКП 1 при
различных режимах аргонной продувки. На рис. 3 четко прослеживается процесс образования зеркала, увеличение его диаметра, а также появление волн и брызг, закорачивающих в начале фазу «1», а затем фазы «1» и «2». Граничное значение давления Рдрг, при котором негативное воздействие на фазы становится максимально возможным, составляет 8 атм. Посредством компьютерного анализа набора фотокадров с использованием основных оптических характеристик видеоаппаратуры (угол и высота расположения камеры, значение оптического зума и т. д.) были восстановлены геометрические параметры зеркала жидкого металла. Анализ показал, что диаметр зеркала при интенсивной продувке достигает значения БЗ = 1005 мм. Критическое значение -0ЗКРИТ составляет 577 мм, что приводит к наиболее нестабильным режимам нагрева со значительными колебаниями токов и мощностей дуг и сопровождается снижением КПД электрических дуг, что сказывается на эффективности нагрева жидкой ванны. Результаты анализа геометрических параметров зеркала сведены в таблицу. По полученным данным построена зависимость БЗ = _/(РАРГ.) (рис. 4), для которой получено уравнение регрессии. Порядок и вид уравнения выбирались, исходя из максимального значения коэффициента достоверности аппроксимации Я2. Приемлемая точность математической модели диаметра зеркала достигалась при Я2 > 0,95.
Следует отметить, что при работе аварийной фурмы увеличение зеркала металла происходит быстрее. При давлении аргона, равном 4 атм, происходит резкое увеличение диаметра жидкого металла на поверхности шлакового слоя до значения 985 мм. Максимальный диаметр зеркала при интенсивной продувке достигает значения БЗ = 1577 мм.
При наиболее интенсивных режимах продувки волны и брызги жидкого металла могут приводить к периодическим изменениям длины дуги в определённой фазе, а в некоторых случаях приводить к эксплуатационным коротким замыканиям,
а)
b)
Рис. 1. Общий вид УКП 1 (а) и УКП 2 (b) Fig. 1. General view of UKP 1 (a) and UKP 2 (b)
с
> -
s т_ S lira * 2 Э
Ф "О
а. о
I Л
s га
Ü о
о ■£: ф
у «
s ®
¡х Ф
t Ф
ф .с
с ** ч-
0 о
5 w
1 Е
<» ®
5 £
to >
га ю
Q__
с о
>
о 5
о 8
S .¡2
И
m О
(q
5 2
0 га
fc ®
£ СО
5 О ф
^ 2
S Е
г! 2
-а
1 -i 2
S <г
Ф о
= «=
с =
m
* I
i га
-8- w
s о
га
3 re 5 w S ф j -c
с **
¡3 4-
ra о
iE
ф о
s 2
I -Q
4 ф m -с
о
5 § 2 % И
0 а
m ф ^ it-
* I ф .ü
Лт
? га
1 о gO
О Ф
if с
о га ^
q. то
с4 ü=
о s Q.
Рис. 3. Исследование зеркала жидкого металла на УКП 1 ЭС при различных режимах аргонной продувки (донная продувка) (температура перед проведением эксперимента T =1568 °C; толщина шлака hШ = 150 мм) Fig. 3. Investigation of the liquid metal mirror on the UCP 1 ES under various modes of argon purging (bottom purging) (temperature before the experiment T = 1568 °C; slag thickness hш = 150 mm)
Результаты измерений геометрических параметров зеркала жидкого металла для УКП 1 при различных режимах аргонной продувки (серия измерений № 1, соответствующая донной продувке при Т = 1568 °C)
Results of measurements of geometrical parameters of liquid metal mirror for UCP 1 under various argon purge modes (measurement series No. 1 corresponding to bottom purge at T = 1568 °C)
Номер опыта Давление аргона ^АРГ.ФАКЪ атм Диаметр зеркала жидкого металла D3, мм Наличие волн жидкого металла, периодически Наличие волн жидкого металла, периодически
закорачивающих фазу 1 закорачивающих фазу 2
1 0 0 - -
2 4 111 - -
3 6 242 - -
4 8 577 + +
5 10 726 + +
6 12 782 + +
7 14 893 + +
8 16 1005 + +
Рис. 4. Экспериментальная зависимость диаметра зеркала жидкого металла на УКП 1 при донной продувке аргоном и температуре металла Т = 1568 °C Fig. 4. Experimental dependence of the diameter of the liquid metal mirror on UCP 1 at bottom argon purge and metal temperature T = 1568 °C
что в свою очередь приводит к сильным колебаниям мощности электрической дуги. Кроме того, при интенсивной продувке вследствие влияния зеркала металла снижается КПД дуг в фазах, находящихся в непосредственной близости к продувочным блокам.
Осциллограммы колебаний мгновенных значений токов на первичной стороне печного трансформатора при высокой интенсивности продувки УКП приведены на рис. 5. Очевидно, что подобное явление оказывает сильное негативное влияние на результирующие энергетические показатели эффективности эксплуатации печного комплекса.
Необходимо отметить, что результаты научных исследований, проведенные на различных электросталеплавильных комплексах [9, 10], выявили закономерности изменения гармоник тока в течение всего цикла плавки. В частности, было доказано, что режимы горения электрических дуг на жидкую ванну наилучшим образом описывают-
ся изменением эквивалентного действующего значения четных гармонических составляющих либо суммарным коэффициентом гармонических составляющих тока KI (в зарубежной терминологии -Total Harmonic Distortion или THDI):
112 _ 12 _ 12 = V-(i)-^ 100% = /вг .100O/ (!)
i I I
1 (1) I(1) где I - действующее (среднеквадратическое) значение тока; I(1) - действующее значение тока 1-й гармоники; I(0) - постоянная составляющая тока; !вг -действующее значение высших гармоник тока.
Для того чтобы определить величину коэффициента шлака КШЛАК, можно применить обратную величину коэффициента гармонических составляющих тока KI с учетом масштабного коэффициента а:
a
K
ШЛАК
K
(2)
¿yn^ А 500
t, c
Ткол T 1,2 с
А » 1 1 1' 1 1
—►
-1000
1
3
t, c
Рис. 5. Изменение мгновенных значений токов на первичной стороне печного трансформатора УКП при интенсивной продувке аргоном с РАРГ > 12 атм Fig. 5. Change in the instantaneous values of currents on the primary side of the furnace transformer of the UCP,
with intensive argon purge with Рарг > 12 atm
В свою очередь коэффициент a может быть определен как произведение числа 100 на минимальное значение Kj min, зафиксированное за цикл плавки при существующей электрической дуге (1д > 0), следует отметить, что на практике значение K min = 2,0-2,5 %:
a = 100 • Kj min. (3)
При корректном расчете параметра а максимальное значение КШЛАК, равное 100 единицам, будет соответствовать наиболее стабильному режиму горения электрический дуги с максимальным тепловым КПД.
Использование параметра КШЛдК в алгоритмах автоматического переключения рабочих кривых и ступеней РПН печных трансформаторов позволяет адаптировать электрические режимы УКП с учетом переменной толщины шлака, режимов аргон-ной продувки, операций подачи материалов в ковш при нагреве и т. д. Данный факт лег в основу
нового алгоритма управления электрическим режимом УКП.
Разработка усовершенствованных алгоритмов автоматического переключения рабочих кривых, обеспечивающих автоматическую адаптацию электрических режимов УКП 1, 2 в зависимости от режима аргонной продувки и шлакового режима
Как уже было сказано ранее, для минимизации влияния зеркала металла на режимы горения электрических дуг необходимо произвести разработку усовершенствованных алгоритмов автоматического переключения рабочих кривых, обеспечивающих автоматическую адаптацию электрических режимов УКП 1, 2 в зависимости от режима аргонной продувки и шлакового режима. Блок-схема усовершенствованного алгоритма управления показана на рис. 6. Для работы данного алгоритма
( Конец )
Рис. 6. Блок-схема разработанного алгоритма автоматического переключения рабочих кривых в системе управления ArCOS NT Light УКП в функции текущего коэффициента шлака Fig. 6. Block diagram of the algorithm developed for automatic switching of working curves in the ArCOS NT Light control system of the UCP as a function of the current slag coefficient
определены граничные значения коэффициентов шлака Л'ШЛАК и также предложена формула расчета коэффициента шлака с использованием информации о гармоническом составе токов на первичной стороне печного трансформатора:
КШЛАК1Ф _ КШЛАК1Ф 1 +
-( Кш
+ ( КШЛАК1 .i КШЛАК1
Ф _1 )'
ЦИКЛ
(4)
где КшЛак - мгновенное (нефильтрованное) значение коэффициента шлака; ^ШЛАК.Ф - фильтрованное значение КшЛак; ТФ - постоянная времени фильтра; Т циКЛ - фиксированное время опроса
контроллера (0,1 с).
Для настройки разработанных алгоритмов управления с помощью специализированного меню на визуализации сталевара задаются следующие параметры: 1) граничные коэффициенты Кт, Ктл, Ктр2, КГР2Л, КГР3, КГР3Л, при которых происходит переключение ЖРК; 2) весовые коэффициенты Квд, учитывающие влияние изменения вторичного напряжения ПТ при переключении ступеней РПН на уровни высших гармоник тока; 3) постоянная времени фильтра ТФ, для получения фильтрованного значения КШЛАК, используемого в алгоритме автоматического переключения рабочих кривых; 4) минимальное значение тока для исключения работы алгоритма в режиме работы печного трансформатора на холостом ходу (в данном случае 40А). Далее активируется основная часть алгоритма по определению номеров рабочих кривых ЖРК в зависимости от текущего уровня коэффициента шлака КШЛАК в зависимости от того, действует ли в данный момент донная продувка или аварийная фурма. Более наглядно данный процесс показан на рис. 7. На представленных графиках в целях упрощения смоделировано поведение фильтрованного значения КШЛАК с возрастающим и спадающим участками.
Для режима донной продувки при достижении граничных коэффициентов шлака КГР11, КГР2Л, КГР31 осуществляется увеличение номера рабочей кривой с ЖРК = 1 до ЖРК = 4 с увеличением длины электрической дуги и изменением степени несимметрии горения дуг. Для повышения устойчивости работы алгоритма и исключения автоколебаний при переключении ЖРК в алгоритм введены дублирующие значения граничных коэффициентов, работающие на понижение номера рабочей кривой, -это КГР1, КГР2, КГР3. Для режима работы аварийной фурмы использованы только две пары граничных значений коэффициента шлака на повышение рабочей кривой (Кгр1 1, Кгр2 1, Кгр1, Кгр2) и, соответственно, три значения рабочих кривых с ЖРК = 4 до ЖРК = 6 с различной несимметрией горения дуг. Во втором случае увеличение номера рабочей кривой соответствует уменьшению длины электрической дуги и увеличению несимметрии длин электрических дуг с учетом расположения возмущения
на поверхности жидкого металла, создаваемого работой аварийной фурмы [11, 12].
Для обеспечения оптимальных значений тепловых КПД электрических дуг при изменении режима аргонной продувки и толщины шлака для указанных выше рабочих кривых ЖРК введены различные балансовые коэффициенты КБАЛ123 к уставкам импеданса 22Ф123 вторичного электрического контура УКП. На основании проведенных ранее экспериментальных исследований, описанных в [11, 13], было показано, что для обеспечения стабильного горения дуг [14, 15] и сохранения теплового КПД при увеличении диаметра зеркала металла длины дуг, определенные заданием импеданса вторичного электрического контура Z2Ф.ЗАд., в ближайших к зеркалу металла фазах должны быть уменьшены, а в фазе, которая находится на удалении от источника возмущений, - увеличены. Исходя из этого для режима коротких дуг (ЖРК = 1) использованы максимально несимметричные длины дуг с Кбал1 = 0,95; Кбал2 = 0,95; Кбалз = 1,1. Для ЖРК = 2 использованы КбаЛ1 = 0,96; КбаЛ2 = = 0,96; КБАЛ3 = 1,08. Для ЖРК = 3 использованы Кбал1 = 0,975; Кбал2 = 0,975; Калэ = 1,05. Для спокойного режима продувки и нормальной толщины шлака, при которых КшЛак имеет максимальное значение, используется ЖРК = 4 с КбаЛ12,3 = 1. При использовании аварийной фурмы укорачивается длина дуги в фазе 3, ближайшей к зеркалу металла. При этом балансовые коэффициенты для режима горения коротких дуг ЖРК = 6 равны: Кбал1 = 1,025, Кбал2 = 1,025, Кбалв = 0,95. Для режима горения средних дуг ЖРК = 5 равны: КбаЛ1 = 1, КбаЛ2 = 1,03, КбаЛ3 = 0,97. В режиме горения длинных дуг и продувке через аварийную фурму ЖРК = 4
K
-БАЛ1Д3
= 1, аналогично режиму донной продувки.
Необходимо отметить, что перед настройкой алгоритмов управления отдельно для каждой УКП были проведены дополнительные экспериментальные исследования по определению предварительных весовых коэффициентов КВЕС, используемых в формулах для расчета коэффициентов шлака. При настройке алгоритмов предварительные значения коэффициентов корректировались для достижения оптимального переключения ЖРК.
В формуле расчета текущего значения коэффициента шлака, используемого для сравнения с граничными значениями для режима донной продувки, КШЛАК12 находится как среднее арифметическое значение коэффициентов шлака фаз 1 и 2 (2 и 1 по первичной стороне ПТ), при этом для режима работы аварийной фурмы рассчитывается значение КШЛАК2,3 как среднее арифметическое значение коэффициентов шлака фаз 1 и 3 (2 и 3 по первичной стороне ПТ).
На рис. 8 приведены графики, иллюстрирующие фактическую работу усовершенствованных алгоритмов автоматического переключения рабочих кривых.
Ф
b)
Рис. 7. Пояснение работы алгоритма автоматического переключения рабочих кривых в зависимости от уровня коэффициента шлака КШЛАК: а - для режима донной продувки; b - для режима работы аварийной фурмы Fig. 7. Explanation of the algorithm for automatic switching of working curves depending on the level of the slag coefficient Кшлак: a - for the bottom purge mode; b - for the emergency tuyere operation mode
Рис. 8. Работа алгоритма автоматического переключения рабочих кривых NPK
в зависимости от уровня коэффициента шлака КШЛАК в исследуемом УКП Fig. 8. Operation of the algorithm for automatic switching of the working curves NPК of the fuel pump depending on the level of the slag coefficient КШЛАК in the investigated UCP
Результат оценки показал наличие технического эффекта в снижении расхода электродов - в среднем на 4 %, снижении удельного расхода электрической энергии - в среднем на 3 %, в повышении стойкости футеровки шлакового пояса стальковша - на 4,5 %, с 67 до 70 плавок за кампанию.
Заключение
Как показывает практика, режим аргонной продувки стали в установках ковш-печь оказывает существенное влияние на режимы горения электрических дуг. Установлено, что дуги в фазах УКП, расположенных рядом с возмущениями, образованными работой продувочного блока и аварийной фурмы, имеют худший тепловой КПД, по сравнении с фазой, находящейся на удалении. На сегодняшний день управление электрическими режимами на данных агрегатах происходит в ручном режиме, в связи с чем снижается эффективность управления электрическими режимами.
Проведены экспериментальные исследования поведения поверхности жидкого металла и шлака в УКП при различных режимах аргонной продувки с помощью продувочных блоков в днище стальковшей, а также при использовании аварийной фурмы. На основании полученных данных
были сделаны выводы о влиянии расположения возмущений на поверхности жидкого металла (зеркал металла) на стабильность горения электрических дуг в фазах 1-3, а также были определены граничные значения мгновенного расхода аргона, при которых происходят качественные изменения влияния возмущений на поверхности ванны.
Разработаны алгоритмы автоматического переключения рабочих кривых и ступеней РПН печных трансформаторов УКП, обеспечивающие изменение электрического режима по коэффициенту шлака КшЛак в автоматическом режиме. Основным принципом управления, положенным в основу алгоритма автоматического управления, является уменьшение номера рабочей кривой при снижении значения КшЛак. Также алгоритм предусматривает изменение несимметрии горения дуг при работе аварийной фурмы за счет привязки к данному режиму отдельных рабочих кривых.
В ходе оценки технического эффекта показано, что применение усовершенствованного алгоритма на действующей установке позволило снизить расход электродов в среднем на 4 %, удельный расход электрической энергии - в среднем на 3 %, а стойкость футеровки шлакового пояса сталь-ковша увеличилась на 4,5 %, с 67 до 70 плавок.
Список литературы
1. Миронов Ю.М. Особенности дуговых сталеплавильных печей как приемников электрической энергии // Электрометаллургия. 2020. № 9. С. 2-8. DOI: 10.31044/1684-5781-2020-0-9-2-8
2. Энергосбережение в современной дуговой сталеплавильной печи дсп-120 / И.В. Глухов, Д.В. Мех-ряков, Г.В. Воронов и др. // Сталь. 2020. № 5. С. 21-23.
3. Повышение эффективности работы сверхмощной дуговой сталеплавильной печи / Г.П. Корнилов, А.А. Николаев, Т.Р. Храмшин и др. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2009. № 1. С. 55-59.
4. Корнилов Г.П., Николаев А.А., Якимов И.А. Перспективы и средства повышения эффективности дуговых сталеплавильных печей за счет силового электрооборудования // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2009. № 15 (148). С. 32-38.
5. Mees H., Hohl J., Krüger K. Dynamic Condition-Based Scrap Melt Control: Results of the Application at Thyssenkrupp Nirosta in Bochum // 10th European Electric Steelmaking Conference. Graz, 25-28 Sep., 2012.
6. Способы управления электрическим режимом электродуговых печей / Ю.П. Журавлев, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин и др. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2006. № 4. С. 76-80. DOI: 10.17213/0136-3360
7. Тулуевский Ю.Н., Зинуров И.Ю. Инновации для дуговых сталеплавильных печей: научные основы выбора: моногр. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. 347 с. (Современные электротехнологии: серия монографий. Т. 12).
8. Dorndorf M., Wichert W., Schubert M. Holistic Control of EAF's Energy and Material Flows // 3rd International Steel Conference on Developments in Metallurgical Process Technologies. Düsseldorf, June 11-15, 2007. P. 513-520.
9. Экспериментальное исследование гармонического состава токов дуг для дуговых сталеплавильных печей различной мощности / А.А. Николаев, Ж.Ж. Руссо, В. Сцымански, П.Г. Тулупов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. № 3. С. 106-120. DOI: 10.18503/1995-2732-2016-14-3-106-120
10. Оптимизация электрических режимов сверхмощных дуговых сталеплавильных печей / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, А.В. Ануфриев и др. // Сталь. 2014. № 4. С. 37-47.
11. Nikolaev A.A., Tulupov P.G. Method of setting optimum asymmetric mode of operation of electric arc furnace // Proceedings of the 2016 11th France-Japan and 9th Europe-Asia Congress on Mechatronics
MECHATRONICS-2016 / 17th International Conference on Research and Education in Mechatronics REM-2016. Compiegne, France. 15-17 June 2016. P. 33-37. DOI: 10.1109/mecatronics.2016.7547111
12. Миронов Ю.М. Закономерности электрических режимов дуговых сталеплавильных печей // Электричество. 2006. № 6. С. 56-62.
13. Пат. 176106 Российская Федерация, МПК H 05 B 7/148. Система управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи / А.А. Николаев, П.Г. Тулупов, А.В. Ануфриев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»; № 2017120504; заявл. 13.06.2017; опубл. 09.01.2018, Бюл. № 1.
14. Bowman В., Krüger K. Arc Furnace Physics // Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 2009.
15. Cassie A.M. Nouvelle théorie des arcs de rupture et rigidité du circuit (New theory of breaker arcs and circuit rigidity) // CIGRE Report No. 102. 1939.
References
1. Mironov Yu.M. Features of arc steel-making furnaces as receivers of electric power. Electrometallurgy. 2020;(9):2-8. (In Russ.) DOI: 10.31044/1684-5781-2020-0-9-2-8
2. Glukhov I.V., Mekhriakov D.V., Voronov G.V., Vdovin K.M., Rybak A.A., Taranov V.V. Power managing in the modern EAF DSP-120. Steel in Translation. 2020;(5):21-23.
3. Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Khramshin T.R. et al. Improving the efficiency of a heavy-duty arc steel-smelting furnace. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika = Russian electromechanics. 2009;(1):55-59. (In Russ.)
4. Kornilov G.P., Nikolaev A.A., Yakimov I.A. Prospects and means of increasing the efficiency of arc steel-smelting furnaces at the expense of power electrical equipment. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2009;15(148):32-38. (In Russ.)
5. Mees H., Hohl J., Krüger K. Dynamic Condition-Based Scrap Melt Control: Results of the Application at Thyssenkrupp Nirosta in Bochum. In: 10th European Electric Steelmaking Conference; 2012.
6. Zhuravlev Yu.P., Kornilov G.P., Khramshin T.R. et al. Ways to control the electric mode of electric arc furnaces. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika = Russian electromechanics. 2006;(4):76-80. (In Russ.) DOI: 10.17213/0136-3360
7. Tuluevsky Yu.N., Zinurov I.Yu. Innovatsii dlya dugovykh staleplavil'nykh pechey: nauchnye osnovy vybora: monografiya [Innovations for electric arc furnaces: Scientific basis of choice: monograph]. Sovremennye elektrotekhnologii: seriya monografiy. Т. 12 [Modern electrical technologies: a series of monographs. Vol. 12]; 2010. 347 p. (In Russ.)
8. Dorndorf M., Wichert W., Schubert M. Holistic Control of EAF's Energy and Material Flows. In: 3rd International Steel Conference on Developments in Metallurgical Process Technologies; 2007. P. 513-520.
9. Nikolaev A.A., Rousseau J.-J., Szymanski V., Tulupov P.G. An experimental study of electric arc current harmonics in electric arc furnaces with different power characteristics. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2016;3(14):106-120. DOI: 10.18503/1995-2732-2016-14-3-106-120
10. Nikolaev A.A., Kornilov G.P., Anufriev A.V., Pekhterev S.V., Povelitsa E.V. Electrical optimization of superpowerful arc furnaces. Steel in Translation. 2014;44(4):289-297. DOI: 10.3103/S0967091214040135
11. Nikolaev A.A., Tulupov P.G. Method of setting optimum asymmetric mode of operation of electric arc furnace. In: Proceedings of the 2016 11th France-Japan and 9th Europe-Asia Congress on Mechatronics MECHATRONICS-2016 /17th International Conference on Research and Education in Mechatronics REM-2016; 2016. P. 33-37. DOI: 10.1109/mecatronics.2016.7547111
12. Mironov Yu.M. The laws of electric operating conditions of steel-smelting electric arc furnaces. Elektrichestvo. 2006;(6):56-62. (In Russ.)
13. Nikolaev A.A., Tulupov P.G., Anufriev A.V. Sistema upravleniya elektricheskim rezhimom dugovoy staleplavil'noypechi [Control system for the electric regime of an arc steel-smelting furnace]. Patent RF 176106, IPC H 05 В 7/148, no. 2017120504; decl. 13.06.2017; publ. 09.01.2018, Bul. no. 1. (In Russ.)
14. Bowman B., Krüger K. Arc Furnace Physics. Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH; 2009.
15. Cassie A.M. Nouvelle théorie des arcs de rupture et rigidité du circuit (New theory of breaker arcs and circuit rigidity). CIGRE Report No. 102. 1939.
Информация об авторах
Николаев Александр Аркадьевич, канд. техн. наук, доц., заведующий кафедрой автоматизированного электропривода и мехатроники, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; aa.nikolaev@mail.ru.
Ивекеев Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; vivekeev@yandex.ru.
Тулупов Платон Гарриевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; tulupov.pg@mail.ru.
Рыжевол Сергей Сергеевич, младший научный сотрудник кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия; snaffls18@gmail.com.
Information about the authors
Alexander A. Nikolaev, Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Head of the Department of Automated Electric Drive and Mechatronic, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; aa.nikolaev@mail.ru.
Vladimir S. Ivekeev, Cand. Sci. (Eng.), Senior Scientist of the Department of Automated Electric Drive and Mechatronic, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; vivekeev@yandex.ru.
Platon G. Tulupov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Scientist of the Department of Automated Electric Drive and Mechatronic, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; tulupov.pg@mail.ru.
Sergey S. Ryzhevol, Junior Scientist of the Department of Automated Electric Drive and Mechatronic, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia; snaffls18@gmail.com.
Статья поступила в редакцию 12.08.2022; одобрена после рецензирования 12.08.2022; принята к публикации 25.08.2022.
The article was submitted 12.08.2022; approved after reviewing 12.08.2022; accepted for publication 25.08.2022.
