CC BY
116
ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
Список литературы
1. Барков А.В., Баркова Н.А., Борисов А.А. Вибрационная диагностика электрических машин в установившихся режимах работы. СПб., 2006. 36 с.
2. Купцов В.В., Петушков М.Ю., Сарваров А.С. Современные методы диагностирования асинхронных двигателей и их развитие: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. 247 с.
3. Петушков М.Ю. Развитие спектрального анализа тока асинхронного двигателя для диагностирования // Главный
Information in English
энергетик. 2013. №9. С.60-65.
4. Kuptsov V.V., Sarvarov A.S., Petushkov M.Y. A new approach to analysis of induction motors with rotor faults during startup based on the finite element method // Progress In Electromagnetics Research B, Vol.45, 269-290, 2012. http://www.jpier.org/pierb/pier.php?paper= 12082916.
5. Petushkov M. Analysis of defects in the rotor asynchronous motor during start // International Journal Of Applied And Fundamental Research. 2013. №1. URL: www.science-sd.com/452-24043.
Signature Analysis Application for DC Motor Diagnostics
Zaviyalov A.S., Zaviyalov E.A., Sarvarov A.S., Petushkov M.Y.
The article is concerned with the existing methods of DC i
motor diagnostics. The requirements to the method of DC motor 1
diagnostics are described. The authors believe that the signature i analysis can be used in combination with the classical methods of
diagnostics. a
Keywords: DC motor, signature analysis, diagnostics, ' polynom. p
References
1. Barkov A.V., Barkova N.A., Borisov A.A. \ vibratsionnaya diagnostika elektricheskih mashin v s ustanovivshihsya rezhimah raboty [Vibration diagnostics of elec- , trical machinery in steady state operation]. St. Petersburg, 2006,
36 p.
2. Kuprtsov V.V., Petushkov M.Y., Sarvarov A.S. Sovremennye metody diagnostirovaniya asinhronnyh dvigatelei i
ih razvitie [Current methods of induction motors diagnostics and their development]: monograph. Magnitogorsk: Publishing house of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2010. 247 p.
3. Petushkov M.Y. Razvitiye spektralnogo analiza toka asinhronnogo dvigatelya dlya diagnostirovaniya [Development of current spectrographic analysis of induction motor for diagnostics purposes. Glavniy energetic [Chief power engineer]. 2013, no. 9, pp. 60-65.
4. Kuptsov V. V., Sarvarov A. S., Petushkov M. Y. A new approach to analysis of induction motors with rotor faults during startup based on the finite element method. Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 45, 269-290, 2012. http://www.jpier.org/pierb/pier.php?paper= 12082916.
5. Petushkov M. Analysis of defects in the rotor asynchronous motor during start. International Journal Of Applied And Fundamental Research. 2013, no. 1. URL: www.science-sd.com/452-24043.
УДК 621.746.27
Павлов В.В., Логунова О.С., Каландаров П.И., Искандаров Б.П. угли
Выбор соотношения шихтовых материалов плавки сталеплавильной печи
ДЛЯ РАБОТЫ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕМ РЕЖИМЕ
В работе представлена необходимость научного обоснования выбора соотношения шихтовых материалов плавки дуговой сталеплавильной печи для работы в энергосберегающем режиме. Методика содержит шесть шагов, включающих сбор и структурирование технологической информации, построение причинно-следственных диаграмм, описание процесса электропотребления с помощью многокритериальной задачи оптимизации, содержащей систему ограничений с эмпирическими коэффициентами.
Ключевые слова энергосберегающий режим, дуговая сталеплавильная печь, соотношение шихтовых материалов, многокритериальная задача оптимизации, структурированная информация.
Анализ энергетических режимов работы дуговой
сталеплавильной печи переменного тока
Одним из самых затратных в металлургической промышленности, с точки зрения потребления электрической энергии, является сталеплавильное производство, использующее электрические печи переменного тока. С 2006 года в условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») эксплуатируются две дуговые сталеплавильные печи с общим объемом производства до 4,0 млн т стали в год. Потребление электроэнергии на эти агрегаты составляет 235 - 365 кВт-ч/т в зависимости от доли чугуна в металлошихте.
Исследование динамики цены на электроэнергию,
используемой в условиях ОАО «ММК» для электродуговых сталеплавильных печей, показало устойчивый возрастающий тренд со средней скоростью 0,0087 руб. в месяц начиная с 2010 года и до настоящего времени.
При полученном темпе роста цены на электроэнергию к концу 2014 года она достигнет 2,5273 руб. за 1 кВт-ч и к концу 2015 - 2,6317 руб. за 1 кВт-ч, что составит прирост в 11% в декабре 2014 года и 16% в декабре 2015 к ценам на электрическую энергию в январе 2013 года. Пропорционально росту цен на электрическую энергию возрастает и себестоимость 1 т стали, получаемой в электродуговых сталеплавильных печах, так как статья затрат на электрическую энергию в себестоимости стали составляет почти 40% [1].
Технология выплавки стали в дуговых печах
ОАО «ММК» предусматривает три режима работы в зависимости от структуры шихтовых материалов, приведенные в таблице [2].
Согласно технологической инструкции [2] при выплавке стали в дуговых печах переменного тока в качестве шихтовых материалов используются металлический лом и жидкий передельный чугун.
Для каждого такого режима разработаны системы автоматического управления. Электрическая дуга в электродуговых печах переменного тока является основным источником тепловой энергии и контур управления электрическим режимом печи является основным в структуре системы управления электродуговой печи. В качестве управляющих воздействий при регулировании электрического режима электродуговой печи применяются:
1) переключение ступеней напряжения печного трансформатора;
2) перемещение электродов при выбранной ступени напряжения.
Нормативные показатели расхода электрической энергии на 1 т стали
Соотношение Удельный расход
Режим материалов, % электроэнергии,
Лом Чугун кВт-ч/т
I 100 0 365
II 75 25 290
III 60 40 235
При переключении ступеней трансформатора изменяется напряжение питания электродов. Данное воздействие вызывает к скачкообразные изменения подводимого напряжения к электродам, что приводит к изменению тока дуги при одном и том же положении электрода. При перемещении электродов изменяется длина дуги, а следовательно, происходит изменение падения напряжения на дуге, и таким образом изменяется ток в фазах печи [3].
Однако образующийся дефицит металлического лома в регионах его активной переработки приводит к использованию альтернативных составляющих шихты, таких как твердый чугун (ТЧ), горячебрикетированное железо (ГБЖ), или к проведению плавки с использованием только жидкого чугуна (ЖЧ) или металлического лома (МЛ).
При изменении состава шихты появляются новые условия ведения плавки: изменение насыпной плотности шихты при использовании горячебрикетированно-го железа или чушкового чугуна; увеличение (или уменьшение) количества теплоты при использовании большей (или меньшей) массы жидкого чугуна в плавке. Поступление в составе шихтовых материалов примесей приводит к формированию внутренних дефектов в заготовке и готовой продукции, устранение которых требует разработки дополнительных рекомендаций по ведению технологических процессов на этапе внепеч-ной обработки стали и последующей непрерывной разливки [4-6].
Учитывая существующие проблемы и опыт по разработке методик и моделей по оптимизации состава шихты [7-10], авторами работы была поставлена цель разработки рекомендаций по ведению плавки в дуговых сталеплавильных печах в энергосберегающем ре-
жиме при изменении состава шихтовых материалов. Для достижения цели были решены следующие задачи: осуществление мониторинга за технологическими показателями работы дуговой электросталеплавильной печи при использовании альтернативных материалов в металлозавалке в условиях сталеплавильного цеха для печей переменного тока; обработка результатов мониторинга и выявление эмпирических закономерностей, позволяющих научно обосновать изменение удельных расходов электроэнергии при использовании альтернативных материалов в металлозавалке.
Технология текущего мониторинга
за технологическими показателями работы ДСП
С целью контроля и управления производством стали в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) в условиях ОАО «ММК» производится сплошной мониторинг технологических параметров плавки на основе корпоративного Хранилища данных. Для оценки энергопотребления ДСП в Хранилище данных размещаются сведения, приведенные на рис. 1.
Информационный
_т
Структура
тгБЖ тЖЧ
канал
АСУ дозирования материалов
тТЧ
Электроэнергия
R
Химический состав /
[Cr]
№
[Си]
Температурный ТВ1 режим
Система "UrCos NT
Результаты экспресс анализа
Измерительный
прибор Multi-Lab Celox
Рис. 1. Фрагмент структуры данных для оценки энергопотребления ДСП
На рис. 1 введены обозначения: тмл, тГБЖ, тЖЧ, тТЧ - масса составляющих шихтовых материалов: металлического лома, ГБЖ, ЖЧ и ТЧ соответственно, т; U - время цикла плавки, мин; t2 - время нахождения дуги под током, мин; R - удельный расход электроэнергии, кВт/т; [Cr], [Ni], [Cu] - процентное содержание остаточных элементов в готово стали, %; Твых -температура готовой стали на выходе из ДСП, 0С.
Дополнительно на основе представленной информации рассчитываются: общая масса шихты в ме-таллозавалке, т; доля каждого компонента шихты в общей массе; доля твердой фазы в металлозавалке.
Значения всех показателей фиксируется в реальном времени, передаются в корпоративное Хранилище ERP и выгружается службами контроля и диагностики по мере формирование локальной базы данных для проведения статистического исследования процесса выплавки стали.
Результаты обработки эмпирической информации
о работе дуговой электросталеплавильной печи при использовании альтернативных материалов
В 2013 году по причине дефицита металлического лома в условиях электросталеплавильного цеха ОАО «ММК» в металлозавалке ДСП были использованы такие материалы, как ГБЖ и ТЧ в дополнение к традиционным МЛ и ЖЧ. Были составлены комбина-
t
ции в соотношении указанных компонентов в металло-завалке, приведенные на рис. 2.
Для каждой комбинации (рис. 3) варьирование доли составляющих металошихты не превышало 5% для каждой плавки. Были обработаны результаты наблюдений за соблюдением технологии выплавки для 230 плановых плавок. Таким образом, требованиям [2] отвечают комбинации МЛ+ТЧ, МЛ+ГБЖ+ТЧ и МЛ+ГБЖ, которые могут соответствовать режиму I (см. таблицу), и комбинация МЛ+ГБЖ+ЖЧ, приближенная к режиму II (см. таблицу). Комбинации МЛ+ЖЧ и МЛ+ТЧ+ЖЧ не соответсвуют требованиям [2] и для них должно быть выполнено обоснование выбора удельного расхода электроэнергии.
риалов в металлошихте.
0,20 0,40 0,60 0,80
Доля компонентов в металлозавалке
■ Доля лома ■ Доля ГБЖ ИДоляТЧ ИДапяЖЧ
Рис. 2. Комбинации и соотношения компонентов металлошихты для ведения плавки в ДСП
Для оценки зависимости значения удельного расхода электроэнергии и состава компонентов металло-завалки была построена зависимость среднего удельного расхода электроэнергии и средней доли твердой составляющей в металлошихте (рис. 4). На рис. 3 введены обозначения: 1 - МЛ+ГБЖ+ЖЧ; 2 - МЛ+ГБЖ; 3 - МЛ+ГБЖ+ТЧ; 4 - МЛ+ТЧ; 5 - МЛ+ТЧ+ЖЧ; 6 -МЛ+ЖЧ. Точки 2, 3 и 4, соответствующие режиму I из таблицы, показали существенные расхождения по среднему удельному расходу электроэнергии как в большую, так и в меньшую сторону, составляющие соответственно Д2=-6,84 кВт-ч/т; Д3=-21,1 кВт-ч/т; Д4=+13,73 кВт-ч/т. Комбинации МЛ+ТЧ+ЖЧ и МЛ+ЖЧ не соответствуют ни одному из рекомендованных режимов по таблице. При прогнозе по квадратичному тренду с коэффициентом детерминации, равным 1, для рекомендуемых режимов наблюдается заниженный удельный расход электроэнергии Д5=-28,66 кВт-ч/т и Д6=-12,35 кВт-ч/т. Комбинация МЛ+ГБЖ+ЖЧ выполняется при экономном энергорежиме, соответствующим рекомендации в таблице по режиму II.
Результаты корреляционного анализа показали наличие интекорреляции и мультиколлинеарности между показателями, выбранными для исследования, и позволили выявить причинно-следственные взаимосвязи между ними (см. рис. 4).
В работе [4] авторами предлагается стратегия постановки многокритериальной задачи оптимизации для выбора режимов работы электросталеплавильной печи с учетом количества остаточных элементов в стали, таких как хром, никель и медь. Приведенная методика может быть расширена дополнительным критерием энергосбережения и составом альтернативных мате-
Доля твердой составляют^ в
Плановые • Используемые —Прогно шруемые
Рис. 3. Зависимость среднего удельного расхода электроэнергии и средней доли твердой составляющей в металлошихте
На рис. 5, а представлена причинно-следственная диаграмма для удельного расхода электроэнергии, показывающая многоуровневость эмпирических взаимосвязей с другими величинами и требующая построения системы критериев для достижения минимального значения энергозатрат:
^ = a ' тгеж + a ' шжч + a ^ min , (1)
t2 = Ъх' шта + b2 ' Шмл +
+ Ъ3' t1(тГБЖ,тЖЧ)+ Ъ4 ^ min .
R = С ' t2 (ттч , тмл
, t1 (тгБЖ, ^ЖЧ
))+
+ с2 ^ min,
(2)
(3)
где аи Ър ск - эмпирические коэффициенты, 1= 1,3 ;
]= 1,4; к= 1,2.
Причинно-следственные диаграммы, приведенные на рис. 5, б-д, позволяют определить ограничения к задаче оптимизации состава шихты при энергосберегающем режиме работы ДСП:
[Cr Ln <[Cr ]<[Cr ]max , [Ni L <[Ni]<[Ni ]max , [CU L <[CU ]<[CU ]max •
(4)
где минимальное и максимальное значения процентного содержания остаточных элементов и температуры стали на выходе из ДСП определены для каждой марки стали, а значения для выбранного состава шихты определяются по эмпирическим соотношениям:
[о] = <„ • тт + <п • тЖЧ + <13 ■ тГБЖ +
+ <14 • тТЧ + d15,
|М] = <21 • тМЛ + <22 • тЖЧ +
+ <24 • тТЧ + d25,
[Си]= <31 • тМЛ + <32 • тЖЧ + + <34 • тТЧ + <45,
Твых = <41 • тМЛ + <42 • тЖЧ + + <43 • тГБЖ + <45,
где ёу - эмпирические коэффициенты, /= 1,4;
}= 1,5.
Дополнительно вводятся ограничения на запасы
(5)
ресурсов, составляющих металлозавалку:
Го <тш < <Шжч < S2,
■j0<тГБЖ <S3,0<тТЧ <S4, (6)
\M < т + т + m + т < M
min — ' "мл ^"'ЖЧ ^'"ГБЖ ^"'тЧ — 1 "max'
где S - ограничения на запасы ресурсов по видам компонентов в металлозавалке, т; M и M - ог-
> > min max
раничения на суммарную массу загрузки ДСП, т.
Для задачи (1)-(6) является достаточным использование линейных эмпирических уравнений при значимости коэффициентов парной корреляции, используемых при построении причинно-следственных диаграмм (см. рис. 4).
Результирующая информация
Рис. 4. Причинно-следственные диаграммы показателей, характеризующих процесс выплавки стали в ДСП
Методика выбора соотношения шихтовых
материалов плавки дуговой сталеплавильной печи для работы в энергосберегающем режиме
Таким образом, процесс выбора соотношения составляющих шихтовых материалов можно сформулировать в виде методики, приведенной на рис. 5.
Методика содержит шесть основных этапов. На этапе 1 выполняется выбор информации о технологических показателях плавок, проведенных при использовании альтернативных материалов и их структурирование по схеме, приведенной на рис. 1. Для выбора исходных данных используются фильтры, предлагаемые пользовательским диалогом автоматизированного рабочего места технолога. Результаты выбора информации размещаются в таблице для дальнейшей обработки. Для выбранной информации на этапе 2 выполняется построение причинно-следственных диаграмм на основе результатов корреляционного анализа, позволяющего выполнить определение целевых функций при выполнении этапа 3. Этап 4 по идентификации эмпирических параметров модели выполняется на основе методики, приведенной в [4] и построенной на основе теории идентификации системы эмпирических уравнений. На этапе 5 методом уступок выполняется решение многокритериальной задачи оптимизации, в результате которого получается вектор количественных оценок для соотношения компонентов металло-шихты при применении альтернативных материалов. Полученные результаты используются для оценки времени дуги под током, продолжительности цикла и удельного расхода электроэнергии при найденных соотношениях по уравнениям (1)-(3).
Массив коэффициентов модели
(1)-(7)
1
Решение задачи Количественные соотношения
оптимизации (1)-(7) компонент металлошихты
1 Г?)
Оценка Массив энергетических оценок
энергетических затрат электроплавки
X
Рис. 5. Причинно-следственные диаграммы показателей, характеризующих процесс выплавки стали в ДСП
Заключение
Таким образом, анализ тенденции по динамике цен на энергоносители показал, что в настоящее время существует острая необходимость в условиях изменения рынка сырья разработки новых экономных энергорежимов при эксплуатации агрегатов с высокими затратами электрической энергии. Ряд промышленных наблюдений продемонстрировал изменение условий эксплуатации дуговых сталеплавильных печей при изменении состава шихты и необходимость в изменении существующих энергорежимов. В ходе исследования результатов наблюдения была предложена методика для постановки многокритериальной задачи оптимизации, которая сочетает в себе аналитические и эмпирические методы исследования с сохранением физического смысла протекания процессов при ведении плавки в дуговой сталеплавильной печи.
Перспективными направлениями развития исследований авторы считают анализ математической модели выбора шихтовых материалов при работе дуговой сталеплавильной печи в энергосберегающем режиме, разработку рекомендаций по совершенствованию системы управления ArCos NT новой схемы системы адаптивного управления для реализации гибкой системы управления, способной реализовывать более трех режимов работы ДСП.
Список литературы
1. Влияние фракционного состава металолома на показатели работы дуговой сталеплавильной печи / В.В. Павлов, Ю.А. Ивин, С.В. Пехтерев, О.С. Логунва, И.И. Мацко // Электрометаллургия. 2011. №11. С. 2-7.
2. ТИ 101 -СТ-ЭСПЦ-64-2007. Выплавка стали в электропечах. Магнитогорск: ОАО «ММК», 2007. 43 с.
3. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Логунова О.С. Автоматизация и оптимизация управления выплавкой стали в электродуговых печах. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 304 с.
4. Logunova O.S. Internal-defect formation and the thermal state of continuous-cast billet // Steel in Translation. 2008. Т.38. № 10. P. 849-852.
5. Matsko I.I., Snegirev Y.V., Logunova O.S. Data acquisition and preparation methods for continuously cast billets quality analysis software // Applied Mechanics and Materials. 2012.
ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ
Т.110-116. С. 3557-3562.
6. Vdovin K.N., Gorostkin S.V., Kiselev V.D. Effect of the secondary cooling zone of a continuous-casting machine on the quality of slabs // Steel in Translation. 1996. Т.26. № 12. P. 2830.
7. Logunova O.S., Filippov E.G., Pavlov I.V., Pavlov V.V. Multicriterial optimization of the batch composition for steel-smalting arc furnace // Steel in Translation, 2013. V.43. №1. P. 34-38.
8. Сёмин А.Е., Смирнов Н.А. От лома до качественной
Information in English
стали // Электрометаллургия, 2008. №5. С. 44-46.
9. Особенности работы дуговых сталеплавильных печей с применением жидкого чугуна / Ю.А. Ивин, А.Б. Великий, Н.В. Саранчук, А^. Валиахметов, Л.В. Алексеев // Сталь. 2008. № 7. С. 49.
10. Кудрин В.А., Боборыкина Е.Н. Новые материалы и технологии в процессе роста производства стали в мире // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №10. С. 14-24.
Arc Furnace Tap Charging Material Ration Choice For Its Work In Power Saving Mode
Pavlov V.V., Logunova O.S., Kalandarov P.I., Iskandarov B.P. ugli
The article is concerned with the scientific approach to the choice of the charge materials ratio for the electric arc steel-making furnace to provide its energy saving operation. The method consists of six steps including obtaining and structuring of technological data, development of cause-effect relations and description of the power consumption process using the multifac-tor optimization problem containing the constraint system with empirical coefficients.
Keywords: power saving mode, electric arc steel-making furnace, charge materials ratio, multifactor optimization problem, structured data.
References
1. Pavlov V.V., Ivin Yu.A., Pekhterev S.V., Logunova o.S., Matsko i.i. Vliyanie fraktsionnogo sostava metalloloma na pokazateli raboty dugovoi staleplavilinoi pechi [Influence of scrap metal fractional makeup on electric arc furnace performance]. Elektrometallurgiya [Electrometallurgy], 2011, no. 11. pp. 2-7.
2. TI 101 -ST-ESPTs-64-2007. Viplavka stali v elektropechakh [Steelmaking in electric arc furnaces]. Magnitogorsk: OJSC «MMK», 2007. 43 p.
3. Parsunkin B.N., Andreev S.M., Logunova O.S. Avtomatizatsiya i optimizatsiya upravleniya viplavkoi stali v elektrodugovikh pechakh [Automation and optimization of steel making process in arc furnaces]. Magnitogorsk: Publishing house of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2012. 304 p.
4. Logunova O.S. Internal-defect formation and the thermal
state of continuous-cast billet. Steel in Translation. 2008, vol.38. no. 10, pp. 849-852.
5. Matsko I.I., Snegirev Y.V., Logunova O.S. Data acquisition and preparation methods for continuously cast billets quality analysis software. Applied Mechanics and Materials. 2012, vol.110-116, pp. 3557-3562.
6. Vdovin K.N., Gorostkin S.V., Kiselev V.D. Effect of the secondary cooling zone of a continuous-casting machine on the quality of slabs. Steel in Translation. 1996, vol.26, no. 12, pp. 2830.
7. Logunova O.S., Filippov E.G., Pavlov I.V., Pavlov V.V. Multicriterial optimization of the batch composition for steel-smalting arc furnace. Steel in Translation. 2013, vol.43, no.1, pp. 34-38.
8. Siomin A.E., Smirnov N.A. Ot loma do kachestvennoi stali [From scrap metal to high-quality steel]. Elektrometallurgiya [Electrometallurgy]. 2008, no.5, pp. 44-46.
9. Ivin Yu.A., Velikii A.B., Saranchuk N.V., Valiakhmetov A.Kh, Alekseev L.V. Osobennosty raboty dugovikh staleplavilnikh pechey s primeneniem zhidkogo cguguna [Performance characteristics of electric steel-making furnaces using liquid iron]. Stal [Steel]. 2008, no. 7, pp. 49.
10. Kudrin V.A., Boborikina E.N. Novie materiali i tekhnologii v protsesse rosta proizvodstva stali v mire [New materials and technologies in the process of world steel-making production growth]. Vse materialy. Entsiklopedicheskyi spravochnik [All the materials. Encyclopedic reference book]. 2012, no.10, pp. 14-24.
