Акустические и вибрационные характеристики сверхмощных дуговых сталеплавильных электропечей Сериков Виктор Андреевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Современное состояние и пути развития сверхмощных дуговых сталеплавильных электропечей 13

1.1 Современное производство стали в дуговых электропечах 13

1.2 Этапы развития дуговых сталеплавильных электропечей 15

1.3 Перспективы развития 22

Выводы по главе 1 27

ГЛАВА 2 Акустические характеристики дуговых электропечей и их связь с электрическими рабочими режимами 29

2.1 Акустические характеристики дуги дуговой сталеплавильной электропечи 29

2.2 Моделирование и расчет электрического режима дуговой сталеплавильной электропечи 36

2.3 Выбор и реализация математической модели электропечного контура дуговой сталеплавильной электропечи 46

2.4 Экспериментальное исследование Theta-параметра. 51

2.4 Инновационные подходы к управлению электрическими режимами дуговых сталеплавильных электропечей с помощью Theta-параметра 55

Выводы по главе 2 65

ГЛАВА 3 Математическое моделирование электрических и вибрационных характеристик дуговых электропечей 66

3.1 Моделирование электрического режима дуговой сталеплавильной электропечи. 66

3.2 Моделирование акустических характеристик дуговой сталеплавильной электропечи 72

Выводы по главе 3 82

ГЛАВА 4 Исследование виброакустических характеристик дсп и их влияние на теплообмен со стенами печи 84

4.1 Контроль за ходом плавки в дуговой сталеплавильной электропечи 84

4.2 Новый алгоритм управления дуговыми сталеплавильными печами с использованием вибрационных и акустических характеристик печи 85

4.3 Моделирование радиационно-конвективного теплообмена в дуговой сталеплавильной электропечии при воздействии виброакустических излучений 90

Выводы по главе 4 103

ГЛАВА 5 Исследование скоростей нагрева шихты в расплаве при воздействии перемешивания и вибрационных процессов 104

5.1 Скорость нагрева шихты в расплаве при воздействии перемешивания и вибрационных процессов 104

5.2 Угар металла и оптимизация нагрева шихты в расплаве в дуговых электропечах 112

5.3 Исследование скоростей плавления шихты в расплаве в сверхмощных дуговых электропечах при воздействии вибраций 123

Выводы по главе 5 131

Заключение 132

Список литературы 134

• Этапы развития дуговых сталеплавильных электропечей
• Выбор и реализация математической модели электропечного контура дуговой сталеплавильной электропечи
• Моделирование акустических характеристик дуговой сталеплавильной электропечи
• Новый алгоритм управления дуговыми сталеплавильными печами с использованием вибрационных и акустических характеристик печи

Введение к работе

Актуальность темы. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) используются для получения углеродистых сталей и основной части высококачественных легированных сталей, которые очень сложно или невозможно выплавить в других металлургических агрегатах. Трехфазные ДСП являются одним из самых мощных потребителей электроэнергии с непрерывно изменяющимися во времени активной и реактивной мощностями по фазам. Применение на существующих ДСП трансформаторов мощностью до 100-150 MB А определяет эти агрегаты как сверхвысокомощные при рабочих токах в фазах до 100-150 кА.

Анализ этапов развития ДСП от электропечей обычной мощности с удельными мощностями 0,5 MB А на 1 тонну выплавляемого металла до высокомощных и высокоимпедансных печей с мощностью 0,9-1,5 MB А/т показывают высокие темпы развития и совершенствования этого оборудования.

По каким-бы направлениям не развивались дуговые сталеплавильные электропечи в настоящем и будущем времени практически неизбежно будет сохранятся генерирование акустической энергии дуговыми разрядами и влияние на рабочие процессы электротехнологий вибраций, возникающих при взаимодействии акустических излучений с ограждающими поверхностями рабочего пространства: сводом, стенами печи и расплавом шлака и металла. Поэтому задачи, которые поставлены в диссертации, являются актуальными не только для совершенствования параметров работы действующих в промышленности ДСП, но окажутся важными и определяющими для создания электропечей нового поколения.

Объектом исследования являются сверхмощные дуговые сталеплавильные электропечи ДСП-30Н2 и ДСП-100И7, работающие на предприятиях России.

Предмет исследования: электрические и акустические характеристики ДСП; тепловые и энергообменные процессы, проходящие в рабочем пространстве и расплаве металла и шлака сверхмощных ДСП; надежность работы водоохлаждаемых панелей электропечи в условиях радиационно-конвективного теплообмена, акустических излучений и вибраций; скорости расплавления шихты в расплаве; способ повышения эффективности работы печи за счет диагностики периодов плавки путем измерения виброускорений датчиками, установленными на кожухе печей.

Цель диссертационной работы. Исследование акустических и вибрационных характеристик сверхмощных ДСП и их влияния на эксплуатационные параметры электропечей.

Задачи, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Изучение физических процессов в дуговых разрядах, обеспечивающих формирование излучений акустической энергии в рабочем пространстве электропечей.

2. Разработка математической модели, описывающей физические процессы генерирования акустических излучений дуговыми разрядами.

3. Исследование процессов преобразования электрической энергии в акустическую с последующим развитием вибрационных процессов в замкнутом рабочем пространстве электропечей.

4. Расчет акустических характеристик на основе проведенных исследований физических основ шумообразования в ДСП.

5. Разработка математической модели для расчета мгновенных значений электрических параметров в трехфазных цепях дуговых печей с учетом переноса энергии по фазам.

6. Исследование влияния виброакустических процессов на теплообмен в рабочем пространстве печи; экранирование акустических излучений шихтой и водоохлаждаемыми панелями.

7. Исследование скоростей нагрева шихты в расплаве в условиях интенсивного воздействия вибраций.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Впервые показано, что акустические излучения дуговых разрядов и возникающие вибрации в рабочем пространстве дуговых электропечей при преобразовании акустической энергии в вибрационную интенсифицируют все процессы в ДСП, включая тепловые и термохимические, и являются составляющими факторами для увеличения производительности сталеплавильного оборудования.

2. Установлено, что акустическая и вибрационная энергии увеличивают коэффициенты теплообмена в 1,5 - 2 раза на поверхностях водоохлаждаемых панелей и твердой шихте, находящейся в расплаве.

3. Впервые получены критериальные оценки вероятности формирования гарнисажа на поверхностях шихты после ее загрузки в расплав металла.

4. Впервые разработан метод расчета уровня интенсивности звука, генерируемого дуговыми разрядами ДСП в рабочем пространстве и степени экранирования звука сводом, водоохлаждаемыми панелями и расплавом металла и шлака.

5. Установлена зависимость скорости расплавления фрагментов шихты в расплаве от интенсивности вибраций.

Теоретическая и практическая значимость работы:

6. Полученные теоретические и экспериментальные результаты переданы в ОАО "СКБ Сибэлектротерм" и позволили более обоснованно выполнять анализ и синтез режимов работы дуговых печей и использовать при оптимизации режимов и создании современных автоматизированных систем управления технологическими процессами.

7. Проведенные исследования позволили дать рекомендации по уменьшению угара металла и увеличению скорости нагрева шихты в ДСП.

8. Диагностика периодов плавки с использованием измерений виброускорений на поверхностях кожуха электропечи позволяет с большей точностью проводить переключения режимов работы печей.

9. Разработан инженерный метод расчета акустических характеристик ДСП, что позволяет в полной мере выполнять требования

«О технической безопасности машин и

регламента Таможенного союза. оборудования (ТР ТС 010/2011)»

Основные положения, выносимые на защиту:

10. Установленное повышение эффективности использования вводимой в печь энергии и качественных показателей плавки за счет влияния акустической и вибрационной энергий на теплообмен в рабочем пространстве печи и в расплаве, а также интенсификации термохимических процессов.

11. Результаты исследований диагностики развития технологических периодов плавки путем измерений виброускорений датчиками, установленными на кожухе печей.

12. Метод расчета уровня интенсивности акустических излучений и виброускорений в ДСП и оценка степени экранирования акустических излучений кожухом и расплавом в печи.

13. Значения коэффициентов теплообмена при сопряженном радиационно-конвективном и акустическом взаимодействии энергетических потоков с внутренними поверхностями печей.

14. Результаты определения скорости плавления шихты в расплаве при сопряженном теплообмене теплопроводностью и вибрационном воздействии.

фактическими результатами, теоретических

Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечиваются корректным использованием применяемого математического аппарата, проверенного на адекватность путем сопоставления результатов с экспериментальными данными, а также сходимостью с полученными другими авторами. Обоснованность положений проверена их публикациями в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России, и наукоемких базах Scopus. Использование результатов работы.

15. Результаты диссертационной работы переданы для использования в ОАО "Сибэлектротерм" при разработке и создании перспективных дуговых электропечей.

16. По результатам работы дополнены курсы учебных дисциплин при подготовке магистров по магистерской программе "Электротермические процессы и установки" на кафедре автоматизированных электротехнологических установок государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет".

Личный вклад автора. В решении рассмотренных научных задач автор принимал непосредственное участие в разработке математической модели ДСП в ANSYS для определения избыточного давления в плазме дуги, математической модели электрического режима ДСП, математической модели акустических характеристик ДСП, физической и математической моделей теплообмена в рабочем пространстве печи с учетом виброакустических характеристик.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Международной конференции "Электротехника, Электротехнология, Энергетика" (ЭЭЭ-2015) - Electrical Engineering. Electrotechnology. Energy (EEE-2015), Новосибирск, 2015.

VIII международной научной конференции "Энергия-2013", Иваново. 2013.

XII международной научно-практической интернет-конференции "Энерго-и ресурсосбережение - XXI век". Орел. 2014.

International scientific colloquium MEP-2014 "Modelling for electromagnetic processing", Germany, Hannover, 16-19 Sept. 2014

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, в том числе 8 в рецензируемых изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 4 - в материалах международных и российских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение, приложения и список литературы из 102 наименований, содержит 147 страницы общего объема работы, 40 рисунков и 5 таблиц.

Этапы развития дуговых сталеплавильных электропечей

Преимущества современной электроплавки стали обусловлены появлением нового поколения высокомощных электродуговых печей переменного тока с увеличенным полным сопротивлением (импедансом) электропечного контура. Электрическая энергия в такие печи может вводиться в энергосберегающем режиме пониженных рабочих токов на ступенях вторичного напряжения до 1500 В, что обеспечивает сокращение расхода электроэнергии и электродов и значительное улучшение технологических, экологических и экономических показателей процесса. Другие энерготехнологические нововведения (альтернативные источники энергии, инжекционные технологии, подогрев шихты) являются вспомогательными и усиливают преимущества высокоимпедансных печей [11].

Основные электрические характеристики дуговой сталеплавильной электропечи (ДСП) – активная мощность Pa, вводимая в печь, рабочий ток I, напряжение дуги Uд, электрические КПД эл и коэффициент мощности cos (в зарубежной литературе принято обозначение , совпадающее с обозначением теплопроводности). В режиме короткого замыкания реактивное сопротивление X электропечного контура примерно на порядок больше, чем активное сопротивление токоподвода R, поэтому полное сопротивление (в зарубежной литературе используется устаревшее название импеданс печи) Z = yjx2 + R2 определяется практически реактивным сопротивлением — реактансом X. Регулирование мощности, вводимой в ДСП, возможно с помощью переключения ступеней напряжения печного трансформатора с изменением вторичного напряжения U2л и за счет рабочего тока I при вертикальном перемещении электродов, когда изменяется длина дуги lд и сопротивление дуги Rд.

Электрические характеристики строятся в функции рабочего тока на фиксированных ступенях напряжения. При построении рабочих электрических характеристик в расчетные формулы вносятся эмпирические поправочные коэффициенты, учитывающие, в частности, возрастающие эксплуатационные значения реактивного сопротивления электропечного контура.

Зависимости активной P a и полезной мощности дуги Рд в функции рабочего тока имеют восходящие и нисходящие ветви и точки максимума. Параболический характер кривых свидетельствует о том, что одну и ту же мощность можно ввести в печь при различных рабочих токах и, следовательно, при разных напряжениях и длинах дуг. При работе на дугах одной мощности, но разной длины, распределение выделяющейся мощности между металлом и футеровкой будет отличаться, т.е. так же будут отличаться показатели плавки, энергетические потери, производительность и акустические характеристики [12].

В процессе плавки происходит экранирование дуги от стен и свода. Вначале дуга экранируется шихтой, потом дуга экранируется заглублением в расплав шлака и металла под воздействием электромагнитных сил и пенистым шлаком. Экранирование излучения дугового разряда погружением в расплав металла обычно называют американским способом, экранирование пенистым шлаком, - европейским способом ведения плавки. Важная часть технологии, - ввод электрической энергии в ДСП. Можно выделить три исторических этапа развития принципов построения и использования энерготехнологических режимов электроплавки.

Первый этап (до 1960-х годов). На этом этапе разрабатывались рациональные режимы для печей малой и средней мощности с огнеупорной футеровкой. Электроплавку вели на рабочих токах, соответствующих восходящим ветвям зависимостей мощности от тока при повышенных коэффициентах мощности (cos = 0,8 и выше) на электрических характеристиках. Для установок с малым реактивным сопротивлением токоподвода вводилось дополнительное сопротивление (дроссель) с целью снижения величины тока короткого замыкания Iкз. Номинальные токи печных трансформаторов, как правило, не обеспечивали возможность использования режимов максимума активной и полезной мощностей дуги на высших ступенях вторичного напряжения, не позволяли заглублять дуги в расплав для экранирования дуги. Например, для печи ДСП-50 1950-х годов изготовления с печным трансформатором мощностью 15 МBА, высшей ступенью вторичного напряжения U2л= 368 В и реактивностью токоподвода X = 3,3 мОм номинальный ток трансформатора I2 составлял 23,5 кА, а для достижения максимума активной мощности Рamax был необходим ток I2max = 45,7 кА.Equation Chapter 1 Section 1

В этот период металлурги не рассматривали режимы ввода электрической мощности в ДСП как элемент сталеплавильной технологии, а энергетики при разработке режимов не в полной мере учитывали, что эти печи по своему назначению прежде всего металлургические агрегаты

Второй этап относится к началу 1970-х годов, когда произошли кардинальные изменения в оценках энергетики, конструкции печей и технологии электроплавки в связи с появлением высокомощных ДСП. Создание высококачественных графитированных электродов, допускающих плотность тока до 35 А/см2 против 15 А/см2 для обычных электродов, позволило создать печи нового поколения. Такой режим ввода удельной мощности 600 кВт/т впервые был реализован [13] на двух 360-тонных ДСП завода “Нортвестерн стил энд уайер" (США), используя электроды диаметром 610 мм при токовой нагрузке до 100 кА. В условиях высокой концентрации мощности в объеме рабочего пространства печи, когда необходимо быстро расплавить металл и не допустить чрезмерных тепловых нагрузок на футеровку, используются установленные закономерности, показывающие, что максимумы облученности футеровки дугами (радиационное воздействие дуг на футеровку) и интенсивности нагрева металла не совпадают с максимумом вводимой в печь мощности. Это объясняется тем, что длинная дуга в большей степени облучает футеровку, чем короткая, а также тем, что сильноточная мощная дуга под воздействием электромагнитных сил заглубляется в расплав и экранируется металлом и шлаком, при этом с ростом тока тепловой КПД дуги повышается и увеличивается передача мощности от дуги к металлу. Таким образом, в этом случае используется способ экранирования дуг погружением в металл. Например, для интервала рабочих токов 20 - 45 кА дуга заглубляется на 60 - 130 мм, т.е. удельное заглубление дуги в среднем составляет 3 мм/кА [14].

Выбор и реализация математической модели электропечного контура дуговой сталеплавильной электропечи

В результате проведенного комплексного изучения ДСП сделан вывод, что для изучения акустических характеристик печи необходимо провести исследование электрического режима ДСП, включающего математическое моделирование и экспериментальные исследования, и разработать математическую модель электрического режима ДСП со схемой замещения, учитывающей перенос мощности по фазам.

Сравним преимущества и недостатки схем замещения и методов, применяемых в настоящее время для расчетов мгновенных значений электрических параметров ДСП с учетом нелинейностей в цепи. Критериями оценки в данном случае могут служить желаемая степень адекватности расчетов или простота использования той или иной методики.

Строгая постановка задачи моделирования сводится к учету всех нелинейностей электропечного контура и несимметрии параметров по фазам. Для адекватного расчета электрических характеристик требуется также учитывать возмущения нагрузки и другие параметры. Например, в период расплавления из-за неоднородности шихты под электродами разных фаз в результате обвалов подплавляемых кусков и отработки приводом перемещения электродов коротких замыканий или обрывов дуг происходит изменение взаимного расположения токоведущих элементов фаз и, следовательно, потокосцепления между ними. Непрерывное изменение физических и геометрических параметров дугового промежутка, вызываемое процессом плавления, колебаниями торца электрода и самой работой системы автоматического регулирования по поддержанию заданного электрического режима, существенно определяется характером шихты, периодом плавки, индивидуальными особенностями конструкции или даже конкретной установки. Поэтому ни детерминированное моделирование, ни учет случайных возмущений в случае использования стохастических моделей не позволяют адекватно описать электрические процессы в ДСП. Таким образом, задачу строгого описания электропечного контура ДСП следует считать невыполнимой и руководствоваться этим обстоятельством при выборе модели. Если, однако, предположить, что нагрузка стабильна, а параметры внешней цепи не зависят от тока, то "строгая" постановка задачи сводится к рассмотрению трехфазной схемы замещения при соединении обмоток трансформатора звезда/треугольник с учетом нелинейности динамической вольтамперной характеристики и потокосцеплений Ч = 4 (i) [40, 41]. Такая схема замещения может быть описана дифференциальными уравнениями в соответствии с законами Кирхгофа. В эти уравнения будут входить члены, учитывающие индуцирование ЭДС, которые можно представить в виде (№_дЧ ді ИГ дГ !к где — имеют размерность индуктивности. Понятно, что в силу нелинейности ді зависимостей /д=/д(0 и W = W(i) на каждом шаге интегрирования уравнений Кирхгофа решается нелинейная задача определения индуктивностей. Это приводит к чрезвычайно большому объему вычислений и требует применения достаточно мощных ЭВМ. Задача может быть также осложнена необходимостью рассматривать различные схемы короткой сети и соединения обмоток трансформатора. В других работах, посвященных созданию методов расчета электропечного контура ДСП, например, [41 - 46], рассматриваются схемы замещения, приведенные к низшей стороне печного трансформатора, без учета его параметров. В работе [42] в цифровую модель электропечного контура входит и трансформатор, однако не учитывается нелинейность кривой намагничивания его магнитопровода В(Н). Результаты исследований роли нелинейности кривой намагничивания [47] показывают, что ею с минимальной погрешностью можно пренебречь лишь в случае симметрии электрической цепи. Очевидно, что для ДСП это условие не выполняется никогда. В стационарном случае для электропечи ДСП-100НЗА неучет нелинейности в трансформаторе приводит к погрешности в 5 - 6%, а в резко несимметричном режиме - до 10% (по данным [47]). Существенную погрешность в расчеты вносит неучет нелинейности динамической вольтамперной характеристики (до 13%) [47] и ее изменений в зависимости от условий горения дуги (то есть периода плавки) - до 10 - 15% [43]. Из оценки возможных погрешностей расчетов представляется возможным использование схемы замещения (рисунок 2.2), где эквивалентные параметры Lj и Му токоподвода рассчитываются отдельно в предположении линейности зависимости W = W(J), а также учитывается нелинейность динамической вольтамперной характеристики дуги.

Моделирование акустических характеристик дуговой сталеплавильной электропечи

В начале плавки при зажигании дуговых разрядов и разогреве рабочих торцов электродов эффективное активное сопротивление оказывается максимальным, электрическая проводимость минимальна, а theta-параметр изменяется в течение 60-120 секунд от 10-5 до 10-4 с. В этот период электрические токи протекают по верхнему слою загруженной шихты, вызывая видимые дуговые разряды между фрагментами шихты. В соответствии с вольт-температурной характеристикой в этих условиях приэлектродное падение напряжения может достигать 100 В [54]. По мере разогрева торца электродов это напряжение уменьшается до 40-20 В. В течение этого времени электроды практически не углубляются в шихту, наблюдаются максимальные амплитуды электромеханических колебаний электродов и электрододержателей, а плавление шихты происходит в ее поверхностных слоях в пределах диаметра распада электродов. В пусковой начальный период дуговые разряды имеют максимальную неустойчивость (иногда требуется повторное зажигание дуг).

Акустические параметры за пределами печи из-за минимального экранирования звуковых волн имеют максимальные значения с уровнем интенсивности звука выше 130 дБ. Звуковая и вибрационная энергии увеличивают коэффициенты теплообмена на внутренней поверхности свода и на шихте, наблюдается взрывообразное появление пылепарогазового дыма и кратковременные ударные тепловые потоки на поверхности свода.

Через одну-две минуты происходит относительная стабилизация электрического режима с формированием первого периода проплавления колодцев. Величина theta-параметра изменяется во времени со случайной дискретностью в диапазоне от 10-6 до 10-4 с из-за увеличения протяженности участка электрической цепи между электродами и большей вероятности возникновения дуговых разрядов между фрагментами шихты.

Первый период, показанный на рисунке 2.5, заканчивается при проплавлении, примерно, половины высоты колодца; происходит распад колодцев и изменение сплошности насыпной массы шихты ниже поверхности электродов (за счет застывания стекающего расплава из верхней части колодцев). Во второй половине времени проплавления колодцев (период 2 на рисунке 2.5) дискретность изменения theta-параметра уменьшается и к концу времени проплавления колодцев достигает квазипостоянного значения 310- 3 с. Измерения уровня интенсивности звука за пределами электропечи показывает снижение до 115-117 дБ при закрытом рабочем окне.

Третий период изменения theta-параметра соответствует горению дуговых разрядов на расплав = (25)10-3 с, а при полном заглублении дуги в пенистый шлак и металл (период 4) theta-параметр увеличивается до 510-3 с. Из-за экранирования области генерации звуковых волн расплавом уровень интенсивности звука в эти периоды за пределами печи на рабочей площадке устанавливался в пределах 105-110 дБ.

Величина theta-параметра и уровень интенсивности звука, генерируемого в рабочем пространстве печи, взаимосвязаны и могут использоваться для диагностики периодов плавки и управления введением электрической энергии в рабочее пространство печи [55].

На рисунке 2.5 приведена идентификация характеристик theta-параметра и динамических вольтамперных характеристик (ДВАХ) для последовательных периодов плавки. Эти характеристики, в отличие от theta-параметров, могут изменяться при появлении дуговых разрядов между фрагментами шихты и зависят от диаметра и характера обгорания электродов. Если диаметр электрода для рабочего тока слишком велик, то скос при обгорании электродов получается не очень большим, и стабильность горения дуговых разрядов снижается в соответствии с ВАХ приэлектродной зоны [54]. При малом диаметре электрода стабильность горения дуги высокая, но от сильного перегрева электроды быстро обгорают, разрушаются, что увеличивает расход электродов и длину дугового промежутка [56]. Эти особенности горения дуговых разрядов необходимо учитывать, так как они могут определять неоднозначность взаимосвязи акустических характеристик и ДВАХ.

Наибольший интерес представляет ДВАХ для четвертого периода, в котором дуга заглублена в расплав, и электрод может приближаться к расплаву за счет вертикального перемещения, последовательно переводя режим к режиму короткого замыкания (КЗ). При этом ДВАХ в виде овала Кассини «с талией», изображенного на рисунке 2.5 для четвертого периода, будет преобразовываться в эллиптическое приближение (а далее – в эллипс или круг) синусоидального режима КЗ при исчезновении дуги [56]. При этом theta - параметр будет стабилизироваться, увеличивая свою величину, а уровень интенсивности звука уменьшаться с одновременным увеличением вибрационной составляющей, передаваемой расплаву. Этот режим является ограничивающим, так как при этом существенно будет увеличиваться испарение металла и разрушающее действие вибраций.

Расчеты мгновенных значений токов i1(), i2(), i3() по математической модели (глава 3) с использованием theta-параметров, полученных при обработке экспериментов по математической модели электрических режимов, позволяют определить интенсивность возникающего звука при истечении газа из объема дуги вблизи твердой поверхности.

Новый алгоритм управления дуговыми сталеплавильными печами с использованием вибрационных и акустических характеристик печи

Звуковая энергия генерируется в замкнутом объеме печи, создаваемом кожухом, сводом, футеровкой или охлаждаемыми панелями, гарнисажными формированиями и поверхностью расплава. Шумовая нагрузка пространства вокруг печи определяется утечкой звуковой энергии через зазоры между электродами и сводом, между сводом и кожухом печи, через рабочее окно. Наибольшая шумопередача за пределы печи происходит через четвертое отверстие в своде – газоход. Наличие этих щелей и отверстий приводит к значительному снижению звукоизоляции кожуха печи. Особенность проникновения звука через зазоры, щели и отверстия состоит в том, что при диффузном падении звуковой волны через эти щели и отверстия передается больше звуковой энергии, чем это соответствует площади щелей и отверстий. Это определяется дифракцией звука и резонансными колебаниями объема воздуха, заключенного в щели или патрубке газохода. Расчетная оценка этих процессов может быть проведена с использованием методов, изложенных в [68].

Механизм экранирования акустических излучений и передачи звука через поверхности рабочего пространства состоит в том, что звуковая волна, падающая на любую поверхность внутри печи, приводит эту поверхность в колебательное движение с частотой, равной частотам колебаний частиц пылегазовой среды в звуковой волне. В результате ограждающие конструкции сами становятся источниками вибраций и звука, излучая их в окружающее пространство. Звуковая мощность этого излучения в сотни раз меньше звуковой мощности, проникающей в окружающее пространство через воздушные зазоры и отверстия в конструкции печи. В рабочем пространстве печи происходит трансформация звуковой энергии в вибрационную. При этом все конструктивные элементы печи, расплав и шихта становятся проводниками вибрационной энергии, которую можно измерять на внешних поверхностях металлических конструкций. Диагностика работы ДСП на основе акустических и вибрационных характеристик известна с начала 70-х годов прошедшего столетия. В исследованиях акустических и вибрационных характеристик печи ДСП-80 средней мощности с полностью футерованными стенами и сводом без каких-либо водоохлаждаемых элементов была показана связь изменения экспериментальных характеристик во времени с различными периодами плавки. Однако результаты этих работ оказались невостребованными в эксплуатационной практике при существовавших в то время технологиях выплавки сталей. Сопутствующими причинами этого являлось также отсутствие надежных и доступных для промышленного использования датчиков для измерения параметров шума и вибраций.

Моделирование шумовых характеристик печи и расчет Theta-параметра в реальном времени плавки = f(), приведенные в [37], позволяют диагностировать и оптимизировать вводимую энергию в рабочее пространство печи. Дополнительную информацию по скоростям расплавления шихты под каждым электродом и в расплаве, а также определение эффективности пенистого шлака с определением его высоты можно получить путем измерения вибрационных характеристик печи.

Для примера рассмотрим процесс диагностики расплавления шихты. Шихта, находящаяся в рабочем пространстве, выполняет функции экрана, снижающего передачу радиационного и акустического потоков энергии на боковые водоохлаждаемые панели. На рисунке 4.1 приведены вибрационные характеристики последовательных периодов плавки шихты. Измерялось изменение виброускорения в средней координате водоохлаждаемых панелей по высоте с использованием анализатора спектра вибраций типа 795 М производства ООО «ИНТРОН СЭТ Лтд.». Спектральный состав виброускорения содержал составляющие на частотах 2, 100, 200, 300, 400 Гц.

В первый период плавки при проплавлении колодцев экранирование шихтой акустических излучений от дуговых разрядов оказалось максимальным. Виброускорение на водоохлаждаемых панелях характеризуется пониженным размахом, превышающим 3 м/с2 только в ударные моменты режимов. Это объясняется тем, что прохождение вибраций, образованных из-за шума, возникающего при горении дуг, через шихту к водоохлаждаемым панелям, затруднено. Во второй период проплавления колодцев и расплавления шихты вибрации имеют стабильный характер, виброускорение изменяется в диапазоне от 5 до 7 м/с2 с ударными всплесками до 10 м/с2.

После расплавления основного объема шихты в третьем периоде плавки измеренное виброускорение имеет размах в диапазоне от 7 до 15 м/с2 и зависит от высоты пенистого шлака и степени заглубления дуговых разрядов в расплав. При экранировании дуги расплавом вибрации, возникающие в расплаве, передаются на все металлоконструкции печи через футеровку и суммируются с вибрациями, возникающими при прямом взаимодействии акустических излучений с внутренними поверхностями рабочего пространства электропечи.

При общей продолжительности времени расплавления и обработки металла одной корзины шихты 15 минут водоохлаждаемые стеновые панели имеют максимальную радиационную и акустическую нагрузку не более 3- 5 минут. Экранирующее влияние шихты на снижение радиационной и акустической нагрузки на стеновые водоохлаждаемые панели не распространяется на водоохлаждаемые сводовые панели и секции газохода.