Введение к работе
Актуальность темы. Современная дуговая сталеплавильная электропечь (ДСП) является одним из основных агрегатов черной металлургии. Особое влияние на развитие ДСП и электрометаллургии стали оказывает повышение мощности ДСП и изменение функционального назначения этого оборудования. Эти процессы обеспечивают рост производительности и других технико-экономических показателей работы агрегата. Для примера можно указать, что мощность трансформатора отечественной базовой крупнотоннажной электропечи для получения электростали емкостью 100 тонн за двадцать лет возросла с 25 МВА до SO MBA.
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации высокомощных ДСП выявил целый ряд проблем, возникающих при повышении удельных мощностей печей. Одна из таких проблем связана с электродинамическими взаимодействиями сильноточных токоподводов в условиях значительных изменений рабочих токов при расплавлении твердой Шихты, т.е. в тот период, когда реализуется максимальная мощность электропечи.
Особую актуальность данная задача обрела с широким развитием и внедрением методов внепечіїой обработки стали, четко определяющих место ДСП в технологической цепочке металлургического Производства -плавильный агрегат, работающий в комплексе с установками внепечной обработки стали. При этом режим максимальной мощности является основным и именно для этого режима характерен высокий уровень колебательности электромеханической системи, приводящий К ограничению вводимой мощности, преждевременному износу элементов конструкции й возникновению аварийных вибраций. Наблюдается реальное ограничение верхнего предела удельных мощностей, сдерживающее рост технико-экономических показателей работы ДСП.
Традиционные методы создания конструкций сверхвысокомощных ДСП не принимали во внимание их динамические характеристики, проявляющиеся при работе печи. Отсутствие наглядного и надежного инструмента для оценки уровня электродинамических взаимодействіїй в электромеханической системе, незнание саязи электротехнических и механических параметров с контруктивиым исполнением основных узлов ДСП не позволяло вывести агрегат на необходимые мощности, а значит, и производительности. Надежность работы узлов конструкции системы-удержания и перемещения электродов при этом достигалась за счет ужесточения несущих элементов, а значит, за счет повышения металлоемкости печи.
Анализу, постановке и решению этих задач посвящена настоящая диссертация.
Работа выполнялась по планам отраслевых министерств, централизованному госбюджетному финансированию по важнейшим проблемам развития фундаментальных наук.
Целью работы является разработка основных, концепций анализа электромеханических систем ДСП с внутренними самосргласовывающи-мися связями, обеспечивающими возбуждение и поддержание колебаний электрического режима и механической части конструкции; исследование зависимости этцх колебаний от параметров и свойств ДСП как электромеханической системы с разработкой методов анализа такой системы, позволяющих определять и прогнозировать ее электромеханические свойства в сверхвысокоыбщных режимах работы.
Для достижения указанной цели в задачи исследования входило следующее.
1. Анализ современного состояния проблемы, предлагаемых путей ее решения, имеющихся моделей данного явления и формулировка требований к постановке физико-математического моделирования на новом уровне детализации физических объектов.
. 2. Анализ дуговой сталеплавильной электропечи как электромеханической системы, обладающей способностью к возбуждению электромеханических колебаний; связи этих колебаний с электрическими режимами и параметрами механической системы,
-
Разработка математической модели электромеханических колебаний в ДСП с учетом сформулированных требований.
-
Экспериментальные исследования рабочих режимов сверхвысоко-мощных ДСП, включая определение фактических параметров механической системы и' ее поведение при электродинамическом взаимодействии токоподводов.
-
Анализ механической системы ДСП для выявления основных конструктивных факторов, влияющих на колебательную способность установок.
-
Исследование влияния электрических параметров ДСП на уровень электромеханических колебаний системы, а также исследование энергетических последствий этих колебаний.
7. Разработка методов расчета механических узлов ДСП на
выносливость с учетом электромеханических колебаний.
Научная новизна.
1. Идентифицирована дуговая сталеплавильная печь как электромеханическая система, способная к самовозбуждению автоколебаний электрического режима и механической системы; впервые показано, что
электромеханические колебания - неотъемлемое свойство ДСП, обусловленное комплексом электрических и механических характеристик печи.
-
Разработана физико-математическая модель механической части системы ДСП. Метод конечных элементов, положенный в основу модели, позволяет гибко менять уровень детализации объекта моделирования.
-
Впервые доказано, что основным элементом механической системы ДСП, влияющим на электромеханические свойства печи, является узел закрепления стоики электрододержателя в направляющих роликах.
4. Разработана математическая модель электродинамических коле
баний в ДСП, в основе которой заложена возможность дальнейшего
развития составляющих ее элементов.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. В ходе исследования доказана необходимость согласования
электрических и механических параметров электромеханической системы
ДСП при повышении уровня вводимой .мощности.
2. Предложен параметр, отражающий электромеханические свойства
ДСП - коэффициент электромеханической неустойчивости, который опре
деляется комплексом электрических и механических характеристик печи.
3. Создана физико-математическая модель электромеханических
колебаний в дуговых сталеплавильных печах; доказана ее корректность и
возможность ее использования для прогнозирования электромеханических
свойств электродуговой системы. На основе модели предложена методика
анализа электромеханической устойчивости сверхвысокомощных ДСП.
Рассмотрены энергетические последствия электромеханических колебаний,
что позволяет скорректировать выбор электрического режима.
4. Выявлены элементы конструкций, параметры которых в наиболь
шей степени определяют колебательную способность ДСП. Также выявле
ны резервы для снижения металлоемкости печи за счет уменьшения
жесткости элементов конструкции, мало влияющих на электромехани
ческие свойства печи. Предложена методика оценки динамических напря
жений в элементах конструкции системы электрод-электрододержатель,
связанных электродинамическими ' взаимодействиями и находящимися. в
режимах сомосогласовяппых и самоподдерживающихся колебаний.
Основные положения, выносимые на защиту.
I.Неотъемлемое свойство электромеханической системы дуговых сталеплавильных электропечей самовозбуждать и самоподдерживать колебания электрического режима и механической части системы за счет электродинамическоого взаимодействиятокрподдодоа.'
2. Комплекс результатов исследований, доказывающий приоритетный вклад г» уровень возмущений электрического режима самогенерируе-
мьіх электромеханических колебаний в системе дуговых сталеплавильных электропечей в периоды открытого горения дуг.
4, Метод снижения Интенсивности электромеханических автоколебаний в ДСП путем изменевдя параметров узла крепления стойки электрододержателя с использованием, например, подпружинивания направляющих роликов,:
. 5.. Принцип синтеза физико-математической модели электромеханической системы ДСП, включая расчетно-модельную схему замещения.
Апробация работы. Основные' результаты диссертационной работы докладывались на Международном семинаре "Математическое моделирование в электротермии" (Ленинград, 1989 г.);иа научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Новосибирск, 1995); на научных семинарах кафедры АЭТУ НГТУ (1993,1995 г.).
Публикации. По. результатам выполненных исследований опубликовано 5 леча і ньіх работ, '
Объем и структура диссертационной работы состоит из введения, щеети глав, заключения и списка использованной литературы из 60 наименований, содержит 180 страниц текста, 45 рисунков и 17 таблиц.