Исследование электромеханических характеристик гибких токоподводов дуговых сталеплавильных печей и разработка технических требований к их конструкциям Тесля, Наталья Борисовна

Введение к работе

Актуальность темы. Современная дуговая сталеплавильная электропечь (ДСП) является одним из основных плавильных агрегатов черной металлургии. В последние десятилетия определились тенденции повышения мощности ДСП и изменения их функционального назначения - применять только как плавильный агрегат, а рафинирование металла проводить вне печи. Это обеспечивает рост производительности и других технико-экономических показателей работы агрегата. Например, мощность трансформатора отечественной базовой электропечи емкостью 100 тонн за двадцать лет возросла с 25 MB А до 80 MB А.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации ДСП выявил ряд проблем, обусловленных повышением удельных мощностей. Одна из них связана с электродинамическими взаимодействиями сильноточных токоподводов в условиях значительных колебаний рабочих токов в начальный период расплавления шихты, когда реализуется максимальная мощность электропечи. При этом режим максимальной мощности является основным и именно для этого режима характерен высокий уровень колебательности электромеханической системы, наиболее подвижным элементом которой является гибкий токоподвод. Электромеханические колебания обуславливают флуктуации электрических параметров ДСП, возникновение аварийных режимов работы, преждевременный износ элементов конструкции, в частности, рукавов кабелей. Наблюдается реальное ограничение верхнего предела удельных мощностей, сдерживающее рост технико-экономических показателей ДСП.

В последнее время первостепенное значение приобретает вопрос обеспечения эффективной экологической защиты в процессе плавки. Экологически неблагоприятные явления при работе ДСП, такие как шум, пыле-газовые выбросы, а также фликкер-эффект, настолько значительны, что необходимость усиления внимания к созданию более благоприятных условий труда обслуживающего персонала не вызывает сомнений. Например, использование высокомощных печей влечет за собой повышение уровня шума до 120-130 Дб при допустимом 90 Дб.

Используемые методы создания конструкций сверхвысокомощных ДСП, традиционный подход к решению экологических задач не принимали во внимание специфику процессов, происходящих в ДСП при плавлении шихты. Незнание причин и механизма развития колебаний в ДСП, существующих взаимосвязей в электромеханической системе печи, их влияния на экологические аспекты работы установки, а также отсутствие наглядного инструмента для оценки уровня электродинамических взаимодействий в электромеханической системе, не позволяли вывести агрегат на необходимые мощности, а значит, и производительности.

Анализу, постановке и решению этих задач посвящена настоящая диссертационная работа.

Работа выполнялась по централизованному госбюджетному финансированию по важнейшим проблемам развития фундаментальных наук.

Целью работы является разработка основных концепций анализа ДСП как-электромеханической системы с внутренними взаимосвязями; исследование причин возбуждения и развития колебаний в дуговой установке; исследование влияния электромеханических колебаний кабельных гирлянд на электрические режимы печи; разработка технических требований к конструкции гибкого токоподвода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Анализ современного состояния проблемы, предлагаемых путей ее решения, имеющихся моделей ДСП как электромеханической системы с внутренними взаимосвязями; анализ кабельных гирлянд как объекта колебаний и моделей, включающих данный элемент; формулировка требований к постановке математического моделирования на новом уровне детализации ДСП как физического объекта.

2. Экспериментальные исследования рабочих режимов высокомощных ДСП, включая определение фактических параметров механической системы и ее поведение при электродинамическом взаимодействии токоподводов; анализ физической природы возмущений в зоне горения мощной печной дуги; исследование электромеханической системы дуговой сталеплавильной электропечи, обладающей способностью к возбуждению электромеханических колебаний; выявление причин возникновения экологически неблагоприятных явлений, связанных с работой ДСП; разработка рекомендаций по снижению колебательности электрического режима и элементов конструкции ДСП, а также взаимосвязанных с ними экологически неблагоприятных явлений.

3. Разработка математической модели электромеханических колебаний гибкого токоподвода ДСП.

4. Исследование динамических свойств кабельных гирлянд, влияния
электрических режимов на интенсивность электромеханических колебаний вто
ричного токоподвода различных типов ДСП, включая обратное влияние ка
бельных гирлянд на электрические режимы; оценка максимальных отклонений
кабелей с учетом низкочастотных возмущений; исследование влияния механи
ческих параметров системы, в том числе при использовании клиц, на интен
сивность электромеханических колебаний; выбор количества проводников ка
бельной гирлянды одной фазы с учетом электродинамики гибкого токоподвода;
оценка электромеханической устойчивости установки с учетом колебаний
кабельных гирлянд.

Научная новизна.

4. Подтверждено, что электромеханические колебания являются неотъемлемым свойством дуговых сталеплавильных печей, обусловленным комплексом сложных взаимосвязей физических явлений з зоне горения мощной печной дуги, автоколебаний систем электрод-электрододержатель, работы системы автоматического регулирования (САР) и электромеханических колебаний кабельных гирлянд с электрическими режимами ДСП.

5. Установлено, что первопричинами повышения колебательности электрического режима ДСП являются физические явления в зоне горения дуги, связанные с поведением электромеханической системы при изменении тока.

6. Исследован механизм возникновения и развития электромеханических колебаний гибкого токоподвода. Показано, что влияние кабельных гирлянд на токи дуг существенно отличается от влияния электрододержателей на электрические режимы. Гибкие кабели пассивно перемещаются при любых изменениях электрического режима с частотами, близкими к собственным, и генерируют низкочастотные составляющие тока за счет изменения индуктивности токоподводов ДСП.

7. Доказано, что броски токов при коротких замыканиях вследствие обвалов шихты, электромеханические колебания гибкого токоподвода и работа САР определяют амплитудную модуляцию токов в диапазоне частот до ] Гц.

8. Показано, что влияние работы САР на колебания электромеханической системы ДСП связано с резонансными явлениями при устранении возмущений электрического режима с частотами, близкими к собственным частотам колебаний электрододержателей.

9. Проведена оценка электромеханической устойчивости ДСП с учетом электромеханических колебаний кабелей.

10. Разработана математическая модель электромеханических колебаний кабельных гирлянд, позволившая установить их частотный диапазон, исследовать взаимовлияние электрических режимов и механических характеристик системы, оценить интенсивность колебаний кабелей при различных режимах работы ДСП.

11. Доказано, что экологически неблагоприятные факторы также являются неотъемлемым свойством дуговой сталеплавильной печи, поскольку предопределены физическими явлениями в печной дуге и комплексом электрических и механических параметров электропечи.

Практическая ценность и реализация результатов работы 1. В ходе исследования доказана необходимость согласования электромеханических параметров конструкции ДСП и условий подготовки твердой

шихты при повышении уровня вводимой мощности; показана целесообразность отдельного рассмотрения электрических режимов при плавлении мелкой и крупной шихты, электродинамика которых существенно различна; предложены пути снижения колебательности электрического режима ДСП и вибраций механической конструкции.

2. Показано наличие в спектре шума ДСП частот, обусловленных элекгро-динамическими процессами в печи и негативно влияющих на здоровье обслуживающего персонала.

3. Предложено характеризовать величиной градиента потенциала дугового промежутка интенсивность экологически неблагоприятных эффектов.

4. Показано, что скрепление кабелей пофазно с помощью клиц приводит к усилению электромеханических колебаний кабельных гирлянд вследствие увеличения их суммарной жесткости; обоснован выбор оптимального количества параллельных проводников в кабельной гирлянде одной фазы с учетом электродинамики гибкого токоподвода.

5. Обоснована конструкция гибкого кабеля с резиновым сердечником, обеспечивающая снижение интенсивности электромеханических колебаний кабельных гирлянд.

6. Создана математическая модель электромеханических колебаний гибких кабелей в дуговых сталеплавильных печах; доказана ее корректность и возможность использования для прогнозирования электромеханических свойств кабельных гирлянд и элекгродуговой системы в целом.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Физические явления в зоне горения печной дуги как первоисточники повышения колебательности электрического режима ДСП, обусловленные поведением электромеханической системы при изменении токов.

2. Комплекс результатов исследований, доказывающий влияние электромеханических колебаний кабельных гирлянд и работы САР на амплитудную модуляцию токов ДСП в диапазоне частот менее 1 Гц.

3. Метод снижения интенсивности вертикальных колебаний электродо-держателей путем расширения зоны нечувствительности регулятора ДСП с целью избежания резонансного раскачивания электромеханической системы.

4. Механизм развития электромеханических колебаний гибкого токоподвода ДСП под действием электродинамических усилий, обусловленный перемещениями кабелей при любых изменениях электрического режима с частотами, близкими к собственным, в результате которых в токи вводятся низкочастотные гармоники за счет изменения индуктивности фаз печи.

5. Метод снижения электромеханических колебаний кабельных гирлянд изменением механических свойств кабелей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждадись на Международной научно-технической конференции "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана" (г.Павлодар, 1996); на Всесоюзной межвузовской научной конференции "Электротехнология: сегодня и завтра" ЭТ-97 (Чебоксары, 1997); на научной конференции "Second Russian-Korean International Symposium on Science and Technology" (Томск, 1998); на научных семинарах кафедры АЭТУ НГТУ.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 8 печатных работах и одном отчете по научно-исследовательской работе, зарегистрированном в установленном порядке.

Структура и объем диссертации: работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований и приложений; содержит 140 страниц текста, 55 рисунков и 8 таблиц.