Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с мировым финансовым кризисом объем производства металлопродукции в мире и в том числе в России в IV квартале 2008г. и в 2009г. снизился. Однако за предшествующие кризису последние 7 лет, с 2000 по 2007 годы, металлургия России на 22,4% увеличила объем выплавки стали и сплавов и производство из них готовой продукции. Объем инвестиций за рассматриваемый период увеличился в 3,6 раза, экспорт (в стоимостном выражении) - в 3,1 раза, уровень рентабельности производства составил в среднем 25%. Наращивание объемов производства стали и сплавов с 2000 по 2007 годы было достигнуто в результате опережающего развития современных методов: электросталеплавильного производства, внепечной обработки и разливки стали на МНЛЗ. За этот период объем выплавки электростали увеличился в 2,2 раза, разливки на МНЛЗ в 1,8 раза. Доля электростали в общей выплавке стали увеличилась с 14,7% до 26,7%, стали, пошедшей внепечную обработку с 3,2 до 5%, разлитой на МНЛЗ - с 49,7 до 71,1%. Достижение данных показателей стало возможным за счет увеличения среднегодового объема инвестиций за рассматриваемый период в 4 раза. На отечественных металлургических предприятиях в 2000-08 годах реализован и продолжает реализовываться ряд важнейших инвестиционных проектов. В результате в отрасли улучшились показатели использования всех видов потребляемых на предприятиях ресурсов: снизились расходный коэффициент стали на прокат с 1175 до 1113 кг/т, удельный расход электроэнергии на производство электростали и удельный расход топлива на производство готового проката на 30%, возросли производительность труда в 1,7 раза, коэффициент использования производственных мощностей в сталеплавильном и прокатном производствах с 59-63 до 88-91%. Однако в черной металлургии России по сравнению с промышленно развитыми странами большие средний расходный коэффициент стали на прокат на 50 кг/т, средний удельный расход энергоресурсов на 15-25%.
Таким образом, тема диссертационной работы, направленной на разработку схемы электроснабжения и конструкции дуговой сталеплавильной печи с автономным питанием дуг и способа плавки стали в ней, при котором увеличивается КПД дуг и уменьшается время плавки и удельный расход электроэнергии, является актуальной.
Актуальность диссертационной работы подтверждена выделением гранта №2.1.2/1856 Рособразования на 2009-2010 г.г. на проведение
фундаментальных исследований в области металлургии, часть результатов исследования по проекту которого вошли в диссертационную работу.
Целью диссертационной работы является разработка схемы электроснабжения, конструкции дуговой сталеплавильной печи, способа плавки стали в ней для снижения удельного расхода электроэнергии и времени плавки в электропечах.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
- осуществлен анализ электродинамических усилий, действующих на дугу в
дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока, который показал
положительное влияние на теплообмен и КПД дуг осевой силы, и
отоинательное влияние отклоняющий электромагнитной силы;
выталкивающей дугу из-под электрода и углубления в расплаве и
уменьшающей КПД дуги и ее излучение на ванну металла;
- доказана необходимость создания дуговой сталеплавильной печи
переменного тока в которой дуги горят вертикально, заглублены в металл,
такое положение дуг возможно при их автономном питании от однофазных
трансформаторов с подключением фазы к сводовому, а нуля к подовому
электродам, при котором сохраняется осевая сила и заглубление дути в
жидкометаллическую ванну и устраняется отклоняющая электромагнитная
сила и выталкивание дути из-под электрода и из углубления в расплаве;
осуществлен анализ схем электроснабжения и работы
электрооборудования дуговых сталеплавильных, электрошлаковых и руднотермических печей для выявления возможностей перевода питания дуговых сталеплавильных печей с трехфазных трансформаторов на однофазные трансформаторы;
осуществлен вывод обобщенного аналитического выражения для расчета угловых коэффициентов излучения дуги на поверхности нагрева, позволяющий определять долю мощности излучения дути на ванну металла, стены, свод электропечей;
аналитическими исследованиями установлено, что чем меньше длина дуги, меньше длина ее открытой, незаглубленной части, тем больше средний угловой коэффициент излучения дуги на ванну металла, тем больше КПД дуги;
- разработан и запатентован в России способ плавки стали в дуговой
сталеплавильной печи с автономным питанием дут, при котором ось
токопроводящего слоя в электроде, электрической дуге, ванне металла
вертикальна, устраняется электромагнитная сила, выталкивающая дугу из-
под электрода и сохраняется осевая электромагнитная сила, заглубляющая электрическую дугу в расплав;
разработана схема электроснабжения и конструкция дуговой сталеплавильной печи с автономным питанием дуг в которой реализован запатентованный способ плавки стали, отличающиеся от схемы электроснабжения и конструкции дуговой сталеплавильной печи трехфазного тока использованием трех подовых электродов, питанием каждой из дуг от трех однофазных трансформаторов, вертикальным горением и заглублением дуг в расплав, увеличением их КПД на 13%, сокращением времени плавки и удельного расхода электроэнергии на 12-13%, увеличением производительности печи на 12-13%.
шеїидьі наследовании. При проведении анализа и синтеза схем электроснабжения электропечей, экспериментальных исследований применяли методы математической статистики. При проведении теоретических исследований для отыскания функций для определения угловых коэффициентов излучения дуг использовали методы интегрального исчисления. Для расчета угловых коэффициентов излучения, коэффициента полезного действия дуг использовали методы математического моделирования на ЭВМ.
Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждена корректностью принимаемых допущений аргументированностью теоретических и экспериментальных исследований, совпадением расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- доказана необходимость создания дуговой сталеплавильной печи
переменного тока с автономным питанием дуг от однофазных
трансформаторов, при котором сохраняется осевая электромагнитная сила и
заглубление дуги в ванну металла и устраняется отклоняющая
электромагнитная сила и выталкивание дуги из-под электрода и из
углубления в расплаве;
получено обобщенное аналитическое выражение для расчета угловых коэффициентов излучения дуги на поверхности нагрева электропечей;
разработан и запатентован в России способ плавки стали в дуговой сталеплавильной печи с автономным питанием дуг, позволяющий повысить КПД дуг за счет устранения отклоняющей электромагнитной силы, действующей на дугу;
разработаны схемы электроснабжения и конструкция дуговой сталеплавильной печи с автономным питанием дуг, в которой реализован
запатентованный способ плавки стали, отличающийся от конструкции дуговой сталеплавильной печи трехфазного тока вертикальным горением и заглублением дуг в расплав.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- доказана необходимость создания и внедрения дуговой сталеплавильной
печи переменного тока с автономным питанием дуг от однофазных
трансформаторов;
- разработан способ плавки стали в дуговой сталеплавильной печи с
автономным питанием дуг, позволяющий повысить КПД дуг за счет
устранения отклоняющей электромагнитной силы и сохранения осевой
электромагнитной силы;
разработана схема электроснабжения к конструкция дуговой сталеплавильной печи в которой реализован способ плавки стали, позволяющий увеличить на 13% КІ1Д дуг и производительность печи, уменьшить на 12-13% время плавки стали и удельный расход электроэнергии;
- выведено обобщенное аналитическое выражение для определения угловых
коэффициентов излучения дуг на поверхности нагрева, которое используется
в методике расчета КПД дуг электропечей;
результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре ЭС и Э ТГТУ при чтении лекций по дисциплине «Электротехнологические установки» и переданы к использованию ЗАО «Уралтехмаркет», деятельность которого связана с модернизацией дуговых сталеплавильных печей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007,2008, 2009, 2010 г.г.); VI Минском Международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2008г.); XII Международной научно-технической конференции «Электротехника, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, 2008г.); IV Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительности и энергетики (Тула, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора технических наук, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований и приложений. Основной текст диссертационной работы изложен на 138 страницах, машинописного текста, содержит 42 рисунка, 4 таблиц, приложения на 2 страницах.
