Введение к работе
Актуальность проблемы. В 70 - е годы у нас в стране и в высокоразвитых зарубежных странах возникла необходимость создания нового поколения оборудования для осуществления рудовосстановительных и руднотермических процессов широкого назначения, включая термохимические и сплавные процессы.
В этот период в нашей стране уже существовали открытые ферросплавные электропечи, рудовосстановительные (термохимические) для производства фосфора, карбида кальция и др. материалов с единичной мощностью до 24000 кВА. Особенности развития этого направления техники, относящейся к самым мощным преобразователям электрической энергии в тепловую с последующей реализацией различных термохимических реакций с получением готового продукта через расплавы, определялся во многом эмпирическим характером создания промышленного оборудования. Отсутствие общего теоретического подхода к анализу электротехнологических процессов, ярко выраженная многофакторность и нелинейность электрических и технологических режимов, отсутствие методов расчетной оценки тепловых полей, неоднозначность понимания принципов оптимизации рабочих условий осуществления технологий не позволяли однозначно перенести опыт создания и эксплуатации старой серии рудовосстановительного оборудования на проектирование новых высокопроизводительных и мощных агрегатов.
Очевидное, на первый взгляд, разнообразие технологических процессов и вызванные этим классификационные признаки каждого отдельного процесса, не позволяли сформировать общий взгляд на этот класс электротехнологического оборудования. Такое состояние научного обобщения вступало в противоречие с накопленным практическим опытом, вызывало необходимость разработки новых концептуальных подходов и решений, которые позволили бы перейти на принципиально новый уровень техники как по производительности, так и по электротехнологическим параметрам оборудования. Это и определило, в основном, актуальность, необходимость выполнения работы и направленность ее содержания.
Следует особо подчеркнуть настоятельную необходимость, важность и глобальность развития рассматриваемого технического направления для промышленности любой страны, в том числе и нашей. Крупномасштабное рудовосстановительное производство определяет уровень индустриализации хозяйственной деятельности в целом, является прямым и косвенным показателем развития отечественной техники и ее потенциальных возможностей. Технический уровень и масштабность этого производства во многом опреде-
ляет и развитие последующих технологических процессов и оборудования для получения материалов и продукции химических производств.
В излагаемом научном докладе приводятся в обобщенном виде результаты научной и практической деятельности автора в области создания отечественного рудовосстановитсльного оборудования, включая новое поколение открытых и закрытых электропечей для производства ферросплавов, фосфора, силикомаргапца, карбида кальция, силикокальция, нормального электрокорунда, медноникелевого штейна и др.
Целью работы является разработка теории и создание высокоэффективных рудовосстановительных электропечей - аппаратурно-технологических комплексов, состоящих из технически сопряженных рабочих зон и отдельных узлов, связанных энергетическими и материальными потоками и предназначенными для производства широкого класса продуктов. В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача: в теоретическом плане - создание обобщенной теории протекания злектротех-нологических процессов, выявление влияния интегральных и отдельных составляющих энергетических потоков на формирование температурных и технологических зон, принципов оптимизации рабочих режимов и поддержания их в квазистационарном состоянии; в экспериментальном плане -разработка, исследование и реализация электротехпологического оборудования нового поколения; обеспечение его работоспособности; разработка мощных и сверхмощных рудовосстановительных промышленных электропечей широкого назначения мощностью до 125 000 кВА.
Главные положения, выносимые на защиту:
-
Принципы разработки технических решений и электротехнологических схем рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих увеличение единичной мощности печных установок; результаты определения возможных границ предельных мощностей для различных типов электропечей.
-
Основы теории, комплекс электротехнологических моделей рабочих процессов в рудовосстановительных электропечах; теория и практика обеспечения стабильности энергетических потокораспределений.
-
Совокупность теоретических и экспериментальных исследований выбора исходных параметров систем электропитания рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих совместно с системами оптимального управления процессом плавки возможность осуществления рабочих процессов при высоких и сверхвысоких мощностях в квазистационарных режимах.
-
Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований, обеспечивающих выбор исходных технических требований и принципов конструктивного исполнения узлов ввода электрической энергии в рабочее пространство электропечей - систем самоспекающихся электродов.
5. Результаты создания и промышленного освоения электротехнологических комплексов - рудовосстановительных электропечей для производства ферросплавов, силикоалюминия, фосфора и др.
Научная значимость и новизна результатов работы состоит в том, что выполнен комплекс научных и прикладных работ, обеспечивающих создание и развитие мощных (до 125000 кВА) рудовосстановительных комплексов и систем, включая формирование основных концепций выбора исходных параметров электропечей, режимов работы оборудования и принципов обеспечения квазистационарности тепловых и технологических условий в рабочем пространстве, поддержание этих режимов при оптимальных соотношениях энергораспределения в рабочих зонах многофазных систем преобразования энергии. При этом впервые показано, что масштабирование процессов и создание мощных и сверхмощных рудовосстановительных комплексов прежде всего возможно при наличии стабильной закрытой теплоизолированной дуги, обеспечивающей создание и поддержание квазистационарного электротехнологического пространства - реакционного электропроводящего тигля. Установлено, что за счет организации оптимальных соотношений материальных и энергетических потоков возможно обеспечить необходимое сочетание электросопротивлений стенок реакционного тигля и близлежащего пространства, включая процессы энерговыделения в промежутке между электродами отдельных фаз, между электродами и расплавом, а также между электродами и токопроводящей стенкой футеровки.
На основе физических и математических моделей выявлены качественные и количественные особенности и закономерности одновременно протекающих процессов энергораенределения, тепло-массопереноса и локализации химико - термических процессов в конкретных областях рабочего пространства; предложен метод вычисления энергораспределений в сложной электротехнологической системе с учетом нелинейности электрической и тепловой проводимостей шихты и, следовательно, изменения токораспределе-ний между различными областями рабочих зон при больших температурных градиентах. Установлены причинные связи изменения эксплуатационных характеристик различных типов рудовосстановительных электропечей от значений исходных параметров, заглублений электродов и конструктивных особенностей электропечей. Полученные результаты позволяют сформулировать технологам исходные требования к гранулометрическим параметрам шихты, ее электропроводности и составу.
Теоретически и экспериментально показана эффективность и техническая возможность увеличения вводимой мощности в рабочее пространство за счет увеличения рабочего напряжения. Впервые предложены, обоснованы и реализованы в промышленных масштабах конструктивно - технологические принципы создания мощных и сверхмощных электротехнологнческих рудо-
восстановительных комплексов. При этом выявлены и реализованы на промышленном оборудовании способы выведения электротехнологических многофазных рудовосстановительных систем в квазистационарные режимы работы, обеспечивающие эффективную и оптимальную производительность с необходимым качеством получаемых продуктов; получены математические модели, связывающие входные (рабочий ток и напряжение) и выходные параметры рудовосстановительных систем (энергораспределение по отдельным зонам) при увеличении вводимой мощности и рабочего тока. Доказано, что основное увеличение доли вводимой мощности наблюдается в стенках тигля и эта зона совпадает с областью интенсивного протекания химико - технологических процессов. Впервые показана физическая сущность полуэмпирических критериев подобия рассматриваемых систем нагрева, на основании которых проводились расчты рудовосстановительных электропечей; это позволило провести обобщение существовавших расчетных методик, выявить их общность и различия за счет дифференциации отдельных определяющих факторов и степени их влияния па протекающие элсктротехпологичсскис процессы. При этом впервые установлено, что различные по своему технологическому назначению и режимным параметрам рудовосстановительные процессы могут быть обобщены на основе единого подхода к анализу энергопотоков в рабочей зоне многофазных систем введения электроэнергии электродными группами. Теоретически и экспериментально доказана прямая связь режимных параметров различных электротехиологических рудовосстановительных систем (зависимость энергораспределения от интегрального рабочего тока) и выявлен характер этой связи с установившимся режимом оптимальной работы, обеспечивающей эффективность химико - технологических реакций. Разработан инженерный метод расчета конструктивно - режимных параметров оборудования, на основе которого создана серия отечественных рудовосстановительных электротехнологических комплексов различного назначения.
За счет комплексности научной постановки с положительным результатом решена одна из центральных задач по созданию конструкций мощных и сверхмощных систем нагрева рассматриваемого типа - исследованы электротехнические и теплотехнические режимы работы самоспекающихся электродов, обеспечивающих введение мощности в рабочую зону; на основании комплекса полученных научных результатов и обобщения опыта эксплуатации ранее созданных конструкций разработаны концепции выбора количества электродов (трехэлектродная. шестиэлектродная или многоэлектродная системы электропечей), созданы методы расчетной оценки конкретного самоспекающегося электрода с учетом особенностей токораспределения и критерия термостойкости; определены пути развития различных конструкций рудовосстановительных электропечей для различных химико-технологичес-
ких процессов и уровня мощности (производительности), для которых необходимо создание нового типоразмера оборудования.
Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования новой серии отечественных рудовосстановительпых комплексов, принципов их запуска в рабочие режимы и технико-технологических требований для устойчивой эксплуатации.
Методика проведения исследований. Основные результаты выполненной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчетов рудовосстановительпых электропечей, физического моделирования, теории подобия, современных экспериментальных методов диагностики электротехнических, теплофизических и химико-термических процессов. Достоверность методов и результатов работы проверялась путем параллельного расчета научно-инженерными методами и экспериментальной проверкой на физических моделях и промышленных электропечах.
Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила решить крупную научно-техническую задачу по созданию нового поколения высокоэффективного промышленного электротехнологического оборудования для получения различных продуктов методами рудовосстано-вительной электротермии; предложить ряд новых технических способов и устройств, направленных на дальнейшее совершенствование и развитие ру-довосстановительных комплексов и систем; разработать принципиально новые конструкции химико-технологических промышленных агрегатов, находящихся на уровне лучших мировых образцов современной техники; создать инженерные методы расчетов разработанных электротермических установок.
Реализация результатов работы в промышленности осуществлялась в рамках государственных программ развития рудовосста-новительной электротермии силами ВНИИЭТО в содружестве с рядом технологических организаций, заводов - изготовителей и предприятий, на которых устанавливалось новое оборудование. Созданные типы промышленных рудовосстановительных комплексов находятся на уровне лучших мировых образцов современной техники. На новые технологические решения и возможные пути развития рудовосстановительных электропечей получено 90 авторских свидетельств и 9 патентов в заинтересованных странах - США, ФРГ, Норвегии, Италии, Великобритании, Швеции. Высокий технический уровень разработок подтверждается поставкой шести электропечей на экспорт в Индию (4 электропечи РКЗ-16,5 для производства силикомарганца, карбида кальция и ферросилиция, 2 электропечи РКЗ-24 для производства ферросилиция),
По заключению специалистов фирм, эксплуатирующих оборудование, электропечи обеспечивают успешную работу в диапазонах рабочих режимов, предусмотренных паспортными характеристиками.
Разработанные рудовосстановительные электропечи успешно работают на Челябинском металлургическом комбинате (РКЗ-7,5; РКЗ-16,5; РКЗ-24), Никопольском заводе ферросплавов (РПЗ-48, РПЗ-63), Запорожском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Стахановском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Кузнецком заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Ермаковском заводе ферросплавов (РКЗ-48), Чимкентском заводе фосфорных солей (РКЗ-48Ф), Джамбульском фосфорном заводе (РКЗ-48Ф), Новоджамбуль-ском фосфорном заводе (РКЗ-72Ф), Побужском никелевом заводе (ОКБ-767). Созданное рудовосстановителыюе оборудование в основном определило развитие отечественной черной металлургии и отдельных отраслей химических производств.
Результаты настоящих исследований в полной мере вошли в учебник для вузов "Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева", М.: Энсргоиздат, 1981 г., который используется для подготовки инженерных кадров по специальности "Элсктротехнологические установки и системы" в Московском энергетическом институте, Санкт-Петербургском электротехническом университете, Новосибирском государственном техническом университете, Чувашском государственном университете, Алма-Атинском электротехническом институте и других вузах России и СНГ. Полученные результаты получили развитие в шести диссертациях на соискание ученой степени кандидатов технических наук, подготовленных под руководством автора диссертации.
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 18 научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в том числе на 9 международных и 8 Всесоюзных: VIII Международном конгрессе по электротермии (Бельгия, 1976 г.); Международном конгрессе по металлургии (Австрия, 1980 г.); IX Международном конгрессе по электротермии (Англия, 1981 г.); X Международном конгрессе по электротермии (Швеция, 1984 г.); XI Международном конгрессе по электротермии (Испания, 1988 г.); Международном конгрессе по рудовосстано-вительным и переплавным процессам СРНК - 90 (Южная Корея, 1990 г.); VI Международном конгрессе по чугуну и стали (Япония, 1990 г.); Международном конгрессе "Черная металлургия России и СНГ в XXI веке" (г. Москва, 1994 г.); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Схемы и системы электроснабжения электротермического оборудования (г. Москва, 1975 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления научно-исследовательских работ по аппаратурному оформлению электротермических и высокотемпературных процессов химических производств
в десятой пятилетке" (Тсрмия-75, г. Ленинград, 1975 г.); VII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (г. Новосибирск, 1979 г.); III Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Параметры рудовосстаповильных электропечей и совершенствование конструктивных элементов" (г. Тбилиси, 1982 г.); VIII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (г. Чебоксары, 1985 г.); VI Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Параметры рудовосставительных электропечей, совершенствование конструктивных элементов и проблемы управления процессами" (г. Никополь, 1987г.); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме " Электроснабжение и электрооборудование дуговых электропечей" (г. Тбилиси, 1988 г.), а так же на ряде других конференций, научно-технических семинаров и совещаний.
Публикации. Диссертация включает обзор печатных работ автора, в числе которых специализированные главы в справочнике по электротермическому оборудованию и учебнике для вузов, 9 патентов и 90 авторских свидетельств на изобретения. Всего по проблемам теории и практики рудо-восстановительных дуговых электропечей, общим вопросам развития электротехнологии опубликовано 195 печатных работ, в том числе получено 99 патентов и авторских свидетельств на изобретения.