Введение к работе
Актуальность проблемы. Наметившаяся в последние годы тенденция к увеличению производства высококачественных легированных сталей и сплавов определила возрастающую потребность в ферросплавах. Ферросплавы массового применения получают в рудно-термических печах (РТП) путем восстановления природных руд, концентратов или технически чистых оксидов специальными восстановителями при высоких температурах, развиваемых в ванне печи, с поглощением тепла.
Рудно-термические печи являются мощными потребителями электрической энергии. Установленные мощности РТП достигают 250 МВА на одну установку, а расходы электроэнергии на тонну выплавленного продукта превышают 10000 кВт ч. Поэтому задачи повышения энергетической эффективности установок и рационального расходования электроэнергии стоят для данного класса агрегатов наиболее остро. Одним из путей решения поставленных задач является повышение точности и качества регулирования режима плавки, что достигается путем совершенствования используемых регуляторов мощности и создания систем автоматизированного управления на базе современных средств вычислительной техники и новых алгоритмов управления. Разработка и внедрение новых систем автоматизированного управления, позволяющих повысить производительность печей, качество выплавляемого продукта, технологическую и энергетическую эффективность процесса плавки, является непременным условием модернизации эксплуатируемых в настоящее время печей, что определяет актуальность темы диссертации.
Цель работы. Разработка системы управления рудно-термической печью, основанной на анализе гармонического состава кривой фазного тока, обеспечивающей повышение энергетической эффективности печи и снижение стоимости конечной продукции.
Достижение поставленной цели потребовало:
Анализа особенностей технологического процесса получения ферросплавов в РТП с закрытой дугой, режимов работы электрооборудования и основных механизмов, уровня и тенденций развития систем управления, конструктивных и компоновочных решений.
Построения и обоснования модели электрической части печного агрегата на основе схемы замещения РТП, позволяющей анализировать гармонический состав кривой фазного тока печи, определять токи, протекающие в дуговом промежутке и в стенках тигля, а также мощности, выделяемые в дуге и в шихте.
Построения и обоснования упрощенной тепловой модели РТП с закрытой дугой, позволяющей исследовать тепловые поля и режимы работы печи в нестационарном и установившемся режимах.
Выбора и анализа критериев оценки рационального теплового режима РТП.
Разработки и исследования системы управления тепловым режимом РТП с закрытой дугой по гармоническому составу кривой фазного тока.
Разработки методик и аппаратных средств для проведения экспериментальных исследований на действующих печах.
Экспериментальных исследований тепловых и электрических режимов работы действующих печей, с целью уточнения параметров разработанной системы управления и проверки выдвинутых гипотез.
Реализации системы и разработки алгоритмов управления, обеспечивающих повышение энергетической эффективности процесса плавки, увеличение производительности и снижение стоимости конечной продукции.
Соответствие темы исследования паспорту специальности 05.09.10 Электротехнология:
1. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых ре-
шений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.
Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнологических комплексов и систем, их оптимизация, разработка алгоритмов эффективного управления.
Разработка новых технологических процессов для получения чистых металлов, сплавов с заданными физическими и химическими свойствами, в том числе для нужд полупроводниковой промышленности.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях:
Установлена возможность контроля теплового режима работы РТП с закрытой дугой по нечетным гармоническим составляющим кривой фазного тока.
Получены зависимости, связывающие суммарную мощность, выделяемую в зоне реакции печи, и её составляющих, выделяющихся в шихте и дуге и гармонические составляющие кривой фазного тока, обосновывающие возможность идентификации технологического режима печи по величинам 3-ей, 5-ой, 7-ой, 9-ой и 11-ой гармонических составляющих кривой фазного тока.
Разработана модель теплового состояния РТП с закрытой дугой, которая может использоваться в режиме реального времени для управления технологическим процессом.
Разработаны алгоритмы управления технологическим режимом РТП с закрытой дугой по текущему значению гармонической составляющей кривой фазного тока.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:
1. Разработана система управления тепловым режимом РТП, использующая нечетные гармоники фазного тока.
Разработана методика определения параметров РТП с закрытой дугой, позволяющая обоснованно проектировать режимы работы печи, определять параметры электрического оборудования и производить настройку системы управления.
Разработаны алгоритмы управления РТП с закрытой дугой.
Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе на кафедре ФЭМАЭК НИУ «МЭИ».
Достоверность полученных результатов. Степень достоверности полученных результатов определяется: применением современных методов научных исследований, опирающихся на общепринятые представления в области электротехнологии, калиброванных измерительных приборов, совпадением результатов аналитического исследования с экспериментальными данными, полученными на действующей печи.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 15-ой, 16-ой, 17-ой и 18-ой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2009 - 2012 гг.; 13-ой международной конференции по вопросам электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов в 2010 г.; 14-ой международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» в 2010 г.; 2-ой Всероссийской конференции «Инновационная энергетика» в 2010 г.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ-2010» в 2010 г.; 8-ой и 9-ой Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение XXI век» в 2010 и 2011 гг.; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновация» в 2010 и 2011 гг.; научной конференции «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2011» в 2011 г; II всероссийской научно-технической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортиров-
ки теплоты» в 2011 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 22 печатных работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, и получено 3 патента на полезную модель.
Реализация результатов работы: Результаты диссертационной работы внедрены на ЗАО «Тихвинский завод ферросплавов» и используются для управления электрическим режимом РТП для получения высокоуглеродистого феррохрома.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Основной текст диссертации изложен на 152 страницах, работа сопровождается 9 таблицами, 68 рисунками и приложением на 12 страницах, список литературы включает 188 наименований.
