Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ конструкций и особенностей работы рудовосстановительных электропечей в квазистационарных режимах 10
1.1. Конструкции и современное состояние рудовосстановительных электропечей 10
1.2. Технологические процессы в рудовосстановительных электропечах 21
1.3. Особенности процессов, протекающих в ванне рудовосстановительной электропечи 40
1.3.1. Классификация и обозначения 40
1.3.2. Закономерности физико-химических и других процессов в ванне электропечи 46
1.4. Рудовосстановительные электропечи как возможные регуляторы нагрузки энергосистем 58
ГЛАВА 2. Исследования интегральных параметров электропотребления рудовосстановительных электропечей и основных показателей производства ферросплавов 63
2.1. Электрическая нагрузка и факторы, влияющие на формирование графиков нагрузок 63
2.1.1. Оценка интегральных показателей графиков нагрузок 69
2.2. Вероятностно-статистическая обработка экспериментальных результатов 80
2.2.1. Определение статистических характеристик и закона распределения электрических нагрузок рудовосстановительных печей 80
2.2.2. Корреляционный анализ электрических нагрузок 87
2.3. Исследования основных показателей производства
ферросплавов 93
2.3.1. Анализ и отбор факторов, влияющих на технологический процесс выплавки ферросплавов 96
2.3.2. Выбор уровней и интервалов варьирования факторов при
выплавке силикомарганца в электропечах РПЗ-63 100
2.3.3. Выбор уровней и интервалов варьирования факторов при
выплавке ферросилиция в электропечах РК 3-21 102
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования динамиче ских режимов протекания электротехнологий при отключении и частичном снижении нагрузки рудовосстановительных электропечей 104
3.1. Планирование экспериментов 104
3.1.1. Методика проведения и обработки результатов опытов 107
3.2. Математическая модель процесса производства силикомарганца 110
3.3. Математическая модель процесса производства ферросилиция 114
3.4. Исследования электрических параметров и режимов работы рудовосстановительных электропечей 121
3.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 121
3.4.2. Исследование взаимосвязей электрических и физико-химических процессов в ванне электропечи 128
3.5. Фильтрация печных газов и их взаимосвязь с процессами в ванне электропечи 138
3.6. Определение оптимальных энергетических режимов 143
3.7. Выбор геометрических параметров ванны электропечи 147
ГЛАВА 4. Разработка методов определения динамических характеристик и моделирование рудовосстановительных электропечей 163
4.1. Зависимость технико-экономических показателей
рудовосстановительных электропечей от длительности
их отключения 164
4.2. Зависимость технико-экономических показателей рудовосстановительных электропечей от величины и длительности снижения их мощностей 171
4.3. Построение динамической модели изменения производительности рудовосстановительной электропечи методом идентификации 174
4.4. Теоретическое исследование динамической модели рудовосстановительной электропечи 185
ГЛАВА 5. Обобщенная методология исследований и моделирования ванны рудовосстановите- льной электропечи и самоспекаюшихся электродов 191
5.1. Тепловое поле ванны и его связь с электрическим полем 191
5.2. Методика физического моделирования ванны электропечи и конструкция модели 199
5.3. Результаты экспериментальных исследований на физической модели ванны электропечи 203
5.4. Современные самоспекающиеся электроды и их свойства 216
5.4.1. Электродные массы, их состав и свойства 220
5.4.2. Конструкция самоспекающегося электрода 225
5.4.3. Спекание электрода 229
5.5. Работа самоспекающегося электрода как проводника тока 236
5.5.1. Эксплуатация самоспекающегося электрода 243
5.6. Тепловой баланс самоспекающегося электрода 247
5.6.1. Физическая и математическая модели теплового поля электрода 261
5.6.2. Симметрирование тепловых полей электродов 273
ГЛАВА 6. Расчет электрических параметров и методика определения рациональных режимов работы рудовосстановительной электропечи 280
6.1. Особенности расчета параметров электропечей для выплавки FeSi-18 и FeSi-25 280
6.2. Расчет параметров электропечного контура 286
6.3. Определение характеристик ущербов электропечей 304
6.4. Определение рационального способа снижения мощности группы РВП на период ограничений 310
6.5. Оптимизация распределения мощности ограничения группы электропечей 314
6.6. Регулирование электрических режимов электропечей 327
6.6.1. Проверка объективности выбора рациональных режимов группы РВП методом экспертных оценок 337
6.6.2. Повышение эффективности использования РВП для выравнивания графиков нагрузок энергосистем 341
Заключение 344
Список литературы
- Технологические процессы в рудовосстановительных электропечах
- Вероятностно-статистическая обработка экспериментальных результатов
- Математическая модель процесса производства силикомарганца
- Построение динамической модели изменения производительности рудовосстановительной электропечи методом идентификации
Введение к работе
В последние десятилетия XX века определились главные пути повышения эффективности общественного производства на основе ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, а также более рационального использования и экономии всех видов ресурсов, включая разработку и внедрение комплекса мероприятий по экономии электроэнергии. Наращивание промышленного потенциала требует соответствующего роста производства различных видов энергии, но ввиду отсутствия рациональной организации потребления электроэнергии, как одного из важнейших ее видов, в электроэнергетике остро встала проблема покрытия максимальных нагрузок и заполнения ее ночных "провалов" [1].
В то же время анализ отечественной и мировой практики показывает, что в связи с неритмичностью работы некоторых промышленных предприятий, а также ростом потребления электрической энергии в быту и сельскохозяйственном производстве, во многих питающих энергосистемах возник напряженный энергетический баланс, наиболее ощутимый в осенне-зимний период, когда потребность в электроэнергии значительно возрастает. Питающие энергосистемы не в состоянии в настоящее время решить эту проблему без учета условий формирования электрических нагрузок промышленными предприятиями и вынуждены производить лимитированный отпуск электроэнергии, а в часы своих максимальных нагрузок ограничивать мощность наиболее энергоемких потребителей [2], к числу таких предприятий относятся, в первую очередь, металлургические предприятия со сверхмощными РВП, единичные мощности которых достигают 80 MB А.
Высокая энергоемкость, непрерывный рост абсолютного и относительного электропотребления выдвигают проблему рационального использования электроэнергии в производстве стали и ферросплавов в число важнейших задач и придают ей особую актуальность в современных условиях сезонного дефицита мощности в питающих энергосистемах.
Рудовосстановительные электропечи (РВП) относятся к самым мощным потребителям электроэнергии в промышленности и решение проблем оптимизации их эксплуатационных характеристик является важнейшим направлением работ как с точки зрения глобальной экологической задачи ресурсосбережения, так и для решения частной задачи - снижения себестоимости получаемой в них продукции.
Масштабность рассматриваемых задач можно оценить хотя бы по тому факту, что суммарная мощность установленных рудовосстановительных электропечей только в России составляет более 1500 МВА, в Казахстане - 2900 MB А, на Украине - 1300 MB А. Такой уровень электропотребления определяет особую актуальность проблемы оптимизации режимов эксплуатации РВП.
Существующие ограничения электропотребления предприятий с РВП приводят к сокращению выпуска продукции, перерасходу электроэнергии, снижению надежности работы высокопроизводительного электротехнологического оборудования и в результате - к значительному экономическому ущербу. До настоящего времени не было систематически изучено влияние величины и длительности ограничений электрических мощностей РВП наряду с другими взаимодействующими факторами на ход технологического процесса и основные технико-экономические показатели производства ферросплавов, при условии обеспечения высокой надежности и минимально допустимого функционального расстройства производственного процесса [3,4,5].
Созданию и развитию теории и практики квазистационарных электротепловых процессов в рудовосстановительных электропечах посвящены работы отечественных ученых: А.Д. Свенчанского, А.С. Микулинского, М.Я. Смелян-ского, И.Т. Жердева, Г.А. Сисояна, Н.А. Маркова, А.Н. Попова, Б.М. Струнско-го, В.П. Воробьева, В.Л. Розенберга, Ю.М. Миронова и других.
Развитию вопросов теории и практического применения рациональных режимов и параметров рудовосстановительных электропечных установок, отличающихся от номинальных режимов, уделено недостаточно внимания. Обзор научно-технических литературных источников в этой области свидетельствует об отсутствии систематизации и распространения опыта широкого внедрения новых разработок. В настоящее время имеющиеся по этому вопросу сведения представлены в журнальных статьях или в виде разделов в книгах, посвященных рудовосстановительньш электропечам.
Поэтому научный и практический интерес представляет решение проблемы оптимизации эксплуатационных характеристик современных сверхмощных РВП как в квазистационарных, так и в нестационарных режимах их работы, направленной на минимизацию экономического ущерба для предприятий с этими установками при снижении их мощности или отключении на конкретное время. В связи с вышеизложенным, целью работы являются разработка основ теории и оптимизации энерготехнологических режимов работы сверхмощных РВП в условиях изменения их мощностей, В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача: в теоретическом плане - создание основ обобщенной теории протекания электротехнологических процессов, принципов оптимизации рабочих режимов и поддержания их в квазистациоарном состоянии при изменении потребляемых мощностей; в экспериментальном плане - разработка, исследования и реализация рациональных режимов работы электротехнологического оборудования, в особенности самообжигающихся электродов РВП.
На защиту данной диссертационной работы выносятся:
1. Теоретические положения развития нестационарных электротепловых процессов в сверхмощных рудовосстановительных электропечах; теория и практика обеспечения оптимальных энергетических и материальных потокораспределений в условиях ограничения энергопотребления.
Экспериментально-теоретические результаты анализа электрических и тепловых явлений в самоспекающихся электродах, работающих в нестационарных режимах.
Совокупность теоретических и экспериментальных исследований, определяющих степень влияния основных энерготехнологических факторов на ход технологического процесса и показатели производства продукции в сверхмощных РВП, работающих в нестационарных режимах.
Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований, обеспечивающих выбор рациональных энерготехнологических режимов сверхмощных РВП и выполнение исходных технических требований к ним.
Концепция построения систем управления РВП, обеспечивающих совместно с системами оптимального управления процессом плавки возможность осуществления рабочих процессов при сверхвысоких мощностях РВП в нестационарных режимах.
Практические результаты разработки и применения в промышленности способов управления электрическим режимом РВП и устройства для их реализации, обеспечивающие минимальное расстройство технологического процесса и безаварийность при работе в нестационарных режимах.
В излагаемой работе решена проблема оптимизации эксплуатационных характеристик РВП в стационарных и нестационарных режимах их работы при пониженных мощностях на основе исследовании рабочих режимов и электротехнологических процессов для электрических печей РПЗ-63, РКЗ-21 для производства FeSi и SiMn. Для обобщения полученных выводов и результатов на другие электротехнологии оказалось необходимым рассмотреть основные конструкции РВП для реализации рабочих режимов на других технологических процессах.
Технологические процессы в рудовосстановительных электропечах
Рудовосстановительные электропечи охватывают наиболее широкий и сложный класс электропечей, в которых осуществляются самые разнообразные технологические процессы, и конструкция которых определяется в значительной степени этими технологическими процессами.
В рудовосстановительных электропечах осуществляются технологические процессы, связанные с восстановлением одного или нескольких окислов руд за счет восстановителя, загружаемого совместно с рудой, В качестве восстановителя применяют элемент, образующий более прочный окисел, чем у восстанавливаемого элемента, реже окисел, быстро удаляемый из зоны восстановления. Наиболее часто применяемый и дешевый восстановитель — углерод, а процесс, протекающий при восстановлении углеродом, называют углетермиче-ским. В том случае, когда оказывается недостаточно восстанавливающей способности углерода или нежелательно его содержание в конечном продукте, применяют другие восстановители: кремний в чистом виде или в виде его сплавов, алюминий или его смесь с кремнием, водород. При этом процессы называют соответственно: силикотермическими, алюминотермическими, алюмоси-ликотермическими, водородотермическими, которые в отличие от углетерми-ческого, всегда являющегося эндотермическим, могут быть экзотермическими. Когда выделяемого тепла достаточно и для компенсации тепловых потерь, то процессы проходят без подачи или с подачей электроэнергии в печь, необходимой для покрытия недостающей части энергии для проведения технологического процесса.
Примером силикотермического процесса может быть процесс получения низкоуглеродистого феррохрома, при проведении которого происходит восстановление окислов хромовой руды кремнием предварительно полученного фер-росиликохрома. Алюминотермическим или алюмосиликотермическим процессом выплавляют ферросплавы тугоплавких элементов - ванадия, вольфрама, титана, бора и других — при необходимости получения наименьшего содержания углерода в сплаве.
Имеются электропечи, в которых проходят технологические процессы расплавления руд без проведения химических реакций восстановления или с небольшой долей химических реакций восстановления, называемых в этом случае рудоплавильными. К таким электропечам относятся электропечи для получения огнеупоров (муллит, бакор), синтетических и сварочных флюсов, при производстве которых требуется гомогенизация составляющих частей. Противоположным направлением - разделением составляющих частей за счет различного удельного веса в жидком состоянии — служат электропечи для получения медного и медно-никелевого штейна. Восстановление загрязняющих первичный окисел примесей и их сегрегация осуществляется в электропечах для получения нормального и легированного электрокорунда, плавленных огнеупоров (периклаз).
Таким образом, к рудовосстановительным электропечам относятся электротермические установки с большим разнообразием технологических процессов, но объединенных одной целью — за счет прямого нагрева электрическим током в этих электропечах производится восстановление из руд минералов основного и (или) сопутствующего элемента или расплавление руд с целью гомогенизации или сегрегации их составляющих.
В электрометаллургии различают так называемые «большие» и «малые» сплавы. К первым относится ферросилиций, кристаллический кремний, феррохром, силикокальций, силикомарганец, ферромарганец, фосфор, карбид кальция, медный и медно-никелевый штейн, электрокорунд, карбид кремния, синтетический и сварочный флюсы и другие. Ко второму - ферровольфрам, феррованадий, карбид бора, плавленные огнеупоры и другие. «Большие» сплавы потребляются в народном хозяйстве стран СНГ десятками и сотнями тысяч тонн в год, тогда как «малые» - несколько тысяч тонн в год. Масштаб производства весьма важен для определения мощности и типа электрометаллургического аппарата. В дальнейшем мы основное внимание уделим установкам для «больших» сплавов.
Наиболее распространенную группу рудовосстановительных электропечей представляют собой так называемые ферросплавные электропечи, в которых руды — окислы различных элементов восстанавливаются и, как правило, сплавляются с присутствующим в шихте железом. Производство ферросплавов в электропечах базируется на химической термодинамике и электротехнической теории цепей замещения материального пространства ванны печи с погруженными в шихту электродами. Наиболее распространенным среди ферросплавов является ферросилиций, который применяется для раскисления и легирования стали, а также, высококремнистые сорта ферросилиция, для силико-термических процессов восстановления. Производится несколько марок ферросилиция, в основном различающихся содержанием в продукте кремния (в пределах от 18 до 90 %), а также так называемого «металлического» или «кристаллического» кремния, в шихтовке при выплавке которого отсутствует железо, а в конечном продукте является примесью и допускается в пределах 0,4,..1,5 % в зависимости от сортности.
В качестве шихтовых материалов для выплавки ферросилиция применяют кварцит, представляющий собой кремнистый песчаник, на 97...98 % состоящий из кремнезема - БіОг, восстановитель в виде коксика и железо в виде стальной стружки. Восстановление кремнезема твердым углеродом в условиях электропечи наиболее вероятно определяется сочетанием ряда химических реакций с образованием промежуточных продуктов, обнаруживаемых в печи - газообразной моноокиси кремния и твердого карбида кремния, и может быть описано суммарной реакцией:
Вероятностно-статистическая обработка экспериментальных результатов
В связи с возрастающей неравномерностью графиков электрических нагрузок энергосистем, в настоящее время большое внимание уделяется различным способам их выравнивания, в том числе и приспособлению потребителей к работе с переменным режимом суточного электропотребления. Важность и актуальность вопросов широкого использования потребителей-регуляторов очевидны, однако до сих пор эти вопросы изучены недостаточно глубоко, количество исследований влияния изменений режимов работы потребителей (в соответствии с нуждами энергосистем) на основные показатели их производства крайне ограничено. Имеются работы, рассматривающие влияние ограничений электропотребления на режимы работы мощных карбидных и фосфорных печей, электролизных ванн [12, 38 ...42], однако в области ферросплавного производства такие работы практически отсутствуют и лишь в нескольких работах авторы высказывают мнение о возможности использования ферросплавных электропечей как потребителей-регуляторов.
В [40] проведен анализ технико-экономических показателей работы предприятия с рудовосстановительными печами по производству желтого фосфора. Являясь крупнейшими потребителями электроэнергии, подобные предприятия оказывают существенное влияние на формирование графика нагрузки энергосистемы. Как показано в работе, опыт эксплуатации фосфорных печей и обработка статических материалов позволяют сделать вывод о том, что ведение технологического процесса без нарушений возможно при снижении рабочей мощности печей до 50 % номинальной мощности печных трансформаторов. В работе указывается, что в перспективе развитие потребителей-регуляторов должно предусматривать комплексный подход к получению экономического эффекта и предлагается предприятию, являющемуся согласно договору с энергосистемой потребителем-регулятором, скидку, соответствующую 50 %-й прибыли, получаемой энергосистемой за счет внедрения данного мероприятия.
Рассматриваются технико-экономические показатели работы предприятия химической электротермии в режиме регулятора нагрузки энергосистемы в [12]. Отмечается, что цех с шестью рудовосстановительными электропечами мощностью 50 MB А каждая, при равномерной нагрузке обеспечивающий необходимую производительность, должен будет при работе в качестве регулятора нагрузки энергосистемы со снижением мощности в часы пик на 50 % иметь семь печей или повысить мощность каждой печи до 57 MB А. В рассмотренном примере увеличение затрат составит примерно 4,2 млн. у.е. Одновременно с этим генерирующая мощность электростанций энергосистемы может быть уменьшена в часы пик на величину около 150 МВА, что приведет к экономии капитальных затрат в энергосистеме в размере порядка 17 млн. у.е.
О целесообразности использования рудовосстановительных печей для выравнивания графика нагрузки энергосистемы свидетельствует работа [41], опубликованная еще в 1950 г. Оптимальный режим энергосистемы и рудовосстановительных печей, по мнению автора, должен решаться комплексно с народнохозяйственной точки зрения, а рентабельность печей в режиме потребителей-регуляторов необходимо рассчитывать по двум основным показателям -по капиталовложениям и по себестоимости продукции. Ферросплавные и карбидные печи могут работать, как отмечается там же, в режиме регулирования суточного потребления электроэнергии с периодическими отключениями их до 4 часов ежесуточно, и это не создает технически непреодолимых трудностей. С переходом электропечной установки на режим работы по переменному графику электропотребления удельный расход электроэнергии растет, а производительность снижается. По мнению автора, при работе открытых печей потери тепла с колошниковыми газами не только исключается, но, наоборот, окись углерода сгорает на поверхности колошника, теплота газов подогревает свежую шихту, подаваемую в печь, и тем самым компенсируются потери через колошник. Через 15...20 минут после отключения печи реакции в тигле и газообразование прекращаются, вследствие чего потери тепла через колошник не компенсируются и на эту величину увеличиваются суммарные тепловые потери во время простоя, по сравнению с потерями при работе. При нормальной работе печи электрические потери в печном трансформаторе, вторичном токоподводе и электродах Г.А.Сисоян [41] приравнивает к тепловым потерям через колошник. На основании этого автор делает вывод, что в течение 4...5 часов после отключения печь имеет суммарные тепловые потери, равные тепловым потерям и электрическим при ее нормальной работе. При включении печи после простоя часть электроэнергии тратится на восстановление теплового режима и печь находится в неустановившемся тепловом режиме. Продолжительность этого режима после включения печи зависит от длительности простоя. В заключении автор пришел к неубедительному выводу о том, что если снижать на определенную величину мощность нескольких печей, то это приведет к некоторому расстройству технологического процесса всех этих печей, и целесообразнее вместо этого отключать на необходимое время одну печь, сохраняя неизменным режим работы остальных печей,
В работе В.В. Михайлова [42] отмечается, что возможность работы энергоемких технологических установок, какими являются ферросплавные электропечи, в качестве регуляторов нагрузки энергосистемы должна учитываться еще на стадии конструкторских и проектных решений. Применение сравнительно небольших дополнительных затрат должно привести к наиболее оптимальным экономическим показателям работы предприятия в режиме регулирования электропотребления.
Влияние горячих простоев печей на их удельный расход электроэнергии при выплавке 45 %-го ферросилиция рассмотрено в работе Е.М. Алексеева [43] на примере нескольких ферросплавных заводов, работающих с отключением электропечей при дефиците мощности в энергосистемах. Расход электроэнергии на повторные разогревы печей после длительных отключений составил по четырем крупным заводам в среднем 1,45 ... 1,92 % от всего расхода электроэнергии.
Математическая модель процесса производства силикомарганца
Проведенные автором исследования режимов работы рудовосстанови-тельных электропечей по выпуску ферросплавов, а также публикации многих авторов [48, 55...63], посвященные вопросам нахождения оптимальных условий выплавки ферросплавов в зависимости от влияния на технологический процесс различных факторов показали, что основные выходные технико-экономические показатели работы печей - производительность и удельный расход электроэнергии варьируют в широких пределах и возникает задача при большом общем числе факторов отобрать наиболее важные и изучить их влияние на результаты технологического процесса.
Основным условием отбора факторов-аргументов является то, что показатели, выступающие в качестве факторов, должны быть количественно измеримы. Второе обязательное условие и требование к факторам состоит в том, что ни один из них не должен находиться в зависимости от другого или группы других факторов.
Большой удельный расход электроэнергии на производство SiMn и FeSi, а также преимущественный выпуск этих наиболее массовых ферросплавов, годовое производство которых исчисляется сотнями тысяч тонн, позволили в качестве объектов исследования выбрать мощные электропечи РПЗ-63 Никопольского завода ферросплавов, выплавляющие SiMn и электропечи РКЗ-21 Аксу-ского и Запорожского заводов ферросплавов, выплавляющие FeSi.
Изучению влияния кокса различного состава на процесс выплавки FeSi 75 посвятил свое исследование В. Г. Мизин [55]. Он установил определяющее - влияние состава шихты и точности ее дозировки на величины оптимальных па раметров технологического процесса. В. Л. Розенберг предложил [56] методику определения оптимальных энергетических параметров электропечи для производства FeSi-45, базирую щуюся на исследовании зависимости производительности и удельного расхода электроэнергии от полезного фазового напряжения ипол и сопротивления ванны RB. Полученные зависимости позволяют выбрать оптимальные значения полезного фазового напряжения и сопротивления ванны печи.
В работе В. Е. Семенова [57] приведены результаты исследований, направленных на совершенствование технологии выплавки FeSi-45 в закрытой электропечи, однако степень влияния выбранных факторов и их комбинации на выходные показатели работы печи выяснена не полностью.
Большой объем исследований по определению степени влияния технологических и энергетических факторов на результаты производства FeSi выполнен в работе [58]. Методом ранговой корреляции с использованием анкетного опроса мнений ученых различных научных коллективов и специалистов-производственников (технологов, плавильщиков, операторов), всего пятидесяти пяти специалистов отрасли, было определено влияние тридцати пяти различных факторов на выходные показатели производства FeSi.
Гистограмма ранжировки влияния факторов по оценкам специалистов приведена на рис. 2.12. Показатель согласованности мнений составляет: для ученых и инженерно-технических работников — 0,32, а для рабочих — 0,51. Заполненные анкеты объединялись в первоначальные матрицы рангов, которые затем были преобразованы в матрицы связанных рангов и вычислялись средние ранги (сумма рангов, деленная на число опрошенных) и занимаемое каждым фактором место. После обработки результатов анкетного опроса были отобраны двенадцать факторов, которые по оценкам специалистов наиболее существенно влияют на производительность печи и удельный расход электроэнергии.
Выполненная автором оценка отобранных для построения математических моделей технологического процесса производства FeSi факторов с позиции соблюдения основных условий выбора, упоминающихся в начале данного раздела, позволила сократить их количество и использовать следующие независимые факторы: 1. фактическую мощность электропечи; 2. содержание кварцита в шихтовой смеси; 3. содержание коксика в шихтовой смеси.
Указанные факторы отвечают основным условиям их выбора и были использованы нами в качестве независимых переменных при проведении активного эксперимента на печи РКЗ-21 Аксуского завода ферросплавов для получения математической модели процесса производства FeSi-45.
Оценка степени влияния качества марганцевого сырья (содержания марганца в марганецсодержащей части шихты) и других факторов на основные технико-экономические показатели выплавки SiMn в закрытых прямоугольных печах приведена в работе В. Ф. Белоусова [59]. В результате обработки месячных отчетов о работе закрытых электропечей РПЗ-48 были получены уравнения множественной регрессии, связывающие производительность печи и удельный расход электроэнергии с содержанием марганца в марганецсодержащей части шихты и другими факторами. Однако невозможно воспользоваться полученными зависимостями, так как интересующий нас диапазон изменения фактической мощности электропечи РПЗ-63 (48...62 МВт) выходит за рамки области исследования этого фактора в работе В. Ф. Белоусова, который принял диапазон изменения мощности печи по достигнутым на тот период значениям 34,6 ...51,8 МВт.
Проведенные автором анализ и обработка статических материалов (технологических карт режимов работы печей, цеховых книг учета расхода шихтовых материалов, журналов ОТК завода), содержащих исходные данные и результирующие показатели выплавки SiMn, позволили отобрать для проведения активного эксперимента с дальнейшим построением математических моделей технологического процесса производства SiMn в электропечи РПЗ-63 следующие основные факторы: 1. фактическую мощность электропечи; 2. содержание марганца в рудной части шихты; 3. содержание коксика в шихтовой смеси; 4. содержание отходов SiMn предыдущей выплавки в шихтовой смеси. Каждый из факторов является независимым по отношению к другим, количественно измеряемым и фиксируемым в диапазоне изменения, т. е. отвечает всем условиям выбора факторов.
Построение динамической модели изменения производительности рудовосстановительной электропечи методом идентификации
Учитывая это, а также тот факт, что подобная информация по вновь вводимым в эксплуатацию и реконструируемым печам вообще отсутствует, представляет интерес разработка способа определения динамических характеристик печей, основанного на использовании динамической модели переходного процесса изменения основных технико-экономических показателей печи в условиях ограничения электропотребления, полученной методом идентификации переходной характеристики изменения ее производительности.
Приведенные экспериментальные исследования изменения производительности рудовосстановительной печи для выплавки SiMn при ее отключении показали, что в результате отключения печи в силу ее большой тепловой инерции в течение определенного времени наблюдалось образование продукта, причем изменение его количества в единицу времени плавно уменьшалось.
Учитывая такой характер изменения производительности, а также то, что процесс производства SiMn в рудовосстановительной печи, представляющей собой многомассовый объект, сопровождается теплофизическими превращениями многих составляющих шихты и расходуемых самообжигающихся электродов с различными теплоэнергетическими характеристиками, кривую изменения производительности печи при ее отключении можно аппроксимировать алгебраической суммой экспонент, число которых определяется порядком системы уравнений, описывающих данный процесс, т.е. можно использовать метод разложения кривой затухания сложного процесса на составляющие [121]: t t П(1)=ХЦе =1;РЛе (4.23) i=1 1=1 где Ц = PHKj и ТІ - начальные значения и постоянные времени экспонентных составляющих изменения n(t); K.j - коэффициент передачи і-й экспонентной составляющей П(і), равный отношению установившегося (начального), значения выходной величины к значению входного воздействия.
Проинтегрировав выражение (4.23), получили зависимость постоянной времени печи Тп от соотношения составляющих экспонент изменения ее производительности : Т„ = ±- Jn(t)dt = 1 . (4.24) Передаточная функция такого процесса имеет вид: W(s) =ПК/П(1 + зТ1) (4.25) i=l i=l
По имеющейся экспериментально полученной переходной характеристике изменения производительности рудовосстановительной печи при ее отключении можно определить начальные значения и постоянные времени каждой экспоненты, входящей в состав результирующей кривой изменения производительности печи. Для этого удобно использовать графоаналитический метод [121], который основан на том, что экспоненциальная зависимость, построенная в полулогарифмическом масштабе, представляет собой прямую линию, причем на оси абсцисс откладывается аргумент, а на оси ординат - логарифм относительно значения функции. Экспоненциальные составляющие выходной величины сложного затухающего процесса затухают с различными постоянными времени, при этом результирующая кривая процесса, как сумма п экспонент, построенная в полулогарифмическом масштабе, начиная с некоторого значения, вырождается в прямую линию и этот прямолинейный участок представляет собой экспоненциальную составляющую, затухающую с наибольшей постоянной времени. Ее начальное значение П] получается при продлении прямолинейного участка до пересечения с осью ординат, а постоянная времени Тг при пересечении линии, параллельной прямолинейному участку и проходящей через значение ординаты, равное 0,271 И\ с осью абсцисс.
После этого в полулогарифмическом масштабе строится разность П(1) — Піе_1/ T1 , представляющая собой сумму оставшихся экспоненциальных составляющих исследуемого процесса. Выполнив ряд циклов графических построе 180 ний, аналогичных построениям с первой составляющей, получаем начальные значения и постоянные времени всех остальных экспоненциальных составляющих процесса. Общая постоянная времени всего процесса определяется в соответствии с (4.24).
Большой интерес представляют также переходные характеристики электропечи при ее включении в работу после простоев различной длительности. Учитывая то, что условия теплообмена с окружающей средой не изменяются,, нами было принято допущение о том, что процесс выхода печи на номинальный режим после простоя идентичен по условиям своего протекания процессу ее остывания вплоть до достижения температуры, при которой полностью прекращается фазовые превращения разогретой шихтовой смеси в сплав. Этот процесс можно представить как систему, имеющую передаточную функцию: W(s)=flKi/n(l+sTi) (4.26) І=І L=I с переходной характеристикой: П(0 = Рн1ф е ] (4.27) І=І
Если длительность отключения тотк печи превышает период t j,n, когда в рабочем пространстве полностью прекращается образование сплава, для описания динамики такого процесса в состав математической модели необходимо ввести звено транспортного (чисто временного) запаздывания (ТЗ-звено). Выход ТЗ-звена системы повторяет все изменения его входа, но с временным сдвигом т3. Передаточная функция этого звена имеет вид [85]: W(s) =е.-" (428) С учетом ТЗ-звена передаточная функция процесса выхода печи на номинальный режим после отключений различной длительности может быть записана как
Для определения зависимости продолжительности запаздывания т3 от длительности тотк необходимы экспериментальные исследования, в ходе которых на печах фиксируются интервалы времени от включения печи после простоев до первого выпуска сплава. Продолжительность запаздывания т3 в этом случае определяется вычитанием от длительности интервала "включение печи - первый выпуск слава" длительности интервала между выпусками в номинальном режиме работы печи (рис. 4.7 и 4.8). В результате обработки данных, полученных при различных простоях (в диапазоне 0,5...6,0 ч) зависимость продолжительности запаздывания тз от длительности отключения т отк может быть представлена в виде: T3=a(TOTlt)b (4.31) Таким образом, при наличии экспериментально полученных зависимостей П = f(x0TK) и х3 = (тотк)ь переходную характеристику и передаточную функцию изменения производительности рудовосстановительной печи при отключении ее от питающей сети можно представить в виде (4.32).
Для проверки справедливости предложенной выше методики получения динамических характеристик электропечей был организован активный эксперимент на электропечи РПЗ-63, выплавляющей SiMn-17, заключающийся в получении переходной характеристики изменяя ее производительности n(t) после отключения от питающей сети. Полученная переходная характеристика n(t) является усредненной реализацией трех опытов, при которых печь отключалась непосредственно после выпуска сплава
