Введение к работе
Актуальность темы. В последнео время во всем миро наблюдается непрерывное снижение удельного расхода огнеупорных футере— вочных материалов в високотемпературних технологических агрегатах. Это достигается путем придания огнеупорам выоокой степени однороднооти химического и фазового состава в объёме изделия, высоких значений плотности, термомеханической, абразивной и коррозионной стойкости.
Одним из направлений по созданию таких материалов является разработка электротохнологичаского оборудования для получения плавленых огнеупоров на основе тугоплавких оксидов. Эта проблема возникла в нашей стране в конце 60-х - первой половине 70-х годов и в наотоящее время по-прежному является актуальной.
Электротехнологическоо оборудование для получения огнеупорных материалов является одним из вариантов высокотемпературных электропечей. К главным отличительным признакам такого оборудования относятся: совокупность высоких рабочих температур атмосферы, обеспечивающих условия синтеза в расплавлоном состоянии широкого класса огнеупорных материалов-с высокими показателями плотности, механической прочности, химической и абразивной устойчивости, низкими показателями газопроницаемости и пориотости. Прямая попытка осуществления этих электротехнологических процессов по схемам оборудования классического назначения - руднотермичеоких или дуговых сталеплавильных агрегатов - не привела к положительным результатам. Электрооборудование часто не обеспечивает необходимых показателей качеотва расплава, производительности, энергопотребления, а система управления его работой не позволяет оперативно и эффективно реагировать на изменения ситуации в плавильной зоне.
Взаимосвязанность отдельных этапов рабочего процеооа потребовала исследования и разработки не отдельно процессов или конструктивных решений, а аппаратурно-технологических комплексов -технически сопряженных систем отдельных узлов, связанных алгоритмом совместных действий: введение энергии, управление этим процессом совместно с электромагнитным перемешиванием расплава для обеспечения оптимальных условий плавки по конкретной программе во времени. В период возникновения зтоіі проблемы уровень знаний в этой области на обеспечивал удовлетворонил требований для соз-
дания промышленных установок.
Диссертация посвящена разработке теории и на этой основе исследованию и разработке электротехнологических комплексов для получения плавленых огнеупорных материалов, включая разработку промышленных конструкций и их систем управления, инженерных методов расчёта и опособов контроля качества получаемой продукции.
Актуальность темы дополнительно подтверадаетоя конкретными заданиями, содержащимися в планах создания новой техники Минчершта и Минцветмета СССР, в Постановлениях ГКНТ СССР, ЦК Компартии Казахстана и Совета Министров Казахской ССР.
Целью работы является создание высокоэффективных высокотемпературных электропечей для производства плавленых огнеупоров и аппаратурно - технологических комплексов, состоящих из технически сопряженных систем отдельных блоков оборудования, связанных энергетическими и материальными потоками. В соответствии о этой целью формулируется общая научная задача: в теоретическом плане - создание основ теории и принципов проектирования комплексов для производства качественных плавленых огнеупоров; в экспериментальном плане - разработка, исследование и реализация электротехнологических процессов в конкретных устройствах; обеспечение их работоспособности и оптимизация; разработка практических рекомендаций и созданио промышленных электропечей.
Главные положения, выносимые на защиту: I) принципы разработки конструктивных решений и схем элоктротехнологичаских комплексов, обеспечивающих получение качественных огнеупорных материалов; 2) основы теории, комплекс физических и математических моделей рабочих процессов в электропечах для плавки огнеупоров; теория и практика обеспечения фазовой однородности плавленых изделий и равномерного пронлавления объёма; 3) совокупность теоретических и экспериментальных исследований оптимального управления процессом плавки, включая комплексное воздействие на расплав, обоспочиваемого системами автоматического управления введением мощности и электромагнитного перемешивания расплава; 4) результаты разработки нового метода экспреос - анализа получаемых продуктов с применением явления комбинационного рассеяния света для установления зависимостей: ролшм плавки - свойства огнеупоров; 5) результаты создания и промышленного освоения электротехнологических комплексов для производства плавленых огнеупоров.
Научная новизна результатов работы состоит в том, что исследован комплекс научных и прикладных задач данного направления развития электрогехнологпческого оборудования, обеспечивающего получениа безутлородистых плавленых огнеупоров, включая (формирование основных концепций синтеза конструкций,роаимов работы оборудования и управления процессом путем комплексного и взаимосвязанного воздействия на рабочий процесс системы автоматического управления введением мощности и электромагнитного перемешивания высокоомного и вязкого расплава. При этом впервые показано, что исключение прямого контакта расплава с графитовыми электродами о одновременным подбором параметров плавки в дуговом режиме обеспечивает минимальный перенос углерода в расплав, что повышает качество огнеупоров и наилучшие показатели энергобаланса; определены наиболее значимые информативные параметры управления рабочим процессом, позволяющие за счёт комплексного воздействия системы автоматического управления введением мощности и электромагнитным перемешиванием расплава обеспечить требуемое качество получаемого продукта - плавленых огнеупоров.
Разработаны физические и математичеокио модели протекания рабочих процессов, тепломассообмена в конкретных элоктрогехноло-гичеоких агрегатах для производства огнеупоров и на основе теоретических и экспериментальных исследований определены обобщенные критерии, позволяющие рассчитывать геометрические, электрические и технологические параметры печей для плавки высокоомных оксидных огнеупоров; установлены причинные связи изменения эксплуатационных характеристик элактрогехнологического комплекса с качеством получаемого продукта от значений соотношения мощностей, вводимых в дуговой разряд и выделяющейся в расплаве о учётом дополнительного управляющего фактора - системы электромагнитного перемешивания; впервые доказано, что для оптимизации рабочего процесса необходимо раверсное управление электромагнитным перемешиванием для турбулизации тепломассообмена в расплаве. Разработаны инженерные методы реализации взаимосвязанного тепломассообмена и рабочих характеристик элоктротехнологического комплекса для получения безуглеродистых плавленых огнеупоров. Теоретически и экспериментально показана эффективность проведения электротехнологичеокого процесса при комплексном управлении. Впервые предложены и экспериментально обоснованы схемы электропитания и конструкции печэй о
прямоугольной ванной и линейным электродным блоком. Результаты исследований позволили повысить коэффициент мощности о 0,67 до 0,91; снизить: перекоо мощности по фазам о 55 до 8%, переноо электромагнитной энергии с фазы на фазу на 70/?, расход электродного материала на 10%, продолжительность плавки в среднем на 5,7$. Впервые показана однозначность зависимости опектрального состава кривой тока от периодов плавки, что позволило с учётом нелинейных и несимметричных характеристик обеспечить создание системы автоматического управления процессом при различных соотношениях моїдностей дуги я Джоулава нагрева расплава для различных периодов плавки; показано, что в качестве параметра САР стабилизации протяженности ыежэлоктродного промеаутка целесообразно использовать гармонически! состав кривых токов дуг.
Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования, выбора оптимальных реакмов и управление ими для элэктротехнологическнх агрегатов получения безуглеродных огнеупоров.
Решена важная народно-хозяйственная проблема создания электротехнического комплекса для получения высококачественных плавленых огнеупорных материалов. Результаты исследований внедрены в производство.
Методика проведения исследований. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчётов, физического и математического моделирования, мэтодов математической статистики и теории планирования эксперимента, экспериментальных методов, теории подобия, матричных методов определения обобщенных критериев. Достоверность методов и результатов исследований проверялись путем параллельного расчёта различными методами и экспериментальной проверкой на физических моделях и промышленных установках.
Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила решить крупную научно-техническую задачу по созданию нового тина высокоэффективного промышленного элекгротехнологического оборудования для получения безуглероддстых плавленых огнеупоров; предложить ряд новых технических способов и устройств, направленных на дальнейшее совершенствование и развитие установок для производства высококачественных огнеупоров; разработать принципиально новые конструкции узлов и агрегатов, находящихся на сов-
ременном техническом уровне; ооэдать инженерные методы расчётов разработанных злектротехнологических комплексов.
Результаты работы включают: комплекс программ, позволяющих проводить моделирование рабочих процессов, оптимизацию режимов работы и конструкций электропечей и узлов, проектирование систем автомагического управления процессом в различных периодах плавки.
Реализация результатов работы в промышленности. Результаты диссертационной работы внедрены в производство на завода "Каз-огнеупор" при выплавке корундовых изделий с экономическим эффектом 408,0 тыс.рублей в ценах 1983-1985 гг., в том числе в результата внедрения изобретения по авторскому свидетельству Ш59284 - 197,0 тыс.рублей.
Проведены промышленные испытания на реконструированных печах Саратовского завода "Техстекло" и Подольского завода огнеупорных изделий, на печах завода "Казогнеупор" и Актюбинокого завода ферросплавов.
По результатам работы созданы проекты печей для плавки базальтовых горных пород, которые приняты к исполнению трестом "Оргтехстройматериалы" Республики Кыргызстан и НПО "Техэско" (г.Новокузнецк).
Совместно с Всесоюзным институтом огнеупоров разработаны "Исходные требования на проектирование и модернизацию для Подольского завода огнеупорных изделий существующей электропечи по плавке огнеупоров для оптического стекловарения".
Полученные результаты могут быть использованы не только в огнеупорном производстве, но и в других отраслях производства. В частности, нами разработан проект реконструкции промышленной электропечи с прямоугольной ванной для дистилляции цинка Чимкентского свинцового завода.
Созданные промышленные электротехнологические комплексы находятся на современном техническом уровне, Новые технические решения и возможные пути развития рассмотренного оборудования защищены авторскими свидетельствами.
Результаты настоящего исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности "Электроснабжение промышленных предприятий и городов". Материал включен в программу лекций по дисциплина "Электротехнологичоские установки", в программу 1ИРС, по данной тематике ежегодно выполняется
от 2-х до 4-х дипломных проектов. По отдельным вопросам исследования подготовлены и успешно защищены под научным руководством автора 2 диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 28 научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в том числе на 5 мевдународных, 17 Всесоюзных и 6 республиканских: Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления научно-исследовательских работ по аппаратному оформлению электротермических и высокотемпературных процессов в л пятилетке" (Ленинград,1975г.); П и У Всесоюзных совещаниях "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" (Москва, 1976,1988 гг.); И и И Всесоюзных совещаниях по плазмохимической технологии и алпаратостроешш (Москва, 1977,1980 тт.); Ш Всесоюзном симпозиуме по плазме-химии (Москва, 1979 г.); I Всесоюзном совещании по жаростойким огнеупорам (Первоуральск, 1979 г.); республиканской научной конференции молодых учёных ('2рунзе,1979 г.); республиканской научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития технических наук в Киргизии" (Орунзэ, 1980г.); IX, X Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (Орунза, 1933 г, Минск, 1936г.); Всесоюзных семинарах "Огнеупорные материалы для оптического стекловарения" (Москва, 1983, 1986 гг.); I Всесоюзном симпозиума по макроскопической кинетике и химической газоди- , намико (Черноголовка, 1984 г.); У1Л Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (Чебоксары, 1985 г.); УП, У11, IX Международных симпозиумах по плазмохимии (Голландия, 1985г.; Япония, 1987 г.; Италия, 1989г.); Ш Всесоюзной конференции "Методы и средства измерения параметров магнитного поля" (Лонинград, 1985 г.); X Всесоюзном совещании "Применение колебательных спектров к исследованию неорганических и координационных соединения" (Москва, 1985 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика внопечной обработки стали" (Москва, 1985 г.); I и П Республиканских конференциях "іизика твердого тола и новые области ее применения" (Караганда, 1986,1990 гг.); 31 Мездународном коллоквиуме (ГДР, 1986 г.); Республиканском научно-техническом совещании "Пути ис-ГОЛМ0ВЧШ1Я вторичных ресурсов для производства материалов и из-
долил" (Чимкент, I93Gr.); По;здународноп конференции по плазменной науко и технологии (КІР, 1966 г.); IX Всесоюзном совещании по кшштико и механизму химических реакций в твердом тело (Черноголовка, I9J6 г.); республиканском научно-техническом сошша-ра "Разработка чистых механизированных технологии изготовления огноупоров" (Киев, 1990 г.).
оа разработку конструкция злоктродуговой почи и участие в работе виставки "Плазма-00" автор удостоон Бронзовой медали ВДІІ.: СССР.
Публикации. По результатам включенных В диссертацию теоретических и експериментальних исследований опубликовано 119 печатных работ, в том числе монография и 35 авторских свидетельств на изобретения. Всего по проблемам теории и практики огнеупорного производства опубликовано 130 печатных работ, в том числе 39 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литоратуры из 139 наименований и приложение. Работа содержит 220 страниц основного машинописного текста, 42 таблицы, 79 рисунков.
СОДаМАШШ РАБОТЫ
Во вподонини опродолона научно-техническая проблема, решению которой посвящена диссертация, сформулирована цель работы, обоснована актуальность проблемы, указаны научная новизна и практическая ценность работы.
Первая глава лосвящона анализу состояния производства огнеупоров вообпо и элоктроплавлоных в частности.
Разработка новых технологических процессов и совершенствование существующих тробуот создания огнеупоров высокого качества, удовлетворяющих современным.требованиям, исследования, выполнен- ныо советскими я зарубо:шіо\'и учеными, показали перспективность применения в сильно изнашивагацихся частях футеровок металлургических и других тепловых агрегатов огноупоров, полученных методом литья из расплавов или корамнчоским способом из плавленых материалов.
Плавка допускает применение сырых исходных порошков, позво^-ляет осуществлять синтез соодиноний, например, шпинелей, силииа-катов, цнрконатов и других веществ.
і 1а специализированных предприятиях стран СИГ олоктроплавку
огнеупорных материалов ведут в одно - и трехфазных руднотормп-чоских почах моцностыа 100-6000 кЗА.
Характерное особенностью ре :дш в плавления является нагрев материала энергией, выделяющейся при прохої.-ідоннл тока через расплав меіщу погруженными в рас плаз графітироваїніимк электродами. Такої; ре:лі;.і плавленая обеспечивает минимальную тепловую нагрузку на стони и свод почп, однако имеет существенные недостатки, главными из которых являются контакт гра/.и'гпровалных электродов с расплавом, что ведет к интенсивному науглероживанию последнего, а таете новозмо.-.щость достимония достаточно високих значении удельной плотности модности в расплаве. Помоднее приобретает порвостопонпую значимость при переплаве материалов выссеИ огнеупорности, т.о. с температурой плавления вшо 2300 К.
Вместо с тем, до настоящего времени отсутствуют комплексній исследования по оптимизации электрооборудования и роїіямов его работы при плавко огнеупорных материалов, элементов систем их электропитания и управления, а так:::о по влияния их на шопнаэ сеть. Существенным моментом оптимизации является доведение расплава до оптимальной температури, так как известно, что температура расплава в значительной степени определяет структуру и плотность изделий. При этом зашым является равномерность температурных полон в модной ванно и высокая стопонь гомогенизации расплава.
Приводошшо дашшо в существенно/, степени определяют возникновение з готовых изделиях рада дефектов, снп::іаіхглх эксплуатационные характеристики огнеупоров. К ним относятся: иадпчио з толе отливки пористости и усадочных раковин, химическая к фазовая неоднородность отливок, наличие пепроплава в объёмо и на поверхностях пздолий. Только из доброкачественного, хорошо гс-могонизированного, достаточно иорегротого расплава с тробуомым химическим составом мопно получить изделия заданного строения с високій уровнем качественны/: показателен.
Цель диссортаціюшюіі работа, сїормулпровакная виде, а такта анализ дефектов определили задачи исслодозания' и пути их реиопия, систематизированные в таблице I.
Таблица I
задачи и пути их роиения
Задачи
Пути реиония
Лсклачзнио восстановительных рэакцип мззду оксидами расплава и углеродом о л о к тродов, приводящих к і-изичоскоіі И химической но однородности ИЗДеЛИЛ
Обеспеченно достаточно високих значении объёмной плотности мощности в расплаво
Обеспечение {азової! однородности плавленых издолш! и равномерного лроіиавлсіїїш объёма. Интенсификация процесса плавки.
Оптимальное упразлонпе процессом плавки, обос-почивагощоо максимальній ИЩ, гибкость, оперативность, малыо инерционность и влияние на внешний есть
Обоспвчоиио минимальной рссурсоомкости процесса плавки, максимального козйвдионта использования оборудования, високого іиЩ процосса
Оценка влияния параметров технологии на качество огнеупорных материалов
Реализация разработок в промышленности
Исключонно прямого контакта расплава с электродами. Подбор параметров плавки в дуговом ро.'іимо, обеспечивающих минимальный перенос углерода в расплав и наилучше показатели энергобаланса. Разработка режимов работы и конструкции электродных систем, обоспечявакщих минимальное разрушим электродов
Организация плавления маториала как за счет дяоулова тепла тока, протекающего чороз расплав, так и энергии электрической дуги, горящей мозду электродом и расплавом
Разработка перемешивающих устройств, параметров их работы, схем сопряжения с плавильным агрегатом
Определение наиболее значимых и ин- . формативных параметров управления, разработка системы их регистрации и расоиТровки, создание эффективной обратной связи и воздеііствия на процесс плавки
Разработка конструкций почеп для во-дония плавки при длительной сохранности футеровки, минимальном износе электродов и расходе сырьевых материалов, утилизация отводимого из пета топла
Наряду с известными, создание нового метода экспресс-ан&чиэа материачов с применением явления комбинационного рассеяния свота
Промышленное внедроиие на заводо "Казогнеупор", испытания на печах заводов: Лктюбинского ферросплавов, Саратовского "Тохстокло", Подольского огнеупорных изделиіі
Зо птооол главо на осново теоретических и экспериментальных исследования разработаны и оптимизированы режимы плавки оксидных огнеупоров, обеспочявавдіа минимальный перенос углеродной массы
электродов в расплав и высокий КПД процесса плавки.
Как отмечалось buus, плавка оксидних огнеупорных материалов в рудногермических почах происходит в условиях цеіюсродствон-ного контакта високотомпоратурного расплава с грапитировашш-ми электродами.
Процессы, протекалдле при этом с участием углерода и ого соединении, определяются правдо всого уровнем томиорагур расплава, химическим его составом, а таклео термодинамической активностью углеродсодорхощих элементов по отиошіііію к компонентам расплава.
В целях определения условий протекания химпчоских реакцій взаимодействия оксидов расплава с углородсодор::л;:іпмп олзмонта-ш, а тают установления продуктов стих реакции, в работе проводіть: термодинамические расчёта для оксидов, состовляюдпх основу сопромзшшх огнеупорных материалов при температурах до ЗОООК, охватывающих всо возмо.тлью зони в жідкоі: панно расплава от центра до гюряГоріш.
Рзсчапшо дашшо изменения изобарного термодинамического потенциала показывают, что реакции восстанозлония углеродом оксидов хрома, алюминия, етлоза, кроения в рассматриваемом диапазоне температур стабильны с образованием чистих металлов и углеродсодор".:;а;;уі.х газов СО а С0о. Реакция восстановления оксида магния стабильна при Ї > 28С0К.
Газы, образутиося в результате описании;-: химических реакций, вначале растворяясь в расплаве, а но нора ого обладания п процессе» аорыпрэиапия отливки, выделяясь из ного, определяет характер а размеры пористости и усадочних раковин.
Кроме отого, степень населения расплава газами в ходо плавки определяется составом газовой атмосферы паи ;;;пдкоп панно іі расплава, поскольку последний, обладая способность:;) растворять гази, захватывает п,с из атмосферы печи.
В целях определения наиболее значимых для описанных процессов газових компонентов, а так.'.со зависимостей растворимости газов от температуры расплава и ого химического состава, нами проведены расчёты с применением математических моделей.
ІЗ качества исходной модели расчога иопользок-ша оценка актшшо.ггел компонентов расплава, характеризуемая прочность срнзікаинд молекул газа пли комплексов, образованию; ими в расплате .
Расчёт активностей по модели Пономаренко А.Г. проведен о учётом состава атмосферы в почи для углерода, азота и водорода в вида СО» , Nj , и Ht0 в расплавах чистого AltOs и с 10$ (нас.) добавками следующих оксидов: SlOi , ZsOi , TiOt , CSiOs,
FejOs » FeO , MgO , CaO , (Na,K)t0. Кроме того, рассчитаны активности газов в расплавах ряда огноупоров системы AltOj
SiOi - 2г0г - Hat0 .
Расчет проведан для температурного интервала 2200-2800 К и показал, что азот растворяется в количество в П0-Г70 раз меньшем, чем С0| и в 9-20 раз меньшм, чем Н|0 . В связи с этим азот, как фактор увеличения пористости издолнй, в дальнейшем в работе но рассматривается.
Значительно снизить содержите в пэчиом пространство HjO -мокко путем сушки шихты и жесткого контроле ее влажности.
Газообразішо углеродсодеряацио продукти из почного пространства полностью исключить практически невозможно, поскольку для токоподвода используют графітировашше элоктроди. Для снижения порообразования в огпоупорах с участием углеродсодержа-щих газов необходимо суцоствошю уменьшить масообменныо процессы в системо электрод - расіиав» Пообходшо также строго соблюдать темпоратурний решил плавки, не допуская но только недогро-ва, цо и большого пзрогрова расплава, т.к. это ведет к повышению растворимости в нем газов, в первую очередь COg .
Проводошшо исследования показывают сугубо отрицательное воздействие углерода па оксиднио расплавы. В издолиях, сформированных в таких условиях, повышен показатель пористости, существенно изменяется химический состав в сравнении с исходной шихтой, возникают металлическио включения, которые, обладая отличными от основного материала теплофизичоскими характеристиками, как-то: температурой плавлония, коэффициентом термического расширения, теплоёмкостью, теплопроводностью, а также отой-костью к химически агрессивным средам, резко сникают эксплуатационные характеристики огнеупорных изделий и приводят к их досрочному износу и разрушению.
В целях оптимизящи процесса по критериям качества и рационального зпоргопотроблония в работе исследованы знорго - и массообмешшо процессы в зоне плавки.
Установлено, что около \> от общего нассоиороноса угЛ9-
рода в расплав приходится на массообмеи на границе электрод -расплав при плавке погруженными в расплав электродами. В связи с этж, предложено исключить непосредственный контакт электродов о расплавом и вести процесс натрова при наличии открытой электрической дуги мозду ка'еднм из электродов и расплавом.
Появление электрической дуги существенно и принципиально мешшт процессы энэрго- и массообмона в зоне плавки.Повшоїше плотности тока в место ого стокания с олоктрода, топловыо потоки от дуги на электрод теплопроводностью, конвекцией и излучением определяют новые условия для работы электродов, а следовательно, и для массообмонних процессов в системо электрод-дуга-рас плав.
Установлено, что в новом ре;аше плавки масообмен происходит за счёт: I) переноса чораз дугу ионов и атомов утлорода; 2) плазменных струй, истекающих из электродов; 3) попадания в расплав продуктов эрозии электрода; 4) окисления боковых поверхностей и осипання гранул гранита в расплав.
Перенос углерода через дугу в виде ионов и атомов может быть определен оло;сул'Т<таи явлениями.
Плавка огнеупоров ведется дугой поромошюго трехфазного тока, поэтому в полунориод, когда электрод является анодом, иоло-«мтелышо коны углерода движутся к расплаву.
При короткой дуге и большой сила тока большинство ионов достигают расплава и вступают во взаимодействие о оксидами, входг.яіиг.:;і в состав огноупора.
Увеличение малэлоктродного промозутка создает условия для рекомбинации ионов, соединения их с кислородом воздуха, а также для окисления атомоа углерода. Ооразущкося при этом газообразные СС я СОг эвакуируйте1 '*13 почн. чорез газоотсосиую систему. Упрагинл зтіи параметром г;о,.-зю до пообходимо;! степени снизить улесооб-.мнныо процесси ;: таким образом управлять структурой и сшПстепи віііїлазляомих материалов.
V.':ro.a,o;.: атомно;; спектроскопии определена концентрация углерода во всох модипікяшіях, рпенродздоино тот.шоратури и степеня miwmm по длине дуги. Съёмки проводились л?, дуто, горящей viiwy "О^'учдові-и рчоялатюм и гра'літ.-фовачніиц электродами диа-і-*отр"..! b'.*w трох видов: оплошно;!, трубчатий и полійі о иоолнро-ванн-.'і: :. нерабочего торца полоотья; диаметр полости составлял
Установлено, что наибольшие уровни температур как в при -электродной, так и в зоне расплава наблюдаются при плавке дуга-ми,горящими на сплошном и трубчатом электродах. В дуга, горящей на полом электрода, уровень температур значительно ниже, чом в первых двух случаях. По-видимому, это можно объяснить возникновением в место привязки дуги в полости электрода диффузного разряда. Отсюда следует, что с энергетической точки зрения предпочтительна электродуговая плавка оксидних материалов с применением сплоішшх или трубчатых электродов.
Анализ зависимостей концентрации атомов и ионов углерода по длина дуги при трох значоииях токов дуги: 150, 250 и 350 А показиваот следующее.
При использовании сплошного электрода зависимости концентрации атомов по длино дуги имеют ярковыраженные экстремумы в среднем сечении дуги и резко падают по направлению к поверхности расплава. Характерно, что на расстоянии от электрода 32 мм концентрация атомов углерода не зависит от величины тока дуги.
При использовании трубчатого электрода общий уровень концентрации атомов углерода существенно ниже, чем в предыдущем случае. Этот факт объясняется, по-видимому, эвакуацией частиц углерода из дугового промежутка конвективными потоками через, полость в электроде.
Другая картина наблюдается в случае использования полого электрода. Концентрация атомов углерода существенно выше, чем в предыдущих случаях даже у поверхности расплава (22-31) 10 см-3, сравним: (3-5) 10й и (2-4) 10 при использовании сплошного и трубчатого электродов соответственно. Этот факт говорит о том, что в рассматриваемом варианте перенос атомов углерода через дугу больше, чем в других олучаях.
Концентрация ионов углерода на 2 порядка ниже, чем атомов во всех рассматриваемых случаях. При работе со сплошным элект-. родом эта величина максимальна у электрода и резко понижается по направлению к расплаву: от (18-105) 10 до (3-20) 10 см-3. При полых электродах эти величины еще меньше: (3-8) 10 см"3 и слабо зависят от тока дуги и расстояния от электрода.
Таким образом, исследовг-шия показали, что для ведения процесса при наилучших энергетических показателях печи и минимальных переносах углеродной массы в расплав через дугу плавку необ-
ходило вести в дуговом рошмо с использованием сплошных или трубчатій электродов при длинах дуг но мопое 32 мм. Экспвршен-таті,нио даїишо, полученные на модели и промышленной печи и опи-оанные шгаэ, подтворздают сделанные вшзоды.
3 рекомендованном нами электродуговом ре;дмо плавки имеет мо о то иршщипиалыю другое распределение подведенной энергии. Поверхностішл нагрев за счёт опорних пятен дут на расплаве, теплопередача, конвекции и излучения от электрической дутл на расплав, в совокупности с объёмным за счёт сопротивления последнего, уменьшают глубину жидкой ванны, а ток, протекающий по расплаву, концентрируется в поверхностных слоях ванны.
Концентрация подведенной энориш в меньшом объёме обеспо-V чнвает повышенно объёмной плотности мощности, а следовательно, позволяет достигать более высоких уровней температур расплава. С другой стороны, плавка в рожпма открытой дуги ведет к увеличению потерь энергии от дуги при больших ее нротя;:анносіях, а такие к возрастании тепловых нагрузок на свод, боковій стоїш по-чи и на электроды.
Приведенные данные лодтворздаются результатами исследования энергетического бачансл работы промышленной ночи РХЗ-4-0-ИІ завода "іСазогноупор" прл выплавке корундовых изделий в 12 элоктрл-чэских рогагдах: от плавки логрумшымн электродами (U« = 225 В, I = 7000-9000 А) до плавки прл наличии открытой электрической дуги ( U» = 281 2, I = 50GO-7COG А).
исследования показали, что при переходе к разработанному рохиму возрастают потори энергии чороз свод (с 10,G до 23/3) и с газами (с 10,7 до 1-3%), снижаются потери чороз боковую стопку и подину (с 49,1 до 27,4/1), возрастает полезно используемая энергия (энергия расплава) с Ы,1 до 27,3#.
Полученные розультаты показывала' преимущества разработанного режима с энергетической точки зронил и логлк в основу при создании конструкции попой нового типа.
Таким образом, при разработке ре.'дшов плавки слодует, с одной стороны, учитывать необходимость поддер;.'яния достаточно длинной дуги для предотвращения переноса углерода в расплав через дугу, с другой - ограничить длину дуги по условиям минимальных потерь энергии и возможностей и росурса работы электрооборудования.
Эти условия опродэлямг постановку оптимизационной задачи.
При ее решении параметры, в наибольшей степени злияюічие как на процесс плавки, так и на ресурс работы электрооборудования, пани объединены в две группы. К первой группе отнесены параметры, определяющие качество выплавляемых материалов и экономичность процесса плавки, ко второй - конструкцию лечи и материальный баланс плавки.
Качоство получаемых огнеупорных материалов з работе охарактеризовано: количеством восстановленного в огнеупоре металла, %; кажущейся плотностью изделий, г/см3; степеньн кристалличности минералов, входящих в состав огнеупоров.
Экономичность процесса плавки определяется: уровнем и гра
фиком энергопотребления, включая показатели коэффициента моїднос-
ти,перекоса мощности по фазам, переноса электромагнитной энергии
. с фазы на фазу в проводниках короткой сети, качества использова
ния электроэнергии с точки зрения влияния на внешнюю сеть; про-;
изводительностыо и КПД процесса плавки. '. .
Параметры второй группы определяют: ресурс работы футеро-вок стен, свода и подины печи; график.и режим шихтоподачи в печь; материальный баланс плавки по расходу сырья и графитиро-вашшх электродов.
Факторами, влияющими на перечисленные параметры^являются: род и величина тока, падение напряжения на. электродах, длина дуги, время плавки, конструкция электродов, соотношения геометрических размеров элементов печи.
В данном разделе производится оптимизация параметров, отнесенных нами к первой группе; оптимизация параметров второй группы проведена в главе 4.
Как следует из предыдущего материала, решающее влияние на качество электроплавленых огнеупоров оказывают род тока и режим подвода энергии к расплавляемому объекту.
В целях выявления характерных зависимостей и подтверждения теоретического анализа, проведенного ранее, в работе поставлена серия экспериментов на физической модоли электродуговой печи, В качестве огнеупорного сырья использовался концентрат хромито-вой руды, имеющий в своем химическом составе широкий спектр элементов, характерных большинству оксидных огнеупоров. Качество огнеупорного материала определялось количеством восстановле-
иного в ходо плавки металла и по изменению химического состава исходного сырья.
Плавки вались в трох режимах: I - на постоянном токе в ро-
rjwe открытой дуги двухэлектродным блоком, расположенным над расплавом; II - на переменном трехфазном токе: а) за счёт сопротивления расплава; б) в роянме открытой дуги.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что наименьшее количество восстановленного моталла (1,6-3,0$) имеет моею при плавке в режиме П,б - открытой дугой переменного трехфазного тока. Рвам П,а характеризуется наибольшим количеством восстановленного феррохрома (10,1-19,1$), вследствие непосредственного контакта электродов с расплавом и интенсивного мас-оообмона на границе элоктрод-расплав.
Режим І такта суцостзонно изменяет химически!! состав материала (количество феррохрома 11,5-14,3%), носыотря на водопие плавки в рокпмо открытой дути. По-видимому, ото происходит вслодствие существенного влияния иошюй составляющон тока, направленного от олоктрода-шюда к катоду-расплаву. Это заключение едолаїю на осново осмотра разрозов плавлоных блоков, где видны токопроводящие "дорогжи" из восстановленного феррохрома. Хромо этого, в зоно плавленого блока, находившейся под электродом -анодом количество восстановленного металла на 15—20/3 болыле, чем под другим электродом. По-видимому, з этой зоне протекает окг.слптолыю-вэсстаповптолышо реакции, подобные процессам в злоктролизноЯ вшию. Аналогичные процессы проюкаат и при плавко на порсмапиом тока в ролаио П,б, однако они уравновешиваются в подэлэктродшк зонах, вследствие смани полярности электродов с частотой питавдого тока.
Данные по содержании феррохрома в плавлоних материалах согласуются о результатами химического анализа плавлоных материалов, состав которых суцоствонпо отличается по содорлишшо главных оксидов.
3 сравнении с блоками, полученными в рог.:;хю П,б, d огнеупорной массе материалов; полученных по рокг.іам il,a и I, произошло с!Ш№ііио содордашш оксидов хрома и колоза л соответственно повыоплось содормяшю оксидов алгешшя и магния, причин эти измзнецил болов сулоствошш в пробах из блоков II,а, что сог.;;аг:;г'-іся с болыгдл количеством восстановленного моталла.
Проведенные исследования подтвердцают получошше ранее дашше о том, что наиболее рациональным с точки зроши качества огнеупоров является ролаил плавки открытой дутой трехфазного тока, ' позволяющий получать чистые плавленые материалы с химическим составом, близким к исходному. Этот реним плавки был принят за базовый.
Па втором этапе решалась оптимизациоішая задача. Определялось влияние длины.дуги и величины рабочего тока на качество огнеупорного маториала и удельные затраты электроэнергии.
За параметры оптимизации приняты содержание феррохрома в плавленом материале, характеризующее качество огаеупоров, и удельные затраты электроэнергии, необходимые для его расплавления.
Рассматривались два фактора: величина рабочего тока и протяженность дугового промежутка - "длина дуіл".
Анализ коэффициентов уравнений показывает, что содержание восстановленного металла в огнеупоро увеличивается с ростом силы тока и снижается с увеличением длины дуги, причём влияние последней в 2,4 раза больие. Удельные расходы электроэнергии прямо пропорциональны длине дуги и обратно пропорциональны величине рабочего тока. Изменение протяженности дугового промежутка в 3,5 раза сильнее влияет на параметр оптимизации, чем изменение величины рабочего тока. Это в основном, связано с увеличением потерь энергии в дуговом промежутке при увеличении его протяженности.
На рис.1 представлены зависимости изменения параметров оптимизации от симплекса I/tg при токах дуги до 500 А.
ЧЛтц/кг
а. .
19 а М 1« IS І/Є,'І9',*А/И
Рис.1 Зависимость параметров оптимизации от критерия I/2j
'/сслодованля по оптимизации ре.татов плавкії продолжены на
проілшічонноії печи РКЗ-4-0-4І завода "Казогноупор" при выплавке
корундових огнеупоров. .
Параметрами оптимизации опредвлоны: продолжительность одной плавки Г/j), производительность (Уд), удельный расход электроэнергии (У3)» удельный расход электродов (У^), кажущаяся плотность издолиіі (У5). Факторами, влияющий на параметры оптимизации являются: падошге напряжения на электроде (Xj) и ток электрода (Х2).
-
продолжительность плавки сокращается с увеличением напряжения и тока дуги, причём напрялэние влияет на параметр сильное, чом ток (коа-йициенты -S»9 и -4,6 соогзетствешю);
-
увеличение напряжения и тока приводит к росту производительности плавки, причём влияние напряжения больше (коэ$лииентьг 2,7 и 1,8);
-
величина удельных затрат электроэнергии! прямо пропорциональна току и обратно пропорциональна напряжению на дуге. Вэли-ч;ша тока более существенно влияет на изменение параметра, чем Напряжение (коэйнцкенты 570 и -263,6);
-
удельный расход электродов енкваотся при увеличении напрядония на дуге и уменьшении тока (коэффициенты -11,2 и 5,6);
-
увеличение казуцоїіся плотности плавлоно-литых корундових изделиі; происходит при увеличении напряжонля на дуге и уменьшвг шш тска (коэффициенты 0,11 и -0,02).
В оиїдом плане анатаз уравноний регрессий показывает, что наиболее значимым параметром является надонпо напряжения на дуге, которое, в свои очередь, зависит от протяженности дугового промежутка. Поэтому при разработке системы управления процессом
плавки в качестве главного использопан імонно этот параметр, фкксирувдий положение электрода над расплавом.
На основания обработки полученных экспериментальных данных построены зависимости, определяющие оптгыалънке области эксплуатации рудноторияческих пачоГ: с N = х/3 = 4,0. На рис.2 эти зависимости представлены в безразмерны:; координатах: ось абсцисс - отношение тока элоктродов к вдоагыюму току короткого замикання (Ij/Ij5 ), ось ординат - отношение вторичного напрят.бшія к базовому значению U2J = 220 3, VilVit .
\.ь
1.1
V"
0.1
0.17
0.5
0.37
ыь,
Рдо.2 Оптішзльино ре\~дан (заштрихованные области) работы печен
Для определения оптимальной области эксплуатация рудпо-.'_ '. тормпчоскік печей по электрическим параметрам при производства/ плавлонолитых корундовых огиоупорннх мздоллД пршіяти ограшічз- . ния по удельным затратам электроэнергии 3500-4000 кВт ч/т и ка-дущэйся плотности дздоляД - но ниже 3,5 і'/см3»
Бри производстве плавленого элоктрокорунда такяо-воспользовались ограничениями: по удолышм затратам элоптроэнорпш -
не более 1250 кВт'ч/т и по суточной производительности - не менее 90 т/сутки.
На рис.2 отмечены оптимальные области параметров печи: область I - для плавленолитых изделий, область П - для плавле- . ного электрокорунда.
Полученные характеристики универсальны, так как они дей
ствительны для аналогичных печей для производства плавленых
оксидных огнеупоров, млеющих одинаковое значение. N . Для ,
качгдоп печи будет лишь свой масштаб для пересчёта соотвотст-
вуюцих относительных значений в абсолютные 'путем их перемно
жения на базовые величины.
Использование получешшх зависимостей при производстве
плавленолитых корундовых изделий на пачи РКЗ-4-0-4І завода
"Казогнеупор" позволило повысить технико-экономические показа
тели процасса плавки и качество плавлено-литых изделий. Способ
защищен авторским свидетельством на изобретение КІІ59284 и вне
дрен в производство с фактическим экономическим эффектом 198,0 ;
тыс.рублей. ;
Третья глава посвящена разработке теоретических основ и'. ' электрооборудования для электромагнитного перемешивания оксид- .' них расплавов в электродуговых печах.
Как показано в первой главе, одна из групп дефектов элект-^
роплавленнх огнеупоров связана с фазовой неоднородностью изде
лий, которая возникает в результате недостаточных диффузионных
процессов в хидкой ванне, неравномерности температурных полей
и ликвации расплава, вследствие существенного1различия в уде
льных весах его компонентов. ;
В целях интенсификации процесса^плавки, а также устране
ния перечисленных .факторов, приводящих к формированию дефектов
в огнеупорах, нами разработано электрооборудование и режимы его
работы для электромагнитного перемешивания оксидных расплавов. _.
Контактные методы перемешивания в данном случае не пригодны,
вследствие высоких уровней температур и химической активноотн
окоиддых расплавов. Сравнение интегральных роторов скорости
показывает, что электромагнитная конвекция в 4-5 раз превосхо
дит тепловую и является определяющей в формировании структуры
'и интенсивности движения расплава. , ,
Произведено исследование поля электромагнитных сил (ЭМС) и его-ротора в ванне 3-фазной элоктродуговой печи с электромагнитным устройством о целью оценки наиболее вероятного характера
движения расплава и определения параметров электромагнитного устройства, обеспочивахядих необходимую гидродинамику пэремоци-вшшя. При этом структура движения расплава долина обеспечивать равномерность перемешивания всого объёма ванны, а интенсивность должна определяться решенном оптимизационной задачи с опродело-нием наиболое значимих управляемых параметров.
Исследования на моделях показали, что из всех возмогших схом электромагнитного устройства наиболее эффектна плоская ого конструкция с трехфазной .схемой соединения обмоток, создавая бегущее электромагнитное поле. Распрэдолэшю . и ротора их поля в ланнэ пзчл не равномерно. Ыаксютльныо их значения а различных подалектродных зонах отличаются'в 2-3 раза. С увеличением глубины ваніш эти параметри выравниваются, хотя уменьшаются по абсолютной величино. Изменение разного или ирострапствоп-ного сдвига токов в ванно и обмотках электромагнитного устройства приводит к перераспределения поля ЗМС л их ротора.
Для достижения равномерности поромоіііиват.ія ваши нооо:од':мо управление структуро;! деления расплава путем периодические из-мзнеїшя фазного и/или пространственного сдвигов токов в заказ по її'и обмотках электромагнитного устройства. Период работ одной из схем должен разняться вромонк стабилизации структури и скорости движения расплава, а периодичность лорехоючсшіп долмга быть кратна количеству электродных зон почи, в данном случае трем. При этом процессы даИузил л копвоьтизнэго теплообмена в яэдкой ванне протекают в оптимальном ре:.тае л достигается максимальний эффект поромоилваннл.
Оптимизация.плавки с электромагнитным норомешиБалдам прокз-водона на действуїсгдон моделі.
Установлено, что электромагнитное устройство необходимо размешать продольной осью параллельно о;июіі из сторон треугольника электродов со ег.;о;:;-лшом относительно центра шчи з сторону воржиш треугольника элоктродоз, протпБо'пололю.! указаячо" сто-, ронз па а6 = (0,025-0,075)dp.з. ; ширила электромагнитного устройства должна составлять 6 = (0,75-C,30)dp.x.
Зависимости, лродстазлашшз на рнс.З показывают, что томчн роста производительности пота и сшичния удельного расхода электроэнергии с уволичошюи тока электромагнитного устройства I > 15 Л. замедляются с (2,25-3,10) до (0.35-0.Є0) кг/ч.А л с
w-io;
кБтч/кг
WOO -M
І.А
wio:
кЕгч/кг
в 16 І.А
Рис.3 Зависимости параметров оптимизации
ijalp %5t» К
,
Рио.4 Зависимости производительности ( & ) и удельных расходов электроэнергии ( W ,) ог периодичности переключений схем соединения-обмоток 'устройства ( С ), где tp - время работы
устройства .
(0-Ю) до (2-3) кВт-ч/кг «Л, т.о. дальнейшее уволичопио тока устройства но дает существенного практического эффекта.
Па рис.4 представлены обобщенные зависимости производи-' телыюсти и удольпых'расходов электроэнергии от периодичности переключений схем соединения обмоток электромагнитного устройства (t ). Из их анализа слодуог, что периодичность иерэклпчо-ниЛ дол:кна бить но болоо чем 0,33tp, с одной сторони, по пне менее некоторого значеній, определяемого в каждом конкретном случав, с другой, дальнейшее уменьшило периодичности, т.о. увеличение частоты переключений обмоток, но даёт улучшения показателей процесса.
В чотвортой главо на основании исследовании, проведенных в главах 2 и 3, разработано электротохничоскоо оборудованию для плавки огнеупорных материалов. Рассмотрены особенности работы , печей в новых режимах плавки, последовательность технологических операций иобцне подходы к конструировании печей. Пользуясь теорией подобия и разморностой, опродолпв наиболее значимые параметры как конструктивные, так и электрические и технологические, получены безразмерные критерии, использование которых . позволит создать печи для получения качественных огнеупорных материалов при оптимальних техннко-экономлчоских показателях л надэ:;ной работо оборудования.
Далоо показана необходимость в элоктродних блоках с расположением электродов в ряд для реализации технологических процессов, в том число для оплавления поверхностей, например, кварцових блоков и глубокого пароплава оксидних материалов в почах о прямоугольно2 панной. Для этих доле!! существует трохэлектрод- . нно трехфазные почи.
Показаны достоинства такого расположения электродов с технологической точки зрошш и недостатки с электротехнической,как то: низкий co$ij>, перекосы мощности по азам, отрицательное влияние на внешнюю сеть.
В работе предлагается чэтнрохэлоктродшь! лнноШшй блок, у которого два средних электрода подклшоны к двум разным фазам источника питания, а два крайних - к третьей.
Сравнением показателей работы 3-х и 4-х элоктродних установок установлено, что показатели последней существенно вышо: COS ф возрос с 0,67 до" 0,91, коэКнционт но синусоидальности тока снизился на 30-^50^, перокоо мопцюсти в фазах снизился с
55 до '6%, а вольт-амперная характеристика сместилась в область меньших напряжений и больших токов.
Расчётнш путем установлено, что расщепление фазного проводника слодуат производить на крышке бака почиого трансфорла-тора, а на у механизма перемещения электродов. При этом переноо электромагнитной энергии с <їази на фазу в проводниках короткой сотк составляет 1,82? кВТ, тогда как во втором варианте эта величина составляет 3,141 кВТ, что на 70>' вша, чом в первом. Вследствие этого, в разработанном варианте установки, в сравнении с базовым, снизились температури поверхностей проводников короткой сети: фаз А и В - на 42%, фази С - на ЩЇ.
Баланс элоктродного материала показывает, что.расход электродов в разработанной установке лике на 1С$ в.сравнении с трох-эдоктродныи блоком.
Далее в главе разработаны конструкции электродного узла и шихтозагрузочного устройства. Первая позволяет снизить расход электродов на 32-37$, вторая - сократить продолжительность плавки на 5,7%.
Для определения качественных характеристик огнеупорных ма-териаіов, наряду с традиционными, нами использован разработан- ннй новый недеструктивньй метод диагностики многофазных систем для установления зависимостей качества огноупора от электрических режимов его получения. Метод основан на использовании явления комбинационного рассеяния света для определения степени кристалличности и аморфности (разупорядоченности) структуры материала.
Традиционные методы исследования материалов не дают такой информации об их структуре. По уровню кристалличности материала можно судить о степени его проплавлення и прогнозировать служебные характеристики огноупора. Только из хорошо проплавленого сырья может получиться огнеупорный материал о упорядоченной структурой, характеризующийся присущими кристаллическим огнеупорам Высокими показателями прочности, плотности и коррозионной стойкости,
Метод использован при оптимизации плавки элоктрокорунда на промышленной по чи РІСЗ-4 завода "Казогноупор". : .. Установлено, что с увеличением удельных затрат электроэнергии на плавку степень кристалличности возрастает и соответст-
воішо снижается аморфность изделий с достижением наилучших показателей при удельных затратах электроэнергии І2С0-І300 кВт ч/т. В слодушой главо показало, что при этих значениях расхода электроэнергии коитролируемио параметры процесса достигает значенні!, при которых система управления процессом выдает сигнал на окончание плавки. Это дает основашю считать разработанный метод диагностики структуры огнеупорных маториачов ducokooJaJoic-тивннм.
В пятой главе, на ооновании анализа особенностей работы електродугових печоіі при плавко оксидных огнеупорных маториачов, разработана оригинальная система управления процессом.
Показано, что оптимизация долліа производится по двум критериям: первый - по качеству виплавляомых наторналон, второй -по максимальної! производительности ночи.
Оптимизация по первому критерию определяет необходимость отабилизапші длины дуги при минимально допустимых по условии массопорзноса углерода в расплав значениях. Как определено в глазе 2, по море удаления от электрода концентрация атомо" и ионов углерода снимется в 5-7 раз и на расстояния 32 мм но оави-' сит от поли'пшн тока. Из этого следует, что длина дуга 32 г.?,) обеспечивает Міїшімальїшії перенос насси углерода в расплав, !іек-спмалмю допустимая величина длины дуги долила быть тшгм близка к этой величине, т.к. с росхом нротяэдннооти дугового нро;.;е;хул<а растут потери энергии от нее и снижается обтиі' КГЦ процесса. .
Поскольку дуга в электрическом схеме лечи включена последовательно о расплавом, то напряжение, снимаемое с электрода, дает суммарное значение падсни!1. напрягши в этих зломептах.Оои-ротшуіоіше расплава изменяется в ходе плавки d сторону ут.ганько-ния. Получая корректируимнн еигпач, связанны') с сопротивлением расплава, система управления должна обеспечивать постояішу?) за- . дониум величину длинн дуги,
В ходе лабораторных и прокыьпешпех экспериментов нами уоітг-, чошіоно, что такой корректирует^: сигнал молю получать, напри- пер, анализируя гармоничпекпо составы крниых текп и панрлг.опіш.'
Изменения 'Ілізпко-хпмпческпх процессов, ппэисходлтдх п ила- " віШііюі! зоно почи, а так;;;е тепловых условие оупоотиовапкя электрической дуги в ходе плавки, нрпгюдлт к резким пзвдчлшш уровне!! и размахав колобашы высших rapvoiuuf. Исследования покапали,
что на регистрограммах выделяются три характерных участка:
-
начало плавки - загрузка и послозагруэочлий период -характеризуется резкими и большими колебаниями гармоник, при этом Кис изменяется в широких пределах - (1,2-25);»;
-
рзнпм спокойного горения дуг. Характеризуется минимальными колебаниями гармоник (Кис = 1,2-3,5%);
-
рамам открытых дуг. Характеризуется большими колебаниями гармоник (Кис = 1,8-17$).
Корректирующий сигнал, действующи!! на привод перемещения электрода, дол;:вдн формироваться исходя из анализа уровня гармоник и поддерживать постоянное минимальноо по критерию качества конечного продукта значение дайны дуги.
Второй крпторпй оптимизации, как ужо отмочалось, должен обеспечивать максимальную производительность печи, т.е. введение в пэчь максимально допустимої! мощности. Это долано достигаться поддержанием максимальной величины тока, определяемой исходя из результатов, полученных в главе 2 при решении оптимизационной задачи.
Поддорасание заданного значения тока в ходо плавки должно осуществляться путем изменения напряжения источника питашія пе-реключашкэм ступеней напряжения ночного трансформатора..
Контур управления работой электромагнитного устройства должен получать сигнал на включение так;ло от анализатора гармоник после того, как в печи образовалось достаточное количество расплава и уровень гармоник достиг заданного значения, например, с наступлением стадии плавки "спокойная дуга". Задающее устройство долкно обеспечивать переключение схем соединения обмоток электромагнитного устройства для полного перемешивания ванни расплава. Длительность работы кадкой схемы долкна соответствовать времени стабилизации структуры и скорости движения расплава. Поело этого схему необходимо изменить на другую и так далее, причём количество переключений доллю бнті кратно количеству электродов, в данном случае трем.
На основании проведенных исследований разработана функциональная схема системы управления процессом, иредставлонная на рмс.5.
На диаграмме рис.6 показаны законы изменения параметров управления, соимащошше с другими показателями процесса.
НЖ}-
ОО-ОЕК—CO
tUh-'
Ш- її
-Л- 4БЗ
окончаний tua&KU
U,r.
-КОР
Г;іс.5 }уи:т;юііалі>!інл схема снатвдн /ї;р.'Ш.іоіі:іл процессом пл.чшш
Тр, КкС,Т?д,2р,
Ті tni Тг tnJ
.и Д:'аг;г-и.:г.;а лс:>з:і?!Ггі пауп^этроу проиосса
Разработанная система управления поззоляот оптимально управлять процоссом плавкії по критериям качества коночного проекта и максимально!! производительности пече":.
Для подтвор;эдения возмо;шости использования уровцоіі гармоник кривых тока для формирования корректирующего сигнала обратно;': связи наш разраС^їано микропроцессорное устройство для идентификации стаднії плавки огнеупорных, материалов. В результате непрерывного анализа гармоничоского состава кривой тока в трех $азах прибор выдает световой п звуково!] сигнали о наступлении различных стадий плавки: "спокойная дуга", "открытая дуга".
Установлено, что момент наступления стадии планки "открытая дуга" соответствует расходам электроэнергии 1200-1300 кЗТ ч/г по корундовому расплаву; из этого расплава формируется ог-неупор с максимальной степенью кристалличности, т.о. высокого качества. Поэтому в момент появления сигнала "открытая дуга" система управления подаот сигнал на высоковольтный выключатель (.32) и отключает питание электродов почи. В случао многоразовоіі загрузки шихты в течение одной" плавки в этот момент необходима .подача сигнала в систему шихтозагрузки для введения в ночь новой порции шихты.
В шостоіі главо приведены результаты реализации разработок в производстве.
Разработанные электрооборудование, релиш ого работы, схемы электропитания и управления процессом плавки огнеупорных материалов ироши опытно-промышшшшо, промышленные испытания и внедрения на заводах: "Казогнеупор", Актюбинском ферросплавном. Саратовском "Тохстокло", Подольском огнеупорных изделий. Во всех случаях значительно улучшоны тохнико-окоиомичоскно показатели процесса и качество выплавляемых материалов. При этом результаты исследований'получили дополнительное практичоское подтверждение: расчётный и экспериментальные значония параметров удовлетворительно согласуется ме;-ї!у собой.
Кроме этого, на основании проведенных разработок виполно- ны технические проекты почеіі для производства базальтового расплава на'предприятию: "Орггехстро'.і" (Роспублика Киргизстан) и Новокузняцкого НПО "Тохэоко", а такхо проект реконструкціш пэчи для дистилляции пинка Чимкентского евннцэяого завода.
Совместно с Зсосойзньс.1 институтом огпоуцороз разработали "Исходит требования на проектпровандо :і ї.іодорнизандп ,ідя Подольского завода огнеупорпнх изделиЛ оуцосгзудгіоі; акжтропочп по плавко огнеупоров для оптического стекловарения".
Зисдрэнио разработанных ро:лі'.:оз плавкі: на заводе ".іазог-
НОуПОр" ПОЗВОЛИЛО УВОЛЛЧЛТЬ НрО'ЛЗНОДИТОЛЪНОСТЬ печи с -10 до 00
т/сутки, ІСІІч - на 30^, катуі'іу.-зся плотность издали": с 2,37 до 3,2 г/сп3. около;''лческид oV-3i\T от внесения поз:::-: ре.сілоз pa-боти пзчн составил 407,0 тле.рубле!:, з том числу по автероко:,;;/ свидетельству .'.uI522di - 197,0 тло.рубле.":.
На огштио-проі.гаїиошюл поті Лктзблнского завода оррослла-вов гтадпостью I3C0 кііЛ из обогадопнод хрсдитовоГ: руды получони огнеупорные блоки с рмсок'.імії "хззіко-тохкичзсккдпі характернсти- . ками: открытая пористость но оолсо 2-57>, термостойкость - до 12 теплос;;он 1273 п - воздух, предел прочности крл с;:ат;и*. до 22-І0 10 іі/і.Г, количество восстачозлонного лз оксидов потаїла на '. превипает І/І.
Олытно-проглгллепнта плавки ''оротерптозпх огнеупоров. .; элзк-1-тро',:аги:і7Ш.і воздействием проводились на трехфазной злектроду-говол печи завода "лазогпз/пор" с дспользование:.; /ллхтц, состоящей из йСз отходоб производства асбеста ГСл "І'іустачаі'іасберт" и 20/' пориклазозого поролка ;;о:.:б:п;ата ".'.лтгнозпт". Для этих цзлой рассчитано и изготовлено слецпатдное электромагнитное устройство. З результате опитних плавок установлено: І) увеличение объёма .дндкод зачин в 1,2-1,3 раза; 2) повышение производительности печи на 23;»; 3) сіппепне удельного оасхода злоктроопоргші на ?Л%.
Испытания устройства длл адентп^нканли стадий плавления корунда проводились в 3 этапа: І) в лабораторшк услозиях на ::оде-ліі трехфазной ггачи; 2) в лабораторних услозиях по записям на магнитной ленто токовых сигналов в продо'чсо плавки корунда на печи РІ'СЗ—1 завода "лазогпоунор"; 3) непосредственно на ночи РлЗ-4~0-Л1.
D экспериментах по контролі) процесса плавки с прпмоншпмм устройства на промнгжшнол лечи спидол удолыпгл расход элоктро-зпоргил на 0,01;''. Разработашаї готоддка дает ваднуи и оперативную :ui*op.:ou:"jo о состоянии пловпльноп зоны, позволяет объективно онроделил-ъ момент готовности расплава п окончания шавки.
Чотцрёхэлоктроднын лшойньй злектродуговоіі блок пришнон при оплавлении поверхностей кварцових блоков. При этом увеличен выход годного продукта на ЗО-40/о, исключен тжсолш! и вроднып для здоровья людей труд по механической очистко поверхности!!. Разработана конструкция установки с манипулятором для пороыочзния кварцевого блока. Из материала оплавлених блоков изготовлены стаканы для разливки стали,, которцо показали обычную для плавленого кварцевого стокла стойкость. Эти данные показывают эффективность разработанного способа.
В главе приводятся сравнительные данные но влиянию ро;.аи.іа плавки, а также электромагнитного порамопиванпя на качественные характеристики огнеупоров. Показано, что разработаїшіга рокии и способ пороі.юдіивпния существенно повышают качество материмой,снижают дефактообразованио в ш«.
-
Определены механизмы дефектообразования в плавленых огнеупорах.
-
Прошдоны теоретические исследования, позволившие установить единую концепцию создания элоктротехнологического комплекса,-дающего возможность управлять структурой и свойствами олоктронлав-леных огнеупоров, интенсіфщировать процесс плавки и оптимизировать энерго-'и ресурсопотребление, включающую:
а) кшнгжзацдо науглероживания расплава путем подбора опти
мальных ре.-аион и параметров процесса плавки;
б) интенсификацию диффузионных процессов в лідкол ванне пу
тем электромагнитного иоромопиванпл расплава;
в) контроль и комплексное управление параметрами процесса
плавки;
-
Установлены причинные связи эксплуатационных характеристик оборудовании с изменением качества получаемого продукти; показано, что нннп.мальнш: массоперонос утлорода в расплав, создающий условия для получения качественных оічізуиорон, оС;еолочивается при рол'.імаг. длинных электрических jcyr; доказано, что онтималмшо рожмы определяются соотношние.ч моціюсте.'і, вводимых в дуговой разряд и выделяющееся в расплаве при наличии дополнительно управ-лячїцзго фактора - системы электромагнитного пиромеиивалпя расплава.
-
Рлзработ.?ны охомы элоктролп'Л'гнпл и рокпиы работы э.тект-рооборудоіі.-ипі.-і дді электромагнитного нер.'.ме.інуїни.; оксидных раси-
лаиов. Впервые установлено, что для оптимизации рабочего процос-са необходимо реверсное управление электромагнитным поромешива-нием для турбулизации тепломассообмена в расплаве.
-
Оптимизированы коиструкщш,схемы электропитания н рв.'ДІ-мы работы электрооборудования для получения качественных огноупо-ров. Получены безразмерные критерии,использование которых позволяет создавать печи для получения кочествонних огнеупершд материалов іфи оптимальных технике—экономических- показателях и надежной работе оборудования. Впервые продлолсонн и экспериментально обоснованы схемы злоктропитания и конструкции печей о прягло угольной ванной и линейным электродным блоком;оптимизация позволила повысить коэффициент мощности о 0,67 до 0,91, снизить:перекос мощности по фазам о 55/! до 8/5, расход электродного материала на 10% и продолжительность плавки на 5,7,.
-
Создана оригинальная система управления процессом плавки . огнеупорных материалов с примененном микропроцессорной техники. Впервые'показана для электропечей такого класса однозначность зависимости спектрального состава кривой тока от периодов плавни, что позволило с учётом нелинейных и несиммотричних характеристик обеспечить синтез автоматического управления процессом при различных соотношениях мощностей дуг и Диоулопа нагрева расплава для различных периодов плавки; показано,что в качеотве параметра САР стабилизации протяженности момэлоктродного иромо;хутка целесообразно использовать гармонический состав кривых токов дуг;
-
Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования, выбора оптимальных режимов
и управления ими для электротермических агрегатов получения <.;ез-углороддых огнеупоров. Пропзводоїш внедрения и промышленная апробация разработок с фактическим экономическим эффектом.
