автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование электромеханических характеристик гибких токоподводов дуговых сталеплавильных печей и разработка технических требований к их конструкциям

/1; ' -Г^ л

¡П г .■•../ /') " ,, ' "

■-и/ ' _ .. ■

с:--- / .ь

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Тесля Наталья Борисовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИБКИХ ТОКОПОДВОДОВ ДЩЩЩХ.СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИ ЧЕСКИХТРЕБОВ АНИЙ К ИХ КОНСТРУКЦИЯМ

Специальность: 05.09.10 - электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Чередниченко В.С.

Новосибирск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ КАК ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ 12

1.1. Эксплуатационные характеристики дуговых сталеплавильных печей с высокими удельными мощностями 12

1.2. Состояние теоретических исследований электромеханических колебаний в дуговых сталеплавильных печах 22

1.3. Кабельные гирлянды как объект колебаний 37 ВЫВОДЫ. 43

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДСП ' 45

2.1. Общая постановка экспериментальных исследований электромеханических колебаний в ДСП 45

2.2. Экспериментальные исследования печи ДСП-100И6 Молдавского металлургического завода 51

2.3. Экспериментальные исследования печи ДСП-100И6 завода "Амур-сталь" 59

2.4. Экспериментальные исследования печи ДСЛ-0.3 67

2.5. Влияние САР ДСП на низкочастотную модуляцию токов 69

2.6. Анализ физической природы возмущений в ДСП 72

2.7. Анализ электромеханической системы ДСП 79

2.8. Экологические аспекты работы дуговых электропечей 87 ВЫВОДЫ. 101

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ КАБЕЛЬНЫХ ГИРЛЯНД 105

3.1. Определение электродинамического взаимодействия между гибкими кабелями 106

3.2. Динамика движения кабельных гирлянд под действием электродинамических усилий 111

3.3. Определение механической жесткости кабельного проводника 114

3.4. Определение приведенных параметров системы 115

3.5. Характеристика электрических режимов работы ДСП 117 ВЫВОДЫ. 120

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАБЕЛЬНЫХ ГИРЛЯНД ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ 121

4.1. Свободные колебания кабелей 122

4.2. Электромеханические колебания кабельных гирлянд 125

4.3. Выбор числа параллельных кабелей в гирлянде с учетом электродинамики гибкого токоподвода 131 ВЫВОДЫ 141

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КАБЕЛЬНЫХ ГИРЛЯНД 144

5.1. Расчет индуктивного сопротивления гибких кабелей 144

5.2. Расчет электрических режимов ДСП с учетом нелинейности дуг 147

5.3. Учет случайных возмущений в ДСП 150

5.4. Результаты моделирования 151

5.5. Исследование явления переноса мощности по фазам ДСП 154

5.6. Оценка электромеханической устойчивости электропечи ДСП-100И6 164 ВЫВОДЫ 166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 168

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ П1 ПРИЛОЖЕНИЕ П2 ПРИЛОЖЕНИЕ ГО

172 181 182 189 193

ВВЕДЕНИЕ

Сталеплавильное производство продолжает оставаться ключевым в цепи технологических переделов получения стального проката. В пользу электроплавки, по мнению специалистов [1], будет снижаться конвертерное производство стали в результате возрастания металлофонда. В Федеральной программе перевооружения отечественной металлургии предусматривается приоритет развития и реконструкции сталеплавильного производства, что находит выражение в увеличении доли производства электростали. Последняя в общем мировом производстве стали превысила уже 30 %, а в США приближается к 40 %. В России доля электростали в 1994 г. составила только 13,2 % (6,45 Мт) [2]. Поэтому увеличение выплавки электростали в нашей стране является основным направлением обновления сталеплавильного производства и всей черной металлургии России.

Полезная емкость сталеплавильных дуговых печей и их производительность по расплаву значительно возросли в последние годы. Наиболее крупные электропечи (335 т) работают в США. Наметилась устойчивая тенденция интенсификации процессов плавки. Поставлена цель выплавлять более 120 т стали в час; реализуемая при этом удельная мощность, в настоящее время достигает 1 МВА/т [3]. Годовая производительность ДСП емкостью 100-125 т с трансформатором 105 МВА может достигать 800-950 тыс.т [4]. В настоящее время в России действует 65 электропечей емкостью от 6 до 150 т (не считая печей в литейных цехах) [5]. Наибольшее количество электростали выплавляют в печах емкостью от 80 до 200 т [2].

В конструкции печей произошли существенные изменения, позволившие повысить стойкость сводов и стен; апробируются различные варианты выпуска металла, перевод электропитания на постоянный ток, совершенствуется технология.

Наиболее высоким техническим уровнем в СНГ характеризуется электросталеплавильный цех Молдавского металлургического завода с печами ДСП-100И6 (80 MB А) [2,6], где за счет таких мероприятий, как эркерный выпуск, установка системы стеновых и дверной газокислородных горелок, плакированных медью электрододержателей, добились большого эффекта в увеличении производительности печей.

Особенностью производства стали в АО "ОЭМК" Оскольского электрометаллургического завода [7] является использование в шихте для плавки 50-70 % меташшзованных окатышей; электропечи переведены на использование водо-охлаждаемых сводов; успешно эксплуатируются токоведущие консоли фирмы "Фукс-системтехник" и спреерное охлаждение электродов той же фирмы, что снижает расход электродов на 0,13-0,18 кг/т.

Использование рабочих режимов длинных дуг в сочетании с наведением пенистого шлака, надежно экранирующего дуги, способствует снижению (до 50%) торцевого расхода графитированных электродов [8].

Несмотря на отдельные достижения, состояние парка дуговых сталеплавильных печей в России существенно отстает от уровня США по количеству и показателям работы большегрузных печей. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации ДСП в режимах высокой удельной мощности (600 кВА/т и выше) выявил ряд негативных явлений, в том числе вопросы обеспечения удовлетворительной стойкости футеровок, нагрева металлоконструкций в электромагнитном поле больших рабочих токов, резко выраженное явление переноса мощности по фазам, увеличение уровня шума и электромеханические колебания элементов конструкции электропечи. При этом расход огнеупоров на отечественных электропечах достигает 4-6 кг/т стали, электроэнергии от 500 до 700 кВтч/ т стали, значительна длительность плавки. Пылегазовые выбросы металлургическими предприятиями составляют 20% от выбросов всей промышленности. Это обусловлено тем, что более 60% стали в России производится на

устаревшем оборудовании, доля прогрессивных способов производства стали составляет 48,5%, непрерывная разливка - 31.8 %, а также значительным количеством простоев, большой длительностью технологического периода (из-за недостатка агрегатов внепечного рафинирования), малым использованием кислорода, недостаточным применением альтернативных источников энергии

[5].

Сдерживающими факторами в развитии современных ДСП являются проблемы, обусловленные электродинамическими взаимодействиями сильноточных токоподводов ДСП в условиях значительных колебаний рабочих токов при расплавлении шихты. Особую актуальность данная задача обрела с изменением функционального назначения дуговых сталеплавильных электропечей -плавильный агрегат, работающий в комплексе с установками внепечной обработки стали. При этом режим максимальной мощности, являющийся основным рабочим режимом, характеризуется высоким уровнем колебательности электромеханической системы, что приводит к преждевременному износу элементов конструкции, возникновению аварийных вибраций и т.д. Наблюдается реальное ограничение верхнего предела удельных мощностей, сдерживающее рост технико-экономических показателей работы ДСП.

Исследования электродинамических явлений в ДСП проводились рядом авторов [9,10,11,12]. Была установлена физическая природа этих явлений, предложены математические модели, позволяющие вскрыть общие закономерности, отражающие зависимость параметров колебаний электрических режимов от соотношения электрических параметров печи и свойств механической системы ДСП, участвующей в процессе колебаний. Однако используемый в работах [9,10,11] математический аппарат ограничивал возможности моделей, а принятые допущения отдалили их от реального объекта. Поэтому выработанные в результате указанных исследований рекомендации для проектировщиков ДСП, например, триангуляция вторичного токоподвода, повышение жесткости стойки

электрододержателя, не позволили существенно снизить отрицательные последствия электродинамических колебаний. Узлы конструкции электрододержателя по-прежнему не выдерживали переменных электродинамических нагрузок, колебания электрического режима приводили к снижению ввода мощности в плавильное пространство, не происходило снижения низкочастотных составляющих тока в печи.

Большой вклад в исследование электродинамических колебаний электрического режима и систем электродов-электрододержателей внесла работа [12]. На базе нового представления о действующих в ДСП взаимосвязях, включающих как элементы токоподвода, так и элементы механической конструкции, и рассматривая ДСП как целостную электромеханическую систему, автором [12] были выявлены два замкнутых колебательных контура с прямыми и обратной по длине дуги связями, исследован механизм возникновения и развития колебаний в контуре "дуга-электрододержатель с электродом-дуга", определены основные факторы, влияющие на жесткость системы электрод-электрододержа-тель, исследовано влияние электрических параметров и конструктивных факторов на электромеханическую устойчивость установки. Анализ внутренних взаимосвязей электромеханической системы ДСП, новый уровень детализации исследуемого объекта, использование математического аппарата метода конечных элементов позволили сделать выводы, имеющие важное значение для определения цели, задач и обоснования положений данной работы.

Однако, исследуя взаимосвязь между электрическими и механическими характеристиками ДСП, автор [12] не рассматривает процессы, предшествующие возбуждению колебаний электромеханической системы под действием переменных электродинамических усилий. К этим процессам относятся физические явления в собственно дуговом разряде, явления, сопровождающие плавление шихты, которые первоначально вызывают амплитудную модуляцию тока. Кроме того, на данном этапе исследований ДСП представляет интерес дина-

мическое поведение кабельных гирлянд, которые также сильно подвержены воздействию электродинамических усилий и являются источником колебательности рабочих токов ДСП. Первостепенную роль приобретают также экологические аспекты работы печей, выявление причин возникновения которых позволит сделать экологическую защиту ДСП более эффективной и надежной.

Традиционные, ставшие уже классическими, методы создания конструкций сверхвысокомощных ДСП зачастую не принимают во внимание тенденцию укрупнения печей и увеличения их удельных мощностей, а также специфику процессов и физических явлений, протекающих в рабочем пространстве и в зоне горения мощной печной дуги и влияющих не только на электрические, но и на механические характеристики электропечи. Неполное представление о взаимосвязях между колебаниями электрических и механических параметров, причинах их возникновения, а также отсутствие удобного инструмента для оценки уровня электродинамических взаимодействий в электромеханической системе не позволяет вывести агрегат на необходимые мощности и, следовательно, производительности.

Таким образом, очевидна необходимость дополнительных исследований электромеханических свойств ДСП, с одной стороны, для выявления всех элементов и внутренних взаимосвязей в электромеханической системе ДСП, определения наиболее эффективных путей снижения колебательности электрического режима, электромеханической системы и связанных с ними экологических последствий работы печи; с другой стороны, для создания рабочего инструмента для инженера-конструктора ДСП, позволяющего на этапе проектирования оценивать технические решения с точки зрения их влияния на электромеханические свойства проектируемых установок. В настоящей работе предложена математическая модель электромеханической системы дуговой электропечи, основанная на новом уровне детализации ДСП как физического объекта.

Таким образом, целью работы является разработка основных концепций анализа ДСП как электромеханической системы с внутренними взаимосвязями; исследование причин возбуждения и развития колебаний в дуговой установке; исследование влияния электромеханических колебаний кабельных гирлянд на электрические режимы печи; разработка технических требований к конструкции гибкого токоподвода.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Анализ современного состояния проблемы, предлагаемых путей ее решения, имеющихся моделей ДСП как электромеханической системы с внутренними взаимосвязями; анализ кабельных гирлянд как объекта колебаний и моделей, включающих данный элемент; формулировка требований к постановке математического моделирования на новом уровне детализации ДСП как физического объекта.

2. Экспериментальные исследования рабочих режимов высокомощных ДСП, включая определение фактических параметров механической системы и ее поведение при электродинамическом взаимодействии токоподводов; анализ физической природы возмущений в зоне горения мощной печной дуги, характерной для ДСП; исследование электромеханической системы дуговой сталеплавильной электропечи, обладающей способностью к возбуждению электромеханических колебаний; исследование механизма возникновения и развития колебаний в ДСП; выявление причин возникновения экологически неблагоприятных воздействий на человека и окружающую среду при работе ДСП, анализ традиционных мер и способов решения экологических задач; разработка рекомендаций по снижению колебательности электрического режима и элементов конструкции ДСП, а также взаимосвязанных с ними экологически неблагоприятных явлений.

3. Разработка математической модели электромеханических колебаний гибкого токоподвода ДСП.

4. Исследование динамических свойств кабельных гирлянд, влияния электрических режимов на интенсивность электромеханических колебаний вторичного токоподвода различных типов ДСП, включая обратное влияние кабельных гирлянд на электрические режимы, в частности, на перенос мощности по фазам ДСП; оценка максимальных отклонений кабелей с учетом низкочастотных возмущений; исследование влияния механических параметров системы на характер электромеханических колебаний; исследование причин преждевременного износа кабелей при использовании клиц; обоснование выбора оптимального количества проводников кабельной гирлянды одной фазы с учетом электродинамики гибкого токоподвода; оценка электромеханической устойчивости установки с учетом колебаний кабельных гирлянд.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ КАК ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Повышение удельных мощностей ДСП, а, следовательно, существенное увеличение рабочих токов печей, обусловило резкое усиление электродинамических взаимодействий между проводниками вторичного токоподвода. Поскольку проводники механически жестко связаны с конструкциями электродо-держателей, эти взаимодействия стали заметно влиять на работу ДСП в целом. На этапе плавления шихты и в период расплавления колодцев стали значимыми колебания механической системы под действием электродинамических сил и электрического режима в связи с изменением длины дуги. В свою очередь, указанные явления привели к ряду отрицательных последствий: недоиспользование мощности печного трансформатора, отрицательное влияние на питающую сеть, поломки электродов, преждевременный износ элементов конструкции. Возникла необходимость углубленного исследования этого явления.

1.1. Эксплуатационные характеристики дуговых сталеплавильных печей с высокими удельными мощностями

До начала 70-х годов толчкообразные горизонтальные движения проводников вторичного токоподвода ДСП и связанных с ними механических частей (стойки и рукава электрододержателя) при флуктуациях тока в период расплавления не привлекали внимания исследователей, так как существенно не сказывались на работе электродов и механических частей электрододержателей.

Положение изменилось с появлением ДСП с высокими удельными мощностями. Конструкции механических частей электрододержателей и короткой сети практически остались без изменения, хотя в связи с увеличением мощности электро