автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и расчет электромеханических колебаний в дуговых сталеплавильных электропечах с целью совершенствования режимов работы и оптимизации конструкций

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ^ д УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.365.22

Елманова Людмила Павловна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧАХ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность: 05.09.10 - электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1996

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чередниченко B.C.

Официальные оппоненты:,

доктор технических наук , профессор Рубцов В.П. доктор технических наук , профессор Смелягин А.И.

Ведущее предприятие - Акционерное общество открытого типа "ВНИИЭТО"

Защита состоится "_1_" марта " 1996 г. в ]4 часов на

заседании диссертационного совета Д 063.34.09 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Новосибирском государственном техническом университете по адресу 630092; г.Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан «ЛнЛс^Лх 996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент ■»- А.И. Алиферов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная дуговая сталеплавильная электропечь (ДСП) является одним из основных агрегатов черной металлургии. Особое влияние на развитие ДСП и электрометаллургии стали оказывает повышение мощности ДСП и изменение функционального назначения этого оборудования. Эти процессы обеспечивают рост производительности и других технико-экономических показателей работы агрегата. Для примера можно указать, что мощность трансформатора, отечественной базовой крупнотоннажной электропечи для получения электростали емкостью 100 тонн за двадцать лет возросла с 25 МВА до SO MBA.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации высокомощных ДСП выявил целый ряд проблем, возникающих при повышении удельных мощностей печей. Одна из таких проблем связана с электродинамическими взаимодействиями сильноточных токоподводоВ в условиях значительных изменений рабочих токов при расплавлении твердой шихты, т.е. в тот период, когда реализуется максимальная мощность электропечи.

Особую актуальность данная задача обрела с широким развитием и внедрением методов внепечной обработки стали, четко определяющих место ДСП в технологической цепочке металлургического Производства -плавильный агрегат, работающий в комплексе с установками внепечной обработки стали. При этом режим максимальной мощности является основным и именно для этого режима характерен пысокий уровень колебательности электромеханической системы, приводящий К ограничению вводимой мощности, преждевременному износу элементов конструкции й возникновению аварийных вибраций. Наблюдается реальное ограничение верхнего предела удельных мощностей, сдерживающее рост технико-экономических показателей работы ДСП.

Традиционные методы создания конструкций сверхвысокомощных ДСП не принимали во внимание их динамические характеристики, проявляющиеся при работе печи. Отсутствие наглядного и надежного инструмента для оценки уровня электродинамических взаимодействий в электромеханической системе, незнание связи электротехнических и механических параметров с контруктивиым исполнением основных узлов ДСП не позволяло вывести агрегат на необходимые мощности, а значит, и производительности. Надежность работы узлов конструкции системы-удержания и перемещения электродов при этом достигалась за счет ужесточения несущих элементов, а значит, за счет повышения металлоемкости печи.

Анализу, постановке и решению этих задач посвящена настоящая диссертация.

Работа выполнялась по планам отраслевых министерств, централизованному госбюджетному финансированию по важнейшим проблемам

развития фундаментальных наук.

Целью работы яводется разработка основных, концепций анализа электромеханических систем ДСП с внутренними сймосогласовывающи-мися связями, обеспечивающими возбуждение и поддержание колебаний электрического режима и механической части конструкции; исследование зависимости этих колебаний от параметров и свойств ДСП как элекфо-механической системы с разработкой методов анализа такой системы, позволяющих определять и прогнозировать ее электромеханические свойства в сверхвысокоыощных режимах работы.

Для достижения указанной цели в задачи исследования входило следующее.

1. Анализ современного состояния проблемы, предлагаемых путей ее решения, имеющихся моделей данного явления и формулировка требований к постановке физико-математического моделирования на новом уровне детализации физических объектов.

. 2. Анализ дуговой сталеплавильной электропечи как электромеханической системы, обладающей способностью к возбуждению электромеханических колебаний; связи этих колебаний с электрическими режимами и параметрами механической системы,

3. Разработка математической модели электромеханических колебаний в ДСП С учетом сформулированных требований.

4. Экспериментальные исследования рабочих режимов сверхвысокомощных ДСП, включая определение фактических параметров механической системы и ее поведение при электродинамическом взаимодействии токоподводов.

5. Анализ механической системы ДСП для выявления основных конструктивных факторов, влияющих на колебательную способность установок.

6. Исследование влияния электрических параметров ДСП на уровень электромеханических колебаний системы, а также исследование энергетических последствий этих колебаний.

7. Разработка методов расчета механических узлов ДСП на выносливость с учетом электромеханических колебании.

Научная новизна.

1. Идентифицирована дуговая сталеплавильная печь как электромеханическая система, способная к самовозбуждению автоколебаний электрического режима и механической системы; впервые показано, что

электромеханические колебания - неотъемлемое свойство ДСП, обусловленное комплексом электрических и механических характеристик печи.

2. Разработана физико-математическая модель механической части системы ДСП. Метод конечных элементов, положенный в основу модели, позволяет гибко менять уровень детализации объекта моделирования.

3. Впервые доказано, что основным элементом механической системы ДСП, влияющим на электромеханические свойства печи, является узел закрепления стойки электрододержателя в направляющих роликах.

4. Разработана математическая модель электродинамических колебаний в ДСП, в основе которой заложена возможность дальнейшего развития составляющих ее элементов.

Практическая ценность н реализация результатов работы

1. В ходе исследования доказана необходимость согласования электрических и механических параметров электромеханической системы ДСП при повышении уровня вводимой мощности.

2. Предложен параметр, отражающий электромеханические свойства ДСП - коэффициент электромеханической неустойчивости, который определяется комплексом электрических и механических характеристик печи.

3. Создана физико-математическая модель электромеханических колебаний в дуговых сталеплавильных печах; доказана ее корректность и возможность ее использования для прогнозирования электромеханических свойств электродуговой системы. На основе модели предложена методика анализа электромеханической устойчивости сверхвысокомощных ДСП. Рассмотрены энергетические последствия электромеханических колебаний, что позволяет скорректировать выбор электрического режима.

4. Выявлены элементы конструкций, параметры которых в наибольшей степени Определяют колебательную споеоб!1ость ДСП. Также выявлены резервы для снижения металлоемкости печи за счет уменьшения жесткости элементов конструкции, мало влияющих на электромеханические свойства печи. Предложена методика оценки динамических напряжений в элементах конструкции системы электрод-элеэтрододержатель, связанных электродинамическими взаимодействиями и находящимися в режимах сомосогласоваппых и самоподдерживающихся колебаний.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Неотъемлемое свойство электромеханической системы дуговых сталеплавильных электропечей самовозбуждать и самоноддерживать колебания электрического режима и механической части системы за счет электродинамическоого взаимодействиятокоподводоа.

2. Комплекс результатов исследований, доказывающий приоритетный вклад г» уровень возмущений электрического репшз самогенерируе-

ыых электромеханических колебаний в системе дуговых сталеплавильных электропечей в периоды открытого горення дуг.

4. Метод снижения интенсивности электромеханических автоколебаний в ДСП путем изменения параметров узла крепления стойки электрододержателя с использованием, например, подпружинивания направляющих роликов.

5.. Принцип синтеза физико-математической модели электромеханической системы ДСП, включая расчетно-модельную схему замещения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном семинаре "Математическое моделирование в электротермии" (Ленинград, 1989 г.);иа научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Новосибирск, 1995); на научных семинарах кафедры АЭТУ НГТУ (1993,1995 г.).

Публикации. Но результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ, 1

Объем и структура диссертационной работы состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 60 наименований, содержит 180 страниц текста, 45 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЬ!

Во введен;»! раскрывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель, научная новизна и основные направления исследований.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу современного состояния исследований и практическому состоянию проблемы в целом с детализацией по типоразмерам дуговых сталеплавильных установок. В основу практического анализа положены научные работы отечественных специалистов г K.M. Хасина, А.И. Сапко, Н.В. Коваля, опыт создания и эксплуатации мощных и сверхмощных ДСП силами АО ВНИИЭТО, АО "Сибэлектротерм", Молдавского металлургического завода, завода "Амурсталь", НИ ИМ а (г.Челябинск) и др. Проведена оценка результатов, полученных по рассматриваемой проблеме группой немецких ученых - К. Тимма, Б. Ремуса, X. Фабера, Г.-Г. Кунце.

Установлено, что принятые в имеющихся работах постановки задачи не отражают реально протекающих процессов и не позволяют выявить причинные связи электромеханических колебаний в трехфазной системе, имеющей статическую неопределенность основной механической составляющей и стохастический характер электрического режима с разбросом рабочих параметров от холостого хода до короткого замыкания. В известных проанализированных работах в основу исследований закладывалось исходное положение, что причины электромеханических

б

(электродинамических) колебаний в ДСП связаны с понятием резонанса. В диссертации показано, что это исходное положение ошибочно, так как способы устранения резонансных колебаний и автоколебаний существенно различны. Известно, что если частота колебаний совпадает с частотой какого-либо возмущающего воздействия, то колебания являются вынужденными, и следует воспользоваться отстройкой от резонанса. Если же частота колебаний не определяется в такой мере внешними факторами (при этом во многих случаях близка к собственной частоте), то имеют место автоколебания системы. При этой надо исследовать зависимость параметров таких колебаний от свойств самой системы и решать задачу оптимизации. Именно эти процессы свойственны электромеханическим системам дуговых сталеплавильных Электропечей.

ДЛЯ исследования данной проблемы в качество основного был выбран метод физико-математического моделирования с последующим отождествлением модели программными целевыми экспериментальными исследованиями. Сформулированы требования к модели, которая должна позволять: исследовать взаимодействие трех фаз в процессе развития колебаний; учитывать все основные факторы, влияющие на жесткость системы электрод-электрододержатель; на этапе проектирования ДСП исследовать влияние всех конструктивных факторов И электрических параметров на электродинамическую устойчивость установки.

Вторая и третья главы посвящены анализу и разработке физико-математической модели электромеханической сйстемы ДСП.

Основной электрической нагрузкой этой системы является электрическая дуга, свойства которой оказывайт существенное влияние па поведение Всей системы. Значительная нелинейность дугобого разряда^ стохастический характер интегрального сопротивления дуги, зависящего от длины дуги, температуры и других факторов обуславливает нелинейность системы. На это Закладывается также невозможность симметрирования токоподзода по фазам как пространственного, так и режимного.

При постановке физико-математической модели учитывалось, что номинальный электрический режим ДСП связан с протеканием по токо-подводу токов до 100 кА. При этом в трехфазной системе при необходимости локализации введения мощности в рабочее пространство неизбежно возникают известные из эксплуатации экстремальные ситуации - вибрации, броски токов от КЗ до XX. Это вызывает «¡ерхнгпрязкенный режим работы как механической системы, так и системы электропитания;

Известно, что между проводниками разных фаз при протекании по ним тока действуют электродинамические силы, величины которых отслеживают изменения электрического режима и выражаются как

~ кп • • Ъ ■

(1)

Действующие силы пропорциональны произведению протекающих по проводникам токов. Коэффициент пропорциональности к¡2 зависит от взаимного расположения проводников и магнитных свойств среды.

Для постановки физико-математической задачи исследований Проведен анализ ДСП как электромеханической системы, результатом которого явилось новое представление о действующих связях в системе, включающей как элементы токоподвода, так и элементы механической конструкции, участвующие в комплексе работы ДСП. Обобщенная схема ДСП как электромеханической системы представлена рис.1. При этом считалось, что несущей конструкцией для установки токоподвода является электрододержатель. Он представляет собой массивную консольную балку с закрепленными на ней конструктивными элементами, обеспечивающими удержание токоподвода с электродом. Электрододержатель с токоподво-дом составляют механическую систему с распределенными параметрами и с бесконечным числом степеней свободы, которая в общем случае может быть описана системой уравнений в частных производных. Эта механическая система обладает конечной жесткостью, определяемой жесткостью составляющих ее элементов, инерционными свойствами, обусловленными ее массой, распределенной неравномерно.

Рис. 1. Обобщенная схема ДСП как электромеханической системы.

Анализ внутренних взаимосвязей в ДСП показал, что рассматрива-гмая механическая система, как и всякая другая, получив некоторое возмущение, будет совершать свободные колебания, которые сами по себе обычно не представляют особенного интереса для техники. Дело в том, что поведение механической системы при свободных колебаниях характеризует ее "динамическую индивидуальность", которая определяет поведение системы при всех других условиях. При протекании тока по токо-подводу механическая система каждой фазы оказывается под действием внешних электродинамических сил, которым противодействуют внутренние силовые факторы, связанные с жесткостью механической системы. При

этом достигается некоторое равновесное напряженно-деформированное состояние. При выводе системы из равновесия меняется деформация системы. Это неизбежно приводит к изменению местоположения рабочего конца электрода, и, как следствие, длины й электрического сопротивления дуги, рабочего тока в токоподводе, и изменению электродинамических сил, определяемых током в токоподводе, а значит, опять же к изменению деформации системы. Очевидное наличие замкнутого контура с прямыми и обратными внутренними связями приводит к возникновению режима электромеханических автоколебаний. Они поддерживаются за счет извлечения энергии из источника питания агрегата. Динамические характеристики: собственные частоты, формы Колебаний и коэффициенты затухания - определяют способность системы так регулировать отбор энергии от источника, чтобы в системе возникли колебания. Таким образом, электродинамические колебания являются неотъемлемым свойством рассматриваемых Электромеханических сйсТем.

Анализ изложенного положения и особая актуальность вопроса электромеханических явлений в ДСП привели к необходимости разработки нового подхода к исследованию рассматриваемой проблемы. Решение задачи бЬшо найдено путем сочетания систем математического описаний электрических режимов работы электропечи с введением электродинамических связей в математические уравнения для трехфазной системы и привлечения для описания механической статически неопределимой системы метода конечных элементов. Безусловно, по отдельности Подходы к систеМй уравнений электромеханического Оййсаниясистемы и метод конечных элементов - это известные Методы. Но их совместное использование впервые для Такого Шовного объекта; как 'ДСЙ, позволило с высокий уровнем детализаций пройёсти физикб-ма^матичёское модели-рдваШ!еэле1«троМеханичёской системы й решить поставленную задачу, .

Рассмотрим общую постановку выполйенйбЙ работы. Конструкция ДСП описывается системой дифференциальных уравнений напряженно-деформированного состояния механической системы с бесконечным числом степеней свободы. Известно, что Прямое решение такой системы уравнений трудоемко. Метод конечных элементов позволяет свести эту труднорешаемую систему дифференциальных уравнений к системе линейных уравнений напряженно-деформированного состояния отдельных точек непрерывной задачи, а, значит, свести к системе с конечным числом степеней свободы. Согласно этому Методу реальная конструкция разбивалась на участки так, чтобы механические свойства отрезков ■ общей конструкции можно было считать постоянными. Участки эти именуются конечными элементами и ограничиваются точками, которые называются

узлами. Во избежание чрезмерного услржнения модели было принято, что каждый конечный элемент параллелен одной ш осей координат. Принималось, чго щ узлах сосредотачиваются основные распределенные параметры - масса конструкция и внешние силы, о нашем случае -электродинамические. Конечные элементы несут в себе жесткостные свойства конструкции, такие как моменты инерции сечений, модули упругости и сдвига материалов. В каждом узле можно допускалось шесть локальных степеней свободы: перемещение но осям х, у, г и вращение вокруг осей а*, у, 2 . Число степеней свободы расчетной схемы определялось суммарным числом степеней свободы узлов. Сквозная нумерация допустимых степеней свободы дает суммарное, число степеней свободы и ставит в соответствие каждой локальной степени свободы ее номер в глобальной системе координат. Граничные условия принимались следующим образом: жесткая заделка в узле соответствовала запрещению ' всех степеней свободы, шарнирная опора - запрещению перемещения по осям, упругая опора -заданию в узле расчетной схемы жесгкостп на перемещение по любой из локальных степеней свободы. Для образования единого ансамбля конечных обеспечивалось выполнение условия равновесия сил и неразрывности перемещений в узлах. При этом условие неразрывности перемещений выполнялось, так как перемещение одного узла сопровождается перемещением конечных элементов, примыкающих к этому узлу.

Из общего анализа использованного метода известно, что при упругом поведении ансамбля конечных элементов между реакциями в дополнительных связях и узловыми перемещениями существует линейная связь, подчиняющаяся закону Гука. Распространение этого закона на весь ансамбль конечных элементов дало систему линейных уравнений, являющихся первым этапом полижи к-льного решения поставленной задачи

К-Х = У, : (2)

где X - вектор узловых перемещений; Р - вектор узловых нагрузок; К - матрица взаимных жесткостеи, которая устанавливает зависимость между узловыми перемещениями и реакциями в узлах.

Известно, что метод конечных.-элементов допускает естественное обобщение и на динамические-задачи. На основании этого формально рассматривалось равновесие теЛа с учетом всех внутренних и внешних сил, включая силы инерции и сшил демпфирования. При этом считалось, что демпфирование происходят за счет сил вязкого трения, пропорциональных скорости узловых Перемещений ¿Шйг, а силы инерции пропорциональны их ускорению <РХ/Ж2. Синтез этих положении позволил получить динамическую модель системы .

М-(РХ/dtz + D dX I dt + К -X = F(t,X), (3)

где M - матрица масс и моментов инерции, сосредоточенных в узлах; D • матрица коэффициентов затухания собственных колебаний; F(t,X) - вектор изменяющихся во времени узловых нагрузок.

Размер массивов, Входящих в (2) и (3) определялся суммарным числом степеней свободы ансймбля конечных элементов. При свободных колебаниях системы (F(l X) =0) лектор перемещении по степеням свободы расчетной схемы является суИмой гармонических колебаний конструкции по ее собственным формам

Х{() = £Аг<р.-$1п(со(1 + р.), (4)

/ .

где А. = о? - собственные числа, т,- - соответствующая собственной частоте ю,- собственная форма колебаний.

Расчет автоколебании механической системы под действием электродинамических сил осуществлен путем разложения колебании По собственным формам и последующего интегрирования. Поскольку для механической системы уравнения метода конечных элементов являются уравнениями равновесия сил, приложенных к узлам расчетной схемы, то электродинамические силы, являющиеся распределенной Нагрузкой, приводились к узловым нагрузкам. При pár-jííe электродинамических сил учитывалось, что перпендйкулярГцЛз участки гл могут взаимодействовать, а поскольку все конечные элементы парайлеяъкы одной из осей координат, то задача сводилась к определению электродинамической силы, действующей Между двумя пяраллелыгымн проводннкйми конечной длины и распределении ее по степеням свободы концов проводника.

Силы электродинамического взаимодействия м.е:хду элементарными ■участками проводников, параллельных оси х> определялись как

т Un dx¡ -dx¡- siil а ц„ т

где I¡Ij - среднее значение произведения токов i-oro и/ого участков; значение геометрического коэффициента.

Интегрирование выражения для определения геометрического коэффициента по ,х, и по x¡ позволило получить для него искомую

1

'п

JfHxj2 - X,i)2 + JfHxJ2 - X¡2)2 +

+yff*.(xfl -xñf + yff+{xJl - xl2)2

(6)

где го - расстояние между осями /-ого и у'-ого участков; хц, координаты качала и конца /-ого отрезка по координатной оси, параллельно которой расположены участки; х,/. х^ - координаты начала и

концау-ого участка по той же оси.

Составляющие результирующей силы и момента по координатным осям определялись по выражению

(7)

где с<ма„, - направляющие косинусы вектора г0 относительно т-ой координатной оси.

При этом принималось, что результирующие силы разделяются по узлам токоведущего конечного элемента, а изгибающие моменты в узлах определялись по перпендикулярным направлению проводника узловым силам. В глобальной системе координат нагрузка на гый проводник со стороны у ого представлялась как вектор, размер которого равен числу степеней свободы ансамбля элементов. Применяя принцип суперпозиции сил, результирующая нагрузка системы определялась суммированием векторов нагрузок от взаимодействия каждой пары проводников. В результате классическое выражение для расчета электродинамических сил (1) описывает исследуемую систему, но каждый его элемент становится более сложным По структуре. Геометрические коэффициенты и электродинамические силы при этом являются векторами, размер которых равен числу степеней свободы ансамбля элементов.

Б данной работе намеренно ставилась задача максимально упростить модель дуги, полагая, что в дальнейшем для получения более точных результатов можно развивать модель электродинамических явлений в направлении; связанном с более точнцм описанием процессов в дуге ДСП. Поэтому при расчете электропечного контура токи в фазах определялись без учета нелинейности, дуги и переходных процессов в цепи тока. При этом использована простейшая модель дуги, в которой напряжение на дуге не зависит от тока и является линейной функцией от ее длины. При этом предполагалось, что на следующем этапе развития модели электрическая дуга может быть описана дифференциальным уравнением проводимости дуги. Это позволит учесть влияние нелинейности дуги . на развитие колебаний, но не изменит-существа постановки физико-математической модели электромеханических колебаний в ДСП.

Электрическая часть модели включает в себя расчет действующих значений фазных токов с учетом несимметрии фаз по известным методикам. Зависимость электродинамических сил ¥(Х) от X определяется зависимостями длин дуг о г Х - 1/Х) . Очевидно, что .из всего вектора X на /,

влияют лишь коордииаты рабочего конца электрода ;-ой фазы. В модели эта зависимость отражена следующим образом

Л/ = Кх ■ Ах + К■ Ау + К1 ■ Аг, (8)

где Кх, К у, Кг - коэффициенты усиления, значения которых могут быть как положительными,- так и отрицательными.

Таким образом, совокупность систем (1), (3), (8) составляет физико-математическую модель электромеханической системы ДСП с помощью которой можно определять статическое напряженно-деформированное состояние механической системы, рассчитывать динамические характеристики механической системы: ее собственные частоты и формы, исследовать влияние характеристик электромеханической системы на параметры ее электродинамических колебаний, исследовать влияние электродинамических колебаний на эксплуатационные характеристики электромеханической системы, определять динамические напряжения в элементах конструкции. •■".'■'

Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований электромеханической системы ДСП.

На основе экспертного анализа действующего парка ДСП было принято решение об организации экспериментальных исследований на базовых для отечественной электрометаллургии дуговых сталеплавильных электропечах. При этом для обеспечения достоверности результатов и анализа воспроизводимости результатов исследований эксперименты проводились на печах ДСП-100И6 Молдавского металлургического завода и аналогичных печах завода "Амурсталь" (г,Комсомольск-на-Амуре). Одновременно экспериментальные исследования проводились на дуговой сталеплавильной электропечи емкостью 300 кг, установленной в СКБ производственного объединения "Сибэлектротерм". Такое организационное построение впервые выполняемых комплексных экспериментальных исследований ДСП, как электромеханической системы обеспечило достоверность и воспроизводимость полученных результатов.

В ходе экспериментальных исследований были получены следующее результаты. . '

1. Определены частоты и коэффициенты демпфирования свободных колебании, крайних электрододержателей ДСП-100И6 и электрододержателей ДСЛ-0.3 при разных вылетах стойки и способах возбуждения этих колебаний. Ведущие частоты собственных колебаний электрододержателей ДСП-100И6 оказались в интервале 1^-7 Гц, а ДСЛ-0.3 - 9-И2 Гц. Эти результаты могут а последующем использовалась для- подтверждения

адекватности предлагаемой физико-математической модели системы электрод-электрододержатель.

2. Исследовано влияние закрепления стойки в направляющих роликах на жесткость Конструкции электрододержателя. Установлено, что крутящий момент на оси стойки приводит 1с повороту ее в поясе направляющих роликов; зависимость угла поворота от величины прикладываемого момента для ДСП-100И6 нелинейна. Момент меньше 180 кН м не Приводит к Повороту стойки. Дальнейший рост крутящего момента приводит к пропорциональному увеличению угла поворота. При этом жесткость этого узла характеризуется величиной 4.5* 107 Нм/рад. Для ДСЛ-0.3 жесткой«! направляющих роликов при повороте в них стойки вокруг осей X, у, z оказались равными соответственно 5.3* 105, 8.5' 10s , 9.0* I05 Нм/рад.

3. Экспериментально установлено наличие связи между низкочастотной модуляцией токов печи » механическими колебаниями системы электрод-электрододержатель. Б частотном представлении регистрограмм токов п диапазоне 0-50 Гц наибольший вес приходится на низшие частоты свободных колебаний механической системы, причем в крайних фазах превалирующей является гармоника, генерируемая крутильными колебаниями стойки электрододержатела, а для средней фазы гармоники, связанные с изгибом стойки и электрода в плоскости Электрододержателя.

4. Анализ полученных регистрограмм с синхронной записью токов и вертикальных перемещении стойки электрододержателя показал, что низкочастотная модуляций токов Не связана с САР ДСП. Покозано, что это объясняется тем, что основная частотная составляющая модуляции токов лежит в диапазоне 1,5-5.0 Гц, тогда как на обследованных печах ДСП-ЮОИб регулятор совместно с приводом перемещения электрода реально отрабатывает возмущения ii диапазоне 0-0.5 Гц.

В пятой главе приведены результаты моделирования механической системы ДСП. Для возможности конкретизации модельных представлений ДСП как обобщенного агрегата, была выбрана дуговая сталеплавильная электропечь ДСП-100М6, в частности, ее злектрододержатель. Расчетко-модельная схема электрододержателя этой Электропечи представлена на рис.2. Эта схема имеет обобщенный характер: электрэдодержатели других дуговых электропечей в принципе отличаются только частными решениями и геометрическими размерами.

Расположение конечных элементе,:; расчетной схемы ориентировано относительно реальной конструкции, а расположение узлов выбрано в местах пересечения конечных элементов и на границах, где предполагаемая прямолинейная конструкция меняет свои механические свойства. Для

более полного понимания этой схемы укажем, что узел 4 расположен в месте крепления рукава к платформе. Данный ансамбль конечных элементов был подобран путем опробования нескольких расчетных схем. При этом учитывались требования достаточной точности представления конструкции и минимума степеней свободы.

По результатам проведенных экспериментов жесткость упругой опоры на кручение вокруг оси характеризуется величиной 4.5* Ю7 Нм. Жесткости других пружин были получены а ходе численного эксперимента путем итерационного подбора, критерием которого было совпадение собственных частот колебаний реальной конструкции с собственными частотами, рассчитанными по модели. Численные эксперименты показали, что представление закрепления стойки з Направляющих роликах упругими опорами приближает модель к реальному объекту . В работе доказано, что учет упругого закреплетм стойки в направляющих роликах позволяет вычислять собственные частоты конструкции с отличием от полученных экспериментально не более 15%, Предположение о жестком закреплении стойки дало результаты в два раза завышенные, в сравнении с экспериментальными.

Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что основной вклад в податливость торца электрода вносит фактор нежесткого закрепления стойки в роликах. Этот вывод, полученный в результате расчета статической деформации механической системы, подтверждается анализом 1-ой собственной формы колебаний системы электрод-электро-додержатель, т.е. ее динамической деформацией. При некотором процентном перераспределении роли отдельных факторов основной вклад в амплитуду колебаний торца, электрода дает нежесткое закрепление стойки в направляющих роликах. Это позволило сделать вывод о том, что изменение конструктивного исполнения этого узла может привести к улучшению электродинамических свойств электромеханической системы ДСП. Рекомендуемым конструктивным решением является подпружшш-вание направляющих роликов. Математическая модель позволяет оценить эффективные значения параметров такого закрепления стойки. Если закрепление стойки в роликах.- наиболее податливый узел, то изгиб и кручение рукава элсктрододержателя. напротив, дани наименьший вклад в

Рис.2. Система электрод-электрододержатель и ее расчетно-модельная схема: 1..8-узлы;

Г..8' - конечные элементы.

суммарную податливость конструкции. С этой точки зрения жесткость сечения рукава можно снижать до некоторого значения, практически не увеличивая при эгом амплитуду колебаний торца электрода.

В шестой главе приведены результаты. Моделирования электромеханических колебаний ДСП. Электромеханические колебания при моделировании характеризовались глубиной модуляции тока 4/, амплитудой колебаний торца электрода Ал:,&у, или А г и частотой / Колебания в численных экспериментах вызывались заданием Незначительного отклонения от положения равновесия. Установлено, что при любом малом возмущении электромеханические колебания развиваются до некоторых предельных циклов с определенными для данного набора параметров амплитудой и частотой. Частота колебаний близка к собственной частоте, характерной для колебаний в заданном направлении. Поскольку главные собственные частоты системы электрод-электрододержатель лежат в области от 1 до 7 Гц, то электрическая цепь нагружается низкочастотными составляющими тока.

Уровень электромеханических колебаний при прочих равных условиях определяется коэффициентом усиления дуги по напряжению дЬ/дУ, который, в линейном приближении зависимости напряжения на дуге от перемещения торца электрода, использованном при моделировании, пропорционален градиенту потенциала Дугового промежутка. В дальнейшем употреблялось значение: Ш/0У=0г- Для конкретной элемропечи при заданном электрическом режиме градиент потенциала в течение плавки является переменной величиной. Поэтому уровень электродинамических колебаний рассматривался в зависимостиот этого параметра.

Согласно литературнымданным, максимальные значений напряженности дугового промежутка р достигают величины 2.0-2,5» 101* В/м,

На рис.3 приведена зависимость! А/фу), полученная при следующих условиях численных экспериментов; изменение длины дуги вследствие электромеханических колебаний происходит 6 крайней фазе » направлении у; 11=12-1 ОкА. Электромеханические колебания были вызваны заданием незначительной амплитуды собственных колебаний системы электрод-электрододержатеяь относительно начального положения.

Приведенная зависимость показывает, что в некотором диапазоне положительных значений (5 к электромеханические колебаний системы электрод-электрододержатель практически отсутствуют. Однако в области • {Зу>1* !04В/м амплитуды колебаний возрастают. Одна из точек кривой 1 (рис.3) совпадает с экспериментальными данными. Так, глубина модуляции тока при максимально возможном значении градиента потенциала дугового промежутка должна составлять 10-20% от номинального

значения тока. Именно такая модуляция наблюдалась в эксперименте на начальном этапе расплавления металла.

kB/M

Рис.3. Параметры электромеханических колебаний при различных электрических режимах:

1 -//=/2=0=60 кА;

2 - ¡1=12=13=9° кА;

3 - /;=36 кА; /¿=/^=60 кА;

4 - //=100 кА; ¡2=1з=60 кА; •

10 20 30 ру, кВ/М Рис.4. Параметры электромеханических колебаний при различных значениях сопротивления вторичного токоподвода:

1 - Х1=Х3=3,7 мОм; ¿2=3,36 мОм;

2 - ДГ/=Хз=3,24 мОм; ^=3,0 мОм;

3 - Х/=Хз=2,7 мОм; Х2^-2,5 мОм;

Анализ зависимостей рис.3 позволил сделать вывод, что существуем такое значение {3 у, при котором любое малое возмущение приводит к колебаниям электромеханической системы вплоть до разрывов электрической дуги. Это явление можно назвать электромеханической неустойчивостью, а соответствующее значение (3 - границей электромеханической неустойчивости. Таким образом, каждый электрический режим может быть охарактеризован значением Рк, при котором любое малое возмущение приводит к невозможности эксплуатации электропечи. На рис.3 приведены зависимости А/(Р у), полученные в результате численных экспериментов при различных исходных режимах. Так, для режима //=/¿=/3=60 кА такой границей является величина рг=4.5- 104В/м. При увеличении тока в фазах до 90 кА эта граница определяется величиной 2.7* 104В/м. На основании сравнения этих результатов сделан вывод о существовании рабочих режимов, для которых граница электромеханической неустойчивости лежит в области реальных значений (3. Это объясняет то, что на практике не удается при расплавления достичь устойчивой работы печи на высших ступенях напряжения трансформатора и коротких дугах.

Численные эксперименты показали, что электромеханическая неустойчивость при горении дуги в плоскости электрододержателя достигается при значениях р.г и р^ на порядок больших, чем при горении дуги из плоскости электрододержателя. Значит наиболее опасным с точки зрения развития электромеханических колебаний являются горение дуги крайней

VkA

и

450

300

150

МВТ 18

12

фазы в направлении из плоскости электрододержателя к ближайшей стенке печи и колебания механической системы в этом же направлении.

Численные эксперименты показали резкое возрастание амплитуды электромеханических колебаний при снижения реактивного сопротивлений (рис.4), что и подтверждается на практике. Taie граница электромеханической неустойчивости для сред-нефазного индуктивного сопротивления 3.6 мОм равна 4.5IÜ4 В/м, для 3.24 МОм -3.5Ш4В/м, для 2.63 мОм -2.5!04В/м.

Для оценки Последствий влияния электромеханических колебаний Иа электрические режимы работы ДСП построены электрический характеристики ДСП-100И6 для начала периода расплавления с учетом электромеханических явлений (рис.5). При этом исследовался характер искажения характеристик по сравнению со стационарными, диапазон реализуемых режимов И отклонения электрические величин, аналогичные среднеквадратичному отклонению случайной е ¿личины. Показано, что средниг значения напряжения и мощности нт; всей характеристике 1-ой фазы и в области "длинных дуг" 3-ей фазы превышают значения статических характеристик, а на характеристике 2-он фазы и в области коротких дуг -3-ей фазы динамические

В Рд Рд

-1 \ V1 ' \

и 2/х \м \\ \

I

20

40

êo

60 î2,kA

и

450

300

150

в Рд рд

1< л ■4s. NîT ■ \ ч ■о

V

МВТ

18

.12

20 40 60 80 13, кА Р1». Электрические характеристики ДСП-1001V 6 без учета электромеханических колебаний (1) и с их учетом (2):Рд - мощность дуги; и - напряжение на дуге.

характеристики ниже. Таким образом, электромеханические колебания приводят к переносу мощности по фазам. Наиболее ярко отрицательные последствия электромеханических явлений проявляются в режимах, близких к короткому замыканию и в области "длинных дуг" (см. рис.5), накладывая ограничения на диапазон выбора электрических режимов.

Анализ среднеквадратичных отклонений и сравнение их с экспериментальными результатами, приведенными в работах ВНИИЭТО, подтверждает определяющую роль электромеханических колебаний в возмущениях электрического режима (табл).

Таблица

Отклонение рабочих токов ДСП

Наименование параметра Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3

1. Среднее значение тока, к А 56.1 61.7 59.9

2. Среднеквадратичное

отклонение, %: •

а) эксперимент 14.5 14.1 12.0

б) расчет 10.0 7.0 12.0

Разработанная методика расчета динамических деформаций и напряжений основана на использовании рассчитанных на модели собственных форм колебаний системы электрод-электрододержатель. В диссертации приведен анализ динамических напряжений при колебаниях системы электрод-электрододержатель э плоскости и из плоскости элект-рододержателя для установки ДСП-100И6. Показано, что механические напряжения в ниппельном соединении электрода могут достигать 60% от предела прочности материала электрода, что является одной из основных причин частых поломок электродов ДСП в период расплавления.

ВЫВО Д Ы

1. Главным выводом, положенным в основу и подтвержденным всем содержанием работы-, базирующимся на представлении ДСП как электромеханической системы, является утверждение о том, что электродинамические автоколебания электрического режима и механической системы ДСП - это неизбежное свойство дуговых сталеплавильных электропечей. Частота этих колебаний определяется собственными частотами колебаний системы электрод-электрододержатель, а амплитуда - электрическим режимом, интегральной жесткостью системы злектрод-электрододержатель и условиями горения дуги.

2. Разработала математическая модель электромеханических колебаний, основанная на представлении ДСП как электромеханической системы и базирующаяся на мощном математическом аппарате метода конечных элементов. Сопоставление результатов Моделирования и экспериментальных данных позволило сделать вывод об адекватности модели. Предложенная модель представляет собой гибкий И удобный инструмент для исследования влияния электродинамики на поведение электромеханической системы как действующих, так и проектируемых ДСП.

3. На осноье анализа элементов конструкции с точки зрения их влияния на интегральную жесткость системы элеКтрод-электрододержа-тель. Определено, что максимальный вклад в Податливость конструкции вносит фактор закрепления стойки э л ектро до дер ж ате л я в направляющих роликах, тогда как ранее этот элемент в исследованиях вообще не рассматривался и самым "слабым" фактором в системе электрод-злектро-додержатель считалось кручение стойки.

4. Впервые установлено, что электромеханические колебания ДСП при установленных соотношениях параметров вводят электропечь в неустойчивый режим, при котором амплитуда изменений тока, Вызванных электромеханическими колебаниями рабочего торца электрода, оказывается равной его действующему значению. Это состояние электромеханической системы обеспечивает прерывание электрической дуги, равнозначное с электродинамической точки зрения режиму холостого хода и, следовательно, последующему скачку рабочего тока до номинального при возвращении рабочего конца электрода в исходное положение после очередного цикла колебаний. Предложено такое состояние электромеханической системы ДСП характеризовать коэффициенте?«! электромеханической неустойчивости; в работе создан физико-математический аппарат, позволяющий оценивать существующие и проектируемые конструкции ДСП для рабочих режимов на возможность вхождения электромеханических систем ДСП в этот диапазон режимов. Доказано, что сопоставление границы электромеханической неустойчивости и ¡максимального значения градиента потенциала в столбе дуги, различного для отдельных периодов плавки и вводимых удельных мощностей с ДСП. характеризует исследованные электромеханические свойства установки.

•5. С помощью модели исследовано влияние электродинамически:; колебании на электрические характеристики ДСП. Доказано, что электродинамические колебания вносят основной вклад с возмущение электрического режима. Эти колебания приводят к искажению электрических характеристик и значительному переносу мощности по фазам. Эти результаты дают возможность скорректировать выбор электрического

режима в соответствии с технологическими критериями оптимальности при одновременном учете последствий этого выбора.

6. Предложена методика проведения с помощью модели расчетов элементов конструкции системы электрод-электрододержатель на прочность с учетом динамических деформаций, связанных с электродинамическими взаимодействиями между элементами токоподводов разных фаз

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Елманова Л.П., Ульянова E.H. Повышение качества напряжения систем питания дуговых сталеплавильных печей// Науч. техн. конф. "Проблемы экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов": Тез.докл./ Новосиб. электротехн. ин-т.- Новосибирск, 1986.

2. Эппель М.С.. Никифоров С.И., Елманова Л.П. Моделирование возбуждения вибраций в системе электрододержателей дуговой сталеплавильной печи// Электротермические процессы и установки: Сб. научн. тр./ Новосиб. электротехн. иН-т- Новосибирск, 1989.- С.83-87.

3. Эппель М.С., Никифоров С.Й., Елманова Л.П. Исследование параметров и электродинамических свойств печи ДСП-100И6// Электротермические процессы и установки: Сб. научн. тр./ Новосиб. электротехн. ин-т.-Новосибирск, 1989. - С.88-94.

4. Компьютерное моделирование электродинамического возбуждения вибраций и расчет динамических напряжений в системе электрод-электро-додержатель ДСП I Игнатов И.И., Эппель М.С., Елманова Л.П., Никифоров С.И.// Тр.междунар. семинара "Математическое моделирование в электротермии": - Лениград, 1989.

5.-Чередниченко B.C., Елманова Л.П. Электродинамика трехфазных систем дуговых сталеплавильных электропечей // Электротехнологические процессы и установки : Сб. научн. тр./ Новосибирск:Изд-во НГТУ, 1995.-

С.3-19. ^ji '

Подписано в печать 25.01.96. Формат 60 * 84 1/16. Бумага оберточная Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,0. Заказ №

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092. г. Новосибирск* пр. К.Маркса, 20