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 УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.365.22

Елманова Людмила Павловна

V-----

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 Ц 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 б30092¡ г.Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан 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 МВЛ до 50 МВА.

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 расплавлений 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 высокий уровень колебательности электромеханической системы, приводящий к ограничению вводимой мощности, преждевременному износу элементов конструкции и возникновению аварийных вибраций. Наблюдается реальное ограничение верхнего предела удельных мощностей, сдерживающее рост техиико-зкенсмичсских показателен работы ДСП.

Традиционные методы создания конструкций сверхвысокомощных ДСП не принимали во внимание их динамические характеристики, проявляющиеся при работе печи. Отсутствие наглядного и падежного инструмента для оценки уровня электродинамических взаимодействий в электромеханической системе, незнание связи электротехнических и механических параметров с контруипвным исполнением основных узлов ДСП не позволяло вывести регат 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 рыполнялась по планам отраслевых министерств, централизованному госбюджетному финансированию по важнейшим проблемам развития фундаментальных наук.

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

Научная новизна.

1. Идентифицирована дуг овая 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 детализаций 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 элгхтродинвмтгческнх колебаний в ДСП, а основе которой заложена возможность дальнейшего развития составляющих ее элементов.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. В ходе исследования доказана необходимость согласования электрических и механических параметров электромеханической системь1 ДСП при повышении уровня вводимой мощности.

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

3. Создан? физико-математическая модель электромеханических колебании в дуговых сталеплавильных печах; доказана ее корректность и возможность ее использования для прогнозирования электромеханических свойств электрсдуговои системы. На основе модели предложена методика анализа электромеханической устойчивости сверхвысокомощных ДСП. Рассмотрены энергетические пос»?пствия электромеханических колебаний, •по по'подпет скоррис гировать ш ¡бор электрического режима.

4. Выявлены элементы конструкции, параметры Которых в наибольшей степени определяют колебательную способность ДСП. Также выявлены резервы для егтгпения металлоемкости печи з;; счет уменьшение г егткостн элемент«!» конструкции, мало плпяющы* на. электромеханические скотча печи. Предложена методика оценки динамических напряжений в элементах конструкции системы электрод-электрододержатель, связанных электродинамическими взаимодействиями п находящимися в режимах сомосогтггсован^ых и самоподдерживающихся колебаний.

Оа,ч>ш)ые положения, выносимые на защиту.

¡.Неотъемлемое свойство электромеханической системы дуювьр. сталештатшьиых •шскчропечей сачовоэбуждяп- и еамопо/щержнвать колгКанш элекфического режима и механической част системы за счет элекгродинамическоого взаимодействия токоподводов . •

2. Комплекс результатов исследований, доказывающий приоритетный вклад в уровень возмущений электрического режима самогенерируе-

мых электромеханических колебаний в системе дуговых сталеплавильных электропечей в периоды открытого горения дуг.

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

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

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

Публикации. По результатах! выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура диссертационной работы состоит Из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 60 наименований, содержит ¡80 страниц текста, 45 рисунков и П таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении 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 ♦ 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", НИИМа (г.Челябинск) и др. Проведена оценка результатов, полученных по рассматриваемой проблеме группой немецких ученых - К. Тиммз, Б. Ремуса, X. Фабера, Г.-Г. Купце.

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

(электродинамических) колебаний в ДСП связаны с понятием резонанса. В диссертации показано, что это исходное положение бшйбочно, так как способы устранения резонансных колебаний и автоколебаний существенно различны. Известно, что если частота колебаний совпадает с Частотой какого-либо возмущающего воздействий, 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 этсш надо исследовать зависимость парйые1ров таких колебаний от свойств самой системы и решать задачу оптимизации. Именно эти процессы свойственны электромеханическим системам дуговых сталеплавильных электропечей.

Для исследования дайной проблемы в качестве основного был выбран метод физико-математического моделирований с последующим отождествлением модели программными целевыми экспериментальными исследованиями. Сформулированы требования к модели, которая должна позволять: исследовать взаимодействие трех фа:г в процессе развития колебаний; уЧитьтпть всс 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 системы ДСП.

Основной электрической нагрузкой этой системы является электрическая дуга, свойства которой оказывают существенное влияние на поведение всей системы. Значительная нелинеййбсть дугойого разряда, стохастический Характер интегрального сопротивления душ, зависящего от длины дуги', температуры и других факторов обуславливает нелинейносп, системы. На это накладывается также невозможность симметрирования -; жоподвода по фазам как пространственного, так и режимного.

При постановке физико-математической модели учитывалось, что номинальный электрический режим ДСП гаяза» с протеканием по т'- • о-попллду токов до 100 ;;А. При этом в трехфазной системе при необходимости локализации введения мощности в рабочее прострчнетпо ттейзбежн' возникают известные из эксплуатации экстремальные ситуации - внбрашш, броски токов от КЗ до XX. Это вызывает сверхнапряженный 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

О)

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 ДС|1 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 злектрододержатель. 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 ёе 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 йз равновесия меняется деформация системы- Это неизбежно приводит к изменению местоположения рабочего конца электрода, и, как следствие, длины и 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 комтура с прямыми и обратными внутренними свяЗямй 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 - определякй" способность системы так регулировать отбор энергий от источника, чтобы в системе возникли колебания. Таким образом, электродинамические колебания являются неотъемлемым свойством рассматриваемых злект^юмеАаяйчеекйх сйсШ*.

Анализ изложенного положения И особая актуальность вопроса электромеханических явлений в ДСП привели к необходимости разработки нового подхода к исследованию рассматриваемой проблемы. Решение задачи было найдено путем сочетания систем математического описания 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 системе уравнений электромеханического описания системы и метод конечных элементов - это известные методы. Но Их совместное использование впервые для такого спорного объекта; кйкДСГТ, позволило с высоким уровнем детализаций провести физико-математическое модели-ройание электромеханической системы и решить поставленную задачу. .

Рассмотрим общую постановку выполненной работы. Конструкция ДСП описывается системой дифференциальных уравнений напряженно-деформированного состояния Механической системм 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 состоят« 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 усложнения модели было принято, что каждый конечный элемент параллелен одной из осей координат. Принималось, что в уздах сосредотачиваются основные распределенные . параметры - масса конструкции и внешние силы, в нашем случае -электродинамические. Конечные элементу несут в себе ж^сткостные свойства конструкции, так^е как моменты инерции сечений, модули упругости и сдвига материалов, В кзждом узле допускалось шесть локальных

степеней свободы: перемещение по осям X, у, г и вращение вокруг осей х, у, г . 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. Граничное условие принимались следующим образом: жесткая заделка в узле соответствовала запрещению' всех степеней свободы, шарнирная опора - запрещению перемещения но осям, упругая опора -заданию в узле, расчетной схемы жесткости на перемещение по любой из локальных степеней свободы. Для образование единого ансамбля конечных обеспечивалось выполнение условия равновесия сил и неразрывности перемещений в узлах. При атом 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 положительного решения поставленной задачи

' - . ' . К-Х -Р, (2)

где X - вектор узловых перемещений; ¥ - вектор узловых нагрузок; К - матрица, взаимных жесткостей, которая устанавливает зависимость между узловыми перемещениями я 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 силы демпфирования. При этом считалось, что демпфирование происходит за счет сил вязкого трения, пропорциональных скорости узловых перемещений НХ/Ж, а силы инерции пропорциональны их ускорению сЙХМ*. Синтез этих положении позволил получить динамическую модель системы .

К)

M • (PX ! dt1 + D dX I dl + К • X = F(t,X), (3)

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

Размер массивов, входящих в (Ï) И (3) определялся суммарным числом степеней свободы ансамбля конечных элементов. При свободных колебаниях системы (F(t,X)~0) вектор перемёщениЙ fio степеням свободы расчетной схемы Является суйМой гармонических кояебашШ конструкции по ее собственным формам

X{t) = sin(«y + . (4)

i .

где Х- = а? - собствейные числа, (р( - соответствующая собственной частоте со,- собственная форма колебаний.

Расчет автоколебаний механической системы под действием электродинамических сил осуществлен путем разложений колебаний по собственным формам и последующего пйтеГрирсвйНИ'я. Поскольку для механической системы уравнен»;* метода конечных элементов являются уравнениями равновесия сил, приложенных к узлам расчетной схемы, то электродинамические енчы, являющиеся распределенной нагрузкой, приводились к узловым пагружзм. При расчете электродинамических сил учитывалось, что перпендикулярные участки не могут взаимодействовать, а поскольку все конечные элементы параллельны одной из осей координат, ".) задача сводилась к определению электродинамической силы, действующей между двумя параллельными проводниками конечной длины i- распределении ее по степеням спаооды когВДой проводника.

Силы электродинамического взяимо.'^гтйня между элементарным-участками npo!»<vtí?!rt<0n. параллельные оси х, определялись каг

и« dx. ■ dx., ■ sin а u„ ,

где I¡íj - среднее значение произведения тс*сой 1-ого и /-ого учлетков:

k¡f - значение геометрического коэффициента .

Интегрирование выражения для определения геометрического коэффициента по л, и по х/позиояпяо получить для него искомую

Va

+ (Лп - )2 + фо +(xJ2- хп)2 +

(б)

где г0 - расстояние между осями ;-огр и >ого участков; хц-коордцнаты начала и конца (-ого ртрезка по координатной оси, параллельно которой расположены участки; х^/, хд - координаты начала и

конца У-ого участка по той ж? Оси.

Составляющие результирующей силу и момента па координатным осям определились по

. ■ (7)

где сошт • направляющие ¡косинусы вектор« гй относительно т-ой

коорд^н^тиой ос)и.

Г|ри этом принималось что результирующие силы разделяются по узлам.токоа^н^'^^ноЬр элементу, а изгибающие моменты в узлах . определяли«* ро направлению проводника узловым

сщщ. Р глоб^ьн^ к«ц>рдйнг»т нагрузка щ (-Щ. проводник со

стороны ого пре^авл^ла^ь вектор, размер которого равен числу степеней свобода анезМбл* элеч£НТМ- Применяя принцип суперпозиции сил, резул^рукзщая НЙ^У^ка снуемы определялась суммированием векторов нагрузок от взаимодействия каждой пары проводников. В результате классическое выражение ащ расчета электродинамических сил (1) описывает исследуемую систему, но каждый его элемент становится более сложным но структуре. Геометрические коэффициенты н электродинамические силы при этом являются векторам и, размер которых равен числу степеней свободы ансамбля элементов.

В данной работе намеренно ставилась задача максимально упростить модель дуги, полагая, что в дальнейшем доя получения более точных результатов можно развивать модель электродинамических явлений в направлении, связанном с более точным описанием процессов в дуге ДСП. Поэтому при расчете электропечного коНтура токи я 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 н я&ляется 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 Р(Х) от X определяется зависимостями длин дуг оI .V - 1,{Х). Очевидно, что из всего вектора X на7,

влияют лишь координаты рабочего конца электрода ¡'-ой фазы. В модели эта зависимость отражена следующим образом

Л/ = КхАх + Ку&у + К,-А?, (8)

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

Таким образом, совокупность систем (!), (3), (8) составляет физико-математическую модель электромеханической системы ДСП с помощью которой можно определясь 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 колебании, исследовать влияние электродинамических колебаний на эксплуатационные характеристики электромеханической системы, определять динамические напряжения в элементах конструкции.

Четвертая глдра 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 об I,единения "Сибзлектротерм". 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.

I. Определены частоты и коэффициенты демпфирования свободных колебаний крайних электрододержат елей ДСП-100И6 и электрододержа-телей ДСЛ-0.3 при разных вылетах стойки и способах возбуждения этих колебаний. Ведущие частоты собственных колебаний электрододержателей ДСП-ЮОИб оказались в интервале 1+7 Гц, а ДСЛ-0.3 - 9? 12 Гц. Эти результаты пр в последующем использовались 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 R повороту ее в поясе направляющих роликов; зависимость угла поворота от величины прикладываемого момента для ДСП-100Й6 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' 10' Нм/рад. Для ДСЛ-0.3 жесткости Направляющих роликов при повороте в них стойки вокруг осей х, у, z оказались равными соответственно 5.3* 1G5 , 8.5-105 , 9.0-10s Нм/рад.

3. Экспериментально установлено наличие связи Между низкочастотной модуляцией токов печи и механическими колебаниями системы электрод-электрододержатеЛь. В частотной Представлении регистрограмм токов в диапазоне 0-10 Гц наибольший вес приходится на низшие частоты свободных колебаний механической системы, причем в крайних фазах превалирующей является Гармоника, генерируемая крутильными колебаниями стойки электрододержателя, а для средней фазы гармоники, связанные с изгибом стойки и электрода в плоскости электрододержателя.

4. Анализ Полученных регистрограмм: с синхронной записью токов и вертикальных перемещений стойки электрододержателя показал, что низкочастотная модуляция токов Не связана с САР ДСП. Показано, что это объясняется тем, что.основная частотная составляющая модуляции токов лежит в диапазоне 1.5-5.0 Гц, тогда как на обследованных печах ДСП-100И6 регулятор совместно с приводом Перемещения электрода реально отрабатывает возмущения в 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-100И6, в частности, ее электрододержатель. Расчетпо-модельная схема электрододержателя этой Электропечи представлена на рис.2. Эта схема имеет обобщенный характер: электрододержглсли других дуговых электропечей в принципе отличаются только частными решениями и геометрическими размерами.

Расположение конечных элементов 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 н минимума степеней свободы.

По результатам проведенных экспериментов жесткость упругой опоры на кручение вокруг оси характеризуется величиной 4.5* И)7 Пм. Жесткости других пружин были получены в ходе численного эксперимента путем итерационного подбора, критерием которого было совпадение собственных частот колебаний реальной конструкции с собственными частотами, рассчитанными по моделй- Численные эксперименты показали, что представление закрепления стойки з направляющих роликах упругими опорами приближает модель к реальному объекту. В работе доказано, что учет упругого закрепления 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. Эгот 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 н амплитуду колебаний торцй электрода дает нежесткое закрепление стойки в направляющих роликах. Это позволило сделать вывод о юм, что изменение конструктивного исполнения 'этого узла может привести к улучшению электродинамических свойств электромеханической системы ДСП Рекомендуемым конструктивным решением является подпружини-папие 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 электрододержателя, напротив, дают наименьший вклад в

РиС.2. Система электрод^ эяектродо'держатель 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 этом амплитуду колебаний торца электрода.

В шестой главе приведены результаты моделирования электромеханических колебаний ДСП. Электромеханические колебания йрй моделировании характеризовались глубиной модуляции тока А/, амплитудой колебаний торца электрода А*, Ау, или А2 и Частотой / Колебания в численных экспериментах вызывались заданием незначительного отклонения от положения равновесия, /Установлено, что при хпобом малом возмущении электромеханические колебания развиваются до некоторых предельных циклов с определенными для данного набора параметров амплитудой и частотой. Частота колебании близка к собственной частоте, характерной для колебаний в заданной направлении. Поскольку главные собственные частоты системы электрод-электрододер&атеяь лежат в области от ) до 7 Гц, то электрическая цепь нагружаете* низкочастотными составляющими тока.

Уровень электромеханических колебаний при прочих равных условиях определяйте» коэффициентом усиления дуги по напряжению д\]1дУ, который а линейном приближении зависимости напряжения на дуге от перемещения торца электрода, Использованном при моделировании, пропорционален градиенту потенциала Дугового промежутка. В дальнейшем употреблялось значение 31ШУ=р у- Для конкретной электропечи при заданном электрическом режиме градиент потенциала в течение плавки является Переменной величиной. Поэтому уровень электродинамических колебаний рассматривался в зависимости от этого параметра.

Согласно.литературным данным, максимальные значения напряженности дугового промежутке р достигают величины 2.0-2,5* 104 В/м.

На рис.3 приведена зависимость 1 А1(Рг$, полученная при следующих условиях численных экспериментов: изменение дайны дуги вследствие электромеханических колебаний Происходит в крайней фазе й направлении у; //=/2=/}=60кА. Электромеханические колебания были вызваны заданием незначительной амплитуды собственных колебаний системы электрод-электрододержатель относительно начального положения.

Приведенная зависимость показывает, что в некотором диапазоне положительных значений Рг электромеханические колебания системы электрод-электрододержатель практически отсутствуют. Однако в области Ру>1* 104В/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.

60

20

40

Л1 кА

Л1 кА 30 -

20

10

10 20 30 ру, кВ/М

10 20 30 Ру1 кВ/М

Рис.3. Параметры электромехани ческих колебаний при различных электрических режимах: 1 - /;-/2=/^=60КА;

2-//=/2=0=90 кА;

3-/;=36КА;?2=/^=60 КА;

4 • //=100 кА; ¡¿=¡3=60 кА; ■

Рис.4. Параметры электромеханических колебаний при различных значениях сопротивления вторичного токоподвода:

1 - Х1-Х3=3,7 мОм; ЛГ2=3,36 мОм;

2 - ЛГ;=Х?=3,24 мОм; ДГрЗ.О мОм;

3 - Х/=Л"з=2,7 мОм; Х2--=2.5 мОм;

Анализ зависимостей рис.3 позволил сделать вывод, что существуй! такое значение Рк, при котором любое малое возмущение приводит к ко лебапиям электромеханической системы вплоть до разрывов электрн ческой дуги. Это явление можно назвать электромеханической неустойчивостью, а соответствующее значение р - границей электромеханической неустойчивости. Таким образом, каждый электрический режим может быть охарактеризован значением Ру, при котором любое малое возмущение приводит к невозможности эксплуатации электропечи. На рис.3 приведены зависимости полученные в результате численных экспериментов при различных исходных режимах. Так, для режима 1 ¡=¡2-1^=60 кА та кои границей является величина Рг=4.5' 104В/м. При увеличении тока в фазах до 90 к А эта граница определяется величиной 2.7" 104В/м. Иа основании сравнения этих результатов сделан вывод о существовании рабочих режимов, для которых граница электромеханической неустойчивости лежит в области реальных значений р. Эго объясняет то, что на практике не ;дае1ся при расплавлении достичь устойчивой работы нечи на высших ступенях напряжения трансформатора и коротких дугах.

Численные эксперименты показали, что электромеханическая ас-уиончиносгь при горении дуги в плоскосш электрододержателя достигаемся при значениях рд-и рг на порядок больших, чем при горении дуги из плоскости электрододержателя. Значит наиболее опасным с точки зрения развития электромеханических колебаний являются горение душ крайней

и

450

300

150

В Рд ч -V \ Рд

У SN уО -2 \ Л \—2 V \

/ \\ А V

/ V

МВТ 18

12

6

20

40

60

ВО 1,,кА

U

450

300

150

МВТ

16

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 снижений реактивного сопротивления (рис.4), что и подтверждается на практике. Так граница электромеханической неустойчивости для сред-нефаэного индуктивного сопротивления 3.6 мОм равна 4.5-1Ö4 В/М, для 3.24 мОм -3.5-104В/м, для 2.63 мОм -2.5-104В/м.

Для оценки Последствий влияния электромеханических колебаний на электрические режимы работы ДСП построены электрические характеристики ДСП-ЮОИб 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 электрических величин, аналогичные среднеквадратичному отклонению случаГ ной величины. Показано, что средине значения напряжения и мощности на всей характеристике 1-ой фазы и в области "длинных дуг" 3-ей фазы превышают значения статических характеристик, а на характеристике 2-ой фазы и в области коротких дуг 3-ей фазы динамические

в Рд Рд

■ч ч -1 Л. 1 \ \

2/4 \Д \м Оч \

ч\\

20

40

60

80.

12,кА

МВТ

и

450

300

150

20 40 60 ВО 13, кА РиоЛ Электрические характеристики ДСП-ЮОИб 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 ФазаЗ

1. Среднее значение тока, кА 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 собсг-венных форм колебании системы электрод-электрододержатель. В диссер-шцни приведен анализ динамических напряжений при колебаниях системы электрод-электрододержатель в 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.

ВЫВОДЫ

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

2. Разработана 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 основе 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 электрододержателя в направляющих роликах, тогда как ранее этот элемент в исследованиях вообще не рассматривался и самым "слабым" фактором в системе электрод-электро-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 коэффициентом 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 > раницы электромеханической неустойчивости и максимального значения градиента потенциала в столбе дуги, различного для отдельных пернодог. плавки и вводимых удельных мощностей в ДСП, характеризует исследованные электромеханические свойства установки.

5. С помощью модели исследовано влияние электродинамических колебаний на электрические характеристики ДСП. Доказано, что электродинамические колебания вносят основной вклад в 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 оптимальноеш при одновременном учете последствий этого выбора.

6. Предложена методика проведения с помощью модели расчет он 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. научи, 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 / 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./ Новосибирек:Изд-во НГТУ, 1995.-