автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка рациональных энергетических режимов плавления лома и металлизованных окатышей в дуговых сталеплавильных печах

На правах рукописи

ОСТРИК ВЛАДИСЛАВ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПЛАВЛЕНИЯ ЛОМА И МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения и электротехники Тверского государственного технического университета.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Макаров Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Долбилин Евгений Валентинович кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Минеев Роберт Викторович

Ведущая организация

ОАО «ВНИИЭТО», г. Москва

Защита диссертации состоится « 4 » июня 2004 года в 1625 часов в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111 250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111 250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь Л

диссертационного совета Д 212.157.02 .'/

к.т.н., доцент

СА. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка методики определения угловых коэффициентов излучения дуг и рациональных энергетических режимов работы дуговых сталеплавильных печей (ДСП) актуальна в настоящее время в связи с необходимостью проведения энергосберегающих мероприятий в металлургии. Разработка компьютерной программы определения рациональной скорости подачи металлизованных окатышей позволит анализировать и прогнозировать расход электроэнергии в ДСП. Актуальность исследований подтверждена выделением гранта № 92 Гр-96 Министерства образования РФ на проведение фундаментальных исследований в области энергетики и электротехники, результаты исследования по теме которого вошли в диссертационную работу.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь, и сводов ДСП, рациональных режимов плавления лома и совместного плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

- проведены расчеты коэффициента полезного действия (КПД) дуг ДСП для плавления металлизованных окатышей, показывающие, что КПД дуг ихменяется от 0,94 при горении дуг в колодцах в шихте при плавлении лома до 0,5 при горении дуг на жидкометаллическую ванну к окончанию расплавления металлизованных окатышей;

- исследованы взаимные зависимости индуктивного сопротивления электропечной установки, дисперсии токов дуг, удельного расхода электроэнергии, времени плавки; предложен рациональный энерготехнологический режим плавления лома в ДСП, при котором индуктивное сопротивление электропечной установки (ЭПУ) увеличивается в два раза, дисперсия колебаний токов дуг снижается в два раза, удельный расход электроэнергии за плавку снижается на 3 - 5 %;

- получены аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, а также на поверхности водоохлаждаемых и футерованных сводов ДСП, которые совместно с имеющимися аналитическими выражениями для расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхность ванны металла позволяют рассчитывать рациональные режимы работы электрических дуг ДСП;

- произведен расчет скорости плавления лома и металлизованных окатышей, разработана компьютерная программа расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП, позволяющая вести плавку шихты с высоким КПД и снизить на 10 % удельный расход электроэнергии в ДСП.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований для отыскания функций для определения локальных угловых коэффициентов излучения электрических дуг использованы методы интегрального исчисления. Для расчета угловых коэффициентов излучения дуг, КПД дуг, а также для расчета скорости плавления шихты и определения рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП использовались методы математического моделирования на ЭВМ. При проведении экспериментальных исследований использованы методы статистического анализа.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения, выводы и рекомендации, представленные в диссертационной работе, аргументированы. Достоверность теоретических результатов подтверждена экспериментально на действующих дуговых сталеплавильных печах а также, практикой эксплуатации

дуговых сталеплавильных печей на ОАО «Тв хвО&сММУЛйМг

Г БИБЛИОТЕКА

СП«т< 09

„и, •:■»»

КА 1

и/А

Научная новизна.

1. Выявлено, что дисперсия токов в ДСП во время плавления лома зависит от индуктивного сопротивления электропечной установки: чем больше индуктивное сопротивление, тем меньше дисперсия токов электрических дуг.

2. Установлено, что увеличение индуктивного сопротивления в период расплавления металлолома в два раза влечет за собой уменьшение тока эксплуатационных коротких замыканий также в два раза, при этом мощность электрических потерь при эксплуатационных коротких замыканиях уменьшается в четыре раза и снижается расход электроэнергии на расплавление шихты.

3. Предложен рациональный энерготехнологический режим плавления лома в ДСП, при котором индуктивное сопротивление электропечной установки увеличивается в два раза, дисперсия колебаний токов снижается в два раза, удельный расход электроэнергии за плавку снижается на 3 — 5 %.

4. Предложено в схемах электроснабжения ДСП предусматривать установку регулируемого реактора, позволяющего увеличивать реактивное сопротивление электропечной установки в период расплавления металлолома, снижать дисперсию колебаний токов и удельный расход электроэнергии.

5. Разработана методика расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, и на поверхности сводов ДСП.

6. Получены аналитические выражения для расчета скорости плавления лома и металлизованных окатышей, разработана компьютерная программа расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность работы состоит в том, что проведенными исследованиями доказана необходимость увеличения индуктивного сопротивления электропечной установки в период расплавления лома; выведенные аналитические выражения для расчета угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, и на поверхности сводов ДСП используются для расчета рациональных режимов работы дуг; разработанная компьютерная программа определения скорости подачи металлизованных окатышей используется для расчета рациональных энерготехнологических режимов работы ДСП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции по электротехнологии ЭТ-97 (Чебоксары, 1997 г.); 7", 9°" Международных конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001, 2003 г); Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках» (Тверь, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2003 г), 5— Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматерйаловедение» (Москва, 2003 г.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 105 наименований. Текст диссертации изложен на 131 странице машинописного текста, содержит 23 рисунка и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено общей характеристике работы, описанию структуры диссертации. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи работы, показаны ее практическая ценность и научная новизна.

В первой главе рассмотрены результаты исследований, посвященных электрическим и тепловым режимам работы ДСП, разработке рациональной геометрии свободного пространства ДСП, рассмотрены особенности работы ДСП при работе на металлизованном сырье.

Исследования электрических и тепловых режимов ДСП проводились сначала XX века. В настоящее время существует развитая методика расчета электрических параметров ДСП, теория теплообмена излучением в ДСП разработана Макаровым А.Н. Выплавка стали из металлизованных окатышей является перспективным для получения высококачественных сталей, однако существует ряд препятствий, одним из которых является относительно высокая стоимость такой стали. Одним из путей уменьшения стоимости стали является уменьшение удельного расхода электроэнергии на тонну стали при сохранении производительности печи.

Во второй главе исследованы возможности снижения удельного расхода электроэнергии на тонну выплавленного металла за счет снижения тока дуги в период расплавления лома.

При проведении исследования было обработано более сорока паспортов плавок действующих ДСП. В таблице 2.1 приведен рекомендуемый (паспортный) энерготехнологический режим работы ДСП для плавления металлизованных окатышей. В таблицах 2.2, 2.3 приведены используемые энерготехнологический и электрический режимы работы ДСП.

Определяющее влияние на удельный расход электроэнергии за плавку оказывает коэффициент полезного действия дуг. КПД дуги определяется по выражению:

щ = Р„оп 0£Ра« + ^5Рд+<рДм{Рд-Рак -0,05Рд) (21)

где Рпо* ~ полезная мощность дуги, идущая на нагрев и расплавление металла и шлака; Р# - мощность дуги; Рт - мощность, выделяющаяся на анодном и катодном пятнах; <рд„ - угловой коэффициент излучения дуги на металл,, показывающий долю мощности, излучаемую столбом дуги на металл.

Проведенные расчеты показали, что т|д может изменяться в широких пределах от 0,94 при горении дуг в колодцах шихты. до 0,5 при горении незаглубленных дуг на жидкометаллическую ванну. Без учета тепла экзотермических реакций и среднем кпд дуг за плавку равном 0,94 удельный расход электроэнергии за плавку составит 405 кВтхч/т, при среднем кпд дуг равном 0,5 удельный расход электроэнергии за плавку составит 760 кВтх ч/т.

Очевидно, что печь ДСП-150 работает в данном диапазоне КПД дуг, а различие в минимальном и максимальном удельном расходе электроэнергии в 30% показывает, что с точки зрения организации рационального теплообмена в печи есть существенные резервы. Проанализируем влияние тока дуги на потребляемую печью активную мощность, удельный расход электроэнергии, время плавления для периода плавления лома, рис. 2.1-2.3.

Таблица 2.1 Рекомендуемый энерготехнологический режим работы печи

Период Длитель- Ступень Скорость Масса Расход Примечание

ность напряже- загрузки окаты- кисло-

операции, мил ния/ток, кА окатышей кг/мин шей, т рода, м3/час

Плавление 1 15/60 - - - До израсхо-

лома 2 18/60 дования 240 -300

(45-75 т) 12-17 5 22/60 (20/60) 18/60 кВтхч на тонну лома

Плавление 10 18/65 300-600 6 800- Тн= 1540 -

окатышей 1000 1580°С

10 20/65 1000-1500 20 800- Проба металла

17 (19/65) 20/65 1500-1900 55 1000 Т„=1570 -1610°С Т„=1600-1660°С

15 (19/65) 20/65 1500-2000 85 600-1800

6 (19/65) 20/65 1300-1700 95 600-1800 600-1800 Проба металла

5 (19/65) 14/65 600-1000 100

Доводка 7-10 15-25 8/65 П0/6Я 100 - Тм выпуска

Таблица 2.2 Используемый эиерготехнологический резким работы печи

Операция, период Длительность, Ступень Примечание

мин напряжения/ток, кА

Плавление лома 1-3 15/60 До израсходования 240-

18-24 23/60 300 кВтхч/т

Плавление 55-65 20/65

окатышей 3-6 14/65

• 5-15 10/65

Доводка 2-4 8/65, 6/65,3/65

Таблица 2.3 Электрический режим плавки

Период плавки Ступень Напряжение, В Ток, кА

Плавление лома 15 602 60

23 795 60

Доплавление лома, плавление 20 722 65

окатышей 14 578 65

10 482 65

Доводка 8 434 65

6 386 65

3 304 65

Рис. 2.1 Зависимость потребляемой активной мощности от тот дуги

Рис. 2.2 Зависимость удельного расхода электроэнергии от тока дуги

Рис. 2.3 Зависимость времени плавления от тока дуги

Как видно из рис. 2.1 - 2.3 с ростом тока дуги возрастает и потребляемая печью мощность, и удельный расход электроэнергии на плавление лома, а время плавления лома в диапазоне токов дуги от 40 до 60 кА изменяется незначительно. Это значит, что работая на среднем токе дуги, равном 50 кА, осуществим расплавление лома за то же время что при работе на среднем токе дуги равном 60 кА. Энерготехнологический режим рекомендует проводить плавление лома на токе 60 кА. Известно, что в жидкие периоды плавки стали увеличение тока при том же напряжении приводит к более быстрому нагреву металла, ванны. Однако, то, что приемлемо для жидких периодов плавки, не подходит для плавления лома. В жидкие периоды плавки увеличение тока приводит к заглублению дуги, увеличению ее мощности и КПД. Поэтому, работая в жидкие периоды плавки на максимальных рекомендуемых токах 65, 70 кА, добиваются максимального теплового эффекта и максимальной скорости плавления.

Плавление лома характеризуется значительной нестабильностью электрического режима работы печи. При плавлении лома дуга горит на холодную шихту, градиент напряжения в ней составляет 8-10 В/мм, ее длина 40-60 мм, иногда, при благоприятных условиях теплообмена, достигает 100-120 мм. Дуга перебрасывается с одного куска лома на другой, происходит обвалы шихты, короткие замыкания и обрывы дуги. Следует иметь ввиду, что чем больше напряжение на дуге, тем больше длина дуги и тем шире колодцы в шихте, тем реже будут происходит короткие замыкания дуги и обвалы шихты, поэтому работа на 23 ступени в период плавления лома всегда целесообразна.

Короткие замыкания и обрывы дуги приводят к значительной дисперсии колебаний тока дуги. Дисперсия тока характеризуется разностью действующего 1д и среднего 1дсР значения тока дуги:

2

(2.2)

1 о

где Г- период измерения тока дуги, секунд.

Дисперсия колебаний токов в относительных единицах определяется по выражению:

А

Д

(2.3)

'ШАХ

ток эксплуатационного короткого замыкания.

В табл. 2.4 - 2.6 приведены статистические характеристики ДСП-150 при плавлении лома на токах 60 и 45 кА.

Таблица 2.4 Статистические характеристики токов

Ток дуги 1„ Показатели

1сР,кА 1ср/1«,% 4% сГ[, кА стД.,%

60 кА 50,3 83,8 196,88 6,5 14,03 27,9

45 кА 49,6 110,2 85,6 2,8 9,25 20,6

Таблица 2.5 Статистические характеристики активной мощности

Ток дуги 1„ Показатели

Рср, МВт Бр, МВт" стр, МВт

60 кА 51 170,05 13,04

45 кА 54,86 77 8,77

Таблица 2.6 Статистические характеристики реактивной мощности

Ток дуги 1н Показатели

Qcd. MB Ар Dq, MBAp-1 оо, MBAp

60 кА 41,73 111,06 10,53

45 кА 40,72 116,92 10,81

При различных степенях пульсаций токов электрические характеристики дуговой сталеплавильной печи резко отличаются по технико-экономическим показателям. Анализ статистических характеристик показывает, что чем меньше дисперсия токов, тем лучше технико-экономические показатели работы печи.. Следовательно, в период плавления лома оптимизация режима работы печи должна проводиться по критерию минимума дисперсий колебаний тока. Минимальная пульсация тока в печи во время плавления лома достигается двумя путями: 1) путем поддержания тока дуги, обеспечивающего минимальную дисперсию колебаний тока без снижения производительности печи (данный ток необходимо определить); 2) оптимальной работой системы автоматического регулирования электродов, при которой обеспечивался бы минимум дисперсии. Как показывает обработка регистограмм активной и реактивной мощности, потребляемой печью, электропечной установки печи ДСП-150 с уменьшением тока дуги от 62 кА до 35 к А дисперсия тока дуги уменьшается. Как видно из рис. 2.1 - 2.3 удельный расход электроэнергии на плавление лома также с уменьшением тока дуги уменьшается, уменьшается и потребляемая печью активная мощность. В этом явлении сказывается существенное отличие в плавлении лома от периода плавления окатышей.

Известно, что увеличение тока ведет к увеличению потребляемой печью активной мощности, увеличению мощности дуги и, в конечном счете, к увеличению скорости плавления и нагрева металла, это постоянно подтверждается при горении дуг на жидкометаллическую ванну при плавлении окатышей. Однако, при плавлении лома на токах дуги 60-65 кА желаемый эффект ускорения расплавления лома, уменьшения времени плавления лома, снижения удельного расхода электроэнергии не достигается. Потребляемая при работе на токах 60-65 кА мощность и энергия расходуются не рационально. Значительное влияние на дисперсию тока дуги оказывает индуктивное сопротивление электрического контура электропечной установки. На рис. 2.4 приведена зависимость эксплуатационного реактивного сопротивления печи ДСП-150 от тока дуги.

Как видно из рис. 2.4 с уменьшением тока дуги с 62 кА до 35 кА эксплуатационное индуктивное сопротивление изменяется вследствие изменения геометрии гибкого токоподвода с 3,6 мОм до 8,4 мОм, то есть увеличивается приблизительно в 2 раза, что приводит к снижению токов короткого замыкания. Так при работе ДСП-150 на 23 ступени на токе дуги 65 кА, как показывают проведенные расчеты, ток эксплуатационного короткого замыкания достигает ПО кА, а при работе на токе 38 кА ток эксплуатационного короткого замыкания составляет 60 кА. Таким образом, уменьшение тока дуги в период плавления лома в 1,5-1,7 раза влечет за собой увеличение индуктивного сопротивления ЭПУ приблизительно в 2 раза и уменьшение тока эксплуатационных коротких замыканий также в 2 раза. При этом, мощность электрических потерь эксплуатационных коротких замыканиях уменьшается в 4 раза.

Как показали измерения на печи ДСП-150, результаты обработки паспортов нескольких десятков плавок, регистограмм электрических параметров плавок, а также результаты расчетов электрических и тепловых параметров плавок, период плавления лома в печи осуществляется нерационально. С целью определения рационального значения тока дуги, на который необходимо настроить систему автоматического регулирования положения электродов, были осуществлены расчеты электрических и тепловых параметров плавок лома в печи ДСП-150. Результаты расчета показали следующее.

На 15 ступени необходимо работать на токах дуги 35-40 кА до израсходования 16-18 кВтхч/т электроэнергии. Это обеспечивает сохранение свода и заглубление дуги в колодец в шихте. После израсходования 16-18 кВтхч/т электроэнергии необходимо переключиться на 23 ступень на ток дуги 45-50 кА, но не более 50-52 кА, и работать на 23 ступени со средним током 45-50 кА до удельного расхода электроэнергии 210-230 кВтхч/т. На печи ДСП-150 было проведено 20 плавок по новому энер-готсхнологическому режиму плавления лома: работа на 23 ступени на токе 50 кА до израсходования 210-230 кВтхч/т вместо существующего, далее по существующему энерготехно-логическому режиму. Показатели плавок при плавлении лома на токе 60 и 50 кА приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 Технико-экономические показатели плавок при плавлении лома на токе

60 кА и 50 кА

Показатели Удельный расход эл. энергии, кВтхч/т Расход энергии, кВтхч Длительность под током, мин

Плавление на токе 60 кА 584 87652 99

Плавление на токе 50 кА 568 85748 92

Как видно из данных таблицы 2.7 при работе ДСП-150 по новому энерготехнологическому режиму плавления лома удельный расход электроэнергии снизился на 2,8%, время под током уменьшилось на 7,6%.

Таким образом, результаты измерений на печах, проведенных последующих расчетов, результаты обработки регистрограмм электрических параметров плавок, паспортов плавок показали, что на печах ДСП-150 необходимо корректирование энерготехнологического режима, в частности энерготехнологического режима для периода плавления лома. Предложен следующий энерготехнологический режим работы печи ДСП-150 (таблица 2.8)

Таблица 2.8 Скорректированный режим работы печи ДСП-150

Операция, Длитель- Ступень Ток, кА Примечание

период ность, мин напряжения

Плавление 2 15 35-40 До израсходования 16-18 кВтхч/т

лома 18 23 45-50 До израсходования 210-230 кВтхч/т

Далее по существующему энерготехнологическому режиму

Анализ паспортов проведенных плавок показал, что наилучшие технико-экономические показатели плавок достигнуты при вводе энергии в печь при плавлении лома со скоростью 12 кВтхч/т в минуту. На таких плавках достигнут меньший расход энергии за плавку и меньший удельный расход энергии без увеличения времени нахождения печи под током. Скорости ввода электроэнергии в печь 12 кВтхч/т в минуту соответствует ток 38-40 кА на первой характеристике регулятора, очевидно данный ток является наиболее рациональным при плавлении лома и работе печи на 23 ступени трансформатора. Дальнейшее снижение тока нецелесообразно, так как будет затягиваться плавление лома и увеличится время нахождения печи под током.

В третьей главе приведена методика расчета теплообмена в плавильном пространстве ДСП и выведены аналитические выражения для определения угловых коэффициентов излучения электрических дуг на наклоненные внутрь поверхности и свод ДСП.

При вычислении распределения потока излучения дуги средние угловые коэффициенты излучения являются основными расчетными- величинами, которые показывают, какая доля мощности, излучаемой дугой, попадает на расчетную поверхность рабочего пространства печи. В настоящее время существует методика определения средних угловых коэффициентов от точечного источника излучения, а также методика определения локальных угловых коэффициентов излучения длинных дуг на элементарные площадки, расположенные на плоскостях, параллельных или перпендикулярных линейному источнику. Однако, в практике эксплуатации ДСП в большинстве случаев источник излучения и поверхность теплообмена расположены под произвольным углом.

На рис. 3.1 показано взаимное расположение источника излучения и поверхности теплообмена, наклоненной внутрь рабочего пространства печи.

Выделим на источнике излучения, представляющем из себя цилиндр бесконечно малого диаметра длиной 1ц, элемент сИц, т.е. цилиндр бесконечно малого диаметра и бесконечно малой высоты. Элементарный угловой коэффициент излучения с

поверхности элементарного цилиндра на поверхность элементарной площадки определяется по следующему выражению:

л 'л

где а/ - угол между нормалью N1 к оси элементарного цилиндра и направлением излучения; Р; - угол между нормалью N2 к центру элементарной площадки и направлением излучения; Рх - площадь поверхности элементарной площадки; -расстояние от элементарного цилиндра до элементарной площадки.

Рис. 3.1 ОпреОеление угювых коэффициентов излучения оуги на участки стен, наклоненные внутрь печи

Из рис. 3.1 следует, что угол Д изменяется в следующих пределах:

ИЛ И1 (3.2)

ZД2 = ¿<p+¿anUPa = Z0..^2,

Выразим углы В,/ и через а и <р: cos Д i = cos(a,! -<р)~ cos ал cos q>+sin a, j sin <p,

cos Д 2 = cos(a;2 + q>) = cos a,2 cos <p - sin al2 sin <p\ ■ (3 3)

cosa, = ^;dlcosa¡ = l,da. После подстановки (3.2) и (3.3) в (3.1) получим:

d(PlK =

_

nrh

(3.4)

cos ал (cos <p cos ал + sin <p sin aa )da{ +

cos or, 2 (cos cos or, 2 ~siapsmal2 ]da2

Проинтегрировав выражение (3.4) в пределах изменения угла а„ получим уравнение для • расчета локального углового коэффициента излучения дуги на элементарную площадку при нахождении ее на плоскости, наклоненной влево от вертикальной оси:

_ Fk

.. Fk

rf

(COS (p COS" Оц+ Sin <p sin aa COS flra

w

2*4

J (cos q> cos2 aj2 - sin p sin ai2 cosa¡^jda2 0

)S q^fix+~ sin 2Д j+sin <p sin2 /7, + cos^/?2 + ^-sin 2/?2j-sin^sin2 рг

= —y— £os tp\p+sin p cos(/?, - fa )]+ sin <p(sin2 px - sin 2 /?2 )} 2л- /7.

(3.5)

■ ff

Рис. 3.2. Определение угловых коэффициентов излучения дуги на участки стен,. наклоненные внутрь печи, и расположенные на уровне ванны метагпа

Из рис. 3.2 можно записать: Z/?j => сое Д =С05(р+а/)=

= сов^соза,- -бш^втог,

сИсова,

cosa, =-=>/;=-/i i

(3.6)

Подставим (3.6) в (3.1), после сокращения получим:

d<p,K = (cos <р eos2 a¡ -sin <р cos a, sin a¡¡)da к rtd

(3.7)

Проинтегрировав (3.7) в пределах изменения угла

3, получим:

(3.8)

2яЫд|

По выражению (3.8) можно определять локальные угловые коэффициенты излучения дуг на участки стен, наклоненные внутрь печи и расположенные на уровне ванны металла.

Поверхность свода ДСП также можно рассматривать как наклоненную вовнутрь поверхность, расположенную на определенной высоте. Выражение для расчета локального углового коэффициента излучения электрической дуги на элементарную площадку при нахождении ее на произвольной высоте на плоскости, наклоненной влево от вертикальной оси, получим аналогично предыдущим расчетам (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Определениеугловых коэффициентов излучения дуги научастки свода или участки стен, наклоненные внутрь печи и расположенные на произвольной высоте

(3.9)

Подставив (3.9) в (3.1) будем иметь:

Рк

¿Фи: - (С05а!<рсоеа1 ч-эшф%ша1 )с1а]

я2Нд

(3.10)

Проинтегрировав выражение (3.10) в пределах изменения получим:

2 л-V

■ {зов <р\р + %га.р соб(/?[ + Л )]+ял 2 Р\ ~ яп 2 Рг)}

Полученное выражение (3.11) можно использовать для расчета локальных угловых коэффициентов на наклоненные внутрь поверхности стен ДСП, расположенные на произвольной высоте, а также для определения потоков излучения электрической дуги на поверхность свода ДСП.

Средние угловые коэффициенты излучения электрической дуги на поверхность стен, наклоненных внутрь печи, определяются как сумма локальных угловых коэффициентов излучения дуги на элементарные участки, находящиеся на поверхности В:

<РдРЛ<Р1К, (3.12)

где п - число элементарных площадок на поверхности В.

Полученные аналитические выражения для расчета. угловых коэффициентов на поверхности стен, наклоненные внутрь печи, и на поверхность свода ДСП дополняют имеющиеся аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхность ванны металла и позволяют рассчитывать и выбирать рациональные энергетические режимы работы электрических дуг ДСП постоянного и переменного тока.

Произведен расчет локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг для исследуемой печи ДСП-150 ОЭМК, результаты расчета средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности рабочего пространства ДСП-150 представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Средние угловые коэффициенты излучения дуг ДСП-150 в различные ___периоды плавки_

Период плавки <Рсв Фет ФМЕТ

Окончание плавления лома 0,156 0,177 0,667

После подачи 'Л массы окатышей 0,163 0,244 0,593

Окончание подачи окатышей . 0,168 0,303 0,529

Как видно из таблицы 3.1, в период расплавления лома наибольшая часть излучения электрических дуг приходится на ванну металла, затем после начала подачи металлизованных окатышей лом, остававшийся на откосах печи начинает плавиться и все большая часть излучения дуги приходиться на стены и свод печи. Следовательно, необходимо проводить плавку таким образом, чтобы лом на откосах расплавился только к моменту окончания подачи окатышей, что позволит повысить КПД дуги в период плавления окатышей и снизить общий и удельный расход электроэнергии за плавку.

В четвертой главе произведен расчет скорости плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП и предложена методика выбора скорости подачи металлизованных окатышей на основе разработанной компьютерной программы.

Для расчета рациональных режимов работы ДСП, времени начала подачи окатышей и скорости их подачи необходимо определить скорость плавления лома и окатышей. В электрической дуге в ДСП в каждый момент времени выделяется энергия, пропорциональная мощности дуги Рц. Часть этой энергии расходуется на нагревание свода и стен печи, часть поглощается в процессе передачи излучения. Полезная мощность которая непосредственно расходуется на нагревание и плавление

металла, определяется средним КПД дуги. Чтобы, нагреть и расплавить 1 кг металла необходимо затратить количество энергии, равное энтальпии расплавления металла. Путем сравнения величины энергии, выделившейся на дуге, и энергии, необходимой для нагрева и расплавления металла, можно определить скорость плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП, а также сделать вывод о том, насколько рационален энергетический режим работы ДСП.

Расчет скорости плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП производится следующим образом.

Рассчитаем количество энергии Qt необходимое для расплавления лома:

е-а+е2=<уил;

где Q] - количество теплоты, необходимое для нагревания лома до температуры плавления; - количество теплоты, необходимое для расплавления лома; см — энтальпия металла; тл - масса лома.

Энтальпия металла определяется по выражению:

где с. - удельная теплоемкость, нагревания металла; АТ - разность конечной и начальной температуры металла ; А - скрытая теплота плавления металла.

Количество полезной мощности, идущей на расплавление металла Рпол, определим следующим образом для каждого момента времени:

РпоЛ = ПРд\ (4.3)

где т| - средний КПД дуги; Рд - активная мощность дуг.

Определим время I, за которое в дуге выделится энергия, достаточная для расплавления всего лома:

Количество нерасплавленного металла тм в каждый момент времени определяется по следующей формуле:

— = тя-Упя^, (4,5)

См

где ¡1 - время от начала до /-того текущего значения времени плавления лома; Уы -скорость плавления лома:

По формулам (4.1 - 4.6) можно определить скорость плавления металла, время расплавления всего лома, а также количество расплавившегося лома в каждый момент времени.

Расчет скорости плавления окатышей производится аналогично расчету скорости плавления лома. В зависимости от скорости подачи окатышей Уо рассчитываем массу окатышей, подаваемых в ДСП за единицу времени:

т0=У0 г. (4-7)

Рассчитываем количество энергии, необходимое для нагрева и расплавления всей массы поданных окатышей:

О0=смт0: (4-8)

По формулам (4.1 - 4.8) можно рассчитать скорость плавления лома до подачи окатышей, а также сделать вывод о том, насколько рациональна скорость подачи окатышей в печь.

Чтобы рассчитать показатели всей плавки, необходимо произвести расчет для каждого момента времени с учетом увеличения скорости подачи окатышей. Подачу окатышей начинают со скорости 300 - 500 кг/мин и постепенно увеличивают до максимальных значений. Максимально возможная скорость подачи окатышей ограничена скоростью плавления, т. е. мощностью теплового излучения дуги. Если скорость будет превышать максимальное значение, то окатыши будут скапливаться в

плавильном пространстве печи, что приведет к увеличению количества коротких замыканий и дисперсии тока. Если скорость будет максимальной все время, то вся энергия дуги будет расходоваться на нагрев и плавление окатышей, а оставшийся лом так и останется нерасплавленным к окончанию подачи окатышей.

В этом случае придется затратить дополнительное время и мощность на расплавление лома, причем в это время дуги будут открыты, и большая часть излучения будет попадать на стены и свод печи. Если скорость будет оставаться слишком низкой, лом полностью расплавится, и дуги будут излучать на стены и свод печи, средний КПД дуг составит 0,55-0,6. Осуществлен расчет рациональной скорости подачи металлизованных окатышей, обеспечивающий высокий средний КПД дуг, равный 0,7 -0,75, на протяжении всей плавки, и одновременное расплавление лома и окатышей. Результаты расчета изменения скорости подачи окатышей в зависимости от удельного расхода электроэнергии представлены на рис. 4.2.

Из рис. 4.2 видно, что при удельном расходе электроэнергии 300 кВтхч/т скорость подачи окатышей в зависимости от их теплофизических свойств можно изменять от 400 до 750 кг/мин, а при удельном расходе 450 кВтхч/т скорость можно изменять от 1650 до 2050 кг/мин. Рациональной будет такая скорость плавления, при которой за время подачи окатышей расплавится весь лом. Определение рациональной скорости подачи окатышей произведем следующим образом. По заданной скорости подачи окатышей определяем время, необходимое для подачи всех окатышей. Определяем, какая часть энергии дуги будет расходоваться на расплавление окатышей, а какая - на расплавление

лома. Делаем вывод: весь ли лом расплавиться за время подачи окатышей. Если лом расплавится не весь, то скорость необходимо увеличить, если лом расплавиться гораздо быстрее, чем закончиться подача окатышей, скорость необходимо уменьшить. После изменения скорости подачи окатышей повторяем расчет до тех пор, пока рациональная скорость не будет найдена.

Расчет рациональной скорости подачи окатышей удобно производить с помощью ЭВМ. При этом достигается высокая точность расчетов, можно установить произвольный шаг изменения скорости подачи окатышей, отследить удельный расход электрической энергии на тонну выплавленного металла в зависимости от скорости подачи окатышей. Для определения рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП, а также для расчета режимов работы ДСП в зависимости от времени начала подачи окатышей и скорости их подачи автором с помощью языка Borland Pascal 7.0 была разработана компьютерная программа. Примеры расчетов скорости плавления шихты и металлизованных окатышей с помощью разработанной программы приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Примеры расчетов скорости плавления шихты и металпизованных

окатышей

№ Масса, т к, % Общее Удельный Скорость, кг/мин

п/п шихты окаты- время расход эл. началь- конеч-

шей плавки, мин энергии, кВтхч/т ная ная

1. 50 100 20 80 510 300 1500

2. 50 100 20 85 520 500 1900

3. 50 100 30 80 515 300 1600

4. 50 100 30 85 530 600 2000

5. 50 100 40 87 520 300 1700

6. 50 100 40 86 540 600 2000

Примечание: к - коэффициент, показывающий, сколько процентов лома расплавлено ко времени начала подачи окатышей.

Разработанная программа предназначена для использования ЭВМ при управлении процессом плавки металлолома и металлизованных окатышей в ДСП. С интервалом в одну минуту компьютер рассчитывает полезную мощность дуг, массу нерасплавленного лома, скорость плавления лома и рациональную скорость подачи и расплавления окатышей в ДСП. Рассчитанное значение рациональной скорости подачи окатышей отображается на мониторе на рабочем месте сталевара и служит рекомендацией к увеличению или уменьшению скорости подачи окатышей. Через минуту процесс расчета повторяется и, так как масса нерасплавленного лома за минуту стала меньше, то в результате расчета компьютер выдает на монитор следующее значение скорости подачи окатышей. Аналогичным образом программа работает до расплавления всей массы окатышей, обеспечивая высокий средний КПД дуг равный 0,7 - 0,75, снижение среднего удельного расхода электроэнергии с 575 до 520 кВтхч/т, времени плавки с 92 до 82 минут. Разработанная компьютерная программа для расчета скорости плавления шихты и скорости подачи металлизованных окатышей используется для расчета рациональных энергетических режимов работы ДСП. Применение разработанной программы позволяет определить рациональную скорость плавления лома и скорость подачи металлизованных охатышей, при которых обеспечиваются высокий КПД дуг на

протяжении всей плавки шихты, снижение времени плавления металла и удельного расхода электроэнергии на 10 %.

Заключение. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные выводы и результаты.

1. Расчетами - установлено, что КПД дуг ДСП для плавления металлизованных окатышей изменяется от 0,94 при горении дуг в колодцах в шихте при плавлении лома до 0,5 при горении дуг на жидкометаллическую ванну к окончанию расплавления металлизованных окатышей.

2. Проведенный расчет статистических характеристик ДСП для плавления металлизованных окатышей показал, что чем меньше дисперсия токов дуг во время плавления лома, тем меньше удельный расход электроэнергии.

3. Исследованиями установлено, что дисперсия токов ДСП во время плавления лома зависит от индуктивного сопротивления ЭПУ: чем больше индуктивное сопротивление, тем меньше дисперсия токов электрических дуг.

4. Проведенными расчетами и экспериментами установлено, что увеличение индуктивного сопротивления ЭПУ в период расплавления металлолома в два раза влечет за собой уменьшение тока эксплуатационных коротких замыканий также в два раза, при этом мощность электрических потерь при эксплуатационных коротких замыканиях уменьшается в четыре раза и снижается расход электроэнергии на расплавление шихты.

5. Предложен рациональный энерготехнологический режим плавления лома в ДСП, при котором индуктивное сопротивление ЭПУ увеличивается в два раза, дисперсия колебаний токов дуг снижается в два раза, удельный расход электроэнергии за плавку снижается на 3 - 5 %.

6. Предложено в схемах электроснабжения ДСП предусматривать установку регулируемого реактора, позволяющего увеличивать реактивное сопротивление ЭПУ в период расплавления металлолома, снижать дисперсию колебаний токов дуг и удельный расход электроэнергии.

7. На основании теоретических исследований получены аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, а также на поверхности водоохлаждаемых и футерованных сводов ДСП.

8. Выведенные аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен и сводов ДСП совместно с имеющимися аналитическими выражениями для расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхность ванны металла позволяют рассчитывать рациональные режимы работы ДСП.

9. Получены аналитические выражения для расчета скорости плавления лома и металлизованных окатышей, разработана компьютерная программа расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП, позволяющая вести плавку шихты с высоким КПД.

10. Разработанная компьютерная программа, для расчета рациональных энергетических режимов работы ДСП для плавления металлизованных скатышей и расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей позволяет снизить на 10 % удельный расход электроэнергии в ДСП.

• Основные результаты диссертации опубликованы вследую

1; Макаров А.Н., Макаров Р.А., Острик В.В. Математическая модель для расчета угловых коэффициентов излучения дуг сталеплавильных печей // Электротехнология: сегодня и завтра: Тез. докл. всеросс. научн. конф. ЭТ-97. Чебоксары, ЧГУ. 1997. - С. 5556.

2. Энергосбережение при выплавке стали в машиностроительном и металлургическом производствах. Макаров А.Н., Макаров Р.А., Острик В.В. и др. // Энергосбережение в промышленности: Сб. тр. Тверь, ТГТУ. 1999. - С. 4-7.

3. Макаров А.Н., Острик В.В., Серраж Абделькирим. Способы повышения эффективности плавки стали в дуговых сталеплавильных печах для плавки окатышей // Радиоэлектроника, электротехника' и энергетика: Тезисы 9— международной конференции студентов и аспирантов. М., Издательство МЭИ. 2003. Т 2. - С. 136-137.

4. Острик В.В. Оптимизация режимов работы дуговых сталеплавильных печей для плавления металлизованных окатышей // Современные проблемы металлургического производства: Сб. трудов. Волгоград, РПК «Политехник». 2002. - С. 114-116.

5. Острик В.В., Макаров А.Н. Возможности снижения потребления электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ №5. Екатеринбург, УГТУ. 2003. - С. 293-296.

щМрабХЛ ^ в

Подписано в печать^. № С Ьак. 151 TapJOO Пл. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Введение

Глава 1. Электрические и тепловые режимы ДСП для 11 плавления металлизованных окатышей

1.1. Электрические и тепловые режимы дуговых 11 сталеплавильных печей

1.2. Геометрия свободного пространства ДСП

1.3. Особенности выплавки стали в ДСП для 22 плавления металлизованных окатышей

Глава 2. Разработка рациональных энергетических режимов плавления лома в дуговых сталеплавильных печах

2.1. Исследование энергетических режимов 38 действующих ДСП для плавления окатышей

2.2. Исследование и расчет электрических 53 характеристик печей ДСП-150 для плавления окатышей

2.3. Влияние индуктивного сопротивления 64 электропечной установки на статистические и технико-экономические показатели ДСП

2.4. Определение рационального теплообмена в ДСП- 70 150 в период плавления лома

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Определение угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности свода и наклонные поверхности стен ДСП

3.1. Угловые коэффициенты излучения электрических 89 дуг

3.2. Определение угловых коэффициентов излучения 93 электрических дуг на наклоненные внутрь поверхности ДСП

3.3. Определение угловых коэффициентов излучения 97 электрических дуг на поверхность свода ДСП

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Разработка рациональных режимов 103 плавления металлизованных окатышей в дуговых сталеплавильных печах

4.1. Расчет скорости плавления шихты и окатышей в 103 ДСП

4.2. Рационализация скорости подачи 107 металлизованных окатышей

4.3. Разработка программного обеспечения для 112 расчета скорости плавки стали в ДСП и скорости подачи окатышей

4.4. Выводы по главе

В настоящее время выплавка стали в дуговых сталеплавильных печах играет доминирующую роль в мировом производстве стали. В большинстве стран Европейского союза все мартеновские печи заменены на дуговые еще в 80-х годах двадцатого века. Доля стали, выплавленной в дуговых сталеплавильных печах (ДСП), приближается к 40% от общего уровня производства стали [1, 2]. При сравнении технико-экономических показателей металлургических предприятий, производящих сталь в мартеновских печах, и электрометаллургических предприятий оказывается, что удельная стоимость выплавки стали в ДСП намного ниже. Качество стали, выплавленной в ДСП, гораздо выше мартеновской, а использование металлизованных окатышей позволяет получить в ДСП сталь самого высокого качества при небольших удельных затратах. Тем не менее, остаются резервы по снижению себестоимости электростали за счет оптимизации электрических и тепловых режимов работы ДСП [3-6].

Плавление стали в дуговых сталеплавильных печах идет за счет тепла, выделяющегося в электрических дугах, при сгорании топлива топливно-кислородных горелок (ТГК), тепловой энергии экзотермических реакций [7—9]. Электрические и тепловые режимы ДСП неразрывно связаны. Электрические режимы работы ДСП достаточно хорошо изучены, что объясняется простотой контроля электрических параметров и хорошо разработанной теоретической базой по определению различных электрических величин. Определению тепловых параметров ДСП посвящены многие работы ученых, однако до сих пор не существует совершенных приборов контроля тепловых параметров в период плавки стали [10-12]. В данной диссертационной работе для расчета тепловых параметров работы ДСП использованы методы расчета, предложенные А.Н. Макаровым и А.Д. Свенчанским [1318].

Проведенный анализ истории развития ДСП показал отсутствие к началу выполнения диссертационной работы:

1) исследований по влиянию индуктивного сопротивления электропечной установки (ЭПУ) на дисперсию токов и удельный расход электроэнергии на плавление лома в ДСП;

2) аналитических исследований по выводу выражений для расчета угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, и поверхности сводов печей, которые необходимы для расчета рациональных режимов работы электрических дуговых печей;

3) аналитических выражений для расчета скорости плавления лома и скорости совместного плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП;

4) компьютерной программы для расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей и рациональных энерготехнологических режимов совместного плавления лома и металлизованных окатышей.

Проведение данных исследований и разработка рекомендаций, полученных в результате проведенных исследований, актуально, т.к. позволяет снизить расход электроэнергии и время плавки в ДСП.

Актуальность исследований подтверждена выделением гранта № 92 Гр-96 Министерства образования РФ на проведение фундаментальных исследований в области энергетики и электротехники, результаты исследования по теме которого вошли в диссертационную работу.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь, и сводов ДСП, рациональных режимов плавления лома и совместного плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

- проведены расчеты коэффициента полезного действия (КПД) дуг ДСП для плавления металлизованных окатышей, показывающие, что КПД дуг изменяется от 0,94 при горении дуг в колодцах в шихте при плавлении лома до 0,5 при горении дуг на жидкометаллическую ванну к окончанию расплавления металлизованных окатышей;

- исследованы взаимные зависимости индуктивного сопротивления электропечной установки, дисперсии токов дуг, удельного расхода электроэнергии, времени плавки; предложен рациональный энерготехнологический режим плавления лома в ДСП, при котором индуктивное сопротивление ЭПУ увеличивается в два раза, дисперсия колебаний токов дуг снижается в два раза, удельный расход электроэнергии за плавку снижается на 3 - 5 %;

- получены аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, а также на поверхности водоохлаждаемых и футерованных сводов ДСП, которые совместно с имеющимися аналитическими выражениями для расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхность ванны металла позволяют рассчитывать рациональные режимы работы электрических дуг ДСП;

- произведен расчет скорости плавления лома и металлизованных окатышей, разработана компьютерная программа расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП, позволяющая вести плавку шихты с высоким КПД и снизить на 10 % удельный расход электроэнергии в ДСП.

При проведении теоретических исследований для отыскания функций для определения локальных угловых коэффициентов излучения электрических дуг использованы методы интегрального исчисления. Для расчета угловых коэффициентов излучения дуг, КПД дуг, а также для расчета скорости плавления шихты и определения рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП использовались методы математического моделирования на ЭВМ. При проведении экспериментальных исследований использованы методы статистического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выявлено, что дисперсия токов дуг ДСП во время плавления лома зависит от индуктивного сопротивления ЭПУ: чем больше индуктивное сопротивление, тем меньше дисперсия токов электрических дуг;

- установлено, что увеличение индуктивного сопротивления в период расплавления металлолома в два раза влечет за собой уменьшение тока эксплуатационных коротких замыканий также в два раза, при этом мощность электрических потерь при эксплуатационных коротких замыканиях уменьшается в четыре раза и снижается расход электроэнергии на расплавление шихты;

- предложен рациональный энерготехнологический режим плавления лома в ДСП, при котором индуктивное сопротивление ЭПУ увеличивается в два раза, дисперсия колебаний токов дуг снижается в два раза, удельный расход электроэнергии за плавку снижается на 3 - 5 %; •

- предложено в схемах электроснабжения ДСП предусматривать установку регулируемого реактора, позволяющего увеличивать реактивное сопротивление ЭПУ в период расплавления металлолома, снижать дисперсию колебаний токов дуг и удельный расход электроэнергии;

- разработана методика расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, и на поверхности сводов ДСП;

- получены аналитические выражения для расчета скорости плавления лома и металлизованных окатышей;

- разработана компьютерная программа расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенными исследованиями доказана необходимость увеличения индуктивного сопротивления ЭПУ в период расплавления лома; выведенные аналитические выражения для расчета угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, и на поверхности сводов ДСП используются для расчета рациональных режимов работы дуг; разработанная компьютерная программа определения скорости подачи металлизованных окатышей используется для расчета рациональных энерготехнологических режимов работы ДСП.

Разработанные рациональные энерготехнологические режимы работы ДСП используются на действующих ДСП ОАО «Тверьтехоснастка». Ожидаемый экономический эффект от внедрения диссертационной работы составит 150 - 200 тыс. рублей в год.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции по электротехнологии ЭТ-97 (Чебоксары, 1997 г.); 7—, 9~ Международных конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001, 2003 г); Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в факельных печах и топках» (Тверь, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2003 г).

По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Диссертационная работа изложена на 131 странице машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 105 наименований.

4.4 Выводы по главе 4

1. Получены аналитические выражения для расчета скорости плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП.

2. Разработана компьютерная программа . для расчета рациональной скорости совместного плавления лома и металлизованных окатышей в ДСП.

3. Разработанная компьютерная программа позволяет определить рациональную скорость плавления лома и скорость подачи металлизованных окатышей, при которых обеспечиваются высокий КПД дуг на протяжении всей плавки шихты, снижение времени плавления металла и удельного расхода электроэнергии на 10 % в дуговых сталеплавильных печах.

Заключение

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований энергетических режимов ДСП для плавления металлизованных окатышей получены следующие основные выводы и результаты.

1. Расчетами установлено, что КПД дуг ДСП для плавления металлизованных окатышей изменяется от 0,94 при горении дуг в колодцах в шихте при плавлении лома до 0,5 при горении дуг на жидкометаллическую • ванну к окончанию расплавления металлизованных окатышей.

2. Проведенный расчет статистических характеристик ДСП для плавления металлизованных окатышей показал, что чем меньше дисперсия токов дуг во время плавления лома, тем меньше удельный расход электроэнергии.

3. Исследованиями установлено, что дисперсия токов ДСП во время плавления лома зависит от индуктивного сопротивления ЭПУ: чем больше индуктивное сопротивление, тем меньше дисперсия токов электрических дуг.

4. Проведенными расчетами и экспериментами установлено, что увеличение индуктивного сопротивления ЭПУ в период расплавления металлолома в два раза влечет за собой уменьшение тока эксплуатационных коротких замыканий также в два раза, при этом мощность электрических потерь при эксплуатационных коротких замыканиях уменьшается в четыре раза и снижается расход электроэнергии на расплавление шихты.

5. Предложен рациональный энерготехнологический режим плавления лома в ДСП, при котором индуктивное сопротивление ЭПУ увеличивается в два раза, дисперсия колебаний токов дуг снижается в два раза, удельный расход электроэнергии за плавку снижается на 3 — 5 %.

6. Предложено в схемах электроснабжения ДСП предусматривать установку регулируемого реактора, позволяющего увеличивать реактивное сопротивление ЭПУ в период расплавления металлолома, снижать дисперсию колебаний токов дуг и удельный расход электроэнергии.

7. На основании теоретических исследований получены аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, а также на поверхности водоохлаждаемых и футерованных сводов ДСП.

8. Выведенные аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен и сводов ДСП совместно с имеющимися аналитическими выражениями для расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхность ванны металла позволяют рассчитывать рациональные режимы работы электрических дуг ДСП.

9. Получены аналитические выражения для расчета скорости плавления лома и металлизованных окатышей, разработана компьютерная программа расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей в ДСП, позволяющая вести плавку шихты с высоким КПД.

10. Разработанная компьютерная программа для расчета рациональных энергетических режимов работы ДСП для плавки металлизованных окатышей и расчета рациональной скорости подачи металлизованных окатышей позволяет снизить на 10 % удельный расход электроэнергии в ДСП.

1. Лопухов Г.А. Эволюция электросталеплавильного производства к 2010 году // Электрометаллургия. 2002 №5.- С. 2-3.

2. Шевцов М.А., Бородачев А.С. Развитие электротермической техники. М., Энергоатомиздат, 1983. 208 с.

3. Макаров B.C., Макаров А.Н. Дуговые печи. М., МЭИ, 1991. 91 с.

4. Schwabe W.E., Robinson С.С. Development of large steel furnaces from 100 to 400 ton capacity // 7 congress of International Union for electroheat / Warsaw, 1972. P. 126 - 142.

5. Klein K-H., Paul G. Upgrading of management philosophy, equipment and operation at Badische Staplwerke AG // Iron and steelmaker. 1987 №1. P. 35-40.

6. Schwabe W.E. Electrical and thermal factor in UHP arc furnaces design operation // 9 International congress UIE Cannes, October 1980.- P. 4-11.

7. Свенчанский А.Д., Смелянский М.Я. Электрические промышленные печи. Часть 2. Дуговые печи. М., Энергия, 1970. 264 с.

8. Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. М., Металлургия, 1990. 176 с.

9. Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи. М., Металлургия, 1974. 303 с.

10. Поскачей А.А., Свенчанский А.Д. Пирометры излучения в установках нагрева. М., Энергия, 1978. 95 с.

11. Zanelly S., Corsi R., Rieri Y. On the calculation of spatial temperature and radiative transfer in industrial watertube boiler // Heat transfer in flames. Washington, Scripta book company. 1973. P. 18-24.

12. Howell Y.R., Permutter M. Monte Carlo solution of thermal transfer through radiant media between gray walls // Yourn. Heat transfer. 1964. P. 116-122.

13. Макаров А.Н. Аналитические и экспериментальные исследования теплообмена и электрических режимов дуговых сталеплавильных печей // Электрометаллургия, 2002 №5. С. 38-45.

14. Макаров А.Н. Теплообмен в дуговых сталеплавильных печах. Тверь, ТГТУ, 1998. 184 с.

15. Макаров А.Н., Свенчанский А.Д. Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей. М., Эйергоатомиздат, 1992. 96 с.

16. Макаров А.Н., ' Свенчанский А.Д. Расчет отраженной составляющей облученности футеровки от дуг в дуговых сталеплавильных печах. // Электротермия, 1983 вып. 5. С. 1-2.

17. Свенчанский А.Д., Макаров А.Н. Определение тепловых потоков дуг в сталеплавильных печах. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1982 вып. 6. С. 6-8.

18. Макаров А.Н. Теплообмен в электродуговых и факельных печах и топках паровых котлов. Тверь, ТГТУ, 2003. 348 с.

19. Ефроймович Ю.Е. Инженерные методы расчёта дуговых печей с учётом нелинейности, вносимой дуговым разрядом. // Электричество, 1948 № 12.- С. 43-55.

20. Ефроймович Ю.Е. Расчёт электрического режима дуговых сталеплавильных печей с учётом выпрямляющего действия дуги. // Электричество, 1953 № 1. С. 42-43.

21. Ефроймович Ю.Е. Электрические режимы дуговых сталеплавильных печей. М., Металлургиздат, 1956. 230 с.

22. Тельный С.И. Автоматическое регулирование трёхфазных дуговых печей. // Электричество, 1946 № 5. С. 53-61.

23. Тельный С.И. К теории трёхфазной дуговой печи с непроводящей подиной. // Электричество, 1948 № 12. С. 38-42.

24. Тельный С.И. Регулирование электрического режима работы дуговой электрической печи на основании круговых диаграмм и теории вольтовой дуги. Изв. ОТН АН СССР, 1945 № 6. С. 531-544.

25. Соколов А.Н. Рациональные режимы работы дуговых сталеплавильных печей. М., Металлургиздат, 1960. 450 с.

26. Марков H.A. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок. М., Энергия, 1975. 208 с.

27. Марков H.A., Баранник О.В. Эксплуатационный контроль электрических параметров дуговых электропечей. М., Энергия, 1973. 102 с.

28. Данцис Я.Б. Методы электротехнических расчётов руднотермических печей. М., Энергия, 1973. 184 с.

29. Макаров А.Н. Исследование несимметричных электрических и тепловых режимов мощных дуговых сталеплавильных печей: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1982.

30. Трейвас В.Г. Метод расчёта рациональных электрических режимов. // Электричество, 1977 № 10. С. 44-49.

31. Никольский J1.E. Пространственное распределение мощности излучения дуг и рациональные размеры свободного пространства дуговых сталеплавильных печей. Дисс. на соис. ученой степени канд. техн. наук. М., МИСиС, 1958.

32. Никольский JI.E., Смоляренко В.Д. Кузнецов JI.H. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. М., Металлургия, 1981. 319 с.

33. Окороков Н.В., Никольский JI.E. Исследование распределения излучения однофазной и трёхфазных дуг на моделях цилиндрической сталеплавильной печи. // Изв. вузов СССР. Черная металлургия, 1958 №12. С. 21-34.

34. Кузнецов Л.Н., Однопозов Л.Б., Никольский JI.E. Моделирование радиационного теплообмена в рабочем пространстве дуговых сталеплавильных печей. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1971 вып. 3. С. 14-17.

35. Влияние электрических и геометрических параметров дуговых сталеплавильных печей на облученность футеровки стен и сводов. Королёв В.В., Смоляренко В.Д., Зинуров И.Ю., и др. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1977 вып. 3. С. 8-11.

36. Шорин С.Н. Теплопередача. М., Высшая школа, 1964. 490 с.

37. Глинков M.А., Пискунов A.A. Световое моделирование лучистого теплообмена в промышленных печах. // Изв. вузов СССР. Черная металлургия, 1958 № 2. С. 65-76.

38. Сосонкин О.М., Некоторые вопросы тепловой работы электродуговой печи с водоохлаждаемыми элементами кладки. -Дисс. на соис. учёной степени канд. техн. наук. М., МВМИ, 1969.

39. Однопозов Л.Б. Определение средних коэффициентов облученности для расчёта теплообмена излучением в электрических печах сопротивления. Дисс. на соиск. учёной степени канд. техн. наук. М., МИСиС, 1970.

40. Однопозов Л.Б. Вопросы моделирования тепловых процессов в электрических печах. М., Стандартэлектро, 1966. 50 с.

41. Аметистов Е.В. Основы теории теплообмена: Уч. пособие. М., Из-во МЭИ, 2000. 247 с.

42. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: справочник. М., Энергоатомиздат, 1991. 432 с.

43. Теплотехнические расчеты металлургических печей / Под ред. A.C. Телегина. М., Металлургия, 1993. 368 с.

44. Теплотехнические расчеты при автоматизированном проектировании нагревательных и термических печей: справочник / Под ред. Усачева А.Б. М., Черметинформация, 1999. 185 с.

45. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы: справочник / Под ред. Клименко A.B., Зорина В.М. М., Изд-во МЭИ, 2000. 528 с.

46. Цветков Ф.Ф., Салохин В.И. Теплообмен излучением. М., МЭИ, 1997. 64 с.

47. Палий Г.М. Функции распределения тепловых потоков, падающих от дуг и некоторые вопросы тепловой работы дуговой электросталеплавильной печи. // В сб.: Производство стали и стального литья. МВМИ, 1971 вып. 10. С. 66-85.

48. Влияние положения дуг на распределение тепловых потоков в электродуговой печи. Палий Г.М., Зинуров И.Ю., Сосонкин О.М. и др. // Изв. вузов СССР. Черная металлургия, 1975 № 3. С. 8588.

49. Игнатов И.И., Давыдов В.П. Тепловой расчет ДСП с водоохлаждаемыми панелями // Математическое моделирование и расчет дуговых и плазменных сталеплавильных печей: Сб. трудов ВНИИЭТО. 1983.-С. 15-17.

50. Игнатов И.И. Математические модели теплообмена в ДСП // Математическое моделирование и расчет дуговых и плазменных сталеплавильных печей: Сб. трудов ВНИИЭТО. 1983. С. 3-14.

51. Макаров А.Н. Влияние излучения электродов на износ сводов дуговых сталеплавильных печей // Известия ВУЗов. Черная металлургия. №2 1991. С. 80-82.

52. Макаров А.Н., Макаров P.A. Распределение потоков излучения дуг в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов в период расплавления // Известия ВУЗов. Черная металлургия. №2 1998. С. 11-14.

53. Бартенева О.И., Меркер Э.Э. Исследование процессов нагрева и обезуглероживания металла в 150-ти тонной дуговой печи с переменной массбй ванны. // Изв. ВУЗов Черная металлургия. №9 2001.'- С. 68-70.

54. Мальков Н.В., Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А. и др. Качество трубных заготовок и труб из стали ШХ15, выплавленной под шлаками пониженной основности // Вопросы производства и обработки стали. Челябинск, ЧПИ. 1976. С. 88-92.

55. Mengus М.Р., Viskanta R. On radiative properties of polydispersions // Combust seine and technicke. 1985 V. 44. P. 143159.

56. Экономические и технологические аспекты использования жидкого чугуна при выплавке стали в дуговых электропечах. Катунин А.И., Козырев H.A., Данилов А.П. и др. // Изв. ВУЗов Черная металлургия. №4 2001. С. 3-5.

57. Reddy R.L. Electric arc furnace steelmaking with sponge iron // Can. Met. Quart. 1979. V. 18. № 2. P. 245-250.

58. Brown J.W., Reddy R.L. Electric arc furnace steelmaking with sponge iron // Iron and steelmaker. 1979. V. 6. № 1. P. 24-31.

59. McAloon T.P. Comelt a new generation of electric arc furnace // Iron and steelmaker. 1994 №10. - P. 63-66.

60. О резервах экономии эл. энергии в эл. сталеплавильных цехах. Катайцева Е.С., Катунин А.И., Кузнецов В.А. и др. // Изв. ВУЗов Черная металлургия. №6 2001. С. 16-17.

61. Gianni Gensinu, Valerio Garrito. New developments in electric are furnace technology // Metallurgical plant and technology. №1 1991. P. 52-54.

62. Kleimt B. Development by VAI in electric arc steelmaking // Steel times. №3 1997. P. 98-101.

63. Экономия электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах Тулевский Ю.Н., Зинуров И.Ю., Попов А.Н. и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. 104 с.

64. Kawakami Isamu Development the largest DC arc furnace // Steel times. 1991 №5. P. 246-254.

65. Влияние изменения мощности трансформатора на эффективность работы дуговой печи. Макаров А.Н., Рубцов В.П., Пешехонов В.И. и др. // Электротехника, №2 1999. С. 40-43.

66. Опыт реконструкции мощных дуговых сталеплавильных печей на Челябинском металлургическом заводе. Зинуров И.Ю., Кузнецов JI.A., Герасимов А.П. и др. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. №7 1969. С. 8-12.

67. Смоляренко В.Д. Прогнозирование влияния энергетического режима на стойкость футеровки дуговой сталеплавильной печи // Математическое моделирование и расчет дуговых и плазменных сталеплавильных печей: Сб. трудов ВНИИЭТО 1983. С. 19-20.

68. Морозов А.Н. Современное производство стали в дуговых печах. М., Металлургия, 1983. 184 с.

69. Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б. Металлургическая теплотехника. Т.2. Теоретические основы. Топливо и огнеупоры. / Под ред. Глинкова. М., Металлургия, 1974.672 с.

70. Водоохлаждаемые своды дуговых сталеплавильных печей Ассенмахер Р., Кляйн X., Эльснер Э. и др. // Черные металлы. 1978 № 20. С. 18-21.

71. Кайбичева М.Н. Футеровка электропечей. М., Металлургия, 1975. 280 с.

72. Моделирование тепловой работы футеровки 100-тонной дуговой печи. Смоляренко ВД., Коган И. А., Курлыкин В.Н., Рубин Г. К. и др. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1971 вып. 106. С. 9-10.

73. Роменец В.А., Неменов А.М., Питателев В.А. Об эффективности производства металлизированного сырья и его использовании при выплавке электростали // Изв. вузов. Черная металлургия. 1977 № 5. С. 174-185.

74. Трахимович В.И., Шалимов А.Г. Использование железа прямого восстановления при выплавке стали. М., Металлургия, 1982. 245 с.

75. Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А. Выплавка легированной стали в дуговых печах. М., Металлургия, 1987. 136 с.

76. Спектор Г.А., Зельбет Б.М., Киселева С.А. Структура и свойства подшипниковых сталей. М., Металлургия, 1980. 264 с.

77. Цишевский В.П. Дуговые сталеплавильные печи специальной металлургии. М., МЭИ, 1981. 87 с.

78. Выплавка подшипниковой стали одношлаковым процессом Щербина Н.В., Герасимов Ю.В., Хасин Г.А. и др. // Производство электростали. М., Металлургия, 1980. С. 81-83.

79. Влияние способов выплавки стали ШХ15 на качество бесшовных труб. Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Мальков Н.В. и др. // Современные проблемы электрометаллургии стали. Челябинск, ЧПИ. 1975. С. 79-86.

80. К вопросу загрязнения крупными кислородными включениями подшипниковой стали, обрабатываемой в ковше синтетическим шлаком. Анисимова М.Е., Абрамов A.A., Воинов С.Г. и др. // Сталь и неметаллические включения. М., Металлургия. 1977. С. 91-102.

81. Энергосбережение при выплавке стали в машиностроительном и металлургическом производствах Макаров А.Н., Макаров P.A., Острик В.В. и др. // Энергосбережение в промышленности: Сб. тр. Тверь, ТГТУ. 1999. С. 4-7.

82. Макаров А.Н., Макаров P.A., Зуйков P.M. Анализ кпд дуг сталеплавильных печей постоянного и трехфазного тока // Электротехника, электромеханика, электротехнологии: Труды 4-й Международной конф. М., Изд-во МЭИ. 2000. С. 397-398.

83. Макаров А.Н., Макаров P.A., Чернышев Д.В. Анализ кпд дуг сталеплавильных печей // Электроснабжение, энергосбережение, энергоремонт: Тезисы докл. федераль. науч.-технич. конф. Новомосковск, НИРХТУ. 2000. С. 116-117.

84. Макаров А.Н., Мошкова Е.М., Макаров P.A., Расчет кпд дуг сталеплавильных печей // В сб.: Энергосбережение, электроснабжение, электрооборудование: Тезисы докл. науч.-технич. и метод, конф. М., Электрика. 1996. С. 18-19.

85. Макаров А.Н., Макаров P.A. Аналитический метод определения кпд дуг сталеплавильных печей // Электротехнология: сегодня и завтра: Тезисы докл. всеросс. науч. конф. ЭТ-97. Чебоксары, ЧГУ. 1997. С. 10-11.

86. Игнатов И.И., Хаинсон A.B. Расчёт электрических характеристик трёхфазных дуговых электропечей. // Электротехника. 1982 № 3. С. 48-50.

87. Струнский Б.М. Короткие сети электрических печей. М., Металлургиздат, 1962. 335 с.

88. Хаинсон A.B. Расчёт трёхфазной схемы замещения ДСП. // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. 1978 вып. 2. -С. 38-43.

89. Бессонов JI.А. Теоретические основы электротехники. М., Высшая школа, 1973. 750 с.

90. Жаворонков К. П., Степанов H.A. , Кирсанов Ю.П. Опыт эксплуатации 100-т электропечей повышенной мощности на Челябинском металлургическом заводе. // В сб.: Производство электростали. М., Металлургия, 1977 № 6. С. 15-22.

91. Егоров A.B. Факторы, определяющие направленность теплового потока электрической дуги на ванну дуговой электросталеплавильной печи. Дисс. на соис. ученой степени канд. техн. наук. М., МИС и С, 1963.

92. Макаров А.Н. Статистическое исследование тока дуговых сталеплавильных печей. // В сб.: Вопросы электроснабжения и электропривода. Калинин, КГУ. 1979. С. 144-148.

93. Макаров А.Н., Макаров P.A., Мошкова Е.М. Влияние раективного сопротивления токоподвода на электрические характеристики дуговых сталеплавильных печей'// Материалы юбилейной конф. ученых Тверского госуд. техн. ун-та. Тверь, ТГТУ. 1998. С. 31-32,

94. Макаров А.Н., Папков Д.С. Влияние реактивного сопротивления токоподвода на теплообмен в дуговых сталеплавильных печах // Электромеханика и электротехнологии: Тезисы докладов III междунар. конф. М., МЭИ. 1998. С. 380-381.

95. Макаров P.A. Влияние реактивного сопротивления токоподвода на потребление электроэнергии дуговыми сталеплавильными печами // Энергосбережение в промышленности: Сб. тр. Тверь, ТГТУ. 1999. С. 22-26.

96. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. M.-JI., Госэнерго-издат, 1962. 331 с.98.3игель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. Mi, Мир, 1975.934 с.

97. Невский A.C. Лучистый теплообмен в печах и топках. М., Металлургия, 1971. 439 с.

98. Макаров А.Н., Макаров P.A., Острик В.В. Математическая модель для расчета угловых коэффициентов излучения дуг сталеплавильных печей // Электротехнология: сегодня и завтра: Тез. докл. всеросс. науч. конф. ЭТ-97. Чебоксары. 1997. С. 55-56.

99. Макаров А.Н., Макаров P.A. Распределение потоков излучения дуг в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов в период расплавления // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1998 №2. С. 11-14.

100. Кузнецов Л.Н., Пирогов H.A., Егоров A.B. Расчет параметров дуговых сталеплавильных печей для плавки металлизированных материалов // Исследование в области промышленного электронагрева: Сб. тр. ВНИИЭТО. 1981. С. 8897.

101. ЮЗ.Острик В.В. Оптимизация режимов работы дуговых сталеплавильных печей для плавления металлизованных окатышей // Современные проблемы металлургического производства: Сб. трудов. Волгоград, РПК «Политехник». 2002. С. 11*4-116.

102. ТВЕРСКОЙ ЗАВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ИМЕНИ 1 МАЯ

103. Р/смсг. 40702810300000001271 КБ «КПЦ» /000/ г. Т»ерк ИНН 6905000819 БИК 042809701 Код ОКПО 0021014 КодОКОНХ 142521. К«.от.2002 г.

104. УТВЕРЗДАЮ" . ^рсенер ОАО"Тверьтехоснастка" А.А.Скоробогаткин1. ЬАшкШш)№ .2003г.. А К Т .внедрения методов расчета и рекомендаций по рациональной эксплуатации дуговых сталеплавильных печей^разработаншх Остриком Владиславом Валерьевичем

105. Настоящий Акт составлен для предоставления специализирован-, ному Совету по месту защиты кандидатской диссертации Острика В.В.

106. Начальник литейного цеха Главный энергетик1. A.Н.Любачев,1. B.В.Хрусталев