автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Создание и внедрение энергоэффективных дуговых и шлаковых электропечных комплексов с использованием постоянного тока и тока пониженной частоты

На правах рукописи

Нехамнн Сергей Маркович

СОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ДУГОВЫХ И ШЛАКОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ТОКА ПОНИЖЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г О МАЯ 2015

Москва-2015

005569142

005569142

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Научный консультант: Кувалдин Александр Борисович

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Леонтьев Леопольд Игоревич,

академик РАН, доктор технических наук, профессор, Президиум РАН, советник РАН

Миронов Юрий Михайлович,

доктор технических наук, профессор Чувашский государственный университет, профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы»

Чередниченко Владимир Семенович

доктор технических наук, профессор, ОАО «Сибэлектротерм», заместитель технического директора

Ведущая организация: НИТУ «МИСиС»

Защита диссертации состоится «26» июня 2015 г. в аудитории М-606 в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 112250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 112250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.

Автореферат разослан 12 мая 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук Сергей Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Электродуговые печи (ЭДП), включающие дуговые сталеплавильные (ДСП) и руднотермические (РТП), а также элекгрошлако-вые печи (Э1ПП), являются одними из наиболее крупных и массовых потребителей энергии и сырьевых ресурсов в металлургии. Единичная мощность электрометаллургических печей превышает 100 MB А. Заводы, оборудованные такими печами, имеют мощность до 1 ГВА, в год потребляют миллионы тонн металлолома, минерального и углеродистого сырья, выпускают миллионы тонн стали и сплавов. В мировой практике реализованы сотни проектов создания печей новой конструкции, питаемых от ти-ристорных преобразователей. Наиболее масштабные из них: пущенная в 2011 году в Японии крупнейшая в мире установка ДСП постоянного тока емкостью 420 тонн с питанием от выпрямителя мощностью 260 МВА, построенный в Казахстане комплекс четырех РТП постоянного тока мощностью по 75 МВт, печь ЭШП в Италии, выплавляющая слитки массой до 250 тонн на токе пониженной частоты.

Наряду с экстенсивным способом развития электрометаллургических производств внимание исследователей и разработчиков привлекают возможности повысить эффективность использования вводимой в печи энергии путем более рационального ее распределения и гибкого управления в печах, работающих на постоянном токе и токе пониженной частоты.

Разработка научных основ создания и внедрения печных комплексов, эффективное потребление энергии в которых достигается при использовании в их системе питания полупроводниковых преобразователей, открывает перспективные возможности системного совершенствования технологий и создания новых электротехнологических процессов, экономии энергии и сырья, снижения экологической нагрузки на окружающую среду, повышения качества металлопродукции.

Степень разработанности темы характеризуется освещением ее отдельных аспектов и отсутствием системного рассмотрения вопросов, связанных с созданием дуговых (ДППТ) и руднотермических (РТПТ) печных комплексов постоянного тока, руднотермических (РТПНЧ) и элекгрошлаковых (ЭШПНЧ) печных комплексов, использующих ток пониженной (ниже 50 Гц) частоты, далее называемых электродными печными комплексами с полупроводниковыми преобразователями (ЭШШ). В этой области практические разработки в России значительно отстают от зарубежных.

Цель работы: определение основных закономерностей и разработка научно обоснованных технических решений для создания и внедрения в промышленность автоматизированных ЭППП, обеспечивающих повышение энергетической эффективности печных комплексов и качества производимой продукции.

Задачи исследования.

1. Разработка энергетической зонной структуры ЭППП и систематизация разнообразных процессов преобразования энергии в рабочем пространстве печей.

2. Исследование обобщенных закономерностей, характеризующих энергетические процессы в основных зонах ванны и системах питания печных установок.

3. Выявление системной связи электроэнергетических процессов в полуповод-никовых устройствах питания с тепловыми процессами и их управлением в ЭППП.

4. Разработка математических моделей, методик расчета параметров и обоснованного выбора основных схемных и конструктивных решений печных комплексов.

5. Разработка научно обоснованных базовых технических решений, направленных на промышленное внедрение энергоэффективных ресурсосберегающих печных

комплексов, питаемых током пониженной частоты и постоянным током.

Методы исследования. Электромагнитные и тепловые процессы исследовались посредством математического и физического моделирования с применением методов математической физики и вычислительной математики. Использовались методы конечных элементов, оптимизации, отображения, теории подобия, системного анализа. В экспериментальных исследованиях использовались методы математического планирования, компьютерной регистрации и статистической обработки данных.

Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, проверенного на адекватность объектам исследований сопоставлением расчетов с экспериментальными данными, а также сходимостью с результатами, полученными другими авторами. Обоснованность теоретических положений проверена публикацией в рецензируемых центральных изданиях, рекомендуемых ВАК России. Достоверность предлагаемых методик и рекомендаций подтверждена практическим использованием для разработки и при эксплуатации промышленных электродных печных комплексов.

Научная новизна.

1. Предложена систематизация энергетической структуры печных электродных комплексов с полупроводниковыми преобразователями энергии, включая выделение трех внутрипечных зон: дуги, низкоэлектропроводных и высокоэлектропроводных материалов и четвертой внепечной части - системы питания печи, а также классификация комплексов и выбор рода тока по критерию соотношения мощностей дугового разряда и резистивного нагрева в зоне низкоэлектропроводных материалов.

2. Установлена связь структуры внепечных потоков энергии с тепловыми процессами в рабочем пространстве электродных печей, питаемых постоянным током и током пониженной частоты, что позволяет выполнять их энергоэффективный системный синтез и при изменяющихся условиях протекания плавки качественно менять внутреннюю энергетическую структуру.

3. Разработана система математических и физических моделей, с помощью которых определенны новые закономерности распределения мощности в выделенных энергетических зонах электродных печных комплексов, а также динамические зависимости теплового поля от изменяющейся структуры энергетических потоков.

4. Определены закономерности процессов передачи энергии между выделенными структурными энергетическими единицами, позволяющие повысить энергоэффективность печных комплексов: 1)в дуговых печах - зависимость эффективности плавления шихты дугой от параметров алгоритма изменения постоянного напряжения и тока (до 50 кА), 2)в руднотермических печах - зависимость формы кривой напряжения на дуге и энергетических параметров комплекса от частоты тока, 3)в руднотермических и электрошлаковых печах - связь схемы подключения и расположения электродов в ванне с ее электрическим сопротивлением и пространственным распределением мощности, 4)для всех рассматриваемых комплексов - флуктуационные характеристики турбулентных течений при магнитогидродинамическом перемешивании жидкого металла в зависимости от токового режима токоподвода к ванне.

5. Определена зависимость рабочих и энергетических характеристик печных комплексов от топологии систем питания, на основании чего разработаны новые па-тентозащшценные энергоэффективные схемы питания печей постоянным током и током пониженной частоты.

6. Предложены способы модификации энергетической структуры электродных комплексов с полупроводниковыми источниками питания, при которых контролируют информационные параметры энергетических потоков в процессе адаптивного управления плавкой при изменяющихся условиях и обеспечивают энергосбережение путем регулирования распределения мощности в рабочем пространстве печей.

7. Разработано информационно-методическое обеспечение для системного синтеза и параметрической оптимизации электродных плавильных комплексов, в соответствии с которым в диалоговом режиме с помощью имитационной компьютерной модели определены: а) сбалансированные энергоэффективные способы передачи, преобразования и адаптивного управления потоками мощности с учетом взаимодействий постоянных и переменных с частотой 0,1 - 10 Гц электромагнитных полей; б) энергетические и технико-экономические показатели комплексов.

Новизна технических решений, разработанных на основе названных научных положений подтверждена патентами на изобретения [24, 25, 27, 28, 33 - 35, 37].

Теоретическая значимость. Разработан теоретически обоснованный подход к комплексному исследованию и системному синтезу зонной энергетической структуры печных установок, использующих полупроводниковые источники питания, магни-тогидродинамическую (МГД) интенсификацию теплообменных процессов для более полного использования введенных в печь энергии и материалов, повышения качества выплавляемого металла; создана классификация ЭППП и научно-методическая основа развития перспективного направления энергосбережения в электрометаллургии, позволяющего снизить потери энергии и повысить коэффициент мощности до 0,92.

Практическая ценность. Разработаны энергоэффективные схемные и конструктивные решения, а также способы управления и методики расчета электропечных комплексов, с помощью которых выполнено системное проектирование, обеспечивающие перспективу широкого внедрения в промышленности ресурсосберегающих ЭППП, определены сферы предпочтения тока пониженной частоты или постоянного тока:

- в классе РТТГГ впервые в практике отечественного печестроения созданы конструкция РТПТ с проводящей подиной, имеющей вдвое повышенный срок службы, на ток свыше 100 кА, а также универсальные комплексы с питанием от импульсных многоканальных преобразователей в транзисторном исполнении (ИМПТ);

- в классе РТПНЧ впервые создан энергоэффективный комплекс мощностью 24 МВА с тиристорным источником тока пониженной до 0,1 - 10 Гц частоты (ИПЧ);

- в классе ЭШПНЧ впервые разработана и конструктивно реализована структурная схема с бифилярным исполнением расходуемых электродов, решающая проблему выплавки специальных слитков массой до 120 т и полых заготовок диаметром до 2 м.

- в классе ДПГГГ разработаны математические модели динамики теплообмена и плавления шихты, а также МГД перемешивания жидкого металла полем постоянного тока, с использованием которых разработаны и внедрены в промышленность новые энергоэффекгивные тиристорные схемы питания дуговых печей и экономичные сталеплавильные комплексы с ИМПТ.

На новые практические решения получены патенты на изобретения [26 - 32,34,36].

На защиту выносятся следующие положения.

1. Создание энергоэффективных дуговых, руднотермических и электрошлаковых элекгропечных комплексов с источниками питания током пониженной частоты и постоянным током - перспективное направление электротехнологии, обеспечиваю-

щее повышение коэффициента мощности с 0,6 - 0,82 до 0,86 - 0,92 и экономию более 10% сырья, повышение качества металлургической продукции.

2. Для целей исследования и проектирования ЭППП рационально рассматривать энергетическую систему печных комплексов в составе четырех структурных единиц: трех внутренних зон: низкоэлекгропроводных материалов, дуги и высокоэлектропроводных материалов, а также энергетического оборудования вне печи.

3. Научно-методической основой развития электрометаллургических производств по пути создания энергоэффективных плавильных печных комплексов, работающих на постоянном токе и токе пониженной частоты, является концепция, заключающаяся в разработке структуры преобразования и динамического управления распределением потоков мощности в полупроводниковых системах питания и трех энергетических зонах рабочего пространства печной установки.

4. Эффективность использования введенной в печь энергии и качественные показатели плавки повышаются при МГД перемешивании полем рабочего тока, что обеспечивается на постоянном токе конструкцией и режимом нижнего токоподвода, а при токе пониженной частоты выбором частоты в диапазоне 0,1-10 Гц.

5. Создание каналов контроля и регулирования распределения энергетических потоков в зонах и между зонами рабочего пространства печей позволяет создать параметрически и структурно адаптируемые ЭППП.

6. Показано, что в ДППТ лучшими показателями обладает конструкция с одним сводовым, двумя и более подовыми электродами, подключенными к выпрямителю с каскадно включенными тиристорными группами (в печных комплексах большой емкости) и к источнику питания с ИМПТ (при средней и малой емкости), позволяющему проводить расплавление шихты при постоянной максимальной мощности и обладающему постоянным высоким коэффициентом мощности при глубоком регулировании рабочего напряжения и быстродействующей стабилизации тока.

7. Доказано, что в РШТ предпочтительна схема с проводящей подиной, характеризующаяся наиболее высоким активным сопротивлением ванны, причем в многоэлектродных печах сближение сводовых электродов приводит к повышению активного сопротивления ванны, а токи межэлектродной проводимости отсутствуют.

8. Показано, что в ЭШПНЧ при выплавке крупных заготовок преимущество имеет бифилярная схема подключения расходуемых электродов к ИПЧ, которая содержит дополнительный источник, обеспечивающий выравнивание скорости плавления электродов и адаптивную структуру распределения мощности в шлаковой ванне.

Личный вклад автора. Основные включенные в диссертацию научные результаты опубликованы в работах [6, 7, 10, 22, 42, 44 - 53, 57, 58, 60], написанных автором. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат: постановка задач, расчеты, анализ и интерпретация результатов [4 - 22, 14, 16, 59], разработка моделей и алгоритмов [17 - 19, 39 - 41, 61 - 63], методический подход [8, 9, 11, 20,21, 38]. Разработка на их базе концепции, основных технических решений и расчетная часть [15,24 - 37, 54, 55, 67] осуществлялись под научным руководством автора, внедрение разработок [1- 3,12,13,23,64 - 66] - с его непосредственным участием.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на: Междунар. конф. «Идентификация систем и задач управления» (М., 2000 г.); Междунар. науч.-пракгич. конф. «Элекгротехнологии XXI века (Элтех-2001). Современные проблемы и достижения в области элекгротехнологий в XXI веке» (С-Пб., 2001 г.); II Междунар. науч.-практич. конф. «Металлургия легких металлов. Пробле-

мы и перспективы» (М., 2006 г.); Всерос. науч.-технич. конф. с междунар. участ. (СПб.): «Элеюротермия-2006. Руднотермические печи (конструкции, исследование и оптимизация технологических процессов, моделирование)» «Электротермия-2008, 2010. Проблемы рудной и химической электротермии»; «Элекгротермия-2012. Акту-' альные проблемы рудной и химической электротермии», У1П-ой междунар. конф. «Кремний-2011» (М., 2011); «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий. АПЭЭТ-2011» (г. Екатеринбург, 2011). Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies. XVII congress 21 - 25 may, 2012, St. Petersburg; Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Elektrowärme Workshop, Elektroprozesstechnik, 06 - 07 September 2012, Seminar- und Ferienhaus «Zur Talsperre», An der Talsperre 1 D-98693 ILMENAU - Ortsteil Heyda, Tagungsband; XII междунар. конгрессе сталеплавильщиков, 22 - 26 октября 2012 г., г. Выкса- Шестой междунар. конф. «Металлургия-ИНТЕКЭКО-2013» (М, 2013), The thirteenth international ferroalloys congress INF ACON XIII (Kazakhstan, Almaty. June 9 - 12.2013); XV междунар. науч. конф. «Современные проблемы электрометаллургии стали» (24 - 27 сентября 2013 г.). - Челябинск: ЮУрГУ; Науч.-пракгач. конф. с междунар. участием «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», Екатеринбург, 1 - 4 октября 2013 г. ИМЕТ УрО РАН; X конф. по «Актуальным проблемам физики, металловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2014». - Иркутск: Инст. геохимии СО РАН.

Работа обсуждалась в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» на заседаниях каф ФЭМАЭК в 2011,2012 гг. и каф. АЭТУС в 2013, 2014 гг.

Результаты работы реализованы при создании и внедрении в эксплуатацию на российских и зарубежных предприятиях ЭППП: РТПНЧ с ИПЧ мощностью 1,2 МВА для выплавки карбида кальция и ферросплавов и мощностью 24 МВА для выплавки ферросилиция; РТПТ мощностью 6,4 МВт для выплавки кремния и мощностью 0,58 МВт для обеднения шлаков; ДППТ емкостью 0,3 и 1,5 т для плавки алюминия; универсальной ДППТ мощностью 0,14 МВт для исследовательских целей; ДППТ емкостью 3 т для чугуна; комплексы с тиристорными выпрямителями для выплавки стали: двух ДППТ емкостью 12 т и двух ДППТ емкостью 15 т; ДППТ емкостью 2 т с питанием от ИМПТ; ЭШПНЧ с НПЧ для выплавки полых и сплошных заготовок диаметром до 350 мм и диаметром до 2000 мм массой до 120 т.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 печатных работ, в том числе 23 публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 14 патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и содержит 322 страницы текста, 105 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 269 наименований и приложения на 29 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено анализу достижений энергетической и технологической эффективности электродуговых и шлаковых плавильных электропечей, традиционно питаемых током промышленной частоты, большой вклад в изучение которых внесли ведущие российские и зарубежные специалисты в области электротермии, представители научных школ ВНИИЭТО, СИБЭЛЕКТРОТЕРМ, ДМЕТИ, ЧелябНИИМ ИМЕТ им. A.A. Байкова, ИМЕТ УрО РАН, ЦНИИЧЕРМЕТ им. И.П. Бардина, ЦНИИТМАШ

профильных кафедр МЭИ, ЧТУ, ЛТИ, НЭТИ, МИСиС, фирм Siemens-VAI, BSE, SMS Siemag, Danieli, ALD и др.

Использование для питания печей полупроводниковых преобразователей открывает принципиально новые возможности совершенствования электропечных комплексов для существующих технологий и позволяет создавать новые электротехнологические процессы, реализация которых при традиционных схемах питания не представлялась возможной. Вопросам создания электродуговых и шлаковых печей, питаемых постоянным током и током пониженной частоты, посвятили свои труды И. П. Бруковский, М. М. Крутянский, В. С. Малиновский, Ю. С. Иоффе, А. Н. Миронова, В. Б. Гуткин, В. Bowman.

В главе 1 дан анализ основных положений существующей теории и практики создания электродных плавильных печей с полупроводниковыми источниками питания.

Показатели технологических процессов в электроплавильных печах определяются характером и эффективностью распределения энергии в рабочем пространстве, а также зависят от управления этими процессами при изменяющихся по ходу плавки условиях. Энергоэффективность понимается в контексте требований Киотского протокола как экономия электроэнергии и снижение интенсивности теплотворного использования углеродсодержащих материалов в технологических процессах.

В энергетическом балансе элекгродуговых и шлаковых печей преобладает приход тепла благодаря его выделению при резистивном нагреве и/или в дуге.

Исследование электрометаллургических установок в данной работе основано на развитом М. С. Максименко подходе, при котором в качестве ведущего технологического фактора каждого конкретного процесса и печи рассматривается соотношение между мощностью (р) дугового разряда, и мощностью (q) резистивного нагрева шихтовых материалов или расплавленного шлака протекающим по ним рабочим током.

Острота ряда актуальных для ДСП проблем: сокращение отрицательного воздействия на питающую сеть, уменьшение расхода электродов, понижение шума, угара металлошихты и легирующих элементов снижается в ДППТ. В отечественной практике (в отличие от зарубежной) в ДППТ, как правило, не применяют топливные горелки и кислородную продувку в период расплавления. Такая работа ДППТ позволяет уменьшить угар металла до 30 кг/т и расход электродов до 1,5 кг/т, по сравнению с угаром более 90 кг/т и расходом электродов 1,8-11 кг/т на переменном токе. Рассмотрение в данной работе ДППТ ограничено емкостью печей до 50 т, в которых обычно выполняются все технологические операции, включая полную доводку стали, чугуна, цветных металлов, усреднение их состава и температуры. Дальнейшее совершенствование энергетических параметров ДППТ при сохранении их универсальности требует выявления в их энергетической структуре резервов экономии.

В РТП с закрытой дугой, шунтированной активным сопротивлением шихты, достигается высокая концентрация мощности в реакционной зоне вблизи рабочих концов электродов, благодаря чему реализуются энергоемкие технологические процессы. В наиболее распространенных трехэлеюродных РТП шунтирующий дугу ток разветвляется на ток "звезды", замыкающийся через общую точку печи, и ток "треугольника", замыкающийся непосредственно между электродами. Мощность, которая выделяется в "звезде", используется эффективнее, так как сосредоточена в глубоких слоях ванны и расходуется на целевые реакции. Высокая доля тока "треугольника" может привести к перегреву и спеканию колошника, повышенным потерям тепла и

восстановителя, автоколебаниям режима. Соответствующая току "треугольника" доля мощности печи является структурным резервом экономии энергии в РТП.

Переплав расходуемых электродов в ЭШП выполняют для рафинирования металла и получения высококачественных заготовок со специальной однородной кристаллической структурой. В ЭШП необходимо обеспечить распределение мощности, при котором ограничена скорость переплава, минимальны глубина жидкой металлической ванны и ширина двухфазной области в зоне формирования заготовки. С ростом сечения заготовки условия ее теплообмена с кристаллизатором ухудшаются. При увеличении диаметра расходуемых электродов усиливается поверхностный эффект тока промышленной частоты и повышается скорость переплава, возрастает вероятность образования дефектов структуры. При пониженной частоте тока в монофилярной схеме уменьшается поверхностный эффект в расходуемых электродах. Дальнейшее развитие данного метода повышения параметров ЭШП сдерживается отсутствием решений для более эффективной бифилярной схемы, обеспечивающей симметрию магнитного и теплового полей в печи, поскольку по собранным в единый блок парам разнополярных электродов протекают встречно направленные токи.

Из-за низкого естественного коэффициента мощности крупных печей (0,6 - 0,82) для всех типов печных комплексов важен выбор схемы питания печи и способа управления, в значительной степени определяющих энергетические, технологические и эксплуатационные характеристики, а также стоимость установки.

Выполненный в первой главе анализ положений существующей теории и практики создания дуговых и шлаковых электротехнологических установок позволил сформулировать указанные выше задачи настоящего исследования.

В главе 2 разработана энергетическая структура и классификация процессов в ЭППП на основе сравнительного анализа энергетических балансов РТП, ДСП и ЭШП.

В рабочем пространстве печи выделены три наиболее характерные зоны, отличающиеся видом происходящих в них энергетических процессов: зона шихтовых материалов, имеющих относительно низкую электропроводность, зона дугового разряда и зона, в которой расположены твердые и жидкие материалы с высокой электропроводностью. Указанные три энергетические зоны в различных сочетаниях существуют в разнообразных классах печей. Распределение энергии между этими зонами составляет своего рода энергетический портрет конкретного технологического процесса.

К первой внутрипечной зоне печной относится объем, занятый твердой либо оплавленной шихтой, как правило, заполненный смесью руды с углеродистым восстановителем и/или расплавленным шлаком. При протекании тока через низкоэлектропроводные материалы первой зоны в них выделяется значительное тепло.

Печная дуга, отнесенная ко второй зоне рабочего пространства, формирует большую часть процессов, протекающих в дуговой печи. От параметров ее работы на постоянном токе и токе пониженной частоты и условий ее теплообмена с окружающим рабочим пространством зависят все характеристики дуговой печи.

В третьей зоне рабочего пространства печи из-за высокой электропроводности расположенных в ней материалов электрическая мощность выделяется в относительно небольшом количестве. Тем не менее, для технологического процесса эта зона важна, так как в ней присутствуют конечные продукты плавки, имеющие, как правило, металлическую проводимость. Поступление энергии в эту зону преимущественно происходит за счет тепломассообмена с двумя первыми зонами рабочего простран-

ства. Эффективность работы первой и второй зоны, а также печи в целом, в значительной степени зависит от сбалансированности их теплообмена с третьей зоной.

Четвертая структурная единица - энергетическое оборудование - преобразует подведенную из питающей сети электроэнергию к рабочим параметрам. В рассматриваемых классах ЭППП периодическая коммутация потоков мощности в десятки мегаватт является рабочим режимом. Энергетические процессы во всех четырех зонах характеризуются нелинейностью и влияют друг на друга. Поэтому работу всех четырех структурных единиц необходимо рассматривать в комплексе.

В структуре потоков, представленной на рис.1, оборудование Е, обеспечивающее питание печи энергией (электрической А, тепловой 2. скрытой химической и физической энергией материалов С), выделено в самостоятельную структурную единицу, также как и рабочее пространство печи ЖБ. Механические воздействия <3 исполнительных механизмов регулируют обмен энергией и материалами между рабочим пространством печи и внешней средой, а также участвуют в распределении потоков энергии и материалов внутри рабочего пространства. Внутренняя структура печного пространства на рис. 1 представлена на примере выплавки металлургического кремния: 1 - гарнисаж, 2 - исходная шихта, 3 - горячая шихта, 4 - размягченная шихта, 5 -зона восстановления, 6 - металлокарбидная настыль, 7 - подэлекгродная полость, 8 -расплав кремния, 9 - электропроводная часть подины, 10 - электрод. К зоне с относительно низкоэлектропроводными материалами относятся участки 1 - 6, 7 - зона дуги, 8 - зона с восстановленным жидким кремнием, обладающим высокой электропроводностью. Индексами обозначена направленность потоков: &у - внешние потоки из системы снабжения, г - входные потоки, о - выходные потоки.

Потоки могут быть направлены в одну сторону или иметь двунаправленный характер. Как правило, электромагнитный поток рассматривается как двунаправленный. Комплекс потребляет из питающей сети активную мощность и генерирует мощность реактивную, искажения и несимметрии. Обмен энергией между печью, источником питания и сетью отображает внутренние процессы в печи, и несет информацию о параметрах состояния технологического процесса.

Для обеспечения эффективного управления процессом плавки наряду с собственно физическим потоком энергии используются информационные параметры этого потока. Изменяющиеся во времени информационные параметры энергетического потока рассматриваются как многомерный процесс, отслеживающий энергетические и технологические процессы в печи, недоступные для непосредствен- I ного контроля.

Рис. 1. Структура потоков в печном комплексе

На рис.1 информационные параметры потоков показаны широкими стрелками. Внешние обратные связи замыкают информационные потоки через систему управления С5. Декодирование информационных параметров в системе управления позволяет идентифицировать внутреннее состояние технологического процесса и с помощью интеллектуальной обратной связи повысить качество управления печью. На рис. 2 дана классификация печей с дугой, горящей при атмосферном давлении воздуха.

Согласно выполненным исследованиям, выбор рода тока для различных типов печей, связан с характером распределения мощности между первой и второй зонами рабочего пространства печи. В связи с этим соотношение мощностей первой и второй зон преобразования электрической энергии в тепловую принято в качестве классификационного признака электродных плавильных печей.

На рис.2 мощность, преобразуемая в тепло в печной дуге, обозначена р, а мощность резистивного нагрева в первой зоне обозначена ц. В энергетическом балансе зон учитывается тепловой эффект химических реакций и физических превращений, а электрохимические реакции в первом приближении не учитываются. На рис. 3 схематично показана энергетическая структура ДППТ (а); ЭШПНЧ (б); РТПТ и РТПНЧ (в), (г). В зоне материалов с высокой электропроводностью твердая шихта (3.1 на рис. 3,а) или материал расходуемого электрода (3.1 на рис. 3,6) по мере плавления переходит в ванну жидкого металла 3.2. Применительно к РТПТ и РТПНЧ на рис. 3, в и 3,г в зоне 1 низкоэлектропроводных материалов область то ков «треугольника» обозначена 1.2, область токов «звезды» обозначена 1.1,

Рис. 3. Энергетическая зонная структура электродных печных комплексов

Рис. 2. Классификация электродных печных комплексов с полупроводниковыми преобразователями

Разработанная в главе 2 концепция энергетической зонной структуры и предложенная классификация ЭППП по соотношению энергетических потоков первой и второй зон позволили детализировать задачи, систематизировать и обобщить исследования энергетических процессов в электродных комплексах, выполненные в следующих главах. Включение в энергетическую структуру третьей зоны - высокоэлектропроводных материалов и четвертой структурной единицы - энергетического оборудования позволило поставить задачу комплексного повышения эффективности межзонного взаимодействия с использованием информационных параметров энергетических потоков. В следующих главах исследована каждая из структурных единиц и выполнен структурный синтез энергетической системы печных комплексов.

В главе 3 выполнено исследование энергетических потоков в зоне шихтовых материалов с низкой электропроводностью. Электромагнитное поле в проводящей среде описывается в общем случае волновым уравнением:

(1)

где V - оператор Гамильтона, Р — комплексный вектор электрической и магнитной напряженности поля, ¡л - магнитная проницаемость среды.

Учитывая, что глубина проникновения электромагнитной волны в слой шихтовых материалов с низкой электропроводностью при пониженной частоте существенно больше размеров реакционной зоны печи, можно пренебречь поверхностным эффектом. Это допущение позволяет выполнить математическое моделирование распределения мощности в слабоэлектропроводной зоне печи, одинаково применимое к печам пониженной частоты и постоянного тока.

Уравнение (1) упростим, рассматривая внутреннее пространство печи как среду с зонной однородностью. В этом случае распределение скалярного электрического потенциала <р электрического поля может быть описано уравнением Лапласа независимо от магнитного поля. Решение уравнения Лапласа для среды с зонной однородностью принято в соответствии с разработанной А. В. Тарасовым цифровой математической моделью шлаковой ванны с погруженными в нее электродами. С использованием данной модели выполнено исследование общих закономерностей распределения мощности в рабочем пространстве печи с различными схемами их питания. Приняты следующие граничные условия: первого рода - на поверхности электродов и поверхности раздела фаз с высокой и низкой электропроводностью (шлака и сплава) и второго рода - на поверхности шлака и на непроводящих стенах.

Исследованы зависимости потенциала <р от координат в ванне пета и определено распределение удельной объемной мощности Рч (электрической мощности, выделяющейся в единичном объеме). Анализ результатов моделирования для ванны РТП, представленных на рис.4, показывает, что наилучшими характеристиками обладает схема «электрод-подина». Это запатентованное решение [24 - 26] обеспечивает наибольшую концентрацию мощности под электродами (слева на рис.4: максимум РУ на сплошной кривой под электродами), что важно при энергоемких процессах и для адаптации энергетических процессов в печи к изменяющимся условиям плавки.

Например, при выплавке кремнистых сплавов и тугоплавких ферросплавов в РТП концентрация мощности в нижних горизонтах печи создает условия для применения более чистых (от примесей) восстановителей и повышения качества конечных

продуктов, при переплаве расходуемых электродов в ЭШПНЧ с коротким кристаллизатором концентрация мощности под электродами позволяет в начале плавки надежно приварить формируемый слиток к затравке на поддоне. Далее коммутацией вентилей изменяют топологию силовой схемы, перераспределяя мощность в шлаковой ванне так, чтобы обеспечить формирование качественной структуры заготовки [33].

Более высокая равномерность распределения мощности в шлаке вблизи поверхности металла при схеме «электрод-подина» (см. изменение Рч вдоль оси X слева на рис.4) положительно влияет на технологический режим многошлаковых процессов в РТП (БеМп, 81Мп, штейны). Наибольшее электрическое сопротивление ванны (сплошная кривая справа рис.4) печи является еще одним важным преимуществом данной схемы для многоэлектродных печей, позволяющим повысить их энергетические характеристики и снизить стоимость печных комплексов. Наконец, рост электрического сопротивления при сближении электродов (при других схемах Ксх снижается с уменьшением ¿/У) позволяет уменьшить размеры ванны печи, сократив вес металлоконструкций и футеровки, и снизить удельный расход электроэнергии.

ЯПЙКТПОП К1 .ппл пня

Рис.3. Распределение электрической мощности в ванне РТП и зависимость сопротивления под электродом Дсх от расстояния между электродами ¡/А (отнесенного к их диаметру) при различных схемах подключения печи

В третьей главе установлена зависимость электрического сопротивления ванны печи и удельной объемной мощности в зоне печи с материалами, имеющими относительно низкую электропроводность, от схемы подключения и расположения электродов. Показано, что в соответствии с запатентованным изобретением [25] наиболее высокие параметры достигаются при подключении к источнику питания по схеме электроды - подина, обеспечивающим повышение электрического сопротивления ванны печи на 30% и концентрации мощности под электродами в 1,5 раза. Выявлены новые возможности повышения энергоэффективности печей путем адаптивного перераспределения мощности в их ваннах при изменении схем питания.

В главе 4 выполнены исследования особенностей энергетического обмена дуги с рабочим пространством плавильной печи, питаемой током пониженной частоты и постоянным током.

В настоящей работе исследование дуги ограничено энергетикой ее взаимодействия с окружающим печным пространством. С этой целью определялись вольт-амперные (ВАХ) и регулировочные характеристики (зависимость напряжения на дуге от длины межэлектродного промежутка). Характер энергетических процессов в дуге и окружающем ее печном пространстве при изменении частоты тока и переходе на постоянный ток, имеют существенные отличия по сравнению с работой дуги на промышленной частоте тока.

Исследование теплообмена дуги с рабочим пространством печи выполнено с использованием разработанной М. М. Крутянским модели печной дуги постоянного тока. В модели рассматривается баланс энергии в электропроводной зоне дугового столба, а также сопряженный с ним конвективный теплообмен столба дуги (как квазитвердого тела) с неэлектропроводной атмосферой печного пространства.

В соответствии с принятыми допущениями, внутри столба дуги, обладающего цилиндрической симметрией, преобразованная в тепло энергия электрического поля передается наружу, теплопроводностью в радиальном направлении, конвекцией в направлении оси, а также излучением, свободно, без поглощения, покидающим столб дуги. Конвективный теплообмен столба дуги с атмосферой внутри печи зависит от температуры атмосферы. Рост температуры атмосферы приводит к увеличению диаметра столба дуги, снижению плотности тока и напряженности электрического поля в столбе и, при прочих постоянных условиях, к снижению напряжения дуги. Статическая вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока при различной ее длине Ь, рассчитанная автором с помощью этой модели, построена на рис.4 (кривые 1}ГЩ.

Рассчитанные ВАХ и регулировочные характеристики дуги экспериментально

подтверждены на промышленной сталеплавильной печи при токе дуги до 36 кА.

Полученные характеристики дуги позволили рассчитать собственное излучение дуги бсоб/, как произведение ее тока на напряжение за минусом мощности, непосредственно передаваемой расплавляемо-

Рис.4. ВАХ дуги постоянного тока (и\-11ц), и рабочие характеристики: тиристорного выпрямителя (Е/^) и источника питания с ИМПТ {Р\-Рь)

му металлу через анодное пятно дуги. Принимается равномерное по длине столба дуги тепловое излучение, мощность которого (с учетом угловых коэффициентов) определяет падающий поток на участки шихты, футеровки и поверхности металлической ванны. Дальнейшее моделирование теплообмена в ДППТ выполнено с использова-

! \ . 1 1 >Ч'\|

*1 г 1 \ 1 V ^ —

1 \ ~ТГ

\ V \ ......... ......... л......

•"'г -'■•'•1-- ____ ____

Г""*"" \ \

» 1 - - - — * - - ■

- -К" "1. - , _

ч

1 4.........

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 !дуги, кА

1)1- 1=0,5м; 1шихты=750'С 1)3 -1=0,35м; 1шихты=750'С и2 • [=0,5м; Шшты=1550'С 1/4- 1=0,35м;1шихты=Ш0*С Р1=10,08МВт; Р2=8,06МВт; РЗ=6,05МВт; Р4=4,03 МВг; №1(1,81=30')

нием разработанной Е. А. Венявкиной и А. В. Колушевым динамической математическая модели теплообмена в дуговой печи между храфигированным электродом, керамической футеровкой, водоохлаждаемыми элементами, плавящейся шихтой и жидким металлом с учетом соответствующего изменения геометрии садки. Теплообмен с внешней средой учитывается граничными условиями третьего рода. В результате, уравнениями (2)-(4) определяется уровень жидкого металла и температура в печи. Система, описывающая имитационную математическую модель замыкается уравнением (5), определяющим алгоритм регулирования длины дуги Ь в зависимости от средней температуры г в печи. Варьируя вид функции (5) с учетом заданной активной мощности печи и характеристик дуги (как на рис. 4), определяем параметры различных режимов плавления шихты в ДППТ.

М Ь;

(3)

0 0® Р||

/ дт ЗКЧ ^ ВК2 л 8Я j

Ь=М, (5)

где г - время; г - индекс зоны шихты, футеровки, металла, <2^ - эффективное излучение г'-й зоны; 2«.б; - собственное излучение г'-й зоны, определяемое законом Стефа-на-Больцмана; 5/, e^ - площадь, коэффициент теплового излучения 1-й зоны; Рц- взаимная площадь облучения *-й у'-й радиационных зон, Ям, <рх, г, (ЯЛ2, <Рг, ¿г) - координаты точки А1, А2, принадлежащей элементарному кольцу ¿18 1 /-й зоны (dSjj-й зоны); V - вектор, соединяющий точки А1 и А2; р\Фг) - угол между вектором V и нормалью к поверхности ¡'-й (/-й) зоны в точке А1 (А2); <р =<р\-<Рг, Ф - подмножество углов <р (0<р <яг), на котором точка А1 видна из точки А2, где р(Д, г) - плотность шихты, изменяющаяся в пределах от насыпной плотности до плотности расплавленного металла; ЯзК(й)- эквивалентная теплопроводность; Я - удельная энтальпия шихты; г(Я) -температура шихты в функции энтальпии, включающая фазовый переход.

В совокупности определенные в работе характеристики дуги и результаты моделирования ее теплообмена с плавящейся шихтой, жидким металлом, электродом, футеровкой печи и водоохлаждаемыми панелями позволили смоделировать энергетический режим всего цикла плавки в ДППТ, определить энергоэффективные геометрию печной ванны и параметры источника питания, выполнить в диалоговом режиме имитационное моделирование процесса управления режимом плавки.

Энергетический режим дуги переменного тока, отличающийся по характеристикам от дуги постоянного тока, исследовался в предположении, что по форме столба дуга представляет собой электропроводный цилиндр постоянного радиуса г&, в котором отсутствует проток газа в осевом направлении, а в радиальном направлении тепло передается теплопроводностью. Для аналитического описания с учетом частоты тока решалось уравнение баланса энергии в столбе дуги, которое принято в рамках так называемой «каналовой модели» дуги, разработанной Н. Маескег.

от г дг сг

где г - время, Е — напряженность электрического поля, ] - плотность тока, Т, е и я -соответственно, температура, удельная энтальпия и коэффициент теплопроводности плазмы дуги.

Решение уравнения (б) с учетом нелинейной зависимости теплопроводности плазмы столба дуги от температуры, в предположении синусоидального характера кривой тока дуги и линейной зависимости удельной электропроводности о от интегральной функции 5 теплопроводности:

. (7)

о

найдено в виде функции напряжения на дуге ил от времени:

ия в(т) ' ^

где ио - действующее значение напряжения столба этой дуги (без учета приэлектрод-ных падений напряжения); со - круговая частота тока дуги;

К \+сэ2$2 } '

Параметр имеющий размерность времени и физический смысл «постоянной времени» распада дуги при ее отключении, существенно влияет на динамические свойства дуги, изменение электропроводности, динамические В АХ, амплитудно-фазовые характеристики, что учитывалось при изменении частоты тока дуги.

На рис.5,а приведены рассчитанные с помощью математической модели (6) - (9) осциллограммы напряжения (в относительных единицах). Фазовый угол напряжения указан в градусах. Осциллограммы показывают, что с некоторым запаздыванием после перехода напряжения на дуге (и, соответственно, тока) через нуль наблюдаются так называемые «пики зажигания» дуги. Пикам напряжения соответствует минимум проводимости дугового промежутка, который объясняется снижением степени ионизации в дуге. Анализ осциллограмм показывает, что «пики зажигания» дуги явно выражены в определенном интервале значений безразмерного параметра соЗ, так как при соЭ ->0, кривая напряжения на дуге стремится к меандру. Экспериментально снятая в сходных условиях осциллограмма напряжения и тока с частотой 4,2 Гц печной дуги при противлении шихты у электродов, приведенная на рис.5,б, показывает, что характерные «пики зажигания», наблюдаются и при пониженной частоте тока дуги.

Между полуволнами прямой и обратной полярности тока электрода имеется пауза, минимальная длительность которой определяется необходимостью надежного восстановления запирающих свойств отключаемой тиристорной группы источника питания. Исследования открыто горящей дуги при токе до 2 кА и забытой дуги в ферросплавной печи при токе в электроде от 8 до 60 кА показали, что при длительности паузы до 30 мс устойчивость печной дуги практически не снижается. При перемене полярности электрода после паузы тока дуга вновь устойчиво зажигается и горит (осциллограмма на рис.5,б), что свидетельствует о высокой остаточной ионизации подэлекгродного пространства при указанной длительности перерыва в токе дуги.

Рис.5. Осциллограммы напряжения истока г'д дуги и сети расчетные (а) при со& = О (1); 0,035(2); 0,35(3); 5,58(4) и экспериментальные (б) при частоте тока /= 4,2 Гц

Анализ осциллограмм при различных пониженных частотах позволил установить особенность режимов дуги в трехфазной печи. Из-за нелинейности сопротивления дуги происходит циклическое перераспределение потоков мощности между дугами, горящими под разными электродами, которые в трехфазной системе периодически включаются то параллельно, то последовательно. Циклическая коммутация вентилей трехфазного преобразователя частоты обеспечивает повторное перераспределение потоков мощности, позволяющее раздельно регулировать напряжение на каждом электроде. Результат указанного двукратного перераспределения потоков мощности в печном комплексе между дугами трех фаз пониженной частоты и между фазами преобразователя частоты проявляется в значительном снижении низкочастотной модуляции сетевого тока г'ь осциллограмма которого приведена на рис.5,б, по сравнению с низкочастотной модуляцией тока электродов г'д.

По четвертой главе из исследований зоны дугового разряда следуют выводы:

1. Разработаны имитационная математическая модель теплообмена в ДППТ и модель энергетического режима дуги переменного тока, с учетом влияния пониженной частоты на форму напряжения дуги. Сходимость результатов моделирования и экспериментальных данных подтвердили адекватность математических моделей.

2. Моделирование теплообмена в ДППТ с использованием полученных экспериментальных данных по вольт-амперным и регулировочным характеристикам дуги послужило методической основой для улучшения параметров печей с керамической футеровкой, а также адаптации режима плавки к изменяющимся условиям, снижения длительности расплавления до 50 минут и расхода электроэнергии до 420 кВт*ч/т.

3. Исследованием режимов работы печной дуги при пониженной частоте тока от 2 до 60 кА доказано, что при длительности паузы до 30 мс, связанной с переменой полярности тока, дуга сохраняет устойчивость.

4. При пониженной частоте тока трехэлектродных печей из-за нелинейности сопротивления дуги поток энергии циклически перераспределяется между электродами. Запатентованные [37] схема питания РТПНЧ током частотой 0,1 - 10 Гц и способ раздельного регулирования режимов электродов по предложенному алгоритму управления тиристорами позволяют повысить сояср до 0,93 и производительность на 15 - 25%.

В главе 5 исследованы магнитогидродинамические процессы в ванне жидкого металла (в зоне 3) при использовании тока пониженной частоты и постоянного тока.

В третьей зоне печной ванны, занятой материалами с высокой (металлической) электропроводностью, выделяется относительно небольшое количество джоулева

тепла. Приход тепла в эту зону печи преимущественно определяется теплообменом с первыми двумя зонами, в которых выделяется практически вся подводимая к печи электрическая энергия. Образующийся в ДППТ жидкий металл, нагретый под действием дуги, поступает в ванну сверху, в связи с чем естественная конвекция не развивается, а передачи тепла теплопроводностью не достаточно для эффективного усвоения металлом энергии, выделяющейся в дуге, расположенной над расплавом.

Перемешивание жидкого металла - важное условие эффективного усвоения тепла, выделяющегося в рабочем пространстве печи, и протекания разнообразных металлургических процессов в ДППТ, РТПТ, РТПНЧ и ЭШПНЧ, тем более с ростом энерговооруженности печей. Использование магнитогодродинамического эффекта, не усложняя технологическую схему печи, решает эту задачу.

Магнитогидродинамика жидкого металла в ванне электропечи под действием поля рабочего тока описана системой уравнений Максвелла совместно с уравнениями электродинамики для проводящей среды и с уравнением движения однородной несжимаемой жидкости. Данная задача решается с применением методов физического и математического моделирования. Исследование распределения плотности постоянного тока в ванне РТПНЧ мощностью 24 МВА, выполненного с помощью программы ANSYS, показали, что в пространстве ванны между электродами плотность тока практически равномерна по всей глубине ванны. Расчетами показано, что из-за поверхностного эффекта на переменном токе промышленной частоты рабочий ток замыкается по относительно тонкому поверхностному слою жидкой металлической ванны. В связи с этим при частоте 50 Гц перемешивание по всей глубине ванны металла не происходит. Для исследования МГД перемешивания ванны металла при пониженной частоте тока в диссертации использован метод физического моделирования.

Применительно к анализу поведения жидкого металла при протекании через него рабочего тока печи автором принята система (10) критериев подобия:

П]= f/uat2 = idem;

П2 = -—-= idem; о

П3= Re=^-~ idem; (10)

n4=^il=idem,

Mb

где Пь П2, П3 (Re), П4 - критерии подобия соответственно электромагнитного поля, относительного движения поля и жидкого расплава, число Рейнольдса, магнитогид-родинамического подобия; р - плотность расплава; £ =hB - характерный линейный размер, равный глубине ванны; и - скорость «перемещения» поля; и - скорость расплава; а-,ц — электропроводность и магнитная проницаемость среды; /лв- динамическая вязкость расплава; р0- магнитная постоянная, / -рабочий ток. При условии, что скорость расплава много меньше скорости о перемещения поля (П2 = 1), выполнено физическое моделирование перемешивания ванны жидкого ферросилиция в промышленной печи.

Металлическая модель, представленная на рис.6, выполнена на жидком галлии с учетом параметров и строения ванны промышленных печей, выплавляющих 45%-ный

ферросилиций. Визуализация движения расплава, проявляющегося нестационарным образованием волн, осуществлялась с помощью твердых частиц, плавающих на поверхности металла.

Рис.6. Физическая модель из галлия МГД перемешивания расплава в РТПНЧ, приведенная к частоте 0,5 Гц

Скорость движения измерялась фотометрическим способом. В модели при токе 400-500 А (что соответствует току в печи 8-10 кА) наблюдается движение металла со скоростью 0,03 - 0,04 м/с. При числе Рейнольдса

Re = 2400 - 3200 > 2300, (11)

течение турбулентно и с достаточной для практики точностью можно принять, что явление становится автомодельным.

Результаты физического моделирования показали, что в диапазоне частот 0,020,5 Гц при токе более 10 кА в руднотермических печах под действием рабочего тока может наблюдаться эффективное перемешивание всего объема жидкой ванны металла. В табл. 1 приведены данные по физическому моделированию перемешивания ванны в печи мощностью 24 MB А, выплавляющей ферросилиций ФС-45. Интенсификация перемешивания ванны 45%-го ферросилиция в промышленной печи косвенно подтверждена значительным улучшением выхода сплава через печную летку при переходе на питания током пониженной частоты. Использование перемешивания ферросплавов и других продуктов в ванне РТП уменьшит перегрев металла в области дуги и обеспечит объемное выравнивание температуры и химического состава расплава до выпуска из печи. Это позволяет уменьшить потери металла, связанные с его испарением в зоне электрической дуги, а также потери при разливе. В ЭШПНЧ определено расположение токоподвода, при котором перемешивание шлака способствует получению тонкого гарнисажа и качественной поверхности заготовки.

Таблица 1

Параметры физической модели из галлия и расплава в промышленной РТПНЧ

Наименование параметра, размерность Модель Печь

Плотность, 103 кг/м^1 6,1 4,3-4,7

Электропроводность, 106 Ом"'м"' 3,5 1,0

Температура плавления, "С 29,9 1210-1300

Глубина ванны, м 0,02 0,5-0,7

Частота тока, Гц 50 0,14

Скорость, м/с 0,03-0,04 0,35

Для случая однородной электропроводной ванны жидкого металла при глубине проникновения электромагнитной волны переменного тока в металлическую ванну, превышающей размеры самой ванны, а также при постоянном токе электрическое поле в ванне рассчитано независимо от магнитного согласно уравнению Лапласа. Сила Лоренца, действующая на движущуюся электропроводную жидкость, и перенос пассивной примеси (легирующей присадки) рассчитаны согласно выражениям:

F = CT{cV<P+uxb)XB , (12)

= о ; (13)

at

где В - магнитная индукция, с - концентрация примеси. Влияние концентрации примеси на плотность жидкости и молекулярную диффузию не учитывались.

Для описания нестационарных эффектов течения жидкости автором совместно с С. А, Смирновым и В. В. Калаевым разработана математическая модель LES (Large Eddy Simulation), относящаяся к классу моделей крупных вихрей. Осуществляется прямой расчет структуры крупных вихрей и определяются локальные осредненные характеристики турбулентности в подсеточной области. С использованием модели автором проанализирована нестационарная структура течения и динамика установления равновесия по концентрации легирующей присадки. Рассчитанные с помощью LES модели осредненные характеристики течения совпали с результатами, полученными с использованием известной к-е модели турбулентности. Это позволило рассчитать динамические режимы МГД перемешивания ванны металла в промышленных конструкциях ДППТ, различающиеся числом и расположением в ванне подовых электродов, с вариацией токовой нагрузки на них.

На рис.7,а, б для ванны с двумя подовыми электродами, нагруженными током по 10 кА каждый, показано поле векторов скорости в вертикальном сечении и на свободной поверхности. Распределение степени неоднородности концентрации легирующей присадки в горизонтальном сечении, проведенном через середину высоты ванны через 5 минут после внесения присадки (указанной стрелкой) показаны на рис.7,в.

Рис.7. Поле скоростей жидкого металла в ванне: поперечный разрез (а); план (б); распределение и шкала неоднородности концентрации присадки (в)

На рис. 1,а видно, что нисходящая под пятном дуги струя доставляет металл по оси к дну ванны, где он растекается в радиальных направлениях; на поверхность расплав выходит как электродными струями, так и по стенкам ванны (рис.7,б).

С помощью математического моделирования разработана конструкция ванны и алгоритм управления асимметричной токовой нагрузкой, обеспечивающие сглаживание флуктуаций скорости и повышение эффективности перемешивания жидкой ванны при сниженном суммарном токе печи. Результаты расчетов совпали с экспериментальными данными, полученными автором на ДППТ емкостью 12 и 15 тонн, которые подтвердили, что МГД перемешивание рабочим током обеспечивает скорость жидкой стали 0,15 - 0,5 м/с. Обеспечено сокращение в три раза длительности выравнивания химического состава и температуры стали, которое (при использовании разработан-

ных решений) достигается не более чем за 5 минут по всему объему ванны с отклонением от заданной концентрации присадки, не превышающим 0,2% процентов (от концентрации, соответствующей марке выплавляемой стали). Включение данного алгоритма после периода интенсивного плавления шихты позволяет адаптировать структуру потока энергии к изменяющимся технологическим задачам плавки.

В главе 5 выполнены исследования МГД перемешивания жидкого металла полем рабочего тока, определившие условия усвоения мощности, введенной в ванну и повышения качества производимой продукции. С помощью разработанной математической и физической модели определены рациональные конструкция ЭППП и режимы адаптации их работы к изменяющимся условиям плавки. В ДППТ экспериментально подтверждено обеспечение скорости металла до 0,5 м/с и сокращение в 3 раза длительности гомогенизации расплава, В ЭШПНЧ на основе проведенных исследований влияния расположения токоподвода к ванне разработано и запатентовано решение [36], обеспечивающее повышение качества выплавляемых заготовок.

В главе 6 проведено исследование управления энергетическим режимом печных комплексов, использующих ток пониженной частоты и постоянный ток, а также разработаны специальные схемы питания и выполнен системный синтез структуры ЭППП, обеспечивший их комплексную энергетическую эффективность.

В дуговых печных комплексах постоянного тока требуется глубокое в 2 - 8 раз изменение напряжения и тока по ходу плавки при сохранении активной мощности.

Выполненный функциональный анализ работы тиристорных ключей в известном решении по переключению между последовательным и параллельным соединением выпрямительных мостов показал ее структурную избыточность. Автором предложена и запатентована [27] схема питания печи, представленная на рис.8, в которой вместо двух тиристорных групп, последовательно соединяющих мосты, используется одна группа, которая совмещает функцию каскадного включения обмоток трансформатора и коммутацию фаз питающего напряжения. Данная схема обеспечивает 2-кратное из-

Мощные выпрямители имеют жесткую рабочую характеристику, угол ее пересечения с восходящей ветвью ВАХ дуги (см. Щ1, Ш и ¥2 на рис.4) мал, в связи с чем, для обеспечения устойчивости дуги в цепь постоянного тока включают дроссель и используют быстродействующий регулятор тока. Схема (рис.8) получила дальнейшее развитие в запатентованном решении [28], в котором каскадная тиристорная группа выполнена в виде кольцевого элемента. В дополнение к увеличению КПД это обеспечило повышение коэффициента мощности выпрямителей при регулировании напряжения на электроде печи, позволило поднять активную мощность печи, сократить длительность плавки и расход электроэнергии. Последовательно-параллельное

менение тока и напряжения при сохранении мощности и воздействии на питающую сеть как мостовой схемы. Уменьшается на 17 % количество силовых ключей, снижается падение напряжения на тиристорах и повышается электрический КПД.

Рис.8. Схема питания дуговой печи с каскадным включением групп

включение предложенных схем обеспечивает требуемое 4 - 8-кратное плавно-ступенчатое регулирование напряжения без обрыва дуги.

Выполненный анализ дуговой нагрузки позволяет рекомендовать многоканальные импульсные регуляторы напряжения в транзисторным исполнении (ИМПТ) для питания ДППТ и РТПТ током до 25 кА, как самые дешевые и обеспечивающие наиболее высокие энергетические показатели (coscp = 0,96) и регулировочные характеристики. Реализована обратно пропорциональная зависимость напряжения на электроде от рабочего тока (кривые Рх - Р4 на рис.4). В этом случае может поддерживаться постоянная активная мощность в любых эксплуатационных режимах печи, а также повышается устойчивость дуги при увеличении ее длины и снижении тока. Большой угол пересечения рабочей характеристики такого преобразователя с ВАХ дуги (на рис.4 ¥\ > ¥2) и высокое быстродействие регулятора тока (сотые доли миллисекунд) обеспечивают на протяжении всей плавки максимальную устойчивость дуги и коэффициент мощности выше 0,92. Данные экспериментально подтверждены опытом промышленной эксплуатации ДППТ-2 емкостью 2 т с питанием от ИМПТ, выполненным с использованием /Сг5Г-транзисторов (мощность трансформатора 2,5 МВА, ток электрода 7 кА). Видеосъемка дуги в этой печи, фрагменты которой приведены на рис. 9, подтвердила стабильность и устойчивость дуги во всех режимах печи. Сочетание высокой устойчивости дуги с удобной рабочей характеристикой источника позволяет независимо поддерживать оптимальную длину дуги и ее мощность, полностью снимает проблему фликкер-эффект. Стабильность дуги, более высокая, чем при питании от тиристорного выпрямителя, обеспечивает стабильность давления в печи, что способствует дополнительному снижению угара металла и уменьшению расхода электродов.

Рис. 9. Дуга в начале, середине и конце расплавления стали в ДППТ-2 при питании от ИМПТ

Для обоснования выбора рода тока в соответствии с приведенной на рис. 2 классификацией выполнено сравнительное исследование параметров тиристорных схем выпрямления и питания током пониженной частоты. На рис. 10 представлены схемы: трехфазная мостовая (рис. 10,а, г), "две звезды с уравнительным реактором" (рис. 10,6, д) и кольцевая (рис. 10,в, е), а также непосредственный преобразователь частоты (НПЧ - рис. 10,ж). Для краткости приведены нереверсивные схемы выпрямления.

Для сравнения схем источника питания и его подключения к печи с различной топологией автором разработан комплекс кри-

Рис.10. Схемы электропечных установок с выпрямителями (а) - (е) и с НПЧ (ж)

териев (14), в которых основные характеристики схем приведены к базовым параметрам - активной мощности печи Р и полезному напряжению на электроде {/„. Энергетические параметры схемы предложено определять: коэффициентом Кп повышения расчетной мощности трансформатора (аналогично обычно используемому параметру 5^), средним /р Ср и действующим /р д значениями расчетного тока тиристоров, расчетным обратным напряжением С/р.„6Р на вентиле, расчетным значением тока /р.0бМ вентильных обмоток трансформатора:

-^р.ср ~ «В Л.ср иа/Р;

/рд="в/вд№ (14)

^р.обр- иобр.Ж;

- /0бм и

П Иобм /р.

где лв — число вентилей в силовой схеме; /в.ср, /в д — среднее и действующее значение тока в вентиле; 170бр.м — максимальное обратное напряжение на вентиле; и0бм, /0бм -число вентильных обмоток и действующее значение тока в каждой из них. Значения критериев сравнения силовых схем источников питания и схем их подключения к печи, приведенных на рис. 10, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительная характеристика схем РТПТ и РТПНЧ

Поз. на Схема под- Схема источника Кп ^р.ср, Ср.обр, о.е. ^р.обм,

рис.10 ключения печи о.е. о.е. о.е.

а "Электрод - Трехфазная мостовая 1,05 1 1,73 2,1 0,707

б Две звезды 1,26(1,33)» 0,5 0,866 4,19 (4,84)** 0,866

в электрод" Кольцевая 1,26 0,5 1,225 4,19 1,73

г Трехфазная мостовая 1,05 2 3,46 1,05 1,41

д "Электрод - Две звезды 1,26(1,33)» 1 1,73 2,09 (2,42)** 1,73

е подина" Кольцевая 1,26 1- 2,449 2,09 3,464

ж Трехэлекгродная НПЧ 1,05 0,94 2,45 2,22 0,667

На основе выполненного сравнения различных схем преобразователей частоты с использованием приведенных выше критериальных коэффициентов для РТП с непроводящей подиной выбрана схема трехфазно-трехфазного преобразователя частоты с непосредственной связью и раздельным управлением вентильными группами, которая в однолинейном виде приведена на рис.10, ж. Напряжение имеет прямоугольную огибающую. Особенность этой схемы заключается в необходимости паузы тока для надежного запирания вышедшей из работы группы при изменении полярности тока в электроде. Влияние длительности паузы тока на параметры работы источника питания печи зависит от ее соотношения с частотой тока в электроде, в связи с чем удобно представить эти зависимости от приведенной частоты тока Гц/! На рис.11 представлены рассчитанные в диссертации зависимости энергетических параметров источника питания током пониженной частоты от приведенной частоты т,/" тока в электроде при активном характере нагрузки для различных значений приведенной электрической проводимости печи:

гцеХ- суммарное индуктивное сопротивление первичной цепи НПЧ;

I, U- ток электрода и напряжения на электроде.

При активно-индуктивном сопротивлении нагрузки НПЧ наблюдается инвертирование тока, что приводит к снижению коэффициента мощности относительно расчетных значений на рис. 11. Экспериментальные исследования РТПНЧ мощностью 1,2 МВА позволили рекомендовать частоту f0 (16), ниже которой энергетические коэффициенты не отличаются от рассчитанных для активной нагрузки значений более, чем на 1%. При fi>fu происходит резкое снижение всех энергетических характеристик. В интервале/о</2</м снижение эг и cos ср от расчетных - в пределах 4%.

/« = (6*тп)4; /0= ОгПп)'1. (16)

Выполненное автором исследование показало, что в трехэлектродной печи может быть обеспечено регулирование напряжения раздельно на каждом электроде С/эл.а, С4л.в, ижс- В диссертации разработан алгоритм, который, несмотря на отсутствие нулевого провода (между "нулем" печи и вторичной обмоткой трансформатора), с помощью согласованного изменения углов фазоимпульсного управления тири-сторными группами «А, ав, «с обеспечивает раздельное регулирование действующего значения тока в каждом электроде согласно выражению (17).

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 о,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0 25

Рис. 11. Зависимость параметров НПЧ от приведенных частоты тока г/ и проводимости печи: g = Q (1); 0,1 (2); 0,2 (3)

15 0,20 0,25 0,00 0,05 ОДО 0,15 0,20 0,2 rn»f, о.п. tn*f, о.е.

1£1ф/и»я,о.е

1.5 1.3 1,1

h = —Г7= [3(1 + r„ У cos2 <xk + 3r2 cos2 a, + 3r2 cos2 am + 2r„ (гя + r,) cos a„ cos a, +

-ч/б

i

+ 2r, (r, + ) cos ak cos am - 2т-Л cos a, cos a„ ]:2; (17)

где 7,r, действующее значение тока электрода, сопротивление ванны под электродом и коэффициент трансформации (в относительных единицах), приведенные к значениям тех же параметров при симметричном режиме, к, I, т - А, В,

С; гэ2=- . Регулировочные и энергетические характеристики рассчитаны ав-

тором путем интегрирования текущих значений токов и напряжений в циклически переключаемых цепях НПЧ с использованием метода расчета энергетических параметров преобразовательных устройств, предложенного О. А. Маевским. На рис. 12,а представлены энергетические характеристики трехэлектродной РТПНЧ при стабилизации тока в каждом электроде путем согласованного фазоимпульсного управления

Рис.12. Энергетические и регулировочные характеристики трехэлектродного печного комплекса с НПЧ при фазоимпульсной стабилизации тока электродов (а) и при фазоповоротной стабилизации напряжения на электродах РТП (б)

тиристорными группами. Кривые 1 - 5 (рис. 12) построены соответственно для гв=0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 при глубине изменения сопротивления = (1± 0,2) под электродом А.

Представленные на рис. 12,а характеристики, подтвержденные на разработанной автором математической модели, позволяют реализовать новый канал управления энергетическим режимом печи: управлять напряжением раздельно на каждом из трех электродов РТПНЧ. Раздельное регулирование напряжения на электродах, позволяет изменить структуру управления руднотермической печью: уменьшить перемещение электродов для регулирования электрического режима. Регулирование режима производится путем согласованного управления группами тиристоров и переключателем ступеней напряжения трансформатора, а электроды перемещают только для вертикального перераспределения мощности в ванне. Для указанных режимов разработаны алгоритмы, позволяющие по выбору стабилизировать напряжение или ток электродов без снижения соэф, в отличие от фазоимпульсного регулирования, которое, как видно из рис. 12,а, связано со снижением коэффициента мощности комплекса.

В диссертации для нового канала раздельного управления режимом каждого печного электрода разработан новый способ фазоповоротного регулирования, имею-

щий принципиальное отличие от известных. Он заключается в регулировании сдвига фаз в трехфазной системе рабочих напряжений, то есть в повороте векторов напряжений на электродах относительно друг друга. Регулировочная характеристика для угла Cab между напряжениями на электродах А и В показана на рис. 12, б. Соответствующие характеристики построены и для двух других фазовых углов трехфазной системы напряжений на электродах. Отличительной особенностью предложенного автором способа перераспределения потоков мощности между электродами за счет изменения сдвига трех фаз напряжений на электродах является то, что при раздельном регулировании режима каждого из трех электродов costp печного комплекса остается на неизменно высоком уровне. В данном случае реализуется представленная на рис. 1 структура контроля информационных параметров потоков мощности каждого электрода и перераспределения потоков мощности. На основании декодирования полученной информации система управления с помощью имитационной модели рассчитывает и передает для исполнения сигнал на изменение фазовых углов векторов напряжений на электродах.

Полупроводниковые источники питания позволяют реализовать другой канал управления: регулирование распределения тока и мощности в параллельных цепях. Эффективность этого канала была показана выше на примере интенсификации МГД-перемешивания жидкого металла за счет перераспределения тока между двумя подовыми электродами в ДППТ.

Эффективные каналы управления режимом комплекса отбываются при использовании оперативного переключения схемы подключения печи (например, из числа показанных на рис.3), изменении полярности и формы кривой выпрямленного напряжения на электродах. Этот способ управления показал высокую эффективность в РТПТ мощностью 6,4 МВт, обеспечив требуемое пространственное перераспределение мощности в сложных Переходных режимах: при переходе на новый тип шихтовых материалов и технологических отклонениях от штатной работы печи.

Для решения задачи управления распределением мощности в ванне ЭШПНЧ при питании по бифилярной схеме, кроме соединенного с электродами основного источника питания, между каждым из бифилярных электродов и поддоном автором предложено включить дополнительные источники питания (патент на изобретение [33]). Из-за недоступности для непосредственного измерения параметры состояния процесса формирования слитка в кристаллизаторе ЭШП определяются путем декодирования информационных параметров энергетических потоков, циркулирующих между источником питания и шлаковой ванной. По параметрам состояния процесса переплава расходуемых электродов рассчитываются управляющие воздействия. При этом активное воздействие на перераспределение потока мощности в шлаковой ванне осуществляется за счет изменения величины и фазы тока дополнительных источников относительно основного тока, что обеспечивает требуемую гибкость управления процессом благодаря структурному перераспределению мощности в шлаковой ванне, сохраняя преимущества бифилярной схемы.

Выполненные в главе 6 исследования позволили определить критерии сравнения топологии электропечных комплексов и на основе анализа энергетической структуры выполнить системный синтез новых высокоэффективных схем питания и способов управления ДППТ, РТПТ, РТПНЧ, ЭШПНЧ, защищенных патентами на изобретения [25, 27, 28, 33, 37]. Разработаны решения, обеспечивающие адаптацию энергетической структуры путем избирательного управления составляющими энергетических

потоков в печах постоянного тока и тока пониженной частоты. Предложено формировать сквозные каналы контроля и управления потоками энергии, включающие в себя все компоненты печного комплекса: ее электрическую, механическую, технологическую части, а также систему контроля и управления. Создание сквозных каналов передачи и преобразования энергии позволяет избежать ее непроизводительных затрат, а непрерывное отслеживание информационных параметров потоков, их интеллектуальный анализ обеспечивают эффективную параметрическую и структурную адаптацию электропечного комплекса к изменяющимся условиям плавки.

В главе 7 разработана методика расчета и проектирования электродуговых и шлаковых печных комплексов, использующих ток пониженной частоты и постоянный ток, а также представлены результаты их промышленной реализация.

В связи с тем, что энергетическая структура электродных плавильных печей состоит из однотипных энергетических зон, в диссертации разработана обобщенная методика, учитывающая многообразие количественных соотношений мощности, преобразуемой в каждой из зон, а также специфику выполняемых ими технологических задач в различных производственных процессах. Расчет и проектирование выполняется в три основных стадии:

1) расчет основных параметров и технических решений;

2) разработка энергосиловой и технологической частей установки;

3) разработка информационно-силовых каналов и системы управления процессом.

Первая стадия расчета для дуговых печных комплексов постоянного тока, исходя из требуемой производительности, графика работы и удельного расхода электроэнергии, рассчитывается мощность печи. По мощности на основе выбранной геометрии рабочего пространства и условий теплообмена с окружающей средой с помощью математической модели (2) - (4) определяются требуемые ток и напряжение на каждом интервале периода расплавления и технологического периода плавки.

Для обеспечения по ходу плавки требуемой глубины регулирования напряжения при условии сохранения высокой активной мощности и энергетических показателей с учетом действующих технико-экономических ограничений выбирается одно из схемных решений из числа рассмотренных в предыдущей главе. Для достижения требуемой длительности плавки и минимизации расхода электроэнергии при ограниченной температуре футеровки с помощью математических моделей, разработанных в главах 4 и 5, в диалоговом режиме определяется энергоэффективная геометрия рабочего пространства по интегральным показателям плавки: длительности расплавления, КПД, удельному расходу электроэнергии.

Для обеспечения эффективного МГД-перемешивания ванны расплавленного металла выполняются каналы независимого контроля и регулирования режимов каждого из подовых электродов.

Выполненные методические и практические разработки внедрены при создании сталеплавильных комплексов: двух печей емкостью 12 т с тиристорными выпрямителями, одной печи емкостью 2 т с питанием от ИМПТ, выходной каскад которого выполнен на ЮВТ-транзисторах, на ООО «ВКМ-Сталь» (г. Саранск), двух ДППТ емкостью 15 т с тиристорными выпрямителями на ООО ПК «БСЗ» (г. Брянск). Исследования, проведенные на этих печах при выплавке стали для крупного железнодорожного литья подтвердили разработанные теоретические положения, а также эффективность предложенных автором методических разработок и технических решений.

Динамическое симметрирование объемного распределения мощности в рабочем пространстве печи позволило повысить стойкости футеровки печи, сократить длительность плавки на 10-15 минут. Обеспечен удельный расход электроэнергии на расплавление 15 т стали на уровне 420 кВт*ч/т. На ОАО «ЧМЗ» (г. Чусовой) при плавке чугуна внедрена ДППТ емкостью 3 т с тиристорным выпрямителем, использующим схему рис. 8 с удвоенной глубиной регулирования напряжения на электроде.

Результаты исследований дуги постоянного тока нашли подтверждение при создании и эксплуатации ДППТ для технологического процесса плавки алюминия. В печах постоянного тока: емкостью 0,3 т, установленной на ОАО «АБС ЗЭиМ Автоматизация» (г. Чебоксары) и в ДППТ емкостью 1,5 т для выплавки алюминиевых сплавов из лома на ОАО «Волговятсквторцветмет» (г. Нижний Новгород) получено подтверждение снижение в 2 раза угара алюминия (до 1%) по сравнению с переплавом алюминиевого лома в отражательных газовых печах. При переплаве алюминиевых чушек увеличена в 3 раза производительность и снижен более чем на 30 % удельный расход электроэнергии по сравнению с индукционными печами той же емкости.

Первая стадия расчета РТП; при заданной технологии выбор схемы установки выполняется на основе технико-экономического анализа возможных вариантов исполнения энергетической части печного комплекса. На рис. 13 и 14 приведено сравнение параметров, определяющих стоимость трех схем питания крупных РТП с использованием следующих установок: продольной компенсации реактивной мощности (УПК), поперечной емкостной компенсации (ПЕК) и преобразователя частоты (ИПЧ) или источника постоянного тока (ИПТ). В соответствии с технологическими и энергетическими требованиями, с учетом приведенного выше сравнения вариантов схем (рис. 3, рис. 10, табл.2) выбирают род используемого тока, конструктивная и силовая схемы печи. С поправкой на отсутствие поверхностного эффекта определяется количество и сечение сводовых электродов.

250 , , , ..........400

200 150

МВД Ос.

МВАр

.100

V ■11 ? 3

и гтг»

**

/

? ••••

300

5т, МВД 200

100

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

тк

•

✓ *

£ •*

•¿0

I

1 '

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ра, МВт ра

Рис.13. Мощность компенсирующих устройств Рис.14. Мощность трансформаторов

Выбирается образцовая печь - наиболее близкая к проектируемой по технологии конструктивной схеме и мощности. На основе энергетического баланса образцовой печи и исходных данных, в качестве которых обычно задаются производительность и график загрузки, определяется активная электрическая мощность печи.

Полезное напряжение ип на электроде на основе методики А. С. Микулинского с поправкой к, учитывающей различие схемы питания образцовой и проектируемой печей согласно параметрам на рис. 3, определяется выражением (18):

Ua = с к Рп", (18)

где с - коэффициент для образцовой печи; Рп - полезная мощность на один электрод; п - константа, для дуговых процессов равная 0,33, а для многошлаковых- 0,25.

Вторая стадия расчета посвящена анализу циркулирующих в элекгропечной установке потоков энергии, а также их информационных параметров.

Процесс передачи энергии из питающей сети через полупроводниковый преобразователь в печь имеет особенности. Они связаны с тем, что кроме нелинейной дуговой нагрузки в силовую цепь включены нелинейные ключевые элементы, работа которых определяется не только системой управления преобразователя, но и параметрами режима печи. В общем случае в цепях печных токоподводов, охваченных взаимными индуктивностями, помимо сетевой частоты 50 Гц в анодном токе существенно выражены канонические для выпрямителей гармоники (тк ± 1), а в выпрямленном токе с номерами, равными тк (т - пульсность схемы выпрямления, к - натуральные числа). В печных установках, работающих на токе пониженной частоты, присутствуют также гармоники кратные пониженной частоте и комбинации указанных частот. Разработанная автором методика позволяет рассчитать энергетические характеристики установки с учетом несинусоидальности токов и циклического переключения охваченных взаимными индуктивностями участков разветвленного токоподвода печного комплекса. Расчет второй стадии выполняется в четыре этапа.

На первом этапе проводится предварительный расчет и конструирование цепи, включающей рабочее пространство печи с электродами и токоподвод от преобразователя к электродам. Энергетические процессы в печи, питаемой током пониженной частоты, такие как распределение мощности и электромагнитное перемешивание в ванне, при первом приближении определяются по эквивалентной синусоиде с частотой тока в электродах. На постоянном токе отсутствует, а при пониженной частоте пренебрежимо малы поверхностный эффект и эффект близости, перенос мощности между фазами, оказывающие отрицательное влияние на режим работы токоподводов при промышленной частоте тока. Поэтому допускается на 10-20% более высокая плотность тока, чем при 50 Гц. В самоспекающихся электродах снижается сегрегация электродной массы и повышается надежность их работы.

Вторым этапом является расчет и разработка конструкции токоподвода между трансформатором и преобразователем с учетом только основной частоты 50 Гц.

На третьем этапе выполняется расчет высокочастотной коммутации энергии между вентилями преобразователя, а также между соответствующими проводниками токоподвода. Коммутационные токи модулированы как промышленной, так и пониженной частотой, что также находит отражение в расчете.

Трехмерная форма линий протекания токов, передающих энергию в печь, динамически меняется согласно упомянутым выше частотам. Соответственно, циклически изменяются при каждой коммутации собственные и взаимные индуктивности цепей, по которым ток протекает. Параметры таких переключений, влияющие как на энергетические, так и на регулировочные характеристики, рассчитаны с помощью полученных в данной работе соотношений, аналогичных выражению (16), математического моделирования, а также характеристик, представленных в табл.2 и на рис.12,13.

Вторая стадия расчета завершается четвертым этапом - расчетом рабочих электрических характеристик печного комплекса. На рис.15 представлены характеристики РТП мощностью 24 МВА при частотах 12,5 (сплошные линии) и 50 Гц (пунктир).

Построенные характеристики подтверждают возможность значительного улучшения основных энергетических и эксплуатационных параметров РТП при переводе ее на питание током пониженной частоты. Одним из принципиальных преимуществ использования пониженной частоты является возможность повышения полезной мощности и производительности печи. Необходимо отметить, что рабочая точка характеристики на рис.15, соответствующая току электрода 75 кА, расположена на вос-

Рис.15. Сравнительные рабочие электрические характеристики РТП мощностью 24 МВА при промышленной и пониженной частотах

ходящей ветви графика активной мощности. При том же токе на частоте 50 Гц достигнут максимум активной мощности. Дальнейшее повышение мощности без увеличения рабочего напряжения не представляется возможным. Увеличение же рабочего напряжения, как следует из проведенного в главе 3 исследования, связано с повышением доли токов «треугольника», что отрицательно сказывается на технологическом и энергетическом режимах печи. Сохранение при пониженной частоте оптимального напряжения на электродах обеспечивает наилучшее для данного технологического процесса распределение мощности в печи и повышение ее производительности.

На третьей стадии формируют каналы контроля и управления потоками энергий и материалов, что позволяет в комплексе решить две задачи - идентификацию состояния процесса плавки и эффективное управление электропечной установкой в соответствии с характеристиками, определенными на предыдущей стадии.

Концепция модернизации действующих руднотермических печей с переводом их на питание током пониженной частоты была апробирована на лабораторной печной установке мощностью 250 кВА и внедрена на двух промышленных РТПНЧ мощностью 1,2 МВА для выплавки карбида кальция и ферросплавов в опытном цехе НИИ Металлургии (г. Челябинск) и 24 МВА для выплавки ферросилиция на Запорожском заводе ферросплавов (г. Запорожье, Украина). Теоретические положения, методические и практические разработки настоящей работы получили подтверждение в ходе промышленных испытаний РТПНЧ при работе на частоте тока 0,5 - 4 Гц.

Применительно к РТП в схеме питания печи с проводящей подиной особое значение имеет устранение положительной обратной связи в рабочем пространстве

печи. В традиционных многоэлекгродных печах из-за наличия тока, замыкающегося непосредственно между электродами, положительная обратная связь проявляется в колебаниях электрического и технологического режимов РТП. В схеме с проводящей подиной причина такой неустойчивости режима устранена, так как сводовый электрод один или их несколько под одним потенциалом и, следовательно, токи «треугольника» отсутствуют, а энергия передается в ванну по каналам токов «звезды».

Для обеспечения эффективного управления системами печного комплекса необходимо учитывать перекрестные связи между каналами. Декодирование информационных параметров потоков энергии позволяет идентифицировать состояние технологического процесса и, с помощью имитационного моделирования, прогнозировать результаты воздействия управляющих воздействий на объект. Примером специально созданного канала может служить управление перераспределением тока между контактными щеками сводовых электродов. Реализация данного канала обеспечивается за счет специальной конструкции трансформатора, выпрямителя, короткой сети, контактных узлов электродов и системы контроля электрического режима.

Разработанная методика расчета РТП с полупроводниковыми источниками питания позволила создать ресурсосберегающие руднотермические печные комплексы, работающие на выпрямленном токе: универсальную РТПТ мощностью 0,14 МВт для исследовательских целей в ОАО «ЦНИИЧермет» им. И.П.Бардина (г. Москва), мощностью 1,0 МВт для обеднения шлаков (г. Дрохов, Германия) и мощностью 6,4 МВт для выплавки кремний на ОАО «ЗАлК» (г. Запорожье, Украина). На протяжении 9,5 лет промышленной эксплуатации РТПТ мощностью 6,4 МВт постоянного тока зафиксированы высокие энергетические и технологические характеристики: повышение качества выплавляемых продуктов, экономия до 40% электродов, повышение коэффициента мощности выше 0,9 и устранение несимметрии потребляемой мощности по фазам. Подтверждены расчетные энергетические характеристики, определенные по разработанной автором методике, что позволяет рекомендовать ее для дальнейшего применения при проектировании высокоэффективных РТПТ.

В работе выполнено сравнение тепловых потерь ванны с электроизолированной подиной и с разработанной автором проводящей подиной [26]. Расчеты показали, что дополнительные тепловые потери, связанные с необходимостью охлаждения токове-дущей части подины, составляющие около 0,5% от мощности печи, практически не влияют на энергетический баланс печи. На рис.16 приведены экспериментальные данные, снятые на двух сходных по конструкции двухэлектродных РТПТ мощностью 6,4 МВт: постоянного тока с проводящей подиной (а) и РТП переменного тока частотой 50 Гц с утепленной изолированной подиной (б). Обследование печей показало, в печи с проводящей водоохлаждаемой подиной не происходит значимого изменения баланса энергии в сторону увеличения суммарных тепловых потерь печи.

Наиболее современная РТПТ с источником питания от ИМПТ мощностью 560 кВт (с характеристиками Р] - Р4 на рис. 4), внедрена на ОАО «ПЗЦМ» (г. Касимов).

Для ЭШП. работающей на токе пониженной частоты (0,1-10 Гц), для получения высококачественных сплошных и полых заготовок автором разработана схема комплекса для переплава расходуемых электродов, собранных по бифилярной схеме, более экономичная, чем ранее применявшаяся монофилярная схема. На пониженной частоте перераспределяется мощность между плавящимся электродом и шлаковой ванной, уменьшается глубина жидкой ванны металла и ширина двухфазной области, а фронт кристаллизации приобретает более плоскую форму. В результате повышается

качество формируемых заготовок, создаются условия для увеличения их габаритов, по сравнению с возможностями ЭШП, работающих на токе промышленной частоты, Наложение постоянной составляющей на ток пониженной частоты дополнительно повышает гибкость управления энергетическим потоком, что важно в стартовых и переходных режимах. При заданном качестве выплавляемого слитка повышается скорость электрошлакового переплава и снижается удельный расход электроэнергии.

Рис, 16. Тепловые потери токоведущих элементов и футеровки печи 6,4 МВт постоянного тока с проводящей подиной (а), переменного тока с изолированной подиной (б)

На первой стадии расчета ЭШП учитывают особенность использования пониженной частоты, которая проявляется в снижении индуктивного сопротивления печного контура и уменьшения поверхностного эффекта в расходуемом электроде. Соответственно скорректированные параметры электропечного контура и скорости плавления расходуемого электрода учитывается при определении рабочего тока и напряжения пониженной частоты.

На второй стадии выполняются расчеты энергетических потоков в рабочих и, особенно, стартовых режимах, которые служат основой для обеспечения устойчивости всего цикла электрошлакового производства.

Третья стадия предложенной методики расчета и проектирования, посвящена разработке каналов контроля и управления процессом переплава бифилярно выполненного расходуемого электрода. Изменение длины расходуемого электрода приводит к соответственному изменению частоты его собственных колебаний. При совпадении частоты собственных колебаний с частотой рабочего тока, оказывающего электродинамическое воздействие на электрод, возникает механический резонанс. Резонанс фиксируется связанной с электродами тензоизмерительной системой. Эта информация интерпретируется системой и используется для управления источником питания, изменяющего частоту и форму рабочего тока с целью параметрической оптимизации режима плавки. Система настраивает управляющее воздействие в виде параметров электромагнитного потока в рабочее пространство печи. Характеристики потока энергии, направляемого в печь, изменяются с помощью преобразователя частоты. Обеспечивается управление параметрами состояния электрошлакового процесса, такими как форма фронта кристаллизации и ширина двухфазной области, создаются новые принципиальные возможности активного воздействия на качество выплавляемых заготовок и технико-экономические параметры переплава.

Выполненные исследования энергетических потоков и их информационных параметров, разработка каналов контроля и управления процессом переплава и структуры электрошлаковых печных установок послужили научно-методической основой,

позволившей реализовать в ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» (г. Москва) новую силовую схему с дополнительным источником питания пилотной ЭШПНЧ. Испытанная на пилотном печном комплексе силовая схема с адаптивным бифиляр-ным/монофилярным включением расходуемых электродов реализована на промышленной ЭШПНЧ, внедренной на ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» (г. Орск). При частоте тока 0,5 - 5 Гц с коэффициентом мощности 0,86 выплавлены высококачественные полые и сплошные заготовки диаметром до 0,6 и длиной до 8 метров.

В седьмой главе на основе результатов проведенных исследований разработано информационно-методическое обеспечение для системного проектирования и определения энергоэффективных решений для дуговых и шлаковых печных комплексов, использующих ток пониженной частоты и постоянный ток. Для реализации теоретических положений диссертации выполнен ряд практических разработок, защищенных патентами на изобретения [26 - 32, 34, 36]. Созданы и внедрены в производство дуговые сталеплавильные, руднотермические, электрошлаковые печные комплексы, в которых использование тока пониженной частоты и постоянного тока позволило повысить выход годного, сократить расход электроэнергии и исходных материалов, улучшить качество выплавляемого металла и экологические характеристики, снизить стоимость комплексов по сравнению с существующими решениями.

Представленные в главе 7 результаты промышленного внедрения разработанных автором основных теоретических и методических положений диссертации подтверждают достоверность, научную и практическую значимость выполненной работы, ее актуальность и востребованность в промышленности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено комплексное исследование и определены закономерности энергетических процессов в дуговых и шлаковых электропечных установках, использующих постоянный ток и ток пониженной частоты. Научно обоснован ряд предложенных технических решений, позволивших внедрить в промышленность энергоэффекгивные печные комплексы, решающие ряд актуальных задач в сфере элекгротехнологии.

1. Предложена энергетическая зонная структура плавильных электродных комплексов с полупроводниковыми преобразователями с выделением трех внутри-печных зон: дуги, низкоэлектропроводных и высокоэлектропроводных материалов и внепечной энергетической структурной единицы, включающей энергетическое оборудование. Разработана классификация печных комплексов по соотношению между мощностью дугового разряда и мощностью резистивного нагрева в зоне низкоэлектропроводных материалов. Показано, что для печей с преобладанием мощности дугового разряда наиболее эффективно использование постоянного тока, а для питания плавильных печей, в которых преобладает резистивный нагрев материалов, предпочтительно применение тока пониженной частоты 0,1-10 Гц.

2. Выявлены новые возможности повышения энергоэффективности электропечных комплексов путем формирования требуемого теплового поля в каждой из энергетических зон и управления интенсивностью тепловых процессов в рабочем пространстве печей путем перераспределения внепечных потоков энергии. Показано, что использование полупроводниковых источников питания позволяет адаптировать энергетическую структуру электропечных комплексов к изменяющимся условиям плавки, оперативно перераспределяя мощность в рабочем пространстве печи.

3. Разработана имитационная математическая модель плавления шихты в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока, в которой моделирование динамики нестационарного процесса плавления шихты осуществляется совместно с определением вольтамперных и регулировочных характеристик дуги при различной ее длине и температуре в печи. Реализованное в диалоговом режиме имитационное моделирование при проектировании и управлении дуговыми печами обеспечило сокращение длительности расплавления шихты дугой до 50 минут (на 10 - 15 минут) при ограниченном (не выше 1750°С) нагреве керамической футеровки стен и свода печей.

4. Разработана математическая модель энергетического режима дуги переменного тока, учитывающая влияние частоты тока на форму напряжения дуги и на электрическое сопротивление дугового промежутка. Экспериментально на лабораторной и промышленных печах подтверждена устойчивость печной дуги при пониженной частоте 0,1 -15 Гц однофазного и трехфазного тока от 2 до 60 кА при длительности до 30 мс паузы тока, связанной с переменой полярности электродов.

5. Показано, что для комплексов руднотермических печей с электроизолированной подиной имеет преимущества схема с тиристорным преобразователем частоты с непосредственной связью. Определены зависимости энергетических параметров комплексов от частоты и установлена энергетически выгодная частота, равная 1/12тп (где г„ - длительность бестоковой паузы при перемене полярности тока в электроде). Разработаны способы раздельного регулирования напряжения на электродах, позволяющие стабилизировать их положение в печи. Установлено, что для питания печей с электропроводящей подиной целесообразно использовать постоянный ток.

6. Выявлены методом математического моделирования преимущества одно-электродной и многоэлектродной конструкции с близко расположенными однополяр-ными электродами для руднотермических печей постоянного тока с электропроводящей подиной. В данном схемно-конструктивном решении исключаются межэлектродные токи, уменьшаются тепловые потери печи, обеспечивается увеличение активного сопротивления ванны на 15-20%. Кроме того, повышается в 1,5 раза концентрация мощности под электродами, что важно при выплавке сплавов на основе кремния. В печах для многошлаковых процессов такое решение позволяет выравнивать распределение мощности на поверхности раздела шлак-металл.

7. Доказано математическим моделированием турбулентных течений в ванне жидкого металла и физическим моделированием на ванне жидкого галлия, а также экспериментально на промышленных печах, что магнитогидродинамическое перемешивание металла током пониженной частоты и постоянным током обеспечивает скорость движения расплава до 0,5 м/с. Определены параметры перемешивания металла, позволившие снизить расход электроэнергии, повысить производительность печи и качество технологического процесса. Обеспечено сокращение в 3 раза длительности процессов выравнивания химического состава и температуры расплава при асимметричных электрических режимах в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока.

8. Установлены критерии выбора принципиальных схемных решений и разработаны энергетически эффективные схемы питания от полупроводниковых источников и способы управления электродными печными установками, в комплексе обеспечивающие при изменяющихся условиях плавки структурную и параметрическую адаптацию подвода к печи энергии и ее распределения в рабочем пространстве при 2 -4-кратном регулировании постоянного напряжения на электродах с повышением коэффициента мощности с 0,6 - 0,82 до 0,86 - 0,92.

9. Определена наиболее энергоэффективная и экономичная схема питания печей постоянным током от импульсных многоканальных преобразователей в транзисторном исполнении, позволившая снизить стоимость печных комплексов до цены печей переменного тока. В этой схеме коэффициент мощности комплекса поддерживается неизменно высоким, равным 0,92 - 0,94 при глубоком плавном регулирования напряжения в широком диапазоне с быстродействием до 0,1 мс, обеспечивающим высокую стабильность дугового режима печей при постоянной и при регулируемой активной мощности.

10. Показано, что электрические параметры энергетических потоков (динамическое сопротивление, амплитудно-фазовые и спектральные характеристики, вольт-амперные и регулировочные характеристики, резонансные частоты) могут быть использованы как источник информации о технологическом процессе с неконтролируемыми параметрами состояния. Для управления плавкой при питании печей током пониженной частоты и постоянным током предложено использовать имитационное моделирование режима печи, включающее вариацию и контроль информационных параметров энергетических потоков, идентификацию параметров состояния процесса и соответствующую структурную адаптацию и параметрическую оптимизацию системы в диалоговом режиме при изменяющихся условиях плавки.

11. Разработано информационно-методическое обеспечение для системного синтеза электродных печных комплексов. С его использованием созданы высокопроизводительные печи емкостью от 0,1 до 120 тонн второго поколения - с усовершенствованными тиристорными источниками питания мощностью от 0,15 до 24 МВА и печи нового третьего поколения - с преобразователями мощностью до 2,5 МВА на базе ЮВТ-транзисторов. При реализации ряда уникальных установок внедрено в практику проектирование каналов контроля и управления передачей, преобразованием и распределением энергии в рабочем пространстве дуговых и шлаковых печей.

12. Созданы параметрически и структурно адаптируемые к изменяющимся условиям плавки энергоэффективные ресурсосберегающие печные комплексы:

- дуговые печи с питанием постоянным током для выплавки стали (емкостью до 15 т с удельным расходом электроэнергии 420 кВт.ч/т) и для выплавки алюминиевых сплавов (емкостью до 1,5 т), обеспечивающие снижение в 2 раза потерь (до 1 %) металла на угар при переплаве алюминиевого лома;

- руднотермические печи постоянного тока мощностью до 6,4 МВт для выплавки кремния с увеличенным вдвое сроком службы футеровки, экономией электродов на 15 - 20 %, кварцита на 10 % и древесного угля на 20 %, а также печи для переработки техногенных отходов с глубоким извлечением из них ценных элементов;

- руднотермические печи мощностью 1,2 и 24 МВА для выплавки карбида кальция и ферросплавов на токе пониженной частоты 0,5 - 5 Гц с увеличением полезной мощности печи и производительности на 15 - 25 % по сравнению с существующими печами при той же установленной мощности печных трансформаторов;

- электрошлаковые печи, питаемые током пониженной частоты (0,1-10 Гц) по бифилярной схеме, которые рассчитаны на выплавку высококачественных слитков массой до 120 тонн и полых заготовок диаметром до 2 м и длиной до 12 м при низком удельном расходе электроэнергии на уровне 1000 - 1200 кВт-ч/т и высоком коэффициенте мощности, равном 0,86.

13. Результаты работы используются также на кафедре АЭТУС ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Автоматизация вакуумного дугового переплава с использованием персональных компьютеров / С. М. Нехамин, С. В. Мулин, Ю. С., Легович [и др.] // Сталь, 2000, №10.-С. 62-66.

2. Автоматизированная рудовосстановительная печь постоянного тока / Нехамин С. М,, Котюк А. В., Фридман М. А. [и др.] // Электрометаллургия, 2001, № 3. - С. 25-27.

3. Дуговые плавильные агрегаты постоянного тока / С. М. Нехамин, А. Г. Лу-нин.М. М. Крутянский, А. К. Филиппов // Новые огнеупоры, 2004, № 11. - С. 13.

4. Интенсификация промышленных ферросплавных электропечей с применением тиристорных источников питания / Бруковский И. П., Нехамин С. М., Розенберг В. Л. [и др.]//Электротехника, 1988, № 6. - С. 29 - 31.

5. Компьютерное управление режимом электродуговых печей - ресурс их эффективной работы / Нехамин С. М., Волохонский Л. А., Котюк А. В., Фридман М. А. // Электрометаллургия, 2001, № 3. - С. 24 - 27.

6. Нехамин С. М. Задачи создания и использования огнеупорных материалов и изделий для дуговых печей // Новые огнеупоры, 2008, № 11. С. 17 - 18.

7. Нехамин С. М. Зонная структура ванны электродных плавильных печей при работе на постоянном токе и токе пониженной частоты // Металлург, 2014, № 2. - 57 -64.

8. Нехамин С. М., Крутянский М. М., Стомахин А. Я. Пути улучшения показателей выплавки стали в малотоннажных дуговых печах // Электрометаллургия, 2007, №7,-С. 2-7.

9. Нехамин С. М., Лебедев В. Г. Интеллектуальные информационно-управляющие системы для повышения эффективности руднотермического производства // Электрометаллургия, 2001, № 10. - С. 38 - 40.

10. Нехамин С. М. Руднотермические печи постоянного тока для ферросплавного производства // Сталь, 2008, № 6. - С. 43 - 47.

11. Новая сталеплавильная печь для литейщиков. Дуговая печь постоянного тока для плавки стали емкостью 2 тонны (до 3 тонн) типа ДП-2 / С. М. Нехамин, М. В. Митрофанов, В. С. Киселев [и др.] //Литейщик России, 2011, № 5. - С. 27 - 31.

12. Об улучшении показателей малотоннажных дуговых сталеплавильных печей для литейного производства / С. М. Нехамин, А. Я. Стомахин, А. И. Черняк, А. К. Филиппов // Металлургия машиностроения, 2007, № 3. - С. 18 - 20.

13. Опыт реконструкции дуговой сталеплавильной печи ДСП-25 в литейном производстве / Нехамин С. М., Елизаров К. А., Зайцев Г. В. [и др.] // Электрометаллургия 2011,№ 7. С.-7 - 13.

14. Плавка кремния в руднотермической печи на выпрямленном токе / С. М. Нехамин, М. А. Фридман, В. И. Щербинин [и др.] // Цветные металлы, 2000, № 2. - С. 60 -63.

15. Применение тиристорных источников для питания рудовосстановительных электропечей / Бруковский И. П., Нехамин С. М., Розенберг В. Л. [и др.] // Электротехника, 1984, № 2. - С. 33 - 36.

16. Руднотермические печи выпрямленного тока как ресурсосберегающие агрегаты / А. Н. Попов, С. М. Нехамин, М. А. Фридман, Котюк А. В. // Электрометаллургия, 1998, № 1. - С. 11 - 16.

17. Система автоматизированного управления процессом ЭШП полых заготовок в подвижном кристаллизаторе Деднев А. А., Нехамин С. М., Орлов С. В.[и др. ] // Электрометаллургия, 2006, № 7. - С. 20 - 25.

18. Системы управления плавильных электропечей для металлургии и машиностроения / Елизаров К. А., Деднев А. А., Киссельман М. А., Нехамин С. М. // Электрометаллургия, 2012, № 9. - С. 27 - 36.

19. Система управления промышленной руднотермической печи для выплавки кремния / Легович Ю. С., Лебедев В. Г., Нехамин С. М., Пронина В. А. // Электрометаллургия, 1998, № 3. - С. 39 - 47.

20. Сравнительные показатели дуговых сталеплавильных печей постоянного и переменного тока для литейного производства / Елизаров К. А,, Крутянский М. М., Нехамин С. М., Черняк А. И. // Электрометаллургия, 2011, № 1. - С. 9 - 15.

21. Электродуговые агрегаты постоянного тока / Нехамин С. М., Крутянский М. М., Елизаров К. А., Филиппов А. К. // Электрометаллургия, 2005, № 11. - С. 2 - 4.

22. Mathematical Simulation of Electromagnetic Stirring of Liquid Steel in DC Arc Furnace / S. A. Smirnov, V. V. Kalaev, S. M. Nekhamin [etc.] // High Temperature, 2010, v. 48, No l.-P. 74-83.

23.New trends in the development of the DC arc furnaces / Elizarov K. A., Krutyan-skii M. M., Nekhamin I. S., Nekhamin S. M. // Russian Metallurgy (Metally), vol. 2014. No 6.-P.443-448.

Патенты

24.Пат. № 2066093, РФ. Нехамин С. М., Козлов О. В. Электротермическая установка. 2002, Бюл. № 34.

25.Пат. № 2089803, РФ. Автоматизированный электропечной агрегат / Нехамин С. М., Козлов О. В., Бастрыга И. М. [и др.]. 1997, Бюл. № 25.

26.Пат. № 2098730, РФ. Проводящая подина дуговой печи / Козлов О. В., Нехамин С. М., Фридман М. А. [и др.].1997, Бюл. № 34.

27. Пат. X» 2216883, РФ. Источник питания дуговой печи постоянного тока / Нехамин С. М., Машьянов В. Г., Фарнасов Г. А. [и др.]. 2003, Бюл. № 32.

28. Пат. № 2324281, РФ. Источник питания постоянного тока для дуговой печи (его варианты) / Мустафа Г. М., Минаев Г. М., Ильинский А. Д., Нехамин С. М. [и др.]. 2008, Бюл. №10.

29. Пат. № 2424325, РФ. Способ электрошлаковой выплавки полого слитка / Дуб А. В., Дуб В. С., Нехамин С. М. [и др.]. 2011, Бюл. № 20.

30.Пат. № 2424335, РФ. Способ электрошлакового переплава / Дуб А. В., Дуб В. С., Нехамин С. М. [и др.]. 2011, Бюл. № 20.

31.Пат. № 2424336, РФ. Электрошлаковая печь / Дуб А. В., Дуб В. С., Нехамин С. М. [и др.]. 2011, Бюл. № 20.

32.Пат. № 2445383, РФ. Установка для электрошлаковой выплавки полых слитков / Дуб А. В., Дуб В. С., Нехамин С. М. [и др.]. 2012, Бюл. № 8.

33.Пат. № 2448173, РФ. Способ элекгрошлакового переплава и устройство для его осуществления / Нехамин С. М., Дуб А. В., Дуб В. С. [и др.]. 2012, Бюл. № 11.

34.Пат. № 2456118, РФ. Способ контроля уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе и устройство для его осуществления / Нехамин С. М., Деднев А. А., Дуб В. С. [и др.]. 2012, Бюл. № 20.

35.Пат. № 2486264, РФ. Установка электрощлакового переплава и способ ее управления / Нехамин И. С., Нехамин С. М., Дуб А. В. [и др.]. 2013, Бюл. № 18.

36. Пат. № 2487182, РФ. Способ элекгрошлакового переплава / Дуб А. В., Дуб В. С., Нехамин С. М. [и др.]. 2013, Бюл. № 19.

37. U. S. Pat. № 4,388,108. Method and apparatus for smelting charge materials in electric arc furnace / Vladimir L. Rozenberg, Igor P. Brukovsky, Sergey M. Nekhamin [et al.J.-Jun.l4, 1983.

Публикации в материалах конференций

38. Компьютерное управление элекгродуговыми агрегатами - ресурс их эффективной работы / Нехамин С., Волохонский Л., Котюк А., Фридман M .// Элекгротех-нологии XXI века (Элтех-2001). Современные проблемы и достижения в области электротехнологий в XXI веке. Материалы междунар. научно-практич. конф. 4 - 5 апреля 2001 года. Круглый стол 1. С-Пб, 2001. - С.12 - 14.

39.Крутянский M. М., Нехамин С. М., Елизаров В. А. Электрическая дуга в руднотермической печи и возможности управления технологическим процессом // Проблемы рудной и химической электротермии. Сборник трудов Всеросс. научно-технич. конф. с междунар. участием «Электротермия-2010», 1 - 3 июня 2010 г. Санкт-Петербург). С-Пб., 2010. - С. 13 -21.

40. Лебедев В. Г, Нехамин С. М., Панкова Л. А. Идентификация схемной модели руднотермической печи // Идентификация систем и задач управления. Доклады междунар. конф. Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. Москва, 26 - 28 сентября 2000 г. - С. 59.

41. Нехамин С., Волохонский Л., Котюк А., Фридман М. Компьютерное управление электродуговыми агрегатами — ресурс их эффективной работы // Электротехнологии XXI века (Элтех-2001). Современные проблемы и достижения в области электротехнологий в XXI веке. Материалы междунар. научно-практич. конф. 4-5 апреля 2001 года. Круглый стол 1. - С-Пб., 2001. - С. 12 - 14.

42. Нехамин С. М. Инновационные технологии и оборудование для электрометаллургических производств: дуговые сталеплавильные, вакуумные, электрошлаковые и руднотермические печи // Сб. докл. Шестая междунар. конф. «Металлургия-ИНТЕКЭКО-2013». - М., ИНТЕКЭКО, 2013. - С. 50-53.

43.Нехамин С. М., Крутянский M. М., Филиппов А. К. Руднотермические и электродуговые печи выпрямленного тока // Компьютерное моделирование при оптимизации технологических процессов электротермических производств: доклады научно-технич. конф. «Электротермия-2004» 1-4 июня 2004 г., посвящ. 70-летию кафедры электротермии СПбГТИ (ТУ). - С-Пб., 2004. - С. 187 - 191.

44. Нехамин С. М. Магнитогидродинамическое перемешивания металла в ванне руднотермической печи постоянного тока с целью интенсификации технологического процесса / Технология и оборудование руднотермических производств // Труды Всеросс. научно-технич. конф. с междунар. участием «Электротермия-2008», 3-5 июня 2008 г. Санкт-Петербург). С-Пб., 2008. - С. 146 - 149.

45.Нехамин С. М. МГД-перемешивание в дуговой печи ванны жидкого металла полем рабочего постоянного и переменного тока низкой частоты / Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий. АПЭЭТ-2011 // Сб. науч. трудов. ФГОУА ВПО УрФУ, г. Екатеринбург, 2011. - С. 86 - 89.

46. Нехамин С. М. Металлургические методы и оборудование для получения и очистки кремния-2014 // X конференция по актуальным проблемам физики, металловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2014». - Иркутск: Инст. геохимии СО РАН, 2014. - С. 14.

47.Нехамин С. М. Модернизация действующих и создание новых высокоэффективных дуговых печей для литейных и малотоннажных металлургических производств // Доклады на XII Международном конгрессе сталеплавильщиков, 22 - 26 октября 2012 г., г. Выкса. - С. 132.

48.Нехамин С. М. Резерв повышения эффективности дуговых сталеплавильных и ферросплавных печей - управление их энергетической структурой // Современные проблемы электрометаллургии стали. XV международная науч. Конференция (24 - 27 сентября 2013 г. ЮУрГУ). Челябинск, 2013. - С. 194

49.Нехамин С. М. Руднотермические печи мощностью от 4,5 до 33 MB А для производства металлургического кремния повышенной чистоты // Кремний-2011. VIII-я Междунар. конф. Тезисы докладов. Москва, 05-08 июля 2011. - С. 54.

50.Нехамин С. М., Руднотермические печи постоянного тока / Руднотермические печи (конструкции, исследование и оптимизация технологических процессов, моделирование): тр. Всеросс. научно-технич. конф. с междунар. участием «Электро-термия-2006, 6 - 8 июня 2006 г. Санкт-Петербург). С-Пб., 2006. - С. 15-25.

51.Нехамин С. М. Современные дуговые сталеплавильные, вакуумные, электрошлаковые, ферросплавные печи для металлургии и машиностроения, перспективы их развития // Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР. Тр. науч.-практич. конференции с международным участием. Екатеринбург, 1-4 октября 2013 г. Екатеринбург. ИМЕТ УрО РАН, 2013. - С. 61 - 63.

52.Нехамин С. М., Технологическая схема маломасштабного производства кремния высокой чистоты - ARSV-технология // Кремний-2011. VIII-я Междунар. конф. Тезисы докладов. М., 05 - 08 июля 2011. - С. 53.

53.Нехамин С. М. Энерго-ресурсосберегающие комплексы с дуговыми печами переменного и постоянного тока для литейных производств / Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий. АПЭЭТ-2011 // Сб. науч. тр. ФГОУА ВПО УрФУ, Екатеринбург, 2011. - С. 80 - 85.

54. Новые направления в решении проблемы утилизации алюминиевых солевых шлаков / С. М. Нехамин, М. М. Крутянский, А. И. Черняк, А. К. Филиппов // Металлургия легких металлов. Проблемы и перспективы. Сб. тезисов докладов II Междун. научно-пракгич. конф., поев. 100-летию со дня рожд. члена-корр. АН СССР, проф. А.И.Беляева. 20 - 22 ноября 2006 г. - М., 2006. - С. 187 - 189.

55. Оборудование для специальной электрометаллургии / Деднев А. А., Нехамин С. М., Левков Л. Я. [и др.] // Современные проблемы электрометаллургии стали. XV международная науч. Конференция (24 - 27 сентября 2013 г.). - Челябинск: ЮУрГУ, 2013.-С. 8.

56. A unique multipurpose electroslag remelting furnace for producting large solid and hollow billets of large unit mass has been created in Russia / Dub A., Dub V., Nekhamin S. [etc.] // Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies. XVII congress 21-25 may 2012, St.Petersburg. Proceedings of the Congress.-P. 74-78.

57. Nekhamin S. Design of direct current furnace power 6.4MW for silicon reducing. Its electrodes and refractory work, control regimes and summary of manufacturing // The thirteenth international ferroalloys congress INFACON XIII. Kazakhstan, Almaty. June 9 -12.2013.-P. 435-441.

58.Nekhamin S. Energy flow control in electric arc furnaces, submerged arc furnaces and electroslag furnaces using rectification and frequency control of operation current - as energy- resource-saving direction of electrometallurgy realized by Russian company "COMTERM" //Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies. XVII congress 21-25 may 2012, St. Petersburg. Proceedings of the Congress. - P. 31 - 32.

Другие публикации в других журналах, сборниках научных трудов, материалах научно-технических совещаний, симпозиумов

59. Автоматизированная рудовосстановительная печь выпрямленного тока / Не-хамин С. М., Фридман М. А., Щербинин В. И. [и др.] // Компьютерное моделирование при оптимизации технологических процессов электротермических производств. Доклады науч.-технич. совещания «Электротермия-2000» 6-7 июня 2000 г. С-Пб., 2000. -С.311-316.

60.Нехамин С. М. Инновационные технологии и оборудование для электрометаллургических производств: дуговые сталеплавильные, вакуумные, электрошлаковые и руднотермические печи // MetallRussia, 2014, № 10. - С. 15 - 17.

61.Нехамин С. М., Лебедев В. Г. Использование в руднотермических производствах интеллектуальных информационно-управляющих систем // Доклады научно-технич. совещания «Электротермия-2000» 6-7 июня 2000 г. С-Пб, 2000. - С. 272-276.

62.Нехамин С. М., Лебедев В. Г, Панкова Л. А. Идентификация нелинейной схемной модели электрической цепи ванны ферросилициевой печи // Компьютерное моделирование при оптимизации технологических процессов электротермических производств // Доклады научНо-технич. совещания «Элеюротермия-2000» 6-7 июня 2000 г. С-Пб., 2000. - С. 75 - 82.

63. Проектирование системы автоматизированного управления выплавкой кристаллического кремния /Ефремов А. Ю., Лебедев В. Г., Легович Ю. С, Нехамин С. М. [и др.] // Автоматизация проектирования, 2000, № 1-2. - С. 33 - 39.

64.Руднотермическая печь выпрямленного тока с управлением от промышленного компьютера / С. М. Нехамин, А. Н. Попов, М. А...Фридман, А.В. Колок // Компьютерные методы в управлении электротехнологическими режимами руднотермических печей. Доклады научно-технич. совещания «Электротермия-98» 2-3 июня 1998 г. С-Пб., 1998. - С. 131 - 138.

65. Система управления на базе промышленного компьютера для руднотермиче-ской печи / Нехамин С. М., Легович Ю. С., Лебедев В. Г.[и др.]. // Компьютерные методы в управлении электротехнологическими режимами руднотермических печей. Доклады науч.-технич. совещания «Электротермия-98» 2-3 июня 1998 г. С-Пб., -1998.-С. 279-289.

66. Создание и эксплуатационные испытания ферросплавных печей с источниками питания пониженной частоты / С. М. Нехамин, И. П. Бруковский, С. А. Саньков [и др.] // Рудовосстановительные электропечи (Труды / ВНИИЭТО). - М.: Энергоатом-издат, 1988. - С. 22 - 27.

67. Электрические режимы РТП при питании током пониженной частоты / С. М. Нехамин, И. П. Бруковский, А. А. Деднев, Д. А.Червоноокий // Актуальные проблемы создания дуговых и руднотермических печей (Труды / ВНИИЭТО). - М.: Энергоатом-издат, 1984. - С. 67 - 70.

Подписано в печать Шог, т£ Зак. f-ô Тир. fOD П.л.

Полиграфический центр МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13