научная статья по теме ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ ПЕЧАМИ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ ПЕЧАМИ»

УДК 621.365.22

ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ ПЕЧАМИ

© Сивцов Андрей Владиславович1, д-р техн. наук, e-mail: aws2004@mail.ru; Шешуков Олег Юрьевич1, 2, д-р техн. наук, e-mail: ferro1960@mail.ru; Цымбалист Михаил Михайлович1, канд. техн. наук, e-mail: cherknimne@yandex.ru;

Некрасов Илья Владимирович1, канд. техн. наук, e-mail: ivn84@bk.ru; Егиазарьян Денис Константинович1, e-mail: avari@mail.ru

1 ИМЕТ УрО РАН. Россия, г. Екатеринбург

2 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург

Статья поступила 23.12.2013 г.

Рассмотрены причины появления постоянных составляющих тока и напряжения в электродуговых печах. Отмечено, что на точность оценки постоянной составляющей напряжения дуги большое влияние оказывает способ отбора сигнала напряжения. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик электрической дуги на лабораторной установке. Показано, что величина постоянной составляющей напряжения на электродах зависит от постоянной составляющей тока электрода. Приведена методика определения постоянной составляющей напряжения дуги по значениям постоянных составляющих тока, напряжения и сопротивления электродов. Обосновано, что в целях оперативного контроля параметров вентильного эффекта целесообразно применять метод динамических вольтамперных характеристик, а в качестве контролируемого параметра использовать не постоянную составляющую, а разность установившихся значений напряжения дуги.

Ключевые слова: дуговые сталеплавильные печи; вентильный эффект дуги; переменный ток; электрические характеристики; постоянная составляющая тока и напряжения; контроль и управление.

В последние годы в решении проблемы автоматизации производства стали в ДСП все более проявляется тенденция к переходу от автоматизированного к автоматическому управлению процессом. Ведущие мировые производители металлургических печей и систем управления, в частности, SMS Demag, поставляют на российский рынок агрегаты с возможностью плавки в полностью автоматическом режиме. Однако, несмотря на множество преимуществ применения автоматического управления, в том числе и вследствие исключения субъективного фактора, в условиях отечественного производства функционирование этих систем связано с трудноразрешимой проблемой, обусловленной низким и непостоянным качеством сырья.

Приобретаемые российскими предприятиями современные сверхмощные ДСП снабжены автоматическими системами управления (АСУ) с закрытым программным обеспечением, настроенными на работу с металлоломом и шлакообразующими материалами высокого качества. Работа же с отечественным сырьем требует гибкого регулирования основных технологических режимов плав-

ки. Невозможность варьирования регламента режимов не позволяет в полной мере решать задачи энерго- и ресурсосбережения и достигать высоких технико-экономических показателей, характерных, например, для работы тех же самых ДСП за рубежом.

С другой стороны, подавляющую часть отечественного парка ДСП составляют печи малой (от 1,5 т) и средней (1525 т) мощности. Большинству этих печей присущ чрезвычайно низкий уровень управления технологическим процессом: единственным средством автоматизации служит регулятор мощности, а для информации о ходе процесса используются электроизмерительные приборы. В процессе реконструкции физически изношенные и морально устаревшие регуляторы заменяют новыми системами, разработанными с применением современных средств вычислительной техники, однако для контроля состояния технологического процесса эти системы остаются малоинформативными.

Вместе с тем, присутствие в рабочем пространстве ДСП электрической дуги - элемента с ярко выраженными нелинейными свойствами, благодаря анализу электрических параметров дуги позволяет существенно расширить объем информации, как о состоянии самого разряда, так и о состоянии окружающего дугу пространства. К таким параметрам относятся присутствующие в сигналах тока и напряжения постоянные составляющие (ПС), возникновение которых связано, в первую очередь, с вентильным эффектом.

Вероятно, выпрямляющее действие дуги (вентильный эф-

фект) впервые было отмечено в исследованиях сварочных процессов [1]. В одном из опытов напряжение зажигания дуги постоянного тока при смене полярности электродов, различающихся по химическому составу, изменилось с 20 до 30 В. В электрометаллургических агрегатах, при изучении электрических характеристик дуг переменного тока, это явление также было обнаружено при анализе сигнала фазного падения напряжения в печах переменного тока [2]. Было дано и объяснение природы этого эффекта - преимущественное распространение тока в определенном направлении обусловлено различием токов термоэлектронной эмиссии электродов, изготовленных из различных материалов.

В результате многочисленных исследований электрических характеристик в процессах выплавки стали и ферросплавов методом аналоговой фильтрации был определен ряд закономерностей изменения постоянной составляющей в сигналах фазного падения напряжения в зависимости от изменения условий горения дугового разряда. Так, например, было отмечено [2], что в цикле выплавки стали основным процессом ПС напряжения дуги изменяется от 60 В в начале плавки до 20 В в ее середине, а к концу снижается до нуля и возникает снова, но с обратным знаком. При этом принимался симметричный режим работы печи и полагалось, что в печах с трехфазной схемой без нулевого провода ПС токов электродов отсутствуют. В работе [3] подчеркивается, что ПС токов электродов в печах без нулевого провода возникают только во время расплавления металла, т.е. в период существенной асимметрии электрического режима, а их величины и направления непрерывно меняются. Авторы отмечают, что ПС тока вызывают погрешности его измерения с помощью трансформаторов вследствие подмагничивания сердечников и предлагают методику их оценки в различных режимах работы печи.

Указанные исследования носили экспериментальный характер и проводились с использованием специально созданных измерительных цепей и оборудования, позволяющих максимально приблизить точку отбора сигнала напряжения к дуге. Такой отбор не представляется возможным для непрерывного контроля ПС напряжения, поэтому сигнал напряжения в системах непрерывного контроля снимается с выхода печного трансформатора и включает в себя как ПС напряжения дуги, так и обусловленное ПС тока в электроде падение напряжения на активном сопротивлении, последовательно включенном с ду-

гой. Учитывая, что ПС напряжения и тока имеют противоположные направления, постоянные составляющие исходного сигнала напряжения всегда будут занижены, а при определенных условиях (короткая дуга, повышенная сила тока) возможно изменение знака ПС.

Одним из наиболее ценных практических применений контроля ПС напряжения дуги является способ оценки содержания оксидов железа в шлаке при выплавке стали в ДСП [4], в котором кислородный потенциал шлака оценивают по значению постоянной составляющей фазного напряжения. Основной недостаток способа, вызывающий существенную погрешность такой оценки, заключается в том, что регистрируют не саму ПС напряжения дуги, а параметр, зависящий еще и от ПС тока в электроде.

В работах [5-7] приводятся результаты исследований ПС фазного напряжения при выплавке фосфора, карбида кальция и электрокорунда. В этих процессах дуга в течение всей плавки или на определенной ее стадии шунтирована шихтой или шлаком. Авторы утверждают, что помимо термоэлектронной эмиссии существует еще одна причина возникновения ПС напряжения шунтированной дуги - скачок потенциала на границе раздела фаз «электрод-электролит». Вопрос о соразмерности термоэмиссионного и электрохимического факторов остается по-прежнему дискуссионным, как и методы разделения ПС, обусловленные этими причинами. Тем не менее, авторы [7] для оценки ПС напряжения непосредственно на дуге вводят в оценочные зависимости поправочный член, учитывающий ПС тока электрода, и приводят зависимость, связывающую ПС напряжения «электрод-под» с ПС химической и эмиссионной природы.

В целом общепризнано, что в электрических печах переменного тока существуют независимые источники постоянного тока, генерирующие постоянную ЭДС, величина которой зависит от температуры и химического состава электродов и окружающей среды. Следовательно, по ПС напряжения дуги можно контролировать широкий ряд параметров и характеристик, оказывающих значительное влияние на ход технологического процесса. В связи с этим чрезвычайно важно организовать отбор электрических сигналов и методику их обработки таким образом, чтобы погрешность определения постоянных составляющих была минимальной.

Для реализации оценки ПС требуется, по меньшей мере, по два сигнала от каждой из фаз

печи - фазного напряжения и тока электрода. При отборе напряжения гальваническая развязка сигналов посредством разделительных трансформаторов неприемлема. Иная ситуация с сигналами токов электродов, составляющих десятки килоампер. Наиболее надежным и простым датчиком в данном случае является пояс Роговско-го, выходное напряжение которого пропорционально производной тока по времени. Однако его применение требует решения дополнительной методической задачи - восстановления потерянной при дифференцировании ПС тока.

Для изучения особенностей контроля ПС тока и напряжения дуги были проведены исследования на лабораторной одноэлектродной печи с открытой дугой [8]. Напряжение на электроды подавали от сварочного трансформатора, вторичное напряжение которого составляло 85 В. Для обеспечения непрерывного режима горения последовательно с дугой включался насыщенный реактор с регулируемой индуктивностью. Дугу зажигали между подвижным верхним электродом и дном графитового тигля, установленного на неподвижном нижнем электроде, или на шла-ково-металлический расплав. Силу тока дуги варьировали в пределах 200-400 А.

Сигнал напряжения иэл(£) отбирали непосредственно с электродов и с помощью резистивно-го делителя приводили к амплитуде, допустимой для аналого-цифрового преобр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»