Сталь – ковкий деформируемый сплав железа и углерода, один из наиболее широко применяемых материалов в производстве, строительстве и машиностроении. Выработка стали может осуществляться с использованием различных по принципу действия металлургических агрегатах. Широкое распространение на сегодняшний день получили дуговые сталеплавильные печи (ДСП) переменного тока прямого действия. Высокая производительность, простота в эксплуатации, возможность выпуска широкого сортамента высококачественных сталей, отвечающих требованиям ГОСТ 997-75, а так же широкий диапазон типовых размеров агрегатов вместимостью от 0.5 до 400 тонн являются основными конкурентными преимуществами.

Технология процесса производства в ДСП основывается на превращении электрической энергии в тепло, происходящее в разряде – дуге, протекающей в газовых и паровых средах. В печах прямого действия горение дуги происходит между электродами и непосредственно нагреваемым металлом. Как физическое явление дуга имеет ряд характерных особенностей. Существование дуги возможно только при определенных значениях тока и напряжения, а так также длины дуги [1-5].

Процесс горения дуги в печах на начальном этапе, а так же в момент кипени металла является нестабильным. Это обусловлено изменениями положения шихты в твердой завалке, образованием пузырей в момент полного расплавления и кипения металла, а так же рядом косвенных параметров. Поддержание определенных электрических режимов, обеспечивающих стабильности горения, является основной задачей управления. Практика промышленного использования, а так же анализ проведенных ранее исследований [1-5] показал, что изменение электрического режима печи возможно двумя путями: изменением длины дуги и изменением вторичного напряжения.

Разработка наиболее эффективных автоматизированных системы регулирования (АСР) возможно только при тщательном изучении процесса горения дуги, а так же зависимости электрического режима (значений тока и напряжения) от изменения длины дуги и вторичного напряжения трансформатора.

Для рассмотрения процесса воспользуемся схемой замещения электрической цепи однофазной дуги с соответствующими расчетными уравнениями, рассматриваемой ранее в трудах С. И. Тельным. Из-за сложности процессов, происходящих в печи, были введены следующие допущения [4]:

·       мгновенные значения напряжения дуги за время её горения в каждом полупериоде примем равными постоянному значению;

·       зависимость длины дуги от тока при постоянном напряжении в области рабочих значений заменена линейной функцией;

·       дуга переменного тока будет заменена активным сопротивлением r и включенной в цепь индуктивностью L.

Подобные допущения позволяют учесть нелинейность дуги переменного тока и получить наиболее близкие значения к действительным результатам [2, 4].

Положим, что в цепи дуги протекает переменный ток:

Из анализа Рисунка 1 можно определить область рабочих значений (L<= 59 мм) и область обрыва дуги (L>59 мм). Аппроксимируя полученные данные полиномами первого и второго порядка в области рабочих значений, получим необходимую зависимость для дальнейших расчетов. Графики аппроксимирующих функций представлены на Рисунке 2.

Рассмотренная выше модель, позволяет получить кривые мгновенного синусоидального тока для приложенного напряжения. Получаем, что уравнения (1-9), представляют собой математическое описание процесса горения дуги в ДСП переменного тока как объекта управления.

Для получения наиболее эффективной АСР необходимо проанализировать данные о статических и динамических свойствах регулируемого объекта. Для этого воспользуемся расчетными уравнениями (1-9) с помощью которых построим статические и динамические характеристики регулируемого объекта. Расчет произведем для следующих параметров Um = 308В, Ud = 130 B (для начальных этапов плавки), Ud = 140 B, cosj = 0.88, С = 1.32.

Статическая характеристика представляет собой зависимость выходных величин от входных при установившемся режиме работы (номинальный режим работы на этапе процесса). В нашем случае это зависимость тока от длины дуги и зависимость тока от вторичного напряжения трансформатора. Процесс плавки содержит в себе несколько этапов с определенными для каждого из них номинальными режимами. Для значений, построим статические характеристики для различных этапов плавки. Для этого воспользуемся математической моделью. Изменяя значение одной из входных переменных от -50% до +50% от значения в номинальном режиме и сохраняя номинальные значения для других, получим необходимые статические характеристики. Полученные результаты представлены на Рисунке 3. Для большей наглядности построение производились на одном графике [7].

На Рисунке 3 представлены и пронумерованы статические характеристики для разных этапов плавки. Рассмотрим их подробнее.

1.     Характеристики 1’ и 1” относятся  к 1-му этапу плавки. Точка А, являющаяся точкой пресечения характеристик, соответствует номинальному режиму, определяемому заданием: I = 3780 A; U = 130 В; l = 17 мм.

Характеристика 1’ – зависимость тока от вторичного напряжения трансформатора. Характеристика 1” – зависимость тока от длины дуги.

2.     Характеристики 2’ и 2” относятся ко 2-ому и 4-ому этапам плавки. Точка В, являющаяся точкой пресечения характеристик, соответствует номинальному режиму, определяемому заданием: I = 4200 A; U = 140 В; l = 21 мм.

Характеристика 2’ – зависимость тока от вторичного напряжения трансформатора. Характеристика 2” – зависимость тока от длины дуги.

3.     Характеристики 3’ и 3” относятся к 3-му этапу плавки.  Точка С, являющаяся точкой пресечения характеристик, соответствует номинальному режиму, определяемому заданием: I = 4200 A; U = 130 В; l = 17 мм.

Характеристика 3’ – зависимость тока от вторичного напряжения трансформатора. Характеристика 3” – зависимость тока от длины дуги.

Анализируя полученные данные, нельзя однозначно решить какое регулирующее воздействие необходимо использовать в системе управления, поэтому построим и проанализируем динамические характеристики регулируемого объекта для одного из этапов процесса.

Динамические характеристики представляют собой зависимость между изменением значений входных и выходных величин в динамическом режиме (во времени). Для анализа объекта управления, построим динамическую вольтамперную характеристику (ВАХ) для синусоидальных кривых значений тока и динамическую характеристику для несинусоидальных  кривых среднеквадратических действующих значений тока. Для этого изменим одно из входных воздействий на 20%, сохранив при этом значение другого неизменным. Полученные результаты представлены на рисунках 4, 5 [7].

На Рисунке 4 представлены три вольтамперные характеристики дуги: 1 – ВАХ для номинального режима работы;

1 – ВАХ для режима, в котором увеличили длину дуги на 20%;

2 – ВАХ для режима, в котором увеличили вторичное напряжение на 20% .

На     Рисунке      5      изображены     динамические      характеристики     для      несинусоидальных     кривых среднеквадратических действующих значений тока:

1 – Характеристика для номинального режима работы;

2 – Характеристика для режима, в котором увеличили длину дуги на 20%;

3 – Характеристика для режима, в котором увеличили вторичное напряжение на 20%.

Анализ Рисунков 4, 5 показал, что наибольшее отклонение от номинального режима произошло с изменение вторичного напряжения. Исходя из этого, в качестве управляющего воздействия можно выбрать изменение вторичного напряжения. Однако частые коммутации сильноточных цепей приводят к быстрому износу оборудования и являются непригодными для оперативного изменения параметров дуги. Поэтому изменение вторичного напряжения используется только несколько раз за период плавки в определенные технологом моменты  времени.  Получаем,  что  в качестве управляющего  воздействия используем  изменение длины дуги за счет перемещения электродов как наиболее простой и удобный способ регулирования [2].

Практика использования ДСП показала, что управление данным объектом возможно различными путями с использование различных автоматических систем регулирования. Анализ статических и динамических характеристик показал, что изменение длины дуги является наиболее простым и удобным способом управления.

 

Список литературы

1.  Браславский И.Я. Энергосберегающие асинхронный электроприводы: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений [Текст]/ Браславский И.Я., З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 256с.

2.     Лапшин, И.В. Автоматизация дуговых печей [Текст]/ Лапшин И.В. Московский Институт Стали и Сплавов г. Москва 2004 г - 166 с.

3.     Регламент №1.2.1236 «Производство букс» OAO «Вагонреммаш»

4.     Свенчанский, А.Д Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева: Учебник для вузов [Текст]/ Свенчанский А.Д., Жердев И.Т., А.М. Кручинин и др. – М.: Энергоиздат, 1981.– 296 с.

5.     Сойфер, В.М Дуговые печи в сталелитейном цехе [Текст]/ Сойфер В.М., Кузнецов Л.Н.,–         М.:«Металлургия», 1989. –176 с.

6.     Третьякова, Н.В. Технология конструкционных материалов: Курс лекций/ Материаловед для преподавателей и научных работников// URL: http://xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai/uchebniki/osnovy- metallurgicheskogo-proizvodstva (дата обращения: 16.04.2016)

7.     Оневский, П.М. Автоматизация технологических процессов и производств [Электронный ресурс]: учебное пособие / Оневский П.М., Погонин В.М., Скворцов С.А. – Т.: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012 – 216 с.