СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗОН РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ
METHOD FOR DETERMINING ELECTRIC RESISTANCES OF ZONES OF WORK SPACE OF ELECTRIC ARC FURNACE

Изобретение относится к области измерений электрических параметров дуговых электропечей, предназначенных для получения электростали, ферросплавов, карбидов, фосфора и плавленых огнеупоров.
Известен способ определения параметров схем замещения подэлектродных зон руднотермической печи (РТП) на основе измерения гармонических составляющих рабочих токов и напряжений на электродах в ходе технологического процесса, что позволяет рассчитывать параметры схем замещения (сопротивления зон рабочего пространства) как на основе полного спектра, так и при учете различного числа гармонических составляющих токов и напряжений, определять энергетические параметры и распределение энергии в подэлектродных зонах [1].
Также известен способ определения сопротивления подэлектродного и межэлектродного объемов ванны шестиэлектродной рудотермической печи, при котором в шестиэлектродной печи с попарным подключением электродов измеряют заглубление первого из пары электродов, определяют значение фазного тока и напряжений между электродами и подиной, их приращения и на основании этих данных рассчитывают сопротивление объемов ванны под каждым электродом и между ними [2].
Недостаток известных способов состоит в низкой точности определения электрических параметров.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ измерения электрических параметров рабочей зоны рудотермической печи, при котором между подиной и одним из электродов на время измерения подключают дополнительное сопротивление, измеряют вызываемые этим подключением изменения токов электродов и напряжений между электродами и подиной, и по ним определяют параметры схемы замещения рабочей зоны печи и долю токов электродов, стекающих на подину [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что значения переменных токов дуг и величин падений фазовых напряжения на каждом из электродов имеют стохастический характер и существенно изменяются в пределах каждого периода, отклоняясь от синусоидального закона. Это снижает точность определения электрических сопротивлений зон рабочего пространства электродуговой печи с токопроводящей подиной.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении точности определения электрических сопротивлений зон рабочего пространства электродуговой печи.
p
д
ш
д
Для этого в дополнение к известному способу определения электрических параметров зон рабочего пространства дуговой электропечи для рафинировочного, шлакового и бесшлакового процессов, при которых измеряют мгновенные ток и фазное напряжение электрода, определяют амплитудные значения и фазы тока и напряжения, и по ним вычисляют сопротивления зон рабочего пространства с использованием схемы замещения, предлагается в качестве схем замещения использовать схемы с активным электрическим сопротивлением (R), включенным в схему замещения последовательно электрическому сопротивлению дуги (r), которое характеризует зону расплава в приэлектродном пространстве дуговой печи и активным электрическим сопротивлением (R), включенным в схему замещения параллельно r, которое характеризует зону шихты шунтирующей дугу в приэлектродном пространстве дуговой печи, при этом мгновенные значения тока и напряжения измерять на временном интервале, кратном периоду изменения тока, по этим значениям рассчитывать значения дифференциального активного сопротивления цепи электрода, далее определять его максимальное значение и среднюю величину из минимальных значений дифференциального активного сопротивления цепи электрода, а сопротивление зон рабочего пространства вычислять по соотношениям:
для рафинировочного процесса
p
диф.ср.min
R=r;
для шлакового процесса:
p
диф.ср.min
R=r;
ш
диф.max
p
R=r-R;
для бесшлакового процесса:
ш
диф.max
R=r;
p
ш
диф.ср.min
ш
диф.ср.min
R=Rr/(R-r).
диф.ср.min
диф
r - среднее из минимальных дифференциальных активных сопротивление цепи электрода (r);
диф.max
r - максимальное дифференциальное активное сопротивление цепи электрода.
Сущность изобретения поясняется изображенными на Фиг.1-3 схемами замещения, применительно к рафинировочному процессу (Фиг.1), шлаковому процессу (Фиг.2) и бесшлаковому процессу (Фиг.3).
Электрическая цепь с дуговым разрядом является нелинейной. В силу специфики горения электрической дуги, из-за нестабильности химического состава и проводимости расплава металла, шлака, формы активной части электрода мгновенные значения электрических параметров нестабильны, что отрицательно сказывается на точности определения электрических параметров зон рабочего пространства дуговой электропечи и затрудняет управление технологическим процессом выплавки.
В связи с этим для повышения точности определения электрических параметров, а именно электрических сопротивлений зон рабочего пространства дуговой электропечи, предложено измерять мгновенные значения токов и напряжений на одном (или нескольких последовательных) временном интервале, равном периоду изменения тока. При использовании тока с промышленной частотой f=50 Гц, продолжительность одного временного интервала измерения составляет t=0,02 с.
д
p
ш
эл
эл
Для определения электрических параметров зон рабочего пространства дуговой электропечи (т.е. величин сопротивлений r, R, R) при известном токе электрода (i) и падении напряжения на его активном сопротивлении (u) воспользуемся следующими свойствами дуги.
эл
эл
д
1. В момент времени, когда i стремится к 0 (i→0) дуга гаснет и ее сопротивление стремится к бесконечности (r→∞).
д
д
2. После зажигания дуги существует момент времени, когда напряжение дуги (u) постоянно и не зависит от тока, т.е. u=const.
Исходя из того, что для выплавки используется переменный ток, изменяющийся во времени t, то для оценки мгновенных значений параметров необходимо применять дифференциальный анализ. В этом случае падение напряжения на активном сопротивлении цепи электрода в общем случае равно:
эл
где r - активное сопротивление электрода.
Исходя из (1), можно записать:
Для рафинировочного процесса (Фиг.1):
Для шлакового процесса (Фиг.2):
Для бесшлакового процесса (Фиг.3):
д
ш
p
Следует отметить, что переменным во времени в уравнениях (1)-(4) является только нелинейное сопротивление r (1), а R и R на рассматриваемом промежутке времени остаются постоянными.
эл
эл
Для нахождения значения сопротивления цепи электрода в моменты времени, отвечающие упомянутым выше свойствам 1 и 2 дуги, производят анализ дифференциального сопротивления, как отношения первых производных напряжений (и)' и тока (i)' по времени:
эл
Из свойства 1 следует, что в момент времени, когда i→0:
д
Из свойства 2 следует, что в момент времени, когда u=const и не зависит от тока, можно записать:
диф
д
p
эл
r=((u)'+(u)')/(i)';
p
p
где (u)' - первая производная от величины падения напряжения на сопротивлении R;
диф
д
диф
диф
д
диф
диф
ш
p
диф
Другими словами, если действует свойство 1, дифференциальное сопротивление r является максимальным и не содержит нелинейного сопротивления r при этом (r(t))' меняет свой знак с плюса на минус. Если же действует свойство 2, то дифференциальное сопротивление r является минимальным и также не содержит нелинейного сопротивления r, a (r(t))' меняет свой знак с минуса на плюс. Однако вследствие нестабильности свойств расплава за полупериод может иметь место несколько минимумов и максимумов r. Поэтому для практических расчетов R и R во внимание принимают наибольшее значение среди множества максимальных и среднее из множества минимальных значений r.
Примеры реализации способа
Определение электрических параметров зон рабочего пространства проводят применительно к ванне дуговой электропечи типа РКЗ-21 с токопроводящим подом, работающей на переменном токе промышленной частоты (ТПЧ), т.е. f=50 Гц.
эл
эл
При ведении электродугового процесса на одной из питающих фаз Ф производят непрерывное измерение мгновенных значений тока i(t) и напряжения и(t) на интервале времени, равном одному периоду ТПЧ: t=1/f=0,02 с.
По измеренным значениям рассчитывают дифференциальное активное сопротивление цепи электрода:
эл
эл
эл
диф
эл
эл
r(t)=u(t)/i(t); => r=(u)'/(i)'.
диф
Горение электрической дуги происходит в среде, где протекают эндотермические реакции, что нарушает стабильность ее характеристик. Вследствие этого величина дифференциального сопротивления r(t) изменяется во времени по кривой, имеющей несколько (в частном случае 3) минимальных значений:
диф.min 1
диф.min 2
диф.min 3
r=0,93 мОм; r=0,51 мОм; r=0,48 мОм.
диф
Минимальные значения фиксируют в моменты времени, когда первая производная от функции r(t) становится равной нулю и при переходе через нуль меняет свой знак с минуса на плюс.
диф.ср.min
По полученным минимальным значениям дифференциального активного сопротивления цепи электрода рассчитывают среднее из минимальных (среднее минимальное) значение r:
диф.ср.min
диф.min 1
диф.min 2
диф.min 3
r=(r+r+r)/3=(0,93+0,51+0,48)/3=0,64 мОм.
Затем, используя схему замещения, определяют электрические сопротивления зон рабочего пространства дуговой электропечи в зависимости от типа технологического процесса плавки.
1. Рафинировочный процесс (Фиг.1):
p
диф.ср.min
R=r=0,64 мОм.
Для остальных типов процесса определяют максимальное значениям дифференциального активного сопротивления цепи электрода, при котором первая производная меняет свой знак с плюса на минус:
диф.maх
r=1,18 мОм.
2. Шлаковый процесс (Фиг.2):
p
диф.ср.min
R=r=0,64 мОм;
ш
диф.max
P
R=r-R=1,18-0,64=0,54 мОм.
3. Бесшлаковый процесс (Фиг.3):
ш
диф.max
R=r=1,18 мОм;
P
ш
диф.ср.min
ш
диф.ср.min
R=Rr/R-r)=1,18·0,6/(1,18-0,64)=1,4 мОм.
эл
эл
Мгновенные значения тока i(t) и напряжения u(1) могут быть измерены на интервале времени, кратном периоду ТПЧ, т.е. 0,04 с, 0,06 с, 0,08 с и т.д. Все остальные операции по определению электрических сопротивлений зон рабочего пространства дуговой электропечи будут теми же.
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что его реализация позволяет точно и однозначно определить электрические сопротивления зон рабочего пространства дуговой электропечи с использованием схемы замещения и результатов расчетов мгновенных значений дифференциального активного сопротивления цепи электрода в условиях нестабильности горения дуги, присущего реальным рудовосстановительным и электросталеплавильным процессам.
Источники информации
1. Лукашенков А.В., Фомичев А.А. Инженерная методика расчета параметров схем замещения подэлектродных зон руднотермической печи. Журнал «Сталь». 1998. №10, стр.25-29.
2. Авт.св. СССР №1585905, МКП Н05В 7/144, 1990 г.
3. Авт.св. СССР №379063, МКП Н05В 7/18, 1973 г. - прототип.