Система управления рудно-термической печи с использованием гармонических составляющих тока электродов

УДК 658.012.011.56:658.512

В.В.ВАСИЛЬЕВ, канд. техн. наук, ст. инженер, 328-84-31 Санкт-Петербургский государственный горный университет

V.V.VASILIEV, PhD in eng. sc, senior engineer, 328-84-31 Saint Petersburg State Mining University

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

ТОКА ЭЛЕКТРОДОВ

Рассмотрены особенности электроплавки в рудно-термической печи, а также взаимосвязь электрических и технологических параметров и их влияние на характер протекания процессов в рудно-термической печи. Описан метод определения текущих значений электротехнологических характеристик на основе анализа гармонического состава тока электродов. Показана структура системы управления рудно-термической печи.

Ключевые слова: рудно-термическая печь, гармонический анализ тока, электрическая дуга, система управления.

CONTROL SYSTEM OF ORE-SMELTING FURNACE USING HARMONIC COMPONENTS OF ELECTRODES CURRENT

The features of electric melting in ore-smelting furnace are considered, and the correlation of electrical and technological parameters and their influence on the character of the processes in ore-smelting furnace. The method to determine the current values of electrotechnological characteristics based on the harmonic analysis of electrodes current. The structure and algorithm of control system for ore-smelting furnace is demonstrated.

Key words: ore-smelting furnace, harmonic analysis, electrical arc, control system.

Электроплавка - один из важнейших технологических процессов в металлургии черных и цветных металлов. В черной металлургии электроплавка применяется в основном для производства качественных сталей и ферросплавов, в цветной - для производства сплавов и рафинирования металлов, для переработки рудного сырья и шлаков в металлургии никеля, меди, свинца, цинка, олова.

Электропечи обладают рядом преимуществ - в них можно перерабатывать сырье практически любого состава и дисперсности, и недостатков - сложностью автоматизации и утилизации бедных газов, содержащих сернистый ангидрид [4].

Стабильность работы рудно-термичес-кой печи (РТП) обусловлена поддержанием

заданного распределения энергии в ванне печи. Его изменение вызывает изменение электрических и технологических параметров технологического процесса. Это предполагает возможность оценки технологических параметров по распределению энергии в ванне печи и оценки распределения энергии, в свою очередь, по электрическим параметрам.

Для управления работой электропечи необходимы следующие условия: изменение напряжения путем переключения ступеней печного трансформатора; изменение тока при неизменном вторичном напряжении за счет перемещения электродов; корректирующая загрузка компонентов шихты. Важно поддерживать с высокой точностью на за_ 157

Санкт-Петербург. 2011

данном уровне не только мощность, выделяющуюся в печи, но и определенное соотношение ее составляющих, т.е. распределение этой мощности в дуге, шихте и расплаве [1].

Из-за агрессивности среды и высокой температуры невозможно использование многих необходимых датчиков для прямого непрерывного измерения степени развития электрической дуги в рудно-термической печи. Поэтому о развитии электрической дуги предлагается судить по косвенным показателям.

Связь условий возникновения и степени развития дуги с электрическими параметрами печи и свойствами шихты и расплава, появляющаяся в изменении гармонического состава напряжения и тока электродов, предполагает контроль не только степени развития дуги и распределения мощности в печи между дугой и материалами, заполняющими ванну, но и целого ряда технологических параметров, влияющих на работу печи: количество расплава в печи, его состав, степень восстановления целевого продукта и т.п.

Наличие в печи электрической дуги с ее нелинейной и несимметричной характеристикой вызывает в той или иной степени искажение формы кривых тока и напряжения на соответствующих осциллограммах. Для оценки степени развития дуги в этом случае применяется как описательная качественная характеристика осциллограмм, так и их численная расшифровка [3].

Прежде всего, представляют интерес искажения формы кривых тока и фазового напряжения в наиболее характерные моменты того или иного процесса. По этим осциллограммам можно провести общий анализ данного режима, получить сведения о характере и особенностях исследуемого процесса.

Количественная оценка несинусоидальности кривых рабочего тока электрода или фазового напряжения позволяет определить гармонические составляющие в различные периоды технологического процесса. На основании результатов измерения можно выбрать гармоники, которые наиболее точно характеризуют те или иные моменты работы электропечи, с помощью ко-

158 _

торых можно идентифицировать технологические факторы, оказывающие влияние на горение дуги.

В ходе исследований, в частности [2], были выяснены основные закономерности, показывающие взаимосвязи относительного содержания 2-й и 3-й гармоник и некоторых технологических параметров, зная которые можно использовать в алгоритмах управления:

( и ^2 1 иб - Ro Ii 4

VI1У

и

I

где 13/11 - относительное содержание 3-й гармоники с частотой 150 Гц; иб - фазное напряжении электрода; 11 - полный ток электрода, !а - ток дуги; Я0 -

электросопротивление расплава, на который горит дуга.

Для печей, работающих с открытой дугой (!а= 11), уравнение (1) позволяет определить сопротивление расплава, на который горит дуга, при известном значении 13/11. Величина Я0 в этом случае связана при постоянном составе расплава с его уровнем или температурой, или при постоянном уровне с его составом.

Таким образом, знание относительного содержания в токе электрода гармонической составляющей с частотой 150 Гц для рудно-термической печи, эквивалентная схема которой представляет собой сопротивление дуги, соединенное последовательно с сопротивлением расплава, на который она горит, может быть использовано для определения окончания плавки, т.е. достижения заданного уровня расплава при неизменном его составе или, наоборот, - при постоянном уровне. Уравнение (1) может быть также использовано и для определения необходимости корректировки состава расплава или своевременного перехода на другой режим при проведении плавки в несколько стадий.

В рудно-термической печи в определенных условиях дуга переменного тока также может стать причиной появления в токе электрода составляющей с частотой

Оператор-технолог___^>

Дозировка шихтовых материалов

Переключение ступеней трансформатора

Перемещение электродов

ГТ

I

Выпуск расплава

РТП

Ввод данных

Расчет Расчет Расчет

_ материального теплового

баланса баланса загрузки

^^_Блок оптимизации

I

Стабилизация тока в электродах

А

Стабилизация средней объемной мощности

Управление величиной сопротивления расплава

Управление величиной гармонических составляющих тока

Управление выпуском расплава / шлака

Управление переключением ступеней трансформатора

Структура системы управления рудно-термической печью

100 Гц - 2-й гармоники 12 . В исследовании [3] дано объяснение природы вентильного эффекта электрической дуги переменного тока. Это вызвано разным характером реакций на электродах и различной плотностью эмиссионных токов из катодных пятен на них, если эти электроды разной природы и находятся в различных тепловых условиях.

Относительное содержание гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода РТП имеет вид

=к12Е1и

(

V Л у

ил

1

I

Е2 ± к2^011 1 а

1 У

и

I

,

где 12111 - относительное содержание 2-й гармоники с частотой 100 Гц; к1, к2 - коэффициенты пропорциональности; Е1 - изменение изобарного потенциала (Л£) той реакции, в которой участвует углерод элек-

X Л7 17

трода, А1 =--; Е2 - разница приэлектрод-

nF

ных падений напряжений в соседних полупериодах.

Это уравнение справедливо в диапазоне значений I а/11 от нуля до единицы, т.е. при работе печи в режиме «сопротивления» и в дуговом, и смешанных режимах. Вместе с (1) уравнение (2) образует систему, решение которой при известных значениях 13/11 и 12/11, определяемых с помощью анализатора гармонического состава тока, позволяет определить электросопротивление реакционной зоны, распределение тока между дугой и шунтом и связанные с ними технологические параметры.

Величины Е1 и Е2 в уравнении (2) зависят от температуры или состава расплава, на который горит дуга. Поэтому при известных зависимостях этих величин от состава расплава или его температуры уравнения (1) и (2) позволяют не только определить значения Я0 и геометрические размеры реакционной зоны, но и состав расплава. Состав

Санкт-Петербург. 2011

расплава в рудно-термической печи меняется довольно медленно и в достаточно узких пределах. Поэтому предварительные ориентировочные расчеты значений Е1 и Е2 в дальнейшем при работе печи могут быть легко откорректированы и введены в соответствующие уравнения.

В отличие от методов, использующихся для оценки протекания технологического процесса, анализа состава расплава или отходящих печных газов, которые с большим опозданием отражают изменения, происходящие в ходе технологического процесса, гармонический анализ тока и напряжения дает оперативную картину состояния реакционной зоны и процессов, протекающих в ней.

На основании алгоритмов управления, использующих величины сопротивления расплава, предложена автоматизированная схема управления, позволяющую диагностировать уже в начальной стадии отклонения в ходе технологического процесса и своевременно изменять его электрические параметры: ток - перемещением электродов и напряжение - переключением ступеней напряжения трансформатора (см. рисунок).

Таким образом, комплексное использование электрических характеристик пред-

ставляется обоснованным и более точным, чем используемые в данный момент субъективные методы управления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вапник М.А. Автоматическое управление руд-но-термическими печами / М.А.Вапник, Э.Э.Семенов; НИИТЭХИМ. М., 1977.

2. Влияние гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода на работу рудно-термической печи / А.А.Педро, И.Н.Белоглазов, В.В.Васильев и др. // Металлург. 2009. № 5.

3. Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи. М.: Металлургия, 1974.

4. Электрохимические процессы химической технологии: Учеб. пособие для вузов / Под. ред. В.А.Ершова. Л.: Химия, 1984.

REFERENCES

1. VapnikM.A., Semenov E.E. Ore smelting furnaces automatic control; NIITEKHIM. Moscow, 1977.

2. Pedro A.A, Beloglazov I.N., Vasiliev V.V. Influence of harmonic component with frequency of 100 Hz in electrode current for ore-smelting furnace operation // Metallurg. 2009. N 5.

3. Sisoyan G.A. The electric arc in an electric furnace. Moscow: Metallurgiya, 1974.

4. The electrochemical processes of chemical technology: Studies. manual for high schools / Ed. V.A.Ersho . Leningrad: Khimiya, 1984.