способ определения электрических сопротивлений зон рабочего пространства дуговой электропечи

Формула изобретения

Способ определения электрических сопротивлений зон рабочего пространства дуговой электропечи для рафинировочного, шлакового и бесшлакового процессов, включающий измерение мгновенных значений тока и фазного напряжения электрода, определение амплитудных значений и фазы тока и напряжения и вычисление по ним электрических сопротивлений зон рабочего пространства с использованием схем их замещения, отличающийся тем, что в качестве схем замещения используют схемы с активным электрическим сопротивлением (R _Р), включенным в схему замещения последовательно электрическому сопротивлению дуги (r_д), которое характеризует зону расплава в приэлектродном пространстве дуговой печи и активным электрическим сопротивлением (R_ш), включенным в схему замещения параллельно r_д, которое характеризует зону шихты шунтирующей дугу в приэлектродном пространстве дуговой печи, при этом мгновенные значения тока и напряжения измеряют на временном интервале, кратном периоду изменения тока, по этим значениям рассчитывают значения дифференциального активного сопротивления цепи электрода, определяют в момент времени, когда его первая производная переходит с плюса на минус, его максимальное значение и среднюю величину из его минимальных значений, определяемых как переход его первой производной с минуса на плюс, а электрическое сопротивление зон рабочего пространства вычисляют по соотношениям:

для рафинировочного процесса

R_p=r _{диф.ср.min},

для шлакового процесса

R _P=r_{диф.ср.min},

R_ш=r_диф.max -R_P,

для бесшлакового процесса

R _ш=r_диф.max,

R_P=R_ш r_{диф.ср.min}/(R_ш-r_{диф.ср.min}),

где сопротивление r_{диф.ср.min} - среднее из минимальных дифференциальных активных электрических сопротивлений электрода;

r_диф.max - максимальное дифференциальное активное электрическое сопротивление электрода.

Описание изобретения к патенту

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.

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_p), включенным в схему замещения последовательно электрическому сопротивлению дуги (r_д), которое характеризует зону расплава в приэлектродном пространстве дуговой печи и активным электрическим сопротивлением (R_ш), включенным в схему замещения параллельно r _д, 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

R _p=r_{диф.ср.min};

для шлакового процесса:

R_p=r_{диф.ср.min} ;

R_ш=r_диф.max-R_p ;

для бесшлакового процесса:

R _ш=r_диф.max;

R_p=R _шr_{диф.ср.min}/(R_ш-r_{диф.ср.min} ).

r_{диф.ср.min} - среднее из минимальных дифференциальных активных сопротивление цепи электрода (r _диф);

r_диф.max - 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.

Для определения электрических параметров зон рабочего пространства дуговой электропечи (т.е. величин сопротивлений r_д, R_p, R_ш) при известном токе электрода (i_эл) и падении напряжения на его активном сопротивлении (u_эл) воспользуемся следующими свойствами дуги.

1. В момент времени, когда i_эл стремится к 0 (i_эл 0) дуга гаснет и ее сопротивление стремится к бесконечности (r_д ).

2. После зажигания дуги существует момент времени, когда напряжение дуги (u_д) постоянно и не зависит от тока, т.е. u_д=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:

где r_эл - активное сопротивление электрода.

Исходя из (1), можно записать:

Для рафинировочного процесса (Фиг.1):

Для шлакового процесса (Фиг.2):

Для бесшлакового процесса (Фиг.3):

Следует отметить, что переменным во времени в уравнениях (1)-(4) является только нелинейное сопротивление r_д (1), а R_ш и R_p на рассматриваемом промежутке времени остаются постоянными.

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 _эл)' и тока (i_эл)' по времени:

Из свойства 1 следует, что в момент времени, когда i_эл 0:

Из свойства 2 следует, что в момент времени, когда u_д=const и не зависит от тока, можно записать:

r_диф=((u_д)'+(u _p)')/(i_эл)';

где (u _p)' - первая производная от величины падения напряжения на сопротивлении R_p;

Другими словами, если действует свойство 1, дифференциальное сопротивление r_диф является максимальным и не содержит нелинейного сопротивления r_д при этом (r_диф(t))' меняет свой знак с плюса на минус. Если же действует свойство 2, то дифференциальное сопротивление r_диф является минимальным и также не содержит нелинейного сопротивления r_д, a (r_диф(t))' меняет свой знак с минуса на плюс. Однако вследствие нестабильности свойств расплава за полупериод может иметь место несколько минимумов и максимумов r_диф. Поэтому для практических расчетов R_ш и R_p во внимание принимают наибольшее значение среди множества максимальных и среднее из множества минимальных значений r_диф.

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.

При ведении электродугового процесса на одной из питающих фаз Ф производят непрерывное измерение мгновенных значений тока i_эл(t) и напряжения и_эл(t) на интервале времени, равном одному периоду ТПЧ: t=1/f=0,02 с.

По измеренным значениям рассчитывают дифференциальное активное сопротивление цепи электрода:

r_эл(t)=u _эл(t)/i_эл(t); => r_диф=(u_эл )'/(i_эл)'.

Горение электрической дуги происходит в среде, где протекают эндотермические реакции, что нарушает стабильность ее характеристик. Вследствие этого величина дифференциального сопротивления r_диф(t) изменяется во времени по кривой, имеющей несколько (в частном случае 3) минимальных значений:

r_{диф.min 1}=0,93 мОм; r_{диф.min 2}=0,51 мОм; r_{диф.min 3}=0,48 мОм.

Минимальные значения фиксируют в моменты времени, когда первая производная от функции r_диф(t) становится равной нулю и при переходе через нуль меняет свой знак с минуса на плюс.

По полученным минимальным значениям дифференциального активного сопротивления цепи электрода рассчитывают среднее из минимальных (среднее минимальное) значение r_{диф.ср.min}:

r_{диф.ср.min} =(r_{диф.min 1}+r_{диф.min 2}+r_{диф.min 3} )/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):

R_p=r_{диф.ср.min}=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:

r_диф.maх=1,18 мОм.

2. Шлаковый процесс (Фиг.2):

R_p=r_{диф.ср.min} =0,64 мОм;

R_ш=r_диф.max-R _P=1,18-0,64=0,54 мОм.

3. Бесшлаковый процесс (Фиг.3):

R_ш=r_диф.max=1,18 мОм;

R_P=R_шr_{диф.ср.min} /R_ш-r_{диф.ср.min})=1,18·0,6/(1,18-0,64)=1,4 мОм.

Мгновенные значения тока i_эл(t) и напряжения u_эл(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.