книги из ГПНТБ / Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками

Для упрощения трудоемких работ по расчетам оптимальных режимов работы печи, выплавляющей стали различных марок, целесообразно при определении времени расплавления в зависимости от силы тока печи А1Ѵпечи отнести к 1 кВт ч. Тогда при выплавке стали любой марки для получения истинного времени расплавления масштаб кривой надо увеличить в Д1Ѵпечи раз.

Если расплавление металла происходит при нескольких ступенях напряжения с последовательным снижением мощности, то время плавления металла на каждой ступени определяется количеством

плавки, более точные результаты будут получены в том случае, если расчет выполнять для ряда более узких интервалов работы на выс­ шей ступени напряжения.

Исходя из уравнения (ІѴ-18), можно определить расход электро­ энергии на расплавление 1 т металла в зависимости от силы рабочего тока и напряжения сети. Допустим вначале, что весь период расплав­ ления производится на одной ступени напряжения трансформатора. В этом случае

Если известна зависимость мощности суммарных тепловых по­ терь от силы тока печи, то можно выяснить характер изменения удель­ ного расхода электроэнергии на расплавление в зависимости от элек­ трического режима печи. Для этого удобно, например, положить

Уравнение (ІѴ-25) позволяет в относительных единицах выяснить влияние электрических и тепловых потерь печи на удельный расход электроэнергии,

120

На рис. 57 приведен типовой характер зависимостей АТ* и A f* от силы тока, построенных для трех характерных моментов плавле­ ния. Построения выполнены по данным исследования 20-т печи. Для сравнения штриховыми линиями нанесены упрощенные зави­ симости АТ* и АЦ7*, полученные при условии, что в уравнениях (ІѴ-22)—(ІѴ-25):

лей Att^*.

Из анализа зависимостей, приведенных на рис. 57, следует, что при упрощенных методах расчета в течение всего плавления любым

Р и с . 57. Зависимость величин А Т * и A W * от силы тока печи

121

При неизменной силе тока I показатели АW*, АТ* монотонно увеличиваются во времени, причем скорость их изменения, т. е.

-jjj (AW*) и (АТ*) тем выше, чем меньше установленное значе­

ние силы тока. В течение первых двух интервалов плавления зави­ симость А W* (/) не имеет экстремум, а фактическое значение за­ метно ниже полученных по упрощенному методу.

После обвала шихты величины А W* и АТ* практически мгно­ венно и весьма существенно увеличиваются. Так как в течение пер­ вых двух интервалов плавления зависимость АW* (/) не имеет экс­ тремум, задача определений минимума расхода электроэнергии в этом случае теряет смысл.

Для третьего интервала плавки оптимальные силы токов I *

ЛМ/шіп ’

получаемые по уточненному методу, примерно в 1,5 раза больше, чем при упрощенном расчете. Оптимальные значения силы тока I • ,

min

полученные по уточненному и упрощенному методам, отличаются несущественно.

Таким образом, при рациональном управлении процессом плав­ ления следует учитывать уменьшение среднего значения мощности, обусловленное случайными изменениями электрического режима. Пренебрежение мощностью Ps = Рп т + Ракк приводит к сущест­ венной погрешности при определении рационального режима.

Методика расчета электрического режима, соответствующего минимуму стоимости стали

Себестоимость наплавленной стали (без учета влияния коэффи­ циента мощности) можно подразделить на две составляющие: по­ стоянную, независящую от исследуемых управляющих воздей­

ствий, определяемую статистическим путем, и переменную АС/, которая может быть минимизирована при оптимальном управлении процессом [62 ]

Б— сумма постоянных месячных расходов цеха (отне­ сенных к одной печи); расходы на эксплуатацию кранов, содержание персонала контроля и под­ собных рабочих, расходы по амортизации и ремонту оборудования, на воду, оплата услуг вспомога­

тельных цехов, общезаводские накладные и другие расходы;

В —стоимость расходуемых 1000 кВт ч электроэнергии и соответствующего им количества электродов;

GM— масса жидкого металла;

N — число часов работы печи в месяц.

122

Коэффициент мощности печей емкостью 20—100 т в период плав­ ления равен 0,73—0,85, а в целом за плавку он ниже 0,89. Поэтому, минимизируя себестоимость стали по уравнению (ІѴ-28), необходимо учитывать дополнительные расходы, связанные с ухудшением коэф­ фициента мощности по заводу, и начислять их на себестоимость стали с тем, чтобы выбранный режим являлся оптимальным не только для стелеплавильного цеха, но и для завода в целом.

Переменную составляющую себестоимости 1 т стали можно опре­ делить из следующих уравнений [62]:

cos фз и cos фз — среднемесячный cos ф по заводу при существующем режиме и ожидаемый при новом режиме для плавки; Ш — штрафной тариф, равный, например, 0,5 при усло­

К— отношение среднемесячных расходов электроэнергии по заводу в целом и по N печам;

А/С (/); К у— отношение установленных мощностей по заводу

вцелом и для N печей;

е— отношение среднемесячных фактических расходов электроэнергии за данный интервал у и по N печам;

tg ф;- и tg ф — значения tg ф для /-того интервала при сущест­ вующем и новом режимах;

W3 и А W3 j — общий расход электроэнергии по заводу и измене­ ние месячного расхода электроэнергии, связанное

сизменением режима работы печи;

Ц— годовая плата по тарифу за 1 кВА;

Sn — полная мощность всех трансформаторов однотип­ ных печей;

Wj — фактический месячный расход электроэнергии для /-того интервала плавки при существующем режиме;

А W3 j — изменение месячного расхода электроэнергии при изменении силы тока для./-того интервала.

На рис. 58 показаны зависимости АС* от силы тока, построенные по уравнению (ІѴ-29) для первых трех интервалов выплавки стали

123

1,0 г 5

0,8

0,4 - 2

о,г

в типовых печах емкостью 20 т, установленных на одном из заводов. Для сравнения штриховыми линиями даны кривые, полученные в ре­ зультате расчетов, выполненных по уравнению (ІѴ-28).

Из рис. 58 видно, что для рассматриваемых интервалов периода плавления экстремум зависимости АС;* (ІѴ-28), (где j — 1, 2) полу­ чается слабовыраженным. Более четко выраженный экстремум себе­ стоимости стали наблюдается для третьего интервала периода плав­ ления, для которого зависимость Р2з (рис. 56) имеет явно выражен­ ный максимум.

При выборе электрического режима по уравнению (ІѴ-29), при помощи которого можно минимизировать себестоимость стали с уче­ том коэффициента мощности дуговых печей и завода в целом, полу­ чаются четко выраженные экстремальные зависимости себестоимо­ сти стали от силы тока печи. Оптимальный режим плавления сме­ щается в область существенно медьщих сил тока.

124

Применение уравнения (ІѴ-29) для минимизации себестоимости стали в течение четвертого завершающего интервала плавки (рис. 59) также позволяет получить четко выраженную экстремаль­ ную зависимость себестоимости стали от силы тока. Решение трехмер­ ной задачи оптимизации выходной величины (себестоимости стали вариацией двух входных величин — напряжения и силы тока дуг) позволяет определить искомый электрический режим (рис. 59).

Для каждого интервала окислительного и восстановительного периодов должна быть определена мощность дуг, обеспечивающая ввод в печь количества энергии, необходимой для получения требуе­ мой температуры металла в конце данного интервала времени [4]. Каждый из периодов в зависимости от марки выплавляемой стали включает ряд чередующихся и строго регламентированных по дли­ тельности технологических операций. К их числу относится ввод шлакообразующих, ферросплавов, подогрев, выдержка и т. д.

Для каждого из этих периодов существует оптимальный темпе­ ратурный режим металла и шлака, соблюдение которого обеспечи­ вает выполнение заданной технологии и получение наиболее каче­ ственного металла при минимальном расходе электроэнергии. По­ этому для каждого из интервалов рассматриваемых периодов плавки

Р и с . 59. Зависимость АС* от силы тока печи для трех значе­ ний вторичного напряжения в период открытого горения дуг (t/j, U 2 , Ub равно соответствен­ но 180, 200, 220 В)

125

ческого процесса различных интервалов восстановительного периода плавки в ДСП-100.

Требуемую полезную мощность Рпол і можно получить на раз­ личных ступенях напряжения при различных силах тока. Однако для каждого интервала, как правило (рис. 60), существует лишь одна оптимальная ступень напряжения и соответствующее ей значе­ ние рабочего тока, обеспечивающие наилучшее сочетание показа­ телей работы печи минимума расхода электроэнергии A1F*, мини­ мума себестоимости передела 1 т стали АС* и наименьшего коэффи­ циента износа футеровки К*

где РА— мощность дуги; Ад —■длина дуги;

a — расстояние дуги до стенки печи.

Следует отметить, что согласно уравнению (ІѴ-28), стоимость передела стали в рассматриваемых условиях может изменяться лишь в зависимости от расхода электроэнергии, так как длительность каждого интервала регламентирована.

126

Р и с . 60. Совмещенные электрические и тепловые характеристики печи для трех ступеней напряжения печного трансформатора U t > U 2 > Ua (/ — зона рацио­ нальных режимов)

Таким образом в окислительный и восстановительный периоды плавки условия минимума стоимости передела стали АС* и минимума удельного расхода электроэнергии А W* полностью совпадают.

4. Программное управление процессом плавки стали в ДСП

Во многих странах проводятся работы по автоматизации управле­ ния выплавкой стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП)

сиспользованием счетно-решающих и программирующих устройств.

ВСоветском Союзе значительное внимание уделяется программиро­ ванию работы ДСП и процесса плавки в ней.

Существующие и разрабатываемые программирующие устрой­ ства можно разделить на три группы. К первой группе относятся устройства, в которых программируется только электрический ре­ жим. На рис. 61 приведена схема программного управления электри­ ческим режимом ДСП. Она состоит из автоматического регулятора мощности печи АРМ, программирующего устройства ПУ, реги­ стрирующего и сигнализирующего устройства РСУ и переключа­ теля ступеней напряжения ПСН печного трансформатора ПТ. При этом программирующее устройство управляет АРМ и ПСН. Коррек-

127

тивы в установленную программу вводятся оператором ОП, наблю­ дающим за температурой наиболее горячего места футеровки Д 2 и за температурой жидкого металла Д г.

В качестве примера разработок программирующих устройств первой группы могут быть устройства типа ДР = 400 [63], разра­ ботанные фирмой «Броун Бовери». Это устройство изменяет уста­ новку регулятора мощности и переключает ступени напряжения печного трансформатора в зависимости от суммарного потребления энергии тремя фазами печи.

На программирующей панели устройства устанавливается при помощи переключателей требуемый расход электроэнергии на от­ дельные периоды плавления (зажигание дуги, проплавления колод­ цев, формирование жидкой ванны и т. д.). В устройстве имеется ка­ нал, обеспечиващий необходимые измерения расхода электроэнер­ гии. При равенстве заданного и фактического расходов электроэнер­ гии программное устройство задает новые значения параметров — ступень напряжения, величину энергии и мощность.

Программирующие устройства второй группы отличаются от устройств первой группы наличием регулятора теплового режима APT, который заменяет оператора, необходимого для устройства первой группы, и выполняет управление тепловым режимом более точно и надежно.

Схема программного управления электрическим и тепловым ре­ жимами ДСП представлена на рис. 62 [64]. Датчик температуры металла Д г связан с регулятором теплового режима APT, воздей­ ствующим на переключатель ступеней напряжения ПСН и автомати­ ческий регулятор мощности АРМ, который обеспечивает подачу заданного количества электроэнергии в печь. Температура футе­ ровки непрерывно контролируется датчиком Д 2.

128

Структурная схема системы управления приведена на рис. 63. Функциональные блоки управляющего устройства АПЛУ связаны с датчиками контролируемых параметров, исполнительными меха­ низмами и световым табло. Механизированной термопарой погруже­ ния периодически измеряется температура металла Ти\ непрерывно

Р и с . 63. Структурная схема системы программ­ ного управления