Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Макаров Роман Анатольевич. Разработка методики расчета энергетических показателей электрических дуг и способов их повышения в дуговых сталеплавильных печах : Дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 : Тверь, 2003 164 c. РГБ ОД, 61:04-5/1271

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И
ТЕПЛООБМЕНА В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ 14

  1. Тины дуговых сталеплавильных печей 14

  2. Расчет электрических характеристик дуговых сталеплавильных печей 29

  3. Основы расчета теплообмена в дуговых сталеплавильных печах 32

ГЛАВА 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ДУГИ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ ТРЕХФАЗНОГО И
ПОСТОЯННОГО ТОКОВ 40

2.1. Электрическая дуга в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и
постоянного токов 40

2.2. Определение основных энергетических параметров элементарных

источников излучения 61

  1. Угловые коэффициенты излучения поверхностей и газовых объемов.70

  2. Исследование излучения коаксиальных цилиндров 80

  3. Выводы по второй главе 88

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ
ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ В ДУГОВЫХ
СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ 89

  1. Определение углового коэффициента излучения электрической дуги на ванну металла при их взаимном перпендикулярном положении 89

  2. Определение углового коэффициента излучения электрической дуги при ее наклонном положении на участки ванны, расположенные между откосами и столбом дуги 91

3.3. Определение углового коэффициента электрической дуги при ее
наклонном положении на участки ванны, расположенные между осью
симметрии печи и столбом дуги .94

3.4. Выводы по третьей главе 97

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ УГЛОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И
КПД ДУГ В ДУТОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ ТРЕХФАЗНОГО
И ПОСТОЯННОГО ТОКОВ 99

4.1. Расчет угловых коэффициентов излучения электрических дуг в
ДСПТТиДСППТ 99

  1. Расчет коэффициента полезного действия дуг в ДСПТТ и ДСППТ... 109

  2. Анализ кпд дуг и способов плавки стали в дуговых сталеплавильных печах 121

  3. Выводы по четвертой главе 128

ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КПД ДУГ В
ПРАКТИКЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ
ПЕЧЕЙ 131

  1. Анализ влияния напряжения на дугах на кпд дуг и теплообмен в дуговых сталеплавильных печах 131

  2. Анализ влияния реактивного сопротивления ЭПУ на кпд дуг и теплообмен в дуговых сталеплавильных печах 136

  3. Расчет теплообмена в поглощающей среде дуговых сталеплавильных печей 144

  4. Выводы по пятой главе 148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 154

ПРИЛОЖЕНИЕ 164

Введение к работе:

В настоящее время доля электростали, то есть стали, выплавляемой в дуговых сталеплавильных печах, в мировой выплавке стали составляет более 30% (33% в 1999 г. [1]). Выплавка стали к 2010 г. прогнозируется на уровне 830 млн.т/год при доли электростали 40%. Выплавка электростали продолжает увеличиваться вместе с кислородно-конверторным производством стали, потеснив до 14-16% мартеновское производство, которое было основным в производстве стали в начале 20 века. Вместимость печей увеличилась с 3 т в 1900 г. до 150-200 т в 2000 г.

Рост вместимости печей сопровождался ростом мощности печей с 0,45 МВА в начале 20 века до 100 МВА в конце 20 века. Производительность печей возросла с 100 тыс.т стали в год в 1950-е годы до 500 тыс.т стали в год в 1990-е годы до 1 млн.т стали в год в 2000 г. рост мощности печей осуществлялся за счет увеличения напряжения электропечного трансформатора, тока дуги. Вторичное напряжение электропечного трансформатора увеличилось с 100 В в начале 20 в. до 760-1100 В в конце века, ток дуги возрос за этот период с 2 кА до 60-70 кА дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока (ДСПТТ) и до 100 кА в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока (ДСППТ). Печи постоянного тока ДСППТ получили промышленное распространение с 1970-х годов с развитием полупроводниковой техники и в настоящее время конкурируют с ДСПТТ по мощности, производительности, удельному расходу электроэнергии и электродов. Первичное напряжение электропечного трансформатора возросло с 6, 10 кВ до 110 кВ.

За столетний период существования дуговых сталеплавильных печей
(ДСП) вследствие совершенствования электрооборудования,

электрических и тепловых режимов, технологии плавки стали удельный расход электроэнергии снизился с 800-750 кВт-ч/т в начале века до 485 кВт-ч/т в 1970-е годы. В последующие 1980-е годы удельный расход

электроэнергии возрос с 485 до 590 кВт-ч/т, несмотря на ряд предпринимаемых мер по снижению потребления электроэнергии печами, что требовало объяснения. Объяснить данное явление можно было исследовав энергетические параметры электрических дуг ДСП, так как электрические дуги являются основными источниками энергии в дуговых сталеплавильных печах. На долю электрических дуг приходится 55-65 % энергии, поступающей в современную высокомощную большегрузную дуговую сталеплавильную печь. Основными энергетическими параметрами электрических дуг, характеризующими распределение мощности излучения электрических дуг в рабочем пространстве ДСП являются угловые коэффициенты излучения и коэффициенты полезного действия электрических дуг. Проведенный анализ истории развития дуговых сталеплавильных печей показал отсутствие к 1996 г. методики расчета основных энергетических показателей электрических дуг дуговых сталеплавильных печей: коэффициента полезного действия и угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности ванны металла.

В настоящее время при реконструкции цехов металлургических и машиностроительных предприятий принимают к установке дуговые сталеплавильные печи трехфазного и постоянного тока, что вызвано близкими технико-экономическими показателями работы печей с различным родом тока. Преимущество печей постоянного тока по сравнению с такими же по мощности и емкости печами трехфазного тока следующие: стабильнее электрический режим, меньше пылегазовых выбросов и воздействие на питающую сеть, несколько ниже расход электродов и уровень шума. Однако печи постоянного тока по сравнению с печами трехфазного тока имеют недостатки: больший расход огнеупоров, выше на 1,5-2 % электрические потери, наличие подового электрода с ограниченным сроком службы, необходимость работы с жидким стартом.

Данные потребления электроэнергии печами трехфазного и постоянного токов противоречивы: в публикациях инофирм [2] приводятся сведения о меньшем на 5-10 % удельном расходе электроэнергии в электродных печах постоянного тока по сравнению с расходом в печах трехфазного тока, в отечественных публикациях данные имеют обратный характер. Например, в работе [3] приводятся сведения о том, что при работе 12-т печи постоянного тока по сравнению с печью трехфазного ока такой же емкости и мощности расход электроэнергии на 10-12 % больше. Фирма Danitly (Италия) предлагает дуговые сталеплавильные печи трехфазного и постоянного тока емкостью 100-160 т, причем приводит одинаковый показатель расхода электроэнергии 360-400 кВтч/т для печей трехфазного и постоянного тока, расход электродов соответственно 1,2-1,7 и 1,7-02,2 кг/т [4].

Удельный расход электроэнергии и электродов зависит от распределения мощности дуг в печи, напряжения, силы тока, геометрических параметров, положения дуг, шлакового режима. Для ответа на вопрос о распределении мощности в печах трехфазного и постоянного тока, потреблении ими электроэнергии, расходе электродов при одинаковой емкости и мощности необходима разработка методики расчета угловых коэффициентов излучения и коэффициента полезного действия дуг дуговых сталеплавильных печей, которая позволит сравнить технико-экономические показатели дуговых сталеплавильных печей расчетным путем. Это особенно актуально в настоящее время, когда идет жесткая конкуренция между фирмами-производителями печей различного рода тока и необходимы объективные, независимые данные о перспективности использования постоянного или трехфазного тока в печах.

Разработка методики расчета кпд дуг дуговых сталеплавильных печей актуальна в настоящее время в связи с необходимостью проведения

энергосберегающих мероприятий во всех отраслях промышленности
(^ России и выполнением программы Энергосбережения, курируемой на

Правительственном уровне. Разработка методики расчета коэффициента полезного действия дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов позволит анализировать и прогнозировать расход электроэнергии в печах, выбирать рациональные режимы и способы плавки стали в дуговых сталеплавильных печах с наименьшим расходом электроэнергии и электродов за плавку.

Дуги в сталеплавильных печах горят в их рабочем пространстве в
парах металлов при давлении, близком к атмосферному, что оказывает
** решающее влияние на распределение мощности в дугах. По данным

В.Пашкиса, Н.В. Окорокова [5], ВНИИЭТО [6] для дуг сталеплавильных печей характерно следующее распределение электрической мощности: вся мощность дуги преобразуется в ней в тепловую, причем 80-90 % - в тепловой поток излучения столба дуги, 10-20 % - в конвективный поток и тепловой поток электродных пятен. В работе [7] дан анализ теплопередачи электрических дуг в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов, показано, что в ДСП доминирует теплообмен излучением. В работе [8] изложены теоретические основы теплообмена излучением во всех типах ДСП и плазменно-дуговых сталеплавильных печах (ПДСП), осуществлен анализ теплообмена в них в различные периоды плавки, приведены графики распределения потоков излучения по металлу, стенам, сводам печи. Длительная практика эксплуатации дуговых сталеплавильных печей, исследование тепловых нагрузок, износа футеровки [9] подтверждают данные работ [5-8] о распределении электрической мощности в дугах сталеплавильных печей, о реальных процессах преобразования в дугах электрической энергии в тепловую.

Актуальность диссертационной работы подтверждена выделением гранта № 73 Гр-98 Минобразования РФ на 1998-2000 гг. на проведение

фундаментальных исследований в области энергетики и электротехники, результаты исследования по теме которого вошли в диссертационную работу.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета угловых коэффициентов излучения и коэффициента полезного действия электрических дуг дуговых сталеплавильных печей, способов плавки стали в дуговых сталеплавильных печах, позволяющих совместить преимущества дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

использован принцип приближённого подобия при котором электрическая дуга дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов моделируется в виде цилиндра малого диаметра -линейного источника излучения, при этом погрешность составила 5 - 6% для печей ёмкостью 3-150 тонн;

осуществлен вывод аналитических выражений для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг, при моделировании их линейными источниками излучения, на поверхность ванны металла при вертикальном и наклонном положении электрических дуг;

на основе аналитических выражений для определения угловых коэффициентов излучения дуг разработана методика расчета коэффициента полезного действия дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов;

осуществлен расчет и анализ коэффициентов полезного действия дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов малой и средней вместимости, на основании которого разработан способ плавки

стали, позволяющий совместить преимущества дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов;

- осуществлен расчет и анализ коэффициентов полезного действия дуг
дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов
большой вместимости, на основании которого разработан способ плавки
стали, позволивший максимально использовать преимущества дуговых
сталеплавильных печей постоянного тока;

выполнен анализ кпд дуг дуговых сталеплавильных печей, который позволил объяснить увеличение удельного расхода электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах при увеличении вводимой мощности и при отсутствии в них устройств для вспенивания шлака и предварительного подогрева шихты;

- осуществлен анализ влияния снижения индуктивного сопротивления
электропечной установки на кпд дуг, выявлено что уменьшение
индуктивного сопротивления ниже оптимального для данной печи
значения приводит к уменьшению кпд дуг и увеличению удельного
расхода электроэнергии в печи.

При проведении теоретических исследований для отыскания функций для определения локальных угловых коэффициентов излучения электрических дуг использованы методы интегрального исчисления. После нахождения функций, характеризующих локальные и средние угловые коэффициенты излучения дуг, пользовались методами математического моделирования на ЭВМ расчета угловых коэффициентов излучения, коэффициентов полезного действия дуг в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов. При проведении экспериментальных исследований использованы методы статистического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

предложено использовать приближенное подобие при моделировании электрической дуги излучающим цилиндром малого диаметра-линейным источником излучения, при этом вносимая погрешность не превышает 5-6% для печей ёмкостью 3-150 тонн;

разработана методика расчета угловых коэффициентов излучения дуг на поверхность ванны металла в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов;

разработана методика расчета коэффициента полезного действия электрических дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов;

разработаны способы плавки стали в электропечах, позволяющие совместить преимущества дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов;

выявлено, что уменьшение индуктивного сопротивления ниже рационального для данной печи значения приводит к уменьшению кпд дуг и увеличению потребления электроэнергии печью.

Практическая ценность работы состоит в том, что с разработкой изложенной в диссертации методики расчета коэффициента полезного действия дуг появилась возможность анализировать и прогнозировать удельный расход электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов при различных электрических, геометрических параметрах дуг, высоте шлака рассчитывать рациональную длину и положение дуг в металле и шлаке. Дано объяснение увеличения удельного потребления электроэнергии дуговыми ,, сталеплавильными печами при увеличении вводимой в них мощности за счет преимущественного повышения вторичного напряжения электропечного трансформатора без принятия дополнительных мер к

заглублению дуг в металл и шлак. Доказано, что уменьшение индуктивного сопротивления электропечной установки целесообразно до определенного рационального значения, дальнейшее снижение индуктивного сопротивления ниже рационального значения приводит к уменьшению кпд дуг и увеличению потребления электроэнергии печью. Разработаны способы плавки стали в дуговых сталеплавильных печах, защищенные двумя патентами Российской Федерации.

Методика расчета угловых коэффициентов излучения и кпд дуг дуговых сталеплавильных печей используется в ОАО СКБ Сибэлектротерм при создании конструкций дуговых сталеплавильных печей переменного и постоянного токов. Разработанная методика была использована при техническом и рабочем проектировании дуговых сталеплавильных печей типа ДСП-30И1, ДСП-50ИЗ, ДСП-100И6, ДСП-100И7, ДСПТ-12И1, ДСПТ-25И1 для создания конструкций водоохлаждаемых элементов свода и стен, снижения тепловых потерь и повышения стойкости водоохлаждаемых элементов свода и стен, снижения тепловых потерь и повышения стойкости водоохлаждаемых элементов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции по Электротехнологии (Чебоксары, 1997 г.); 4-ой Международной конференции «Электротехника, электромеханика, электротехнологии» (Клязьма, 2000 г.); Федеральной научно-технической конференции «Электроснабжение, энергосбережение, электроремонт» (Новомосковск, 2000 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках» (Тверь, 2001 г.); 8-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002 г.); 3-ей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002 г.).

По теме диссертационной работы опубликованы 7 статей, 9 тезисов докладов, 2 патента.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка на 99 наименований и приложения. Текст диссертации изложен на 164 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 7 таблиц.

В первой главе изложены литературный обзор результатов исследований электрических режимов и теплообмена в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов, особенности электрических дуг переменного и постоянного токов.

Во второй главе приведены результаты анализа и синтеза энергетических характеристик электрических дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов, изложен принцип приближённого подобия, при котором электрическая дуга, для определения ее энергетических параметров в расчетах теплообмена излучением в ДСП, моделируется цилиндром малого диаметра - линейным источником излучения, погрешность при этом составляет 5- 6% для дуговых сталеплавильных печей вместимостью 3-150 тонн.

В третьей главе осуществлен вывод аналитических выражений для определения угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхность ванны металла при вертикальном положении дуг, при наклонном положении дуг, результаты моделирования электрических дуг линейными источниками излучения.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета коэффициента полезного действия дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов, расчету и анализу коэффициентов полезного действия дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов малой, средней и большой вместимости, разработке способов плавки стали в дуговых сталеплавильных печах, позволяющих

совместить преимущества дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов.

В пятой главе приведены результаты расчета и анализа кпд дуг, позволившие объяснить увеличение удельного расхода электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах при увеличении вводимой в печи мощности за счет преимущественного увеличения вторичного напряжения электропечного трансформатора, приведены рекомендации по увеличению кпд дуг за счет увеличения силы тока или увеличения высоты слоя шлака за счет его вспенивания. Приведены результаты расчета и анализа влияния индуктивного сопротивления электропечной установки на технико-экономические показатели печей. Показано, что уменьшение индуктивного сопротивления ниже рационального для данной печи значения приводит к уменьшению кпд дуг и увеличению потребления электроэнергии печью.

В заключении изложены выводы по работе. В приложении показана практическая реализация результатов работы.

Подобные работы
Дианов Андрей Игоревич
Разработка методик расчета, конструкции и режимов работы индукционно-резистивных нагревательных устройств со стержневыми индукторами
Шатов Виталий Александрович
Разработка методики расчета и исследование коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева промышленной и повышенной частоты
Мешков Евгений Юрьевич
Разработка методик расчета показателей надежности телекоммуникационной аппаратуры
Романов Виктор Владимирович
Разработка методики расчета дискофрезерных рабочих органов ледорезных машин и выбор их основных конструктивных параметров
Кривошеева Светлана Яковлевна
Разработка методики расчета околорезонансных колебаний гофрированных оболочек трубопроводов ГПА
Модестов Василий Борисович
Разработка методики расчета плужных смесителей для сыпучих материалов
Мальцев Андрей Анатольевич
Разработка методики расчета долговечности элементов приводов прокатных станов
Леонтьев Кирилл Андреевич
Разработка методики расчета толстостенных оболочек вращения
Бондарь Евгений Викторович
Исследование и разработка методик расчета параметров электрической прочности антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона
Волков Иван Иванович
Разработка методики расчета, прогнозирования параметров формирования ткани на ткацком станке и оценки влияния на них различных факторов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net