Компьютерное управление дуговым режимом электродуговых печей - ресурс их эффективной работы

Компьютерное управление дуговым режимом электродуговых печей - ресурс их эффективной работы. Нехамин С.М., Волохонский Л.А. (НПФ  “Термоэкология”, Москва), Котюк А.В., Фридман М.А. (Запорожский алюминиевый  комбинат, Запорожье).

При разработке и в процессе эксплуатации электродуговых печей их технико-экономические показатели в значительной степени определяются точностью выбора и поддержания режима электрической дуги. Характеристики дугового разряда существенно отличаются в печах: руднотермических (РТП), дуговых сталеплавильных, вакуумных дуговых печах (ВДП), а также при выплавке разнообразных металлов, сплавов и неметаллических продуктов в однотипных печах. В связи с этим, представляет интерес предлагаемый ниже общий подход к управлению электродуговым режимом в печах различного типа.  
По сложившейся традиции приоритетными считались вопросы конструкции печей, а управление ими рассматривалось как дополнение, призванное упростить их обслуживание и эксплуатацию. Существо предлагаемого подхода заключается в выборе средств и методов управления дуговым режимом начиная с разработки принципиальной электрической и конструктивной схемы печного агрегата. Каналы управления логически формируются на уровне основных конструктивных узлов печи и реализуются при формировании организационной структуры управления технологическим процессом.  
При осуществлении названного подхода используются технические возможности, предоставляемые современной электроникой в области преобразовательной и компьютерной техники, а также в сфере информационных технологий.  
Рассмотрим две реализации данного подхода к высокоэффективному управлению дуговыми печами и контролю их работы: на примере РТП, выплавляющей кремний на выпрямленном токе и ВДП, выплавляющей жаропрочные сплавы.  
Опыт эксплуатации на протяжении четырех лет РТП, выплавляющей кремний на постоянном токе, и, на протяжении двух лет, ВДП, оснащенных тиристорными управляемыми выпрямителями и компьютерными системами автоматизированного управления (САУ), показывает, что предоставляемые управляющими системами информационные ресурсы повышают эффективность оперативного управления технологическим процессом, концентрируют объективную информацию, необходимую для принятия решений менеджерами высшего уровня. САУ обеспечивают контроль за действиями технологического персонала, точность поддержания заданного режима с помощью управляемых тиристорных выпрямителей и других исполнительных элементов печи.  
Выплавка металлургического кремния в руднотермической печи характеризуется большой энергоемкостью (12-18 кВт*час на 1 кг полученного кремния), а также смешанным характером выделения энергии в печной дуге и в шунтирующем ее активном сопротивлении стенок реакционного тигля. Распределение мощности между указанными параллельными сопротивлениями известно как важный технологический фактор, управление которым осуществляется за счет выбора электрического режима и разнообразных технологических приемов [1]. Кроме того, к указанным двум параллельным цепям выделения энергии, в многоэлектродных печах добавляется цепь тока, замыкающегося между электродами по углеродсодержащей шихте (имеющей отрицательный температурный коэффициент), что вызывает колебательные изменения технологического режима. Глубина этих колебаний, зависящая от конструкции печи и многочисленных производственных факторов, в значительной степени определяет технико-экономические показатели работы печи. Доля мощности, выделяющейся в печной ванне между электродами является функцией схемы питания печи [2], в связи с чем представляется возможным управлять и этой частью распределения мощности.  
При создании руднотермической печи (пущенной в эксплуатацию в мае 1977 г. на Запорожском алюминиевом комбинате [2]) мощностью 6,5 МВт с проводящей подиной, питающейся от тиристорного реверсивного выпрямителя, была решена задача управления распределением мощности в ванне печи за счет изменения схемы питания и управления тиристорным выпрямителем. Реализован комплекс новых технических решений, основные из которых защищены патентом [3]. Конструкцией двухэлектродной печи предусмотрена возможность подачи произвольной полярности на каждый из печных электродов, причем режим каждого электрода независим от другого. Создан компактный тиристорный источник питания совмещенной конструкции трансформатора с реверсивным выпрямителем на ток 120 кА (тиристоформер). Управление тиристорным выпрямителем выполнено с помощью микропроцессорного контроллера. Общее управление режимом печного агрегата и контроль за его работой осуществляются САУ “Кремний” [4-5]. Отображение на экране дисплея цветных графических мнемосхем процесса, включая подробный теплометрический контроль футеровки печи, позволяет плавильщикам не отвлекаясь от технологических операций постоянно держать под контролем ход плавки. Новым является использование в САУ динамических графиков изменения активного сопротивления под электродами, которые оперативно дают плавильщику концентрированную информацию о текущем состоянии и истории развития процесса на каждом электроде. Автоматическое документирование процесса и передача обобщенного информационного потока на компьютер старшего мастера обеспечивают необходимые накопление и систематизацию информации по тактике управления процессом, а также для принятия технически обоснованных решений в наиболее сложных технологических ситуациях на уровне руководства цеха и завода.  
Длительная успешная эксплуатация печи, ее высокие технико-экономические показатели, обеспечивающие экономию сырья и электродов на 10-20%, высокая устойчивость к применению нетрадиционных дешевых видов восстановителей, повышение качественных показателей выплавляемого кремния [6] - свидетельствуют об эффективности выбранного направления совершенствования руднотермических печей.  
При создании компьютерных систем “Регистр” и “АВАК” для ВДП, в соответствии со специальными требованиями к вакуумному дуговому переплаву перед САУ ставились иные, ранее не решавшиеся задачи.  
Во-первых – определение неподдающихся непосредственному контролю важнейших параметров процесса: длины дуги (межэлектродного промежутка между торцом электрода и зеркалом ванны) и скорости плавления расходуемого электрода.  
Длина дуги косвенно определяется по частоте капельных импульсов. Увеличение частоты говорит о снижении длины дуги и наоборот превышение некоторого оптимального значения частоты капельных импульсов свидетельствует о том, то зазор между торцом электрода и зеркалом ванны следует уменьшить.  
Для определения скорости плавления печь оснащена весовыми датчиками, которые встроены с систему цепной подвески штока. САУ позволяет с учетом некоторых поправок определять скорость плавления и момент начала выведения усадочной раковины.  
Второй задачей САУ было автоматическое программное управление током и напряжением печи. Автоматическое управление током и напряжением осуществлялось локальными регуляторами. Кроме того, созданы условия для перехода на программное управление током и напряжением с коррекцией по сигналам частоты капельных импульсов и скорости плавления.  
Нестандартные подходы были найдены и при решении следующей задачи: получения подробнейших распечаток и архивных записей изменения основных параметров по каждой плавке. В результате САУ фиксирует в процессе плавки малейшие нарушения режима, связанные с качеством исходного металла, сбоями в системе питания и управления печи, работе ее узлов.  
Все системы управления выполнены на базе промышленных IBM-совместимых компьютеров, рассчитанных на эксплуатацию в условиях металлургического производства. Системы встроены в удобные для плавильщика пульты управления, быстро осваиваются в эксплуатации. Выпрямители выполнены с использованием мощных кремниевых тиристоров. Конструктивное исполнение и схема источников питания отвечают задачам управления дуговыми режимами. Обслуживание компьютерных и преобразовательных устройств, ввиду высокой надежности применяемой техники, не создает проблем эксплуатационному персоналу.  
На рис. 1 представлена структурная схема электропечного агрегата, отражающая предлагаемый подход к управлению дуговым режимом.  
Дальнейшее повышение эффективности работы электродуговых агрегатов возможно за счет использования современных промышленных видеокамер и систем обработки видеоизображения в цифровом формате. Первые подобные опыты [7] подтвердили преимущества цифровых видеосистем перед оптическими и аналоговыми как с точки зрения получения наиболее высокой разрешающей способности и высокого качества видеоизображения, так и в плане обработки изображения, а также реализации принципиально новых функциональных возможностей. По существу предоставляется возможность “открыть глаза” системе управления на объект.  
По мнению авторов, полученный ими положительный опыт создания компьтеризированных систем для руднотермических и вакуумных дуговых печей может быть распространен на другие дуговые и шлаковые процессы: такие как выплавка стали и сплавов в электродуговых печах, внепечная обработка стали, электрошлаковый переплав.  
Литература.  
1. Энергетические параметры и конструкция рудовосстановительных электропечей / Жучков В.И., Розенберг В.Л., Елкин К.С., Зильберг Б.И. - Челябинск: Металлургия. 1994 - 192 с.  
2. Руднотермические печи выпрямленного тока как ресурсосберегающие агрегаты/ Попов А.Н., Нехамин С.М., Фридман М.А., Щербинин В.И. и др. Электрометаллургия. 1998. № 1, с 11-16.  
3. Пат.2089803 РФ.  
4.Система автоматизированного управления промышленной руднотермической электропечью для выплавки кремния/Легович Ю.С, Лебедев В.Г., Нехамин С.М., Пронина В.А. - Электрометаллургия, 1998, № 2.  
5. Проектирование системы автоматизированного управления выплавкой кристаллического кремния./ А.Ю. Ефремов, В.Г.Лебедев, Ю.С.Легович, С.М.Нехамин, В.А.Пронина. – Автоматизация проектирования. 2000, № 1-2, с 33-39.  
6.Плавка кремния в руднотермической печи на выпрямленном токе /Нехамин С.М., Фридман М.А., Щербинин, В.И., Котюк А.В. и др.- Цветные металлы. 2000, № 2, с. 60-63.  
7.Нехамин С.М., Мулин С.В., Легович Ю.С., Киссельман М.А., Кураев Е.Т. Автоматизация вакуумно-дугового переплава с использованием персональных компьютеров. - Сталь. № 10. 2000, с. 62-65.

 

 

 

 

 

 

 

ДПА-1,5

Электродуговая печь постоянного тока для плавки алюминия емкостью 1,5 т

1. Назначение изделия.

Дуговая печь постоянного тока ДПА-1,5 предназначена для плавки алюминия. Возможно ее использование для плавки стали, чугуна, ферротитана и других металлов и сплавов. 
Печь может использоваться для плавки других цветных металлов: меди, медных сплавов и т.д.

2. Характерные особенности.

- высокая производительность и  гибкость агрегата,  
- быстрое расплавление и получение готового металла,  
- миксирование металла,  
- быстрый переход от одного сплава к другому,  
- постоянство химического сотстава,  
- низкое содержание водорода и оксидных включений,  
- низкий расход графитированных электродов (по сравнению с печами переменного тока),  
- низкий уровень шума (по сравнению с печами переменного тока),  
- низкий газопылевой выброс (по сравнению с печами переменного тока).

3.Основные технические  характеристики.

Наименование параметра	Величина
Емкость печи номинальная, т	1,5
Емкость печи максимальная, т	2,0
Номинальная мощность источника питания, кВА	1674
Максимальный ток электрода, А	8000
Диаметр графитированного электрода, мм	150
Производительность печи в цикле, т/час	1,75
Длительность расплавления под  током, ч	0,52
Удельный расход электроэнергии на расплавление твердой завалки, кВт.час/т	400

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДПА-300

Электродуговая печь постоянного тока для плавки алюминия емкостью300 кГ

1. Назначение изделия.

Дуговая печь постоянного тока ДПА-300 предназначена для плавки алюминия. Рекомендуется ее использование  в литейном производстве. 
Печь может использоваться для плавки других цветных металлов: меди, медных сплавов и т.д.

2. Характерные особенности.

- высокая производительность и  гибкость агрегата,  
- быстрое расплавление и получение готового металла,  
- миксирование металла,  
- возможность остановки печи и повторного расплавления,  
- быстрый переход от одного сплава к другому,  
- постоянство химического сотстава,  
- низкое содержание водорода и оксидных включений,  
- низкий расход графитированных электродов (по сравнению с печами переменного тока),  
- низкий уровень шума (по сравнению с печами переменного тока),  
- низкий газопылевой выброс (по сравнению с печами переменного тока).

3.Технические  характеристики.

Наименование параметра	Величина
Емкость печи, т	0,3
Максимальная мощность, кВт	400
Удельный расход электроэнергии, кВт.час/т	430
КПД источника питания в номинальном  режиме	0,98
Время простоя между плавками, час	0,25
Угар алюминия, %	0,5
Время выхода на режим, час	0,05

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДПА-15

Электродуговая печь постоянного тока для плавки алюминия емкостью 15кГ

Краткие сведения об изделии.

Дуговая печь предназначена, главным  образом, для плавки алюминия, например, в целях отливки сравнительно небольших изделий. Имеет небольшие  массо-габаритные показатели, обеспечивает очень быстрое рассплавление. 
Благодаря использованию высокотемпературной электрической дуги в качестве источника нагрева, электропечь можно использовать для расплавления практически любых металлов и сплавов.