Ферросплавное производство

Системы управления трехфазными электропечами

Контроль питания печи

Целью контроля питания печи является обеспечение стабильного электроснабжения (нагрузки) на требуемом уровне. Для конкретного процесса нагрузка печи обеспечивает «скорость» производства (переводчик: кавычки даны в оригинале). Контрольной точкой нагрузки является дроссель печи.

Поступающая от поставщика злектроэнергия обычно имеет высокое напряжение и низкий диапазон тока (например 132 кВ). При нагрузке 40 МВА это дает ток в 300 А. Однако внутри печи сопротивление очень мало, обычно в пределах 0.001 Ома. Таким образом, для обеспечения требуемого энергетического уровня необходимо увеличить силу тока. В трехфазной электропечи с сопротивлением 0,001 Ом на каждой фазе и при нагрузке 40 МВА сила тока составит 115 кА.

Чтобы обеспечить поступление тока такой силы из высоковольтных линий необходимо наличие трансформаторов. Трансформатор — это устройство с двумя (N1 и N2) или более обмотками на магнитном сердечнике, предназначенное для преобразования с помощью элетромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого. Коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков в обмотках. Путем изменения количества витков на одной из сторон трансформатор меняет свою рабочую точку. Именно таким образом осуществляется контроль питания печи. Обычно это называется «положение переключателя ответвлений».

Отношение между первичным и вторичным напряжением и силой тока сторон представлено следующей формулой:

формула

Как правило, от печи требуется работа с полной нагрузкой. Для этого возможно использование бесконечного количества комбинаций напряжения и силы тока, однако не все они эффективны для процесса. На практике существуют ограничения по силе тока, подаваемого на электроды и в связи с этим необходимо иметь максимально возможное сопротивление, чтобы обеспечить максимальную нагрузку печи. Рабочее сопротивление не может быть выбрано наугад, его необходимо установить оператору печи в зависимости от условий плавки.

Принцип управления нагрузкой состоит в обеспечении максимальной нагрузки печи при данном сопротивлении (R), что определяется требуемой величиной коэффициента теплораспределения. Кроме величины сопротивления, ограничения накладываются на следующие показатели (при условии наличия достаточного вторичного напряжения для всех значений (R))

Ограничения по току:

  • Мощность трансформатора (первичная и вторичная обмотка)
  • Вторичные проводники или электроды
  • Конденсаторные батареи

Ограничения по нагрузке:

  • Ограничения электроснабжения (максимальное потребление)
  • Ограничения по оборудованию и технологическим возможностям печи

Если печь функционирует в пределах ограничения по току при данном значении (R), максимальная нагрузка печи достигается путем выбора режима работы как можно более близкого к этим ограничениям, что повышает эффективность работы электрооборудования. Что касается практической работы, то для достижения максимально возможного тока на электродах при требуемой величине сопротивления необходимо отрегулировать положение электрода и вторичное напряжение. Согласно установившейся практике, регулировщик электродов контролирует силу тока, в то время как сопротивление контролируется путем выбора отвода трансформатора.

При достижении максимального напряжения на трансформаторе может возникнуть ограничение по нагрузке (т.е. ни сопротивление, ни сила тока не являются ограничивающими факторами). В этом случае положение электрода и вторичное напряжение должны быть отрегулированы для достижения требуемой нагрузки при заданной величине сопротивления.

Управление положением нижнего (рабочего) торца электрода

Положение рабочего конца электрода в печи определяет характер распределения энергии. Контроль его может осуществляться различными способами. Двумя самыми распространенными являются:

  • Метод контроля электросопротивления
  • Метод контроля силы тока

Это означает, что электроды опускаются или поднимаются либо в зависимости от отклонения показаний замеряемого сопротивления от заданного, либо отклонения показаний силы тока. Оба метода имеют как достоинства, так и недостатки.

Контроль сопротивления во многих случаях является наиболее оптимальным методом с точки зрения общего контроля за работой трехфазной печи, потому что в математическом смысле все три фазы независимы друг от друга. Это означает, что каждый электрод можно контролировать независимо от других. Недостатком этого метода является то, что необходимо иметь точные данные о напряжении на электроде, а это нелегко, поскольку контрольная точка (земля) этой системы находится внутри печной ванны. Широко используется метод замера, разработанный Бокманом (Bockman (1960)). В последние годы были разработаны альтернативные математические модели, отличные от инструментария, предложенного Бокманом. Хорошо разработанная модель может рассчитать сопротивление при помощи побочных замерений, некоторых конструкционных параметров и некоторых допущений. У этой модели есть недостатки. Если допущения сделаны неправильно или была допущена ошибка при вводе конструкционных параметров, то и контроль будет осуществлен неверно. Инструментарий Бокмана должен подвергаться регулярной проверке, чтобы убедиться, что искусственно созданная контрольная точка (земля) не сместилась.

Контроль силы тока имеет то преимущество, что процесс замера прост. Проблема же состоит в том, что токи, подаваемые на электроды совмещены. Это означает, что если произвести коррекцию положения электрода после смещения, то это повлияет на ток двух других фаз. Это может повлечь за собой то, что контроллеры тока на двух других электродах произведут компенсационное выравнивание, что в свою очередь, повлияет на другие фазы и т.д. Последствием этого является дальнейшая регулировка положений электродов, что увеличивает время стабилизации (при прочих равных условиях, таких как контроль сопротивления).

Проблемной считается работа печи при колеблющемся сопротивлении, при этом силы тока будет существенно варьироваться, что может вызывать замыкания. В таких ситуациях метод контроля силы тока предпочтителен контролю сопротивления (источник: Billings 1977).

Управление перепуском электродов

Электроды трехфазных электропечей изготавливаются из углеродистого материала и в процессе работы присходит их выгорание. Самое сильное выгорание происходит в районе рабочего конца, где на электрод воздействует самая высокая температура и реагенты проявляют наибольшую активность. Для того, чтобы удерживать электрод в одном и том же положении необходимо его регулярно протягивать дальше. Этот процесс называется «перепуском». В идеале при управлении перепуском (ходом) должна использоваться информация по положению рабочего конца электрода (уровень расхода за единицу времени), однако эту информацию получить не так легко и все попытки разработать практический метод, который отличался бы надежностью не привели к успеху. Существуют другие методы, такие как метод положения держателя электрода или шихтовый метод, которые используются либо самостоятельно, либо комбинированно. Бывают случаи, когда электроды ломаются. В таких случаях перепуск осуществляется таким образом, чтобы сохранить положение торца электрода. В случае с самоспекающимися электродами Содерберга, высокоинтенсивный перепуск должен осуществляться осторожно, чтобы избежать протекания в печь мягкой, неспекшейся электродной массы. Такая течь может привести к серьезному пожару и длительной остановке производства.

Система управления металлургическим процессом

В производстве ферросплавов особое внимание обращают на следующие вопросы:

  • • Состав металла (спецификации)
  • • Состав шлака (спецификации, термохимические процессы шлак/металл, сепарация шлака и метала, вязкость)
  • • Баланс материалов
  • • Вопросы работы печи (размер сырьевых материалов, содержание влаги, условия выпуска, и т.д..)
  • • Природоохранные вопросы

Все эти факторы должны контролироваться путем изменения состава сырья.

Как уже упоминалось ранее, под каждым электродом имеется участок коксовой колоши, являющейся источником омической (активной) энергии. Кокс выгорает по мере того, как расплавленный шлак стекает через колошу. У коксовой колоши две основные функции: во первых, это регулируемый резервуар углеродного восстановителя, а во-вторых, это важная часть электросистемы. Коксовая колоша выступает в роли элемента сопротивления между электродами и ванной с металлом. Большая часть электроэнергии распределяется в колоше. Ее размер и сопротивление играют важную роль в работе печи.

Печь должна получать и расходовать одно и то же количество углерода. Целью углеродного контроля является загрузка печи необходимым количеством восстановителя. В сравнении с другими принципами управления процесса, контроль углеродного баланса происходит с задержкой, поскольку требуется время для прохождения сырья по всем участкам системы. То есть в нормальных условия существует разница между количеством подаваемого и расходуемого углерода, т.е. возникает тенденция либо к повышенному содержанию углерода, либо к пониженному, что необходимо оперативно исправлять.

Взаимосвязь между размером коксовой колоши и электрическими параметрами используется для контроля количества углерода. Если добавлено больше кокса, чем было потреблено, то для того, чтобы сохранить
электрические параметры процесса необходимо поднять электроды. Если же недостаточное количество углерода поступило в систему, коксовая колоша уменьшится и, следовательно, электроды следует опустить.

Положение рабочего конца электрода служит индикатором для контроля содержания углерода. Такая индикация используется в повседневной практике, для чего время от времени замеряется длина электрода. Такой способ контроля углерода работает хорошо до тех пор, пока возможно с высокой степенью достоверности замерить длину электрода, что вполне реально в нормальных рабочих условиях. Если замер длины электрода произведен неправильно, то это приводит к нарушению углеродного баланса.

Анализ отходящего газа и состава шлака дают информацию об использовании углерода в восстановительном процессе. При оптимальном количестве кокса количество Mn в шлаке достаточно низко, а в отходящем газе находится примерно равное количество CO и CO2 или слегка преобладает CO2. Следующее соотношение CO2 /(CO+CO2 ) = 0,52, содержащее 47% CO2 и 43% CO содержалось в ферромарганцевой печи мощностью 46 МВА, что является примером эффективного процесса (источник: Svana 1974). Печь с недостатком содержания углерода будет работать нестабильно, газовый коэффициент низким, а содержание MnO в шлаке — высоким (Svana 1974).

Для колоши с избытком углерода газовый коэффициент уменьшится (т. к. меньше содержание CO2 ), что указывает на то, что кокс расходуется не надлежащим образом (Svana 1974). Ситуация может стабилизироваться, однако содержание MnO в шлаке также может увеличиться вместе с увеличением количества кокса.

Если содержание кокса в колоше сильно превысит норму и размер колоши вырастет больше определенной критической величины, то на первый план выйдет реакция (H2O + C = H2 + CO), что вызывает большой расход электродов и восстановительного материала. Работа печи будет нестабильной.