СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ И ПЛАВИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ, ОСНАЩЕННЫЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМОЙ ЭТИМ СПОСОБОМ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧЬЮ Российский патент 2017 года по МПК C21C5/52 F27B3/28 H05B7/148 

Изобретение касается способа эксплуатации дуговой электрической печи. Изобретение касается, кроме того, плавильного агрегата, оснащенного эксплуатируемой этим способом дуговой электрической печью.

В дуговой электрической печи кусковой расплавляемый материал, как правило, стальной скрап, при необходимости вместе с другими добавками расплавляется посредством воспламеняемой между расплавляемым материалом и по меньшей мере одним электродом электрической дуги. Для этого к дуговой электрической печи от сети среднего или высокого напряжения подводится электрическая энергия, которая посредством так называемого печного трансформатора передается в область низкого напряжения. От этого печного трансформатора энергия через многоамперную систему подается на электрод. Тогда на острие электрода горит электрическая дуга, с помощью которой расплавляется металлический скрап, имеющийся в металлоприемнике печи.

Компоненты агрегата, связанные со снабжением дуговой электрической печи электрической энергией, состоят по существу из так называемого распределительного устройства печи, печного трансформатора и многоамперной системы, которая, например, включает в себя токоведущие, переставляемые по высоте опорные кронштейны, на которых закреплены электроды. Уровень высоты электродов и вместе с тем поступление энергии в расплавляемый материал регулируется посредством регулирования электродов. Таким образом, получается широкий диапазон рабочих точек или, соответственно, рабочих условий, который может значительно отличаться в отношении требований по мощности к компонентам агрегата.

Расчет и выбор компонентов агрегата осуществляется, как правило, на основании опытных значений для данной дуговой электрической печи. Так, например, расчет печного трансформатора осуществляется в зависимости от размера дуговой электрической печи, вида стального скрапа и желаемой производительности, т.е. скорости плавки (массы расплавляемого стального скрапа в единицу времени), которая устанавливает требуемую продолжительность плавления дуговой электрической печи. При этом, наряду с установлением кажущейся мощности в диапазоне примерно до 300 МВА, задается количество ступеней и напряжений ступеней печного трансформатора, например восемнадцать ступеней с напряжениями прибл. до 1500 В, и токи, которые могут составлять, например, до 100 кА.

Однако для надежного предотвращения повреждения компонентов агрегата, влияющих на условия эксплуатации дуговой электрической печи, в частности печного трансформатора, фактически по меньшей мере кратковременно имеющийся потенциал мощности компонентов агрегата в целях надежности не используется в возможной мере и соответственно этому принимается пониженная производительность.

Поэтому в основе изобретения лежит задача предложить способ эксплуатации дуговой электрической печи, с помощью которого можно повысить производительность дуговой электрической печи. Кроме того, в основе изобретения лежит задача предложить плавильный агрегат, оснащенный эксплуатируемой этим способом дуговой электрической печью.

Первая названная задача в соответствии с изобретением решается с помощью способа с признаками п. 1 формулы изобретения. В соответствии с этими признаками для каждого из множества компонентов агрегата, влияющих на условия эксплуатации дуговой электрической печи, регистрируется по меньшей мере одно значение измерения характеризующей его рабочее состояние измеряемой величины и сравнивается с соответственно текущим допустимым величины предельным значением этой измеряемой и на основании результата сравнения определяется период времени и максимальная мощность, подводимая к дуговой электрической печи в течение этого периода времени при соблюдении всех текущих допустимых предельных значений.

Благодаря этой мере можно эксплуатировать дуговую электрическую печь с использованием ее оптимальной производительности, так как может использоваться имеющийся в данный момент в распоряжении диапазон нагрузки, чтобы по меньшей мере кратковременно, т.е. в течение некоторого периода времени, который меньше, чем продолжительность плавления (время между первой загрузкой дуговой электрической печи и выпуском расплава), при расплавлении иметь в распоряжении больше мощности или чтобы компенсировать незапланированные производственные потери, например, без повреждения печного трансформатора.

Период времени определяется с использованием опытных значений автоматически, при этом продолжительность этого периода времени и максимальной подводимой мощности, как правило, зависят друг от друга, так что оператору предоставляется возможность выборочно эксплуатировать дуговую электрическую печь с низкой максимальной мощностью и длинным периодом времени или высокой максимальной мощностью и коротким периодом времени. Альтернативно этому продолжительность периода времени может быть также неопределенной, а его конец определяться тем, что эксплуатация дуговой электрической печи заканчивается с определенной максимальной мощностью, когда у одного из компонентов агрегата определяется текущее допустимое предельное значение измеряемой величины.

Так как компоненты агрегата с учетом их предельных значений могут оптимально использоваться для достижения заданной производительности, у новых агрегатов можно рассчитывать компоненты агрегатов оптимизированно по потребностям и таким образом избегать приводящих к удорожанию избыточных размеров.

Текущее допустимое предельное значение может при этом представлять собой заданное жесткое, не изменяющееся значение, например диэлектрическую прочность электрического компонента агрегата, или варьируемое во времени значение, зависящее от зарегистрированных посредством значений измерения текущих условий эксплуатации дуговой электрической печи. Такое варьируемое значение может, например, представлять собой максимальную мощность печного трансформатора, которая в пределах некоторого периода времени может превышать заданное основное значение на максимально возможную предопределенную величину, пока не будет превышено другое текущее допустимое предельное значение, например измеренная на печном трансформаторе температура.

Особенно надежное определение максимального имеющегося в распоряжении диапазона нагрузки достигается, когда максимально подводимая мощность и/или длина периода времени определяются путем прогнозирования изменения во времени по меньшей мере одной из измеряемых величин. Таким образом гарантировано, что компонент агрегата не будет перегружаться в течение этого периода времени, так что предотвращается выход из строя, вызываемый перегрузкой.

Предпочтительно в качестве измеряемой величины регистрируются текущий через компонент агрегата электрический ток, подаваемое на компонент агрегата электрическое напряжение и/или температура компонента агрегата.

В другом предпочтительном варианте осуществления осуществляется управление вспомогательным устройством, опосредствованно влияющим на рабочее состояние компонента агрегата, в частности представляющим собой устройство охлаждения, через которое протекает охлаждающая текучая среда, при этом осуществляется управление входной температурой и/или расходом охлаждающей текучей среды для поддержания температуры компонента агрегата, установленной в качестве текущего или в качестве жестко заданного предельного значения.

В другом предпочтительном варианте осуществления способа предельное значение представляет собой температуру компонента агрегата, при этом в качестве теплового экрана для защиты компонента агрегата от излучения электрической дуги применяется вспенивающийся шлак.

В отношении плавильного агрегата задача в соответствии с изобретением решается с помощью признаков п. 8 формулы изобретения, которые по смыслу соответствуют признакам п. 1 формулы изобретения.

Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения становятся яснее и отчетливее понятны в контексте последующего описания примеров осуществления, которые поясняются подробнее на чертежах.

Для дальнейшего описания изобретения ссылаемся на примеры осуществления на чертежах. На схематичном принципиальном эскизе показано:

фиг. 1: плавильный агрегат, оснащенный дуговой электрической печью;

фиг. 2: график, на котором нанесена подаваемая к расплаву мощность в зависимости от времени.

В соответствии с фиг. 1 потребная для эксплуатации плавильного агрегата электрическая энергия подается от кабеля или линии 2 электропередачи через высоковольтный выключатель 4 питания высоковольтной сборной шины 6. Подаваемое на высоковольтную сборную шину 6 высокое напряжение через высоковольтный фидерный выключатель 8 подается на понижающий трансформатор 10, который преобразует высокое напряжение в среднее напряжение. Вторичная сторона понижающего трансформатора 10 через выключатель 12 питания среднего напряжения электрически подключена к сборной шине 16 среднего напряжения. Подаваемое на сборную шину 16 среднего напряжения напряжение через фидерный выключатель 18, выключатель 20 печи и через добавочную реактивную катушку 22 печи подается на первичную сторону печного трансформатора 24, вторичная сторона которого через многоамперные токоведущие тросы 26 подключена к электроду 28 дуговой электрической печи 30. Электрод 28 установлен на опорной стойке 32 с возможностью перестановки высоты, чтобы можно было устанавливать длину электрической дуги, горящей между электродом 28 и расплавляемым материалом 34, и, соответственно этому, поступление энергии в дуговую электрическую печь 30.

При этом показанные на фиг. 1 компоненты агрегата, связанные с электрическим снабжением электрода 28, представляют собой только одну, приведенную в качестве примера альтернативу, и не включают в себя всех фактически имеющихся на практике компонентов агрегата.

Наряду с электрическими компонентами агрегата плавильный агрегат включает в себя также неэлектрические компоненты агрегата, которые на фиг. 1 также в качестве примера и не ограничивающим образом наглядно поясняются посредством устройств 36, 38 и 40 охлаждения, с помощью которых осуществляется охлаждение понижающего трансформатора 10, печного трансформатора 24 или, соответственно, элементов стенок дуговой электрической печи 30.

Кроме того, на фиг. 1 наглядно показан вспенивающийся шлак 41, с помощью которого при необходимости может экранироваться тепловое излучение электрической дуги L для снижения тепловой нагрузки компонентов, находящихся в непосредственной близости от электрической дуги L.

Как на первичной стороне понижающего трансформатора 10, так и на первичной и вторичной сторонах печного трансформатора 24 предусмотрены измерительные устройства 42 и 44 для измерения тока или, соответственно, напряжения.

В качестве других измерительных устройств наглядно показаны устройства 46 для измерения температуры, с помощью которых в качестве измеряемой величины может непосредственно измеряться или определяться опосредствованно на основании тепловой модели температура в различных местах плавильного агрегата, испытывающих тепловую нагрузку. В качестве примера и не ограничивающим образом такие устройства 46 для измерения температуры изображены на понижающем трансформаторе 10, на системах питающих кабелей, на первичной и вторичной сторонах печного трансформатора 24, а также на стенке металлоприемника печи и на электроде 28.

Кроме того, регистрируются также входная и выходная температура, а также расход охлаждающего средства, текущего через устройства 36, 38 и 40 охлаждения.

В принципе, могут быть также предусмотрены измерительные устройства 48, с помощью которых регистрируются механические измеряемые величины, например колебания опорного кронштейна опорной стойки 32.

Регистрируемые измерительными устройствами 42, 44, 46, 48 для соответствующих электрических, тепловых или, соответственно, механических измеряемых величин значения M_i, i= от 1 до n, измерений передаются в устройство 50 управления и аналитической обработки, что символически наглядно поясняется стрелками, начерченными штриховой линией. В устройстве 50 управления и аналитической обработки соответственно допустимые предельные значения измеряемых величин контролируемых компонентов агрегата заложены в виде справочной таблицы или динамической модели. Эти допустимые предельные значения могут быть жестко заданы для определенных компонентов агрегата, но могут также дополнительно зависеть от значений измерения других, в частности, измеренных на тех же самых компонентах агрегата измеряемых величин. Так, например, допустимое предельное значение передаваемой печным трансформатором 24 мощности может представлять собой функцию его температуры и уменьшаться с ростом температуры. Температура печного трансформатора 24 может, в свою очередь, подвергаться влиянию входной температуры и расхода охлаждающего средства через устройство 38 охлаждения. Дополнительно это допустимое предельное значение может также быть зависимым от длины периода времени, в течение которого рабочая точка должна устанавливаться на это предельное значение. Так, например, допустимое при некоторой измеренной температуре предельное значение тем выше, чем короче период времени.

На основании сравнения измеренных значений измерения с определенными, при необходимости с учетом этих значений измерения, текущими допустимыми предельными значениями теперь определяются период времени и максимально подаваемая в течение этого периода времени мощность. Они, например, передаются оператору в пункте управления, так что при необходимости он в состоянии повысить производительность, причем, кроме того, с помощью устройства 50 управления и аналитической обработки превышение этой максимальной мощности даже в случае ручного управления блокировано. Альтернативно этому может быть также предусмотрен автоматизированный режим работы, при котором дуговая электрическая печь 30 автоматически в течение определенного периода времени эксплуатируется с максимально подводимой мощностью.

При этом для эксплуатационной надежности существенно, чтобы для всех компонентов агрегата не превышались текущие допустимые предельные значения. Когда, например, в результате эксплуатации плавильного агрегата при максимально подводимой мощности для одного из компонентов агрегата достигается текущее допустимое предельное значение, устройством 50 управления автоматически генерируются управляющие сигналы S_k, k= от 1 до m, для плавильного агрегата, которые служат для того, чтобы это предельное значение не превышалось. Если, например, тепловая нагрузка электрода 28 достигает текущего действующего предельного значения, хотя печной трансформатор эксплуатируется с мощностью, которая не превышает действующее допустимое предельное значение для измеренной температуры и установленного периода времени, либо эта мощность понижается, чтобы предотвратить превышение текущего допустимого предельного значения для температуры электрода 28, либо, например, принимаются меры, которые способствуют более эффективному охлаждению электрода 28.

На фиг. 2 на упрощенном графике показан возможный режим работы при эксплуатации дуговой электрической печи. На этом графике нанесена подводимая мощность P в зависимости от времени t. На графике показано, что подводимая к дуговой электрической печи мощность P в течение нескольких коротких периодов Δt₁, Δt₂, Δt₃, Δt₄ времени, продолжительность которых меньше, чем продолжительность плавления, значительно повышена по сравнению с основной мощностью P₀, при которой была бы возможна длительная эксплуатация. В эти периоды Δt_i времени на основании текущих условий эксплуатации, т.е. зарегистрированных измерительными устройствами текущих значений измерений, определяются текущие имеющиеся в данный момент предельные значения и выводятся вытекающие из них и максимально возможные в течение этих периодов Δt_i времени мощности. Причем эти периоды Δt_i времени либо определены устройством аналитической обработки и управления на основании текущего рабочего состояния и/или ожидаемого характера изменений этого рабочего состояния и заданы соответственно этому, либо определены некоторым граничным критерием, например достижением текущего допустимого предельного значения.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано в деталях на предпочтительном примере осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами и специалистом могут быть выведены отсюда другие варианты без выхода из объема охраны изобретения.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для управления текущим рабочим состоянием дуговой электрической печи при ее эксплуатации в плавильном агрегате, в котором для каждого из множества компонентов плавильного агрегата, влияющих на условия эксплуатации дуговой электрической печи, регистрируют по меньшей мере одно значение измерения для характеризующей его рабочее состояние измеряемой величины и сравнивают с соответственно текущим допустимым предельным значением для этой измеряемой величины и на основании результата сравнения определяют максимальную подводимую мощность, подводимую к дуговой электрической печи в течение периода (Δt_i) времени при соблюдении всех текущих допустимых предельных значений, причем максимально подводимую мощность (Р) и/или длину периода (Δt_i) времени определяют путем прогнозирования изменения во времени по меньшей мере одной из измеряемых величин. Изобретение позволяет повысить производительность дуговой электрической печи. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления текущим рабочим состоянием дуговой электрической печи (30) при ее эксплуатации в плавильном агрегате, в котором для каждого из множества компонентов плавильного агрегата, влияющих на условия эксплуатации дуговой электрической печи (30), регистрируют по меньшей мере одно значение (M_i) измерения для характеризующей его рабочее состояние измеряемой величины и сравнивают с соответственно текущим допустимым предельным значением для этой измеряемой величины и на основании результата сравнения определяют максимальную подводимую мощность (Р), подводимую к дуговой электрической печи (30) в течение периода (Δt_i) времени при соблюдении всех текущих допустимых предельных значений, причем максимально подводимую мощность (Р) и/или длину периода (Δt_i) времени определяют путем прогнозирования изменения во времени по меньшей мере одной из измеряемых величин.

2. Способ по п. 1, в котором дуговую электрическую печь (30) автоматически эксплуатируют с максимально подводимой мощностью (Р).

3. Способ по п. 1 или 2, в котором в качестве измеряемой величины регистрируют текущий через компонент плавильного агрегата электрический ток, подаваемое на компонент плавильного агрегата электрическое напряжение и/или температуру компонента плавильного агрегата.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором осуществляют управление вспомогательным устройством, опосредствованно влияющим на рабочее состояние компонентов плавильного агрегата.

5. Способ по п. 3, в котором осуществляют управление вспомогательным устройством, опосредствованно влияющим на рабочее состояние компонентов плавильного агрегата.

6. Способ по п. 4, в котором предельное значение представляет собой температуру компонента плавильного агрегата, а вспомогательное устройство - устройство (38) охлаждения, через которое протекает охлаждающая текучая среда и у которого осуществляется управление входной температурой и/или расходом охлаждающей текучей среды для поддержания температуры, установленной в качестве предельного значения.

7. Способ по п. 5, в котором предельное значение представляет собой температуру компонента плавильного агрегата, а вспомогательное устройство - устройство (38) охлаждения, через которое протекает охлаждающая текучая среда и у которого осуществляется управление входной температурой и/или расходом охлаждающей текучей среды для поддержания температуры, установленной в качестве предельного значения.

8. Способ по п. 4, в котором предельное значение представляет собой температуру компонента плавильного агрегата, при этом в качестве теплового экрана для защиты компонента плавильного агрегата от излучения электрической дуги (L) используют вспенивающийся шлак (41).

9. Способ по п. 5, в котором предельное значение представляет собой температуру компонента плавильного агрегата, при этом в качестве теплового экрана для защиты компонента плавильного агрегата от излучения электрической дуги (L) используют вспенивающийся шлак (41).

10. Плавильный агрегат в виде дуговой электрической печи (30), содержащий множество измерительных устройств (42, 44, 46, 48) для регистрации значений (M_i) измерения, которые характеризуют рабочее состояние множества компонентов плавильного агрегата, влияющих на условия эксплуатации дуговой электрической печи (30), и устройство (50) управления и аналитической обработки с реализованным в нем алгоритмом аналитической обработки зарегистрированных значений (M_i) измерения и/или управления дуговой электрической печью (30) способом по одному из предыдущих пунктов.