Повышение эффективности процесса производства стали в дуговой сталеплавильной печи переменного тока

25



40





СОДЕРЖАНИЕ



Введение



Глава 1 Современное состояние развития технологии и исследований в области автоматизации процесса производства стали в дуговых сталеплавильных печах малой вместимости



1.1 Устройство современных дуговых сталеплавильных печей



	1.2 Краткое описание технологического процесса производства стали в дуговых сталеплавильных печах малой вместимости



1.3 Анализ процесса производства стали в дуговых сталеплавильных печах малой вместимости



1.4 Общая постановка задачи автоматического управления



Глава 2 Математическое моделирование процесса горения электрической дуги



2.1 Разработка математической модели процесса горения электрической дуги



2.2 Идентификация и проверка точности математической модели процесса горения электрической дуги



2.4.1 Методика идентификации математической модели объекта



2.4.2 Идентификация математической модели процесса горения электрической дуги



Глава 3 Имитационное исследование процесса горения электрической дуги



Глава 4 Разработка системы автоматического управления процесса горения электрической дуги переменного тока в сталеплавильной печи



4.1 Критический анализ существующих систем управления



4.2 Математическая модель системы управления на основе пропорционально-интегрального закона регулирования



4.3 Имитационные исследования системы управления на основе пропорционально-интегрального закона регулирования



4.4 Система автоматического управления на основе регулятора с переменной структурой



4.5 Техническая реализация алгоритмов управления



Выводы по результатам диссертационной работы



Список используемых источников



















































ВВЕДЕНИЕ

Сталь – ковкий деформируемый сплав железа с углеродом, один из основных и важнейших продуктов черной металлургии. Без стали сложно представить работу различных отраслей промышленности и строительство в целом. Сталь является одним из основных конструкционных материалов, используемых, как в возведении крупных инфраструктурных объектов (железных и автомобильных дорог, мостов и сооружений), так и в производстве машин и приборов бытового назначения []. 

По данным всемирной ассоциации стали (World Steel Association, WSA) мировое производство на 2014 г. составило 1.6228 млрд. т. в год, что на 1.2% больше в сравнении с 2013 г.. Россия как одна из крупнейших стран-производителей стали на основании представленных исследований ассоциации на 2014 занимала 6 строчку списка мировых лидеров по выплавке стали, а в 2015 году поднялась на 5 место. Все это свидетельствует о тенденциях роста потребления, и необходимости совершенствования и модернизации технологий производства [].

Актуальность темы. 

Выплавка стали является сложным и трудоемким процессом с использованием различных по принципу действия металлургических агрегатов. К ним можно отнести мартеновские печи непрерывного действия вместимостью от 200 до 900 т, используемые в крупных производствах, кислородные конверторы, вмещающие от 130 до 350 т, и электрических дуговые печи постоянного и переменного тока вместимостью от 0.5 до 400 т [].

Большую актуальность на сегодняшний день получили дуговые сталеплавильные печи (ДСП) малой вместимости (от 0.5 до 6 тонн). К преимуществам данного типа агрегатов получения стали можно отнести простоту в эксплуатации, маневренность. ДСП не требуют больших производственных мощностей в сравнении с мартеновскими печами, обладают высокой производительностью высококачественных сталей широкого сортамента в соответствии с ГОСТ 997-75 при небольших производственных затратах, возможность использовать в качестве исходного сырья как традиционные полуфабрикаты (металлический лом, жидкий чугун), так и металлизированные окатыши, скрап. 

Дуговые сталеплавильные печи нашли широкое применение в условиях современного производства, что объясняется возможностью получения высоких температур за счет преобразования электрической энергии в тепловую. Принцип данного способа производства основан на горении электрических дуг – электрических разрядов большой мощности, имеющих низкое напряжение при относительно большой силе тока. Характерной особенностью горения дуг в ДСП является непрерывное изменение их формы, размеров, а следствие и параметров электрического режима работы печи. Такая нестабильность ведет к возникновению вопроса рационального использования выделяемой мощности для нагрева и плавления материалов. Однако решение данного вопроса представляет большую сложность [].

Сложности решения этой трудоемкой, но необходимой в ситуации  стремительно повышающихся требований к энергосбережению объясняются, нелинейной характеристикой дуги, обусловленной тем, что трехфазная электродуговая печь является асимметричной нагрузкой. При условии использования усовершенствованного оборудования и технологий выплавки стали важным средством повышения производительности, снижению энергопотребления, а так же повышению качества производимой стали является внедрение автоматических систем управления и регулирования. 

Таким образом, эффективное управление электродуговым агрегатом переменного тока в процессе плавки исходного металлургического сырья является довольно сложной задачей.

Цель научного исследования: 

Повышение эффективности процесса производства стали в дуговой сталеплавильной печи переменного тока.

Для достижения цели работы поставлены и решены следующие задачи: 

разработка математической модели процесса, учитывающей, изменение длины дуги в ходе процесса вследствие непрерывно меняющейся геометрии, состояния окружающей среды межэлектродного промежутка;

проведения комплекса имитационных исследований для выявления характерных особенностей протекания процесса горения электрической дуги;

поставка задачи выбора структуры системы управления процессом производства стали в дуговой сталеплавильной, учитывающей особенности этапов плавки. 

	Методы исследования.

Для решения поставленных задач в работе использованы методы математического моделирования, современной теории автоматического управления, системного анализа, математической статистики, теории процессов и аппаратов металлургического производства.

Научная новизна работы. 

Разработана математическая модель, учитывающая нелинейность процесса горения дуги вследствие непрерывно изменяющейся геометрии, состояния окружающей среды межэлектродного промежутка, а так же инерционности электрической дуги. 

Предложена структура автоматической системы управления процессом производства стали в дуговой сталеплавильной печи переменного тока, обеспечивающей изменение законов управления в зависимости от режимов плавки.

Практическая ценность. 

Разработан комплекс программ для проведения имитационных исследований процесса. Создана система автоматического управления электрическим режимом дуговой сталеплавильной печи переменного тока, реализующая программное управление с целью повышения производительности, что позволит сократить время плавки, путем ускорения процесса расплавления шихтовых материалов, сократить расход электроэнергии путем сокращения времени плавки. Разработан технический комплекс, опробованный в условиях реальной эксплуатации.

Публикации. По теме квалификационной работы опубликовано 3 (4) печатных работы.

Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель диссертационной работы, перечисляются основные научные и практические результаты.

В первой главе рассмотрены особенности технологии и ее аппаратное оформление, определены процессы и факторы, влияющие на качественные показатели процесса, установлена значимость.

Рассмотрены особенности процесса горения электрической дуги как объекта моделирования и автоматического управления. Приведено описание существующих и перспективных систем управления процессом и дана характеристика методов решения задач автоматического управления.

Во второй главе приводится математическое описание процесса горения электрической дуги в сталеплавильной печи переменного тока для разных этапов плавки. 

Математическая модель построена на основе схем замещения электрической цепи однофазной дуги с соответствующими расчетными уравнениями, рассматриваемой ранее в трудах С. И. Тельным. Математическая модель учитывает непрерывно изменяющейся геометрии, состояния окружающей среды межэлектродного промежутка, а так же инерционности электрической дуги.

В третьей главе на основе разработанной математической модели проведены имитационные исследования процесса в широких диапазонах изменения входных параметров. На основе проведенных имитационных исследований, определен вектор функций управлений, вектор варьируемых параметров процесса и выработаны технологические рекомендации по ведению процесса горения электрической дуги в сталеплавильной печи переменного тока.

	В четвертой главе проводится сравнительный анализ существующей системы управления основанной на использовании классических законов регулирования (П, ПИ, ПД, ПИД) и предложенной на основе регулятора с переменной структурой. Произведен анализ регулятора, использующего параболическую и линейную статические характеристики. Для периода расплавления рассмотрен график изменения вводимой мощности в зависимости от характерных особенностей горения дуги. В главе так же рассмотрен вопрос разработки системы управления процессом горения электрической дуги в сталеплавильной печи переменного тока. Разработан технический комплекс автоматизированной системы управления технологическим процессом, опробованный в условиях реальной эксплуатации.











































1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ И 

ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА 

ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА МАЛОЙ ВМЕСТИМОСТИ



1.1 Устройство современных дуговых сталеплавильных печей



Возможность концентрированного ввода большого количества энергии направленной на расплавление металла при высоких температурах, а так же простота технологического использования (в том числе конструкционное исполнение, принципы регулирования вводимой мощности, а так же широкого набора технических средств позволяющих производить высококачественные стали) являются неоспоримыми преимуществами дуговых сталеплавильных печей в сравнении с мартеновскими печами и иными и металлургическими агрегатами. Так же стоит отметить высокий уровень энергосбережения, а так же экологичность данных агрегатов. Все это способствовало широкому распространению и использованию дуговых сталеплавильных печей []. 

По техническому исполнению, агрегаты использующие принцип горения электрических дуг различают на агрегаты прямого и косвенного действия, дуговые печи сопротивления, а так же электронно-лучевые установки. 

1. Дуговые печи прямого действия. В данного типа агрегатах дуга горит непосредственно между электродом и расплавляемым металлом. Очаг высокой температуры расположен в межэлектродном промежутке. Особенностью горения таких дуг является наличие испарения металла, что позволяет сказать, что дуга горит не в газовой среде, а среде испарений. Это в свою очередь накладывает ряд отличительных особенностей в сравнении с электросварочной дугой. Другой особенностью является повышенная экранизация свода печи (незащищенная футировочным материалом конструктивная единица механической части), позволяющая вводить большие объемы мощности. Наиболее производительными можно считать дуговые печи, работающие на трехфазном токе []. 

Другим видом печей прямого действия являются вакуумные дуговые печи. Данный вид агрегатов широко распространен для плавки тугоплавких металлов – молибдена, вольфрама, тантала) []. 

2. Дуговые печи косвенного действия. Дуга в таких аппаратах горит между электродами, а тепловая энергия металлу передается по средствам излучения (иногда конвекции и теплопроводностью). Очаг высоких температур находится в стороне от металла. Данное свойство используется для плавления металлов с низкой температурой испарения (цветные металлы, сплавы содержащие цинк (латунь)). Особенностью таких агрегатов является тяжелая эксплуатация футеровки вследствие отсутствия экранирования. Это не позволяет вводить высокие мощности, и вести процессы при высоких температурах. Зачастую это однофазные печи для расплавления цветных металлов [].   

3. Дуговые печи сопротивления. Электрическая дуга в таких агрегатах горит в газовой полости внутри расплавляемой шихты, включенной последовательно или параллельной с дугой. Нагрев металла происходит за счет джоулева тепла. Очаг высоких температур находится непосредственно в шихтовом материале. Данный тип агрегатов используется для расплавления металлов высокой температуры, а так же возгонки материалов. Основной шихтовой материал это материалы с высоким удельным сопротивлением (ферросплавы, карбид кальция, чугун, абразивы и др.) []. 

4. Электронно-лучевые установки. В этих установках образованные в глубоком вакууме мощный пучок электронов, ускоренный в электрическом поле бомбардирует нагреваемый материал тем самым разогревая его и расплавляя. В качестве расплавляемого металла выступает уже переплавленный электрод требующей высокой очистки металла. 

Как упоминалось ранее широкое распространение в производстве получили дуговые сталеплавильные печи переменного тока.

Конструктивное исполнение дуговой сталеплавильной печи (ДСП) переменного тока представлено на рисунке 1.



Рисунок 1.1 – Конструктивное исполнение дуговой сталеплавильной печи переменного тока

Дуговая электросталеплавильная печь питается трёхфазным переменным током и имеет 3 цилиндрических электрода 9, изготовленных из графитовой массы. Электрический ток от трансформатора гибкими кабелями 7 и медными шинами подводится к электрододержателям 8, а через них к электродам 9. Между электродами и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путём вертикального перемещения электродов. Печь имеет стальной сварной кожух 4. Кожух печи изнутри футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом 1, который может быть основным (магнезитовый, магнезитохромовый) или кислым (динасовый). Подина 12 печи набивается огнеупорной массой. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6, изготовляемым также из огнеупорного кирпича и имеющим отверстия для хода электродов. В стенках печи имеется рабочее окно 10, предназначенное для управления ходом плавки и летка для выпуска готовой стали по желобу 2 в ковш [].



1.2 Краткое описание технологии процесса производства стали в дуговых сталеплавильных печах переменного тока



	Процесс выплавки стали в ДСП основывается на горении электрической дуги, являющейся одним из видов разрядов в газах и парах. Дуга представляя собой ярко светящуюся смесь электронов, положительных ионов и нейтральных атомов является сложным процессом ионизации и деионизации в промежутке горения дуги. Стационарные дуги находясь в равновесии процессов ионизации и деионизации определяют перенос тока как электронами, так и ионами в результате «дрейфа« (направленного движения) под воздействием электрического поля. Различают электрические дуги постоянного и переменного тока. Каждый вид имеет свои характерные особенности. Однако наибольшее распространение получили аппараты, основанные на горении электрических дуг переменного тока.

Тепло, выделяемое дугой, в процессе горения между электродом и шихтой нагревает последнюю до температуры плавления. Это происходит вследствие передачи энергии электрических дуг шихте путем излучения, конвекции с горячими газами и испарениями, теплопроводностью от наиболее раскаленных участков металла в зоне горения дуги, а так же счет джоулева тепла при протекании тока через шлак и металл []. Электрическая дуга в ДСП, как физическое явление, имеет ряд особенностей []: 

горение при определенных значениях тока, напряжения и длины; 

большие мощности и высокие токи при низких напряжениях;

горение в закрытом пространстве;

значительная продолжительность горения.

Заметим тот факт, что дуга в печи горит между  угольным электродом и поверхностью сплава накладывает дополнительные особенности на данный процесс. Так стоит учесть, что электрод-катод принимает пассивное участие в создании разрядной атмосферы, тогда как сплав ведет себя иначе. Учитывая, что каждый полупериод катод и анод меняются местами можно определить несимметричность процесса по полупериодам [].

Условия существования электрической дуги переменного тока чувствительны к изменению свойств окружающей ее среды. А учитывая, что тепловое состояние газового промежутка, а так же геометрия столба дуги непрерывно меняется, рассмотрение статических характеристик не имеет смысла. Поэтому при изучении основных свойств электрической дуги переменного тока используют лишь динамические вольт-амперные характеристики (ВАХ) и осциллограммы тока и напряжения [].

Особенностью динамических ВАХ дуговых печей и иных электротехнологических установок является их не симметрия по полупериодам. Дуга переменного тока, горящая между графитовым электродом и металлом, различается по полупериодам не только особенностями создания условий горения изменяющимися катодами и анодами, но и градиентами потенциала в столбе дуги. Для катода – металл сумма приэлектродных падений напряжения увеличивается, что определяет большее значение напряжения в данный полупериод. Обратная ситуация происходит когда катодом становится электрод. Это способствует проявлению «вентильного эффекта» - появлению постоянной составляющей напряжения обратной полярности. Вид характеристики значительно меняется от условий горения дуги и состояния окружающей среды (температура межэлектродного пространства), тем самым определяя разнообразие форм. Так средняя температура графитового электрода составляет 2950 К, а поверхность шихтового материала с течением плавки повышается до 2000 К. Это при условии разной эмиссионной способности материала определяет различие процессов ионизации и деионизации. Наиболее характерные формы ВАХ представлены на рисунке 1.2 а) и б) [].





Рисунок 1.2 – Вольт-амперные характеристики, осциллограммы тока и напряжения для разных условий горения дуги 

Рисунок 1.2 а) представляет  ВАХ и осциллограммы маломощной  дуги переменного тока  на открытом воздухе (характерно для стадий включающих открытые дуги) при условии сильного охлаждения. Пики напряжения (напряжение зажигания) на осциллограмме обусловлены возрастанием сопротивления вследствие охлаждения газового промежутка и деионизации в моменты прохождения тока через ноль. По мере возрастания тока напряжение снижается и достигает минимум при максимуме тока [].

Повышение мощности дуги способствует меньшему охлаждению газового промежутка. Форма напряжения видоизменяется, приобретая вид трапеции, а ВАХ представляет собой ломаную линию. Такая форма кривых характерна для стадий закрытых дуг в период расплавления металла. ВАХ и осциллограммы тока и напряжения представлены на рисунке 1.2 б). 

Если дуга хорошо теплоизолированы и имеет большую мощность вид кривых тока и напряжения будет стремиться к синусоидальному виду. Осциллограммы и ВАХ представлены на рисунке 1.2 в). 

Другой характерной особенностью выплавки стали в ДСП, является многоэтапность.  Технологический процесс делится на четыре технологических периода.

Межплавочный простой.

Данный период включает операции подготовки печи к эксплуатации. В данный период происходит ремонт (заправка) подины и откосов, проверка состояния футеровки на предмет обвала огнеупорного кирпича, а так же завалка шихты.

Завалку шихты в печах малой вместимости осуществляют специальными саморазгружающимися корзинами при отведенном своде в сторону. Порядок приготовления и состава шихты определяют, руководствуясь операционными картами.  В корзину шихту загружают слоями в определенном процентном соотношении, так мелкие куски скрапа загружают в низ корзины, а крупные наверх, что обеспечивает более быстрый процесс плавления. 

Расплавление и плавание шихты.

После завалки шихты производят закрытие свода и опускание электродов. Процесс плавления шихты в ДСП производят по средствам дуг, образующихся между электродами и шихтой. Для подавляющего большинства ДСП используют трёхфазный ток при непроводящей подине. Ванна с металлом в такой печи образует естественную нулевую точку трехфазной цепи, и печь включена по трехпроходной системе трехфазного тока без нулевого провода [].

В течение периода плавления выделено четыре стадий.

Первая стадия – заглубление электродов в шихту. В момент зажигания дуг, когда электроды ещё не заглублены в шихту, излучение дуг может воздействовать на свод и футеровку стен. Длится стадия не долго – дуга сравнительно быстро экранируется шихтой. Для уменьшения облучения свода и футеровки стен, стадию работают на сравнительно коротких дугах. Из-за малой длительности её часто не выделяют, принимая во внимание ограничения следующей стадии [].

Особенностью периода так же является недостаточная эмиссионная способностью холодного шихтового материала, это обуславливает плохие условия ионизации в межэлектродном промежутке, а следовательно неустойчивое горение дуги. В этом случае необходимо использовать ступени напряжения трансформатора с полным включением токоограничивающего реактора. При этом работу производят при пониженных значениях вводимой мощности. Такой подход увеличивает время эксплуатации огнеупорной футеровки печи свода и стен, защищая его от излучения открытых дуг.  

Вторая стадия – проплавление колодцев. В эту стадию также нельзя задать максимальные электрические параметры. Если вести плавку на больших токах, прожигаются узкие колодцы []. В этом случае электроды проходят колодец быстро, при этом образуется мало жидкого металла, и электрические дуги могут повредить футеровку подины при отсутствии конечных выключателей, ограничивающих перемещение электрода. Кроме того узкие колодцы могут привести к поломке электродов из-за возможности их горизонтальных перемещений. Поэтому, на этой стадии работают на малых дугах [].

Стадия так же характеризуется неустойчивым горением дуги из-за плохих условий ионизации. Частые обвалы в этой стадии ведут к коротким замыканиям, что требует необходимости включения токоограничивающего реактора. Данную стадию ведут при максимальной вводимой мощности, так как она  определяет формирование металлической ванны, необходимой для более быстрого плавления металла. В конце стадии изменяю задание по току [].

Третья стадия – стадия закрытых дуг или основная стадия (формирование общей плавильной зоны). На этой стадии имеется возможность для введения максимальной мощности в печь: дуга горит на жидкий металл, а стены экранированы шихтой. Шихта интенсивно расплавляется как за счет излучения дуг, так и за счет поднимающейся массы жидкого металла. В этот момент создаются благоприятные теплофизические условия горения дуги.

Четвертая стадия  или стадия доплавления и нагрев металла до заданной температуры характеризуется наличием открытых дуг. В неё ещё много нерасплавленной шихты, особенно на откосах, но шихта уже не экранирует дуги. Поэтому в эту стадию работают на коротких дугах [].

Иногда выделяют также пятую стадию, в течение которой происходит нагрев металла до заданной температуры. На этой стадии длина дуг становится ещё более короткой [].

В принципе каждая стадия определяет ограничения на ввод максимальной мощности в печь, а так же выбор ступени трансформатора []. Стоит отметить, что для разогретой печи и холодной время этапов плавки может быть различным.

В общем виде этапы представлены  на рисунке 1.3,1.4. 





Рисунок 1.3 – Стадии периода расплавления 

tn –  межплавочный простой

I – первая стадия (заглубление электродов в шихту)

II – вторая стадия (проплавление колодцев)

III – стадия (стадия закрытых дуг или основная стадия)

IV – стадия (стадия доплавления)

1 – Для холодной печи

2 – Для разогретой печи





Рисунок 1.4 – Стадии расплавления металла 

1 – стадия заглубления электродов в шихту

2 – стадии проплавления колодцев и формирования общей плавильной зоны

3 – стадия доплавления металла 

Окислительный период.

В окислительный период производят отборы проб, замер температуры и ввод присадок необходимых для процесса окисления. Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины. Этот период характеризуется образование шлака, который поворотом печи либо скачиваю, если его количество излишне, либо наводят, добавлением известняка. Процесс анализа проводят экспресс методами в лаборатории, либо визуально по количеству изломов на пластине. Окислительный период характеризуется кипением металла, что вызывает возрастание количества коротких замыканий и нестабильность горения дуги [].

Восстановительный период.

При достижении необходимого содержания углерода в расплаве металл доводят до требуемых значений температуры, выравнивая её по всему объему («чистый кип»). После производят выемку пробы для анализа содержания углерода, марганца, кремния и степени нагрева. Раскисление производят ферросилицием из расчёта получения в металле кремния 0,3-0,4%, за 3-4 минуты до выпуска плавки прокалённым ферромарганцем  из расчёта получения в металле 0,7-0,8 % марганца.  После металл доводят до температуры выпуска (регламентируется ГОСТ). Выпуск металла производят при поднятых электродах в прогретый ковш с алюминиевыми кубиками. Наклон печи осуществляется гидравлической «ногой» [].



  8На процесс плавления так же влияют и другие косвенные параметры. Состав шихты и присадок, вводимых на этапе окисления и восстановления, изменяют электропроводность атмосферы в подэлектродной зоне. В процессе плавления так же происходят обгорания электродов, весь период расплавления металла до момента полного перехода его в жидкое состояние сопровождается обвалами кусков шихты в проплавленные колодцы, а в момент кипения жидкого металла образуются пузыри. Эти явления меняют геометрию поверхности над и под дугой, что влечет за собой изменение её длины [].



1.3 Анализ процесса производства стали в дуговых сталеплавильных печах малой вместимости.



Практика промышленного использования дуговых сталеплавильных печей переменного тока и анализ литературы [] показывают, что изменение электрического режима печи возможно двумя путями: изменением длины дуги и изменением вторичного напряжения. 

Изменение вторичного напряжения трансформатора, подаваемого на печь, осуществляется периодически, в определенные моменты плавки, однако частые коммутации сильноточных цепей нежелательны. Длину дугового промежутка есть возможность изменять оперативно, поэтому данный путь управления выделяют как основной []. 

Поскольку изменение длины дугового промежутка приводит к изменению силы тока и напряжения, то данные величины используются как параметры регулирования. Необходимо помнить, что напряжение в свою очередь зависит и от положения ступени печного трансформатора (определяется технологической картой). При этом переключение ступеней реактора выделяют как дополнительное управляющее воздействие которое широко применяется на современных дуговых печах. Переключение ступеней реактора позволяет вводить дополнительную индуктивности в подводящих цепях печи. Реактор входит в состав печного трансформатора, и с помощью переключения его ступеней можно изменять его внешнюю характеристику. Это оказывает влияние на коэффициент мощности и позволяет добиться более стабильного горения дуги [].

Необходимо отметить, что регулирование осуществляется пофазно, т.е. имеется три автономных регулятора, каждый из которых управляет своим двигателем или плунжером.

Заметим, что возможно прямое измерение и использование активной мощности в качестве поддерживаемого параметра. Однако практика использование дуговой сталеплавильной печи переменного тока показала, что стабилизирующая система, использующая данные параметр является наиболее затратной и неточной. Все это определяет необходимость измерения и использования тока и напряжение в САР [].

Исходя из анализа литературных источников[], можем представить печь на рисунке 5.  





Дуговая

сталеплавильная печь

A

 B

C

D

E

I

Uф

L

Uв

Рисунок 5 – Дуговая сталеплавильная печь переменного тока, как объект управления 

На рисунке 5 представлена структурная схема ДСП с входными и выходными переменными.

К переменным, характеризующим состояние процесса, – вектору регулируемых величин относятся:

I – сила тока дуги, А;

Uф – напряжение фазы печи, В.

К вектору регулирующих воздействий:

L –длина дуги, м;

Uв – вторичное напряжение трансформатора, В.

 К вектору возмущающих воздействий:

A – обвал шихты (изменение геометрии поверхности под дугой), м;

B – обгорание электродов (изменение геометрии поверхности над дугой), м;

C  – кипение металла (изменение геометрии поверхности под дугой), м;

D – состав вводимых присадок (изменение электропроводности атмосферы в подэлектродной зоне), См/м ;

E – состав шихты (изменение электропроводности атмосферы в подэлектродной зоне), См/м;

Все возмущающие воздействия являются неконтролируемыми параметрами, так как, либо нет возможности произвести измерения, либо эти измерения являются трудоемкими [].

Процесс выплавки стали включает в себя не только задачи по  поддержание горения дуги, но и другие служебные функции, обеспечивающие работу дуговой сталеплавильной, к системе управления  предъявляются требования как единому комплексу, включающему себя дуговую сталеплавильную печь, печной трансформатор, механизмы наклона печи, подъема и отвода свода, перемещения электродов, систему водоохлаждения.

Исходя, из всего вышесказанного, можно выдвинуть ряд технологических требований к работе оборудования. К ним относится[]:

		быстродействие, обеспечивающее отработку коротких замыканий и обрыв дуги в течение 1,5 с;

		время регулирования не более 3 с;

		автономность регулирования по фазам, устранение и сведение к минимуму ненужных перемещений электродов при возмущениях в других фазах;

		обеспечение  автоматического зажигания дуг без поломки электродов;

		остановка исполнительных механизмов при исчезновении питающего печь напряжения;

		предотвращение «макания» электрода в жидкий металл;

		возможность плавного изменения задания мощности и его автоматического изменения;

		чувствительность к непроводящей шихте и своевременная остановка электрода для предотвращения поломки;

		возможность использовать гибкие статические характеристики регулятора;

		возможность оперативного изменения параметров плавки и технологической карты;

		возможность оперативного ручного управления системой с панели оператора;

		возможность контроля хода технологического процесса на панели оператора;

		минимизация влияния человеческого фактора на принятие решений в управлении технологическим процессом;

		архивирование и документирование технологических параметров процесса плавки, а так же действий оператора;

		сокращение или полное исключение аварийных ситуаций, а так же автоматический контроль и блокировка работы оборудования при выявлении неполадок.

Выполнение основных технологических требований возможно только при правильном подборе системы управления и регулятора.



1.4 Общая постановка задачи



Как упоминалось ранее, процесс горения электрической дуги является нелинейным, а состояние окружающей среды влияющей на ход процесса можно считать нестационарным. В ходе процесса непрерывно изменяются как условия горения электрической дуги, так и её свойства. Поэтому учитывая многоэтапность процесса, управление сводится к задаче выбора законов регулирования процессом горения дуги.

В общем виде задача выбора структуры автоматической системы управления процессом выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи ставится следующим образом.

Необходимо определить вектор управляющих воздействий, которые обеспечат наиболее простое управление, и при этом выполняются технологические условия, ограничения и уравнения математической модели. Рассмотреть технологию производства, а так определить особенности процесса горения электрической дуги при различных условиях окружающей среды.

Произвести анализ существующих систем управления основанных на использовании классических законов регулирования, выявив преимущества и недостатки. Определи возможные пути решения, и рассмотреть задачу автоматического управления, обеспечивающего учет свойств объекта управления для разных этапов процесса с целью повышения эффективности ведения процесса. Произведя имитационных исследований представленных систем выявить, отвечающую всем предъявляемым требованиям систему. Для оценки эффективности работы разработанной системы автоматического управления энергетическим режимом, необходимо выполнить математическое моделирование управляемого процесса и работы разрабатываемой системы управления. А так же предложить к рассмотрению технический комплекс автоматизированной системы управления технологическим процессом и алгоритмы, реализующий эффективное управление на базе полученных  результатов.

	 









































2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА



2.1 Разработка математической модели процесса горения электрической дуги



Для анализа объекта управления необходимо получить модель, описывающую процесс горения дуги, а именно зависимость электрического режима (значения тока и напряжения на дуге) от изменения длины дуги и вторичного напряжения трансформатора. 

Для рассмотрения процесса воспользуемся схемой замещения электрической цепи однофазной дуги с соответствующими расчетными уравнениями, рассматриваемой ранее в трудах С. И. Тельным. Из-за сложности процессов, происходящих в печи, были введены следующие допущения []:

		мгновенные значения напряжения дуги за время её горения в каждом полупериоде примем равными постоянному значению;

		дуга переменного тока будет заменена активным сопротивлением r и включенной в цепь индуктивностью L.

Подобные допущения позволяют учесть нелинейность дуги переменного тока и получить наиболее близкие значения к действительным результатам [].

Положим, что в цепи дуги протекает переменный ток:

,

(2.1)

при этом частота (?) заданна источником питания, а в дуге через каждый полупериод меняется полярность (катод и анод меняются местами). С учетом введенных допущений для расчета мгновенных значений тока необходимо решить уравнение равновесия э.д.с. этой цепи для промежутка горения дуги:

;     

(2.2)

здесь 



(2.3)

индуктивное падение напряжения в цепи дуги [].

Уравнение (2.2) решается аналитически методом подст.......................