badania statystyczne wpływu wybranych parametrów elektrycznych

badania statystyczne wpływu wybranych parametrów elektrycznych

Prace IMŻ 3 (2010)
30
Tomasz TREJDEROWSKI, Grzegorz KOPEĆ, Bolesław MACHULEC
Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii
BADANIA STATYSTYCZNE WPŁYWU WYBRANYCH
PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH PIECA
REZYSTANCYJNO-ŁUKOWEGO NA JEDNOSTKOWY
WSKAŹNIK ZUŻYCIA ENERGII W PROCESIE WYTOPU
ŻELAZOKRZEMU
W artykule przedstawiono wyniki badań statystycznych obejmujących 10-letni okres czasu pracy pieca żelazokrzemowego o mocy 20 MVA. Przedstawiono zależności pomiędzy wybranymi parametrami elektrycznymi, a jednostkowym wskaźnikiem zużycia energii. Badania obejmują okres pracy pieca w którym począwszy od 2000 roku zdołano
radykalnie poprawić wskaźniki techniczno-ekonomiczne.
Słowa kluczowe: żelazokrzem, FeSi75, piec rezystancyjno-łukowy
THE STATISTICAL RESEARCH OF THE INFLUENCE OF
SELECTED ELECTRICAL PARAMETERS OF THE RESISTANCEARC FURNACE ON SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION RATIO IN
THE FERROSILICON MELTING PROCESS
This article presents the results of 10 years of statistical research of 20 MVA ferrosilicon furnace run time. There are
shown dependencies between selected electrical parameters and specific energy consumption ratio. The studies include
the period of furnace run time since 2000 when the technical- economical indicators were successfully improved.
Key words: ferrosilicon, FeSi75, submerged-arc furnace
1. WSTĘP
Procesy wytopu żelazokrzemu w piecach elektrycznych rezystancyjno-łukowych należą do najbardziej
energochłonnych procesów elektrotermicznych. Pomijając jakość surowców, na przebieg i efektywność procesu redukcji krzemionki węglem decydujący wpływ
posiadają warunki temperaturowe stref reakcyjnych,
oraz skład mieszanki wsadowej, który powinien być
zgodny ze stechiometrią reakcji chemicznych. Niezbędne dla procesu redukcji ciepło wydziela się w
piecu wokół zanurzonych we wsadzie elektrod w wyniku przepływu prądu na zasadzie nagrzewania rezystancyjnego, oraz w wyniku nagrzewania łukowego w
zlokalizowanych wokół elektrod komorach gazowych.
W chwili obecnej parametry metalurgiczne procesu
wytopu żelazokrzemu takie jak zrównoważenie ilości
reduktora, położenie końców elektrod i rozkład temperatur w strefach reakcyjnych oceniane są przez obsługę pieca w sposób subiektywny. Oceny te w znacznym
stopniu bazują na danych dotyczących mierzalnych
parametrów elektrycznych pieca, ale także na analizie
przemieszczeń elektrod, obserwacji powierzchni wsadu
w piecu, szybkości jego grawitacyjnego przemieszczania się (schodzenia), intensywności wydmuchów gazów,
a także przebiegu spustów, itp. Są one uzależnione od
doświadczenia i intuicji bezpośredniej obsługi pieca
i są w znacznym stopniu utrudnione przy prowadzeniu procesu w nowoczesnych piecach z zakrytą wanną,
wyposażonych w instalację do odzysku ciepła. Dlatego,
od dłuższego czasu podejmowane są próby wdrażania systemów do rejestracji i wizualizacji danych pomiarowych, oraz opracowywania coraz doskonalszych
systemów komputerowego wspomagania procesami
technologicznego wytopu żelazokrzemu. Wymusza to
poszukiwanie modeli oraz zależności pozwalających na
estymację trudnych do bezpośredniego pomiaru parametrów charakteryzujących warunki metalurgiczne
procesu. W niniejszej publikacji przedstawione zostaną wyniki badań obejmujących analizę statystyczną
wpływu wybranych parametrów elektrycznych pieca
na proces technologiczny wytopu żelazokrzemu. Znajomość takich zależności może mieć znaczenie praktyczne dla diagnostyki w czasie rzeczywistym procesu
technologicznego wytopu żelazokrzemu w oparciu o pomiary parametrów elektrycznych oraz pozwoli na dalszą poprawę wskaźników techniczno-ekonomicznych
procesu. W badaniach wykorzystano dane statystyczne uśrednionych parametrów elektrycznych pieca oraz
jednostkowego wskaźnika zużycia energii dla 140 okresów obejmujących 2–4 doby charakteryzujących się stabilną pracą pieca, bez ograniczeń mocy i postojów. Wykorzystano dane pomiarowe zarejestrowane w latach
1999–2009 przez system informatyczny do rejestracji
Prace IMŻ 3 (2010)
Badania statystyczne wpływu wybranych parametrów...
i wizualizacji danych pomiarowych z pieca o mocy 20
MVA wytapiającego żelazokrzem w Hucie Łaziska. Badania obejmują okres pracy pieca w którym począwszy
od 2000 roku zdołano radykalnie poprawić wskaźniki
techniczno-ekonomiczne, które aktualnie osiągnęły poziom porównywalny z czołowymi w świecie producentami żelazostopów. Dotychczasowa poprawa wskaźników
techniczno-ekonomicznych pieca częściowo związana
była z przeprowadzoną restrukturyzacją przemysłu żelazostopowego, co wymusiło pilną potrzebę obniżania
kosztów produkcji, ale największy wpływ na poprawę
wskaźników wywarł postęp technologiczny wynikający
z zastosowania surowców tj. reduktorów i kwarcytów
o lepszej reakcyjności. Na poprawę wpłynęło również
lepsze zrozumienie podstaw teoretycznych procesu
technologicznego wytopu żelazokrzemu. Dotyczy to w
szczególności zależności pomiędzy parametrami elektrycznymi i fizykochemicznymi procesu.
2. UKŁAD POMIAROWY PIECA
Badania prowadzono na piecu otwartym o mocy 20
MVA z wanną okrągłą oraz trzema elektrodami Soderberga o średnicy 1,2 m. Schemat układu zasilania pieca
przedstawiono na rys. 1. Piec wyposażony jest w autotransformator z regulowanymi napięciami wtórnymi,
trzy jednofazowe transformatory piecowe o mocy 6.666
MVA, niesymetryczny – bifilarny tor wielkoprądowy
łączący uzwojenia wtórne transformatorów w trójkąt,
którego punkty węzłowe stanowią uchwyty elektrod.
Autotransformator piecowy zasilany jest z rozdzielni 110/6 kV i posiada 25 zaczepów za pomocą których
można zmieniać pod obciążeniem napięcia wtórne
transformatorów w granicach 100–200 V. Dla napięcia
zasilającego 6 kV znamionowy prąd pierwotny transformatora wynosi 1926.9 A, co odpowiada znamionowemu prądowi fazowemu elektrody 77 kA.
Wdrożony w 1997 roku system kontrolno pomiarowy, realizuje pomiary identyfikacyjne wielkości elektrycznych bazując na pomiarach chwilowych wartości
31
napięć elektrodowych względem „zera” pomiarowego
wanny pieca u(t), oraz prądów i(t) mierzonych po stronie wysokoprądowej z wykorzystaniem cewek Rogowskiego jako przetworników. Identyfikacja parametrów
elektrycznych pieca odbywa się w dyskretnych odstępach czasu, przyjmując jako model elektryczny schemat zastępczy dla jednej elektrody, przedstawiony na
rys. 2 [1]
Na podstawie próbek napięć u(t) i prądów chwilowych i(t) realizowany jest algorytm identyfikacji parametrów elektrycznych pieca [1], oraz obliczane są
składowe harmoniczne z wykorzystaniem algorytmu
szybkiej transformaty Fouriera (FFT). Obecność wyższych harmonicznych w napięciach i prądach fazowych
ma związek z obecnością łuku elektrycznego oraz składowych nieliniowych w obwodzie elektrycznym pieca
rezystancyjno-łukowego. Udział łuku w wydzielaniu
ciepła w piecu oraz związane z jego obecnością zniekształcenia przebiegów sinusoidalnych mierzonych
napięć i prądów, wpływa nie tylko na rozkład temperatury, ale także posiada związek ze zrównoważeniem
ilości reduktora w strefach reakcyjnych. Wynika to
z wpływu udziału reduktora na rezystywność mieszanki wsadowej, oraz rezystancję elektryczną pieca.
Opracowanie odpowiednich charakterystyk bazujących
na pomiarach elektrycznych pieca może być zatem wykorzystane do estymacji warunków metalurgicznych
w przestrzeni roboczej pieca żelazokrzemowego. W odróżnieniu od wielkości charakteryzujących warunki
metalurgiczne stref reakcyjnych w procesie wytopu żelazokrzemu takich jak rozkład temperatur, zrównoważenie ilości reduktora, czy położenie końców elektrod
w piecu, pomiary parametrów elektrycznych pieca są
znacznie łatwiejsze i mogą być prowadzone w sposób
ciągły. Wszystkie wielkości pomiarowe, które są identyfikowane na podstawie modelu elektrycznego pieca,
oraz wielkości parametrów elektrycznych mierzonych
w sposób bezpośredni są cyklicznie rejestrowane w odstępach czasu co 1 minutę przez system informatyczny pieca. Oprócz podstawowych parametrów elektrycznych i wielkości identyfikowanych na podstawie
modelu elektrycznego pieca, rejestrowane są również
inne wielkości, z których na uwagę zasługuje wielkość
prądu I0 pomiędzy „zerem” pomiarowym zlokalizowa-
Rys. 2. Elektryczny schemat zastępczy zasilania jednej
elektrody pieca rezystancyjno-łukowego [1]: Rs – zastępcza
rezystancja fazowa toru wielkoprądowego, transformatora
i auto-transformatora, Re – rezystancja elektrody, Rb – rezystancja wsadu bocznikująca łuk elektryczny, RW – rezystancja dynamiczna łuku, Ls – zastępcza indukcyjność fazowa
toru wielkoprądowego, transformatora i autotransformatora, Le – zastępcza indukcyjność elektrody i wsadu
Rys. 1. Układ zasilania pieca 20 MVA, Huta Łaziska [5]
Fig. 1. Match of supplying of 20 MVA furnace, Huta Łaziska
[5]
Fig. 2. Electric scheme of substitute supply one of the electrode resistance-arc furnace [1]: Rs – substitute resistance,
transformer and autotransformer, Re – resistance of electrode, Rb – resistance of charge parallel to electric arc, RW –
dynamic resistance of arc, Ls – substitute inductance phase of gauge big current, transformer and autotransformer,
Le – substitute inductance of electrode and of charge
32
Tomasz Trejderowski, Grzegorz Kopeć, Bolesław Machulec
nym na pancerzu pieca, a „zerem” po stronie wysokiego
napięcia na autotransformatorze. Różnica potencjałów
pomiędzy tymi punktami wynika z niesymetrycznego rozpływu prądów w piecu oraz indukowania się sił
elektromotorycznych indukcji wzajemnej w obwodzie
doprowadzającym potencjał „zera” wanny do urządzenia pomiarowego. Wielkość tego prądu jest związana
z niesymetrią obciążenia, oraz zróżnicowanym położeniem końców elektrod w piecu, co ma bezpośredni
związek z nierównomiernym rozkładem ciepła i rozkładem temperatur.
3. ANALIZA STATYSTYCZNA WPŁYWU
WYBRANYCH PARAMETRÓW
ELEKTRYCZNYCH PIECA NA
JEDNOSTKOWY WSKAŹNIK ZUŻYCIA
ENERGII
Na rys. 3 przedstawiono zależności statystyczne
pomiędzy jednostkowym wskaźnikiem zużycia energii a wielkością składowej prądu I0, a także znanymi
z wielu publikacji wielkościami k i C3 [2–4] charaktery-
Prace IMŻ 3 (2010)
zującymi właściwości elektryczne wanny pieca. Przedstawiono również zależności pomiędzy wskaźnikiem
zużycia energii, a wartością harmonicznych I8 prądów
elektrodowych. Z przedstawionych zależności interesująca jest praktycznie nieznana z literatury stosunkowo
„silna” zależność pomiędzy wielkością składowej prądu
I0, a wskaźnikiem zużycia energii, która związana jest
z niekorzystnym wpływem zróżnicowanego położenia
końców elektrod we wsadzie, oraz nierównomiernym
rozkładem ciepła w piecu. Uzyskane zależności pomiędzy k i C3 są znane z licznych publikacji i potwierdzają
korzystny wpływ wyższej rezystywności wsadu na proces technologiczny wytopu żelazokrzemu. Wpływa to
korzystnie na warunki do palenia się łuku w komorach
gazowych, oraz warunki temperaturowe dla przebiegu
reakcji pomiędzy węglikiem SiC, a SiO2 w dolnych strefach pieca. Potwierdzeniem tego jest korzystny wpływ
udziału wyższych harmonicznych prądu na proces wytopu żelazokrzemu. Posiada to bezpośredni związek
z udziałem łuku elektrycznego w wydzielaniu ciepła
w piecu. Znacznie niższa wartość współczynnika korelacji dla zależności pomiędzy harmoniczną I8 fazy F3,
a wskaźnikiem zużycia energii w porównaniu z fazami
F1 i F2 wynika z niesymetrii toru wielkoprądowego.
Rys. 3. Zależności statystyczne pomiędzy parametrami elektrycznymi pieca, a jednostkowym wskaźnikiem zużycia energii
Fig. 3. Statistical dependencies between electrical parameters of furnace and specific energy consumption
Prace IMŻ 3 (2010)
Badania statystyczne wpływu wybranych parametrów...
33
LITERATURA
1. Baron B., Gawłowski A., Marcol A., Pawlikowski S.: Identyfikacja parametrów elektrycznych pieca w celu właściwej oceny
pracy pieca, Pracownia Projektów Automatyki ASA, Gliwice,
1977, opracowanie na zlecenie Huty Łaziska, niepublikowane.
2. Schei A., Tuset J.Kr., Tveit H.: Production of high Silicon
Alloys, Tapir Forlag, 1998.
3. Machulec B.: Teoretyczne podstawy procesu elektrotermicznego wytopu żelazokrzemu oraz krzemu technicznie czystego,
Pol. Śląska, Zeszyty Naukowe 1589, Gliwice, 2003.
4. Barker J., Rennie M.S., Hockaday C.J., Brereton-Stiles P.J.:
Measurement and control of arcing in a submerged-arc furnace, Infacon XI, 11th International Conference on Innovations in the Ferroalloy Industry, India, 2007, s. 685-694.
5. Struński B.M.: Rudnotermiczeskie plawilnyje pieczi, Metałłurgia, Moskwa, 1972.
6. Dokumentacja techniczna pieca 20 MVA, Huta Łaziska, niepublikowane.
Praca realizowana w ramach projektu N N508
439936 z funduszy KBN.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Jan Buzek