badania statystyczne wpływu wybranych parametrów elektrycznych
Transkrypt
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