РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ И ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ПИТАНИЕМ ТОКОМ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

. В основных направлениях Энергетической стратегии России на период до 2020 года и Стратегии развития 'Казахстан 2030& 727d31h quot; одним из приоритетных

Анализ литературы по физике и технике использования переменного тока различных частот и ТСФ в электротехнологии показал их влияние на электрические и технологические параметры установок, в частности установлены частотная

P Debye D Piron N Ibl J Mann H Anqerer H Schenk

I Lanqmuir D Gabor L Tonks L Onsaqer L Spitzer M

- экспериментально установлены следующие физические эффекты при питании электролизных и газоразрядных ЭТУ током сложной формы: повышение устойчивости горения дуги; уменьшение потерь энергии в электролите; наличие зависимости приэлектродных падений напряжения и градиентов напряжения в электролите и столбе дуги от частоты тока и гармонического состава ТСФ; наличие экстремумов (минимумов напряжения) в этих зависимостях;

- предложена и подтверждена гипотеза о влиянии резонансных явлений при использовании тока сложной формы на подвижность заряженных частиц в электродах, электролитах и плазме. Установлено, что снижение приэлектродного падения напряжения и градиентов напряжения в электролите и дуге определяется

- впервые определен диапазон эффективно воздействующих частот 100 ÷ 1000 Гц на кинетические характеристики заряженных частиц в электролитах и плазме, а также на процессы в приэлектродных областях;

- получены регулировочные функции электролизных и газоразрядных установок для выхода на эффективные режимы работы, которые устанавливают однозначную связь электрических и технологических параметров в зависимости от параметров регулирования источника питания (тока управления дросселя насыщения или угла управления тиристорами);

- предложены и исследованы варианты источников питания ТСФ с постоянной составляющей и без нее для электролизных и газоразрядных установок, в которые входят силовые трансформаторы с регулированием амплитуды вторичного напряжения и замагниченные дроссели насыщения или управляемые выпрямители для плавного регулирования состава ТСФ;

- определены однозначные функциональные связи между режимами работы источников питания ТСФ и параметрами технологического процесса ЭТУ, позволяющие минимизировать потери в силовом оборудовании;

- показана возможность реализации эффективных режимов работы ЭТУ с питанием ТСФ при обеспечении требований ГОСТ на качество электрической энергии в питающей сети, что достигается использованием для питания ЭТУ более низких ступеней РПН трансформатора без снижения их производительности;

- разработаны новые способы и системы автоматического управления технологическими процессами в электролизных и газоразрядных ЭТУ с питанием ТСФ, основанные на введении дополнительного канала регулирования по спектру частот, что позволяет более эффективно управлять технологическими процессами для улучшения энергетических характеристик ЭТУ.

и выводов диссертационной работы. Теоретические выводы получены с использованием корректных математических методов и подтверждаются экспериментальными исследованиями, проведенных на физических моделях и промышленных электролизных и газоразрядных установках, с использованием современных средств измерений и методик проведения испытаний.

По результатам работы получены акты и протоколы внедрения от организаций и промышленных предприятий России и Казахстана: Павлодарского химического завода (1985, 1986), Балхашского горно-металлургического комбината (1984, 1986, 1988), на ПО 'Павлодарский тракторный завод' (1988, 1990, 1991, 1992), в АОО 'Монтажник', г. Качканар (1996), в Павлодарском индустриальном институте (1982, 1989), в ОАО 'Челябинский электродный завод' (2000); ОАО 'Павлодарсоль', Казахстан (1999), в ОДТ ОАО 'Казахтелеком' (2006), в ТОО ', Казахстан (2006).

Z

'Энергосбережение, электропотребление, электрооборудование' (Новосибирск, 1994); Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universit t Ilmenau II Международной научно-практической интернет-конференции 'Энерго- и ресурсосбережение – XXI век' (Орел, 2004); V Workshop Elektroprozesstechnik Erw rmen und Schmelzen mit elektrothermischen und alternativen Verfahren Tagungsband Technische Universit t Ilmenau International Conference on Research in Electrotechnology and Applied Informatics Katowice Poland XI конференции 'Электромеханика, электротехнология, электротехнические материалы и компоненты' (Алушта, МЭИ, 2006).

, рекомендованных ВАК Российской Федерации для публикаций материалов докторских работ, а также получены 4 патента, свидетельство на интеллектуальную собственность и опубликованы три учебных пособия.

улучшение структуры и свойств осадков (плотности дислокаций, размеров блоков мозаики, микротвердости, прочности), повышение скорости осаждения металла.

Выполнен анализ характеристик ИП, используемых для нестационарных процессов электролиза. Показано разнообразие ИП по выходной мощности и схемотехническим решениям для слаботочных электрохимических процессов: гальваностегии; гальванопластики; анодного полирования; размерной электрохимической обработки. Рассмотрены их недостатки.

показателя, определяющего качество металла. При получении металлов электролизом из водных растворов реализуется комбинированное регулирование напряжения: ступенчатое ДН), или управляемыми вентилями. В установках для электролиза алюминия жесткие ограничения по температурному режиму ванн с расплавами предполагает регулирование сопротивления расплавов при изменении тока нагрузки изменением межплавильного расстояния или сечения анода: для стабилизации мощности. Несовершенство СУ и приборов измерения ведет к увеличению температуры электролизеров (переинтенсификации), росту числа ремонтов. Это также требует совершенствования алгоритмов управления режимами электролиза.

Анализ способов и СУ процессами плавки в ДПП показал, что перевод печей в режим с питанием ТСФ предполагает усовершенствования программно-технических средств управления.

Рассмотрены физические процессы взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц и составлены уравнения динамического равновесия для движущихся частиц в электролитах, плазме и электродах, позволяющие качественно анализировать эти процессы. Принята гипотеза о явлении резонанса, возникающего при совпадении одной из частот внешней электрической силы с частотой колебаний заряженных частиц в электролитах, плазме и электродах.

. (1)

Здесь m и x – масса и перемещение частицы; t время; F₁ = - kx – квазиупругая сила; F₂ = - r(dx/dt) сила сопротивления среды, включающая тормозящий эффект, возникающий вследствие электростатического взаимодействия заряженных частиц между собой; k и r – коэффициенты пропорциональности, определяемые, например, свойствами материала; F F сила, определяющая движение частицы для электролита вследствие разности концентраций (диффузии) или для газового разряда вследствие градиента давления; F₅ = F_m cos ω_Ft

F F F F F F F F F F

- классический подход при анализе явления взаимодействия электромагнитного поля и заряженных частиц, позволивший оперировать понятиями перемещение и скорость, подвижность заряженных частиц, электропроводность, сила тока, падение напряжения и градиент напряжения, потери электроэнергии;

^a

; (2)

. (3)

изменению динамического коэффициента ½x^a_m½ d_St можно судить об увеличении амплитуды колебаний частиц при регулировании частоты w_F

_F

Оценочные расчеты для электролитов показали, что для характерных значений массы гидратированных заряженных частиц оптимальные частоты составляют несколько сот герц. В расчетах учитывали, что постоянная Фарадея равна F = 96500 кул/моль; число Авогадро N_A = 6,023 10²³; валентность (например, для меди – Z = 2), скорости ионов (имеют тот же порядок, что и их активности) 10^-6 м/c, напряжение на электролизере 0,3 B, а расстояние между электродами – l = 0,055 м; частота вынуждающей силы 10 Гц - 20 кГц. Режимные параметры электролиза (температуру, концентрацию раствора) учитываются коэффициентом b = r / 2m r Стокса

, (4)

R радиус заряженной частицы (зависит от природы растворителя, темпе h

Для условия резонанса принято t = 0, dx / dt

(5)

амплитуда внешней силы, ;

m = m r

После подстановки численных значений получено значение w = 600 с^-1, т.е. f₀ 10² Гц. При числе атомов в гидратированной частице n = 10³ - 10⁷ порядок собственной резонансной частоты равен f₀ = 10³ - 10⁵ Гц. Полученный интервал значений эффективно воздействующих гармоник (частот собственных колебаний заряженных частиц) в электролитах составил 100 - 1000 Гц, что совпадает с оценками других авторов для электролитической поляризации.

I

. (6)

N_e b_e – электропроводность плазмы; e N_e b_e S R – сечение и радиус столба дуги. Увеличение подвижности b_e заряженных частиц в плазме при регулировании частоты и амплитуды питающего напряжения обусловливает рост электропроводности и снижение градиента напряжения в столбе дуги и напряжения дуги. Построены теоретические зависимости напряжения на дуге от

Исследованы процессы излучения электрической дуги, стабилизированной стенками разрядной трубки. По утверждениям Г.Н. Рохлина, на границе столба дуги возникает ДЭС из-за нарушения квазинейтральности плазмы, который влияет на выход излучения. В данной работе доказано, что поляризация граничных участков плазмы зависит от частоты и осцилляции заряженных частиц в ДЭС приводят к излучению волн поля. Если заряженные частицы колеблются в фазе, а расстояние между ними мало, то возникает максимум в направлении перпендикулярном линии, на которой расположены осцилляторы. Интенсивность излучения волн определяется количеством осцилляторов n и частотным соотношением .

_{F F} и ω₀ распределение частиц по скоростям неравновесное, что влияет на подвижность и число заряженных частиц в плазме, обладающих большими скоростями.

, (7)

n n

D

(8)

w_F w w_F w n значения 10⁷ - 10⁵ Гц.

ширину линии излучения по сравнению с постоянной естественного затухания, то разумно говорить о низкочастотных колебаниях в плазме (порядка 10³ Гц), установленных экспериментально Ленгмюром и Тонксом.

частиц, т.е. ток сложной формы с эффективно воздействующими частотами в диапазоне

, (9)

где .

Также установлено, что в качестве параметра оптимизации в электролизных и газоразрядных ЭТУ может быть выбрано напряжение на ванне или напряжение на дуге для выбора эффективного режима работы установок.

рассмотрены результаты исследований на модели дуговых плавильных печей и установках, работающих на принципе излучения газового разряда высокого и низкого давлений, опытно-промышленных испытаний на ДПП малой емкости с питанием ТСФ с постоянной составляющей и без нее.

– двухэлектродной ДПП емкостью 0,25 тонн в сталелитейном цехе (СЛЦ-2) ОАО

В первой серии исследовали электрические процессы в дуге (приэлектродные падения напряжения, градиенты напряжения в столбе дуги) при изменении частоты в диапазоне 20 Гц - 20 кГц для выявления эффективно воздействующих частот на значения напряжения дуги (приэлектродные падения напряжения и градиент напряжения в столбе дуги) для выбора эффективного схемотехнического решения ИП печи. Ток дуги поддерживали постоянным. Реализован пассивный эксперимент без плавления с повторением опыта не менее шести раз с репликацией опытов Экспериментальные данные обработаны с применением теории вероятности и математической статистики. Проверено предположение о возможности аппроксимации эмпирического распределения законом нормального

. (10)

. (11)

электрической дуге – 100 - 200 Гц. На рис. 3 дана зависимость напряжения дуги от частоты при токе дуги 50 А. Установлено снижение напряжения с 50 В до 33 В, при этом изменяются абсолютные значения напряжения, а минимум соответствует указанному диапазону частот. Это совпадает с выводами других авторов. Показано, в ДПП необходим источник, генерирующий гармоники в диапазоне низких частот.

I

изменялась (рис.5).

состава ТСФ). При этом применялся ТСФ без постоянной составляющей, что позволило снизить напряжение дуги на 30%.

тракторный завод' (Казахстан) и в АОО 'Монтажник', г. (Россия)

Na B O H O H BO ). Отбор проб производили для контроля степени десульфурации и дефосфорации жидкого металла, содержания газов, усвоения легирующих добавок, температуры металла, а также содержания примесей цветных металлов и стойкости футеровки. Окислительную способность шлака и металла косвенно оценивали по изменению расхода ферросплавов за плавку. По балансу металла отслеживали изменения в технологическом процессе: выход годного металла; брак продукции; угар и др.

уровень шума со 130 - 121 до 85 - 75 дБ и объем выбросов пыли с 69,5 кг/ч до 7,5 - 15

управления ДПП

LD

в электролитах) для выбора эффективного схемотехнического решения ИП электролизеров

, (12)

(13)

(14)

распределение (энергий) скоростей заряженных частиц в электролите при нестационарных электрических режимах, тепловое движение частиц в электролите, различные составы электролитов и др. Показано, что и в электролизных ЭТУ технически эффективнее получать ТСФ искажением формы питающего тока. В качестве ИП предложены управляемые тиристорные блоки или ДН с выпрямителями или без них, позволяющие получать Отмечено снижение прикатодного падения напряжения с 0,4 до 0,14 В при изменении угла α. Установлено линейное возрастание потенциала в межэлектродном промежутке электролизера при увеличении расстояния до электрода. На рис. 8 проведены зависимости для водного раствора соли меди при плотности тока 100А/м² и различных углах α. Зависимость имеет минимум при α = 45^о во всем диапазоне изменения параметра x. Это свидетельствует об увеличении электропроводности электролитов при регулировании спектра частот тока.

c плавного регулирования спектрального состава тока замагниченным дросселем насыщения для исключения коммутационных перенапряжений в электролизных ЭТУ по сравнению с методом Дилера. Исследованиями установлено, что изменение амплитуд гармоник в спектре влияет на технологические показатели процесса (выход металла по току).

Спектральный анализ катодной меди соответствовал требованиям ГОСТ. Рентгеновским дифрактометром УРС-50 определено остаточное напряжение в осадках меди (35 мкм), которое при плотности тока 240 А/м² и угле управления тиристорами 15 и 0 эл. град. c

(до 5,86 г). Это свидетельствует о снижении сопротивления электролита и потерь энергии на нагрев электролита.

Установлено изменение сопротивления рассола от частоты питающего тока. Минимум соответствовал частоте 500 - 600 Гц. Для криолит-глиноземного электролита минимум сопротивления расплава (0,107 Ом против 0,053 Ом) соответствовал частоте 300 - 400 Гц (рис. 10). Падение напряжения на ванне при частоте 50 Гц составило 4,563 В. Исследованиями подтверждено, что в расплавах, представляющих смесь солей, снижение сопротивления значительнее, чем в водных растворах

_N

рассмотрены проблемы измерения ТСФ и работа силового электрооборудования при протекании тока сложной формы. Показано, что большинство средств измерений рассчитаны на измерение действующих значений тока и напряжения синусоидальной формы. Для измерения действующих значений электрических сигналов различной формы необходимы приборы, измеряющие истинные действующие значения негармонических сигналов, поскольку приборы, для измерения среднеквадратичных значений тока и напряжения синусоидальной формы, при измерении негармонических сигналов могут давать ошибку до 40%. Путь решения проблемы

Исследованы потери мощности и электроэнергии в силовом электрооборудовании, шинопроводах, выпрямительных блоках ЭТУ с питанием ТСФ. Объекты исследования: агрегаты ВАКВ2-25000/450, ВАКВ2-12500/450, ВАКД-12500/450, САПТ-I

ДН используются для искажения формы напряжения, а трансформаторы с РПН – для регулирования его амплитуды. Для гидрометаллургических процессов характерна работа одиночных агрегатов на каждую электролизную

возрастают с увеличением отношения активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания, и зависят от коэффициента мощности. При переключении РПН на низкую ступень снижается суммарная индуктивность при уменьшении полей рассеяния и возрастает коэффициент мощности, а потери напряжения снижаются по абсолютной величине при любом характере нагрузки.

U U = 0,01 В. В новом режиме – снизилось до 0,069 В и 0,008 В. Исследованы падения напряжения в вентилях катодной и анодной групп выпрямительных блоков (схема Ларионова). При токе агрегата 20 кА снизилось падение напряжения на вентилях ВЛ-200 с 5,6 до 3,6 В (в экспериментах были использованы вольтметры термоэлектрической системы Т16).

n

t

спектры гармоник тока промышленной печи ДСП-6 для периода расплавления при питании синусоидальным напряжением и питанием ТСФ;

ANALYST

увеличении нагрузки электролизного цеха спектральный состав и амплитуды гармоник кривой напряжения в сети не превышали предельно допустимых значений. Экспериментально подтверждено, что новый режим работы электролизных ЭТУ с питанием ТСФ не создавал электромагнитных помех в сети 35 кВ.