Predicting the Power Consumption during Furnace Charge Melting in Steelmaking Electric Arc Furnaces
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-6-83-90Keywords:
electric arc, arc furnace, heat-transfer model, power consumptionAbstract
A solution to the problem of selecting the operating arc current at which the minimum amount of electricity is consumed for melting the furnace charge with the specified parameters of the steelmaking electric arc furnace (EAF) equivalent circuit is proposed based on the developed methods of universal and structural characteristics of the arc heat-transfer model (AHTM) is proposed. In solving the problem, the following factors were taken in consideration: the arc heat-transfer conditions in the melting space, the influence of the electrode thermal operation conditions, the influence of arc length on the heat flux structure in heating the charge by arcs, and the effect the chemical composition of working medium has on the thermophysical characteristics of the arc column plasma.
The main specific feature of heating by arcs in the EAF melting space is a complex pattern of furnace charge heating due to radiation from arcs and convection as a result of plasma motion in the arc columns. The wide variation range of the ratio of the radiation power to the power transferred by convection has an effect on the furnace charge melting rate and on the amount of electricity consumed in the course of melting. The furnace charge melting intensity depends to a significant extent on the arc radiation power level.
The radiation from EAF arcs was numerically analyzed with due regard to the column temperature profile using the arc universal characteristics method by solving the system of nonlinear algebraic equations of the column cylindrical model (ATHM). The arc length is calculated using the ATHM structural characteristics method and consists in comparing the arc voltage calculated from the furnace equivalent circuit equation with the arc voltage calculated using the ATHM. Knowing arc length, it is possible to calculate the arc radiation power in the EAF melting space.
After calculating the arc radiation power performance characteristic and the furnace useful power characteristic according to the proposed technique, it is possible to predict the amount of electricity consumed for melting the solid furnace charge and the time of its melting with the furnace being energized. The calculated values of the solid furnace charge melting time for small- and large-capacity EAFs during their energized operation show good agreement with the experimental data.
The proposed method for predicting the specific consumption of electricity for melting solid furnace charge in arc furnaces opens the possibility to select — in developing the EAC electric operation mode and in adjusting its operation---the arc operating current at which the maximum solid furnace charge melting rate is achieved and, thereby, to achieve a smaller consumption of electricity in the furnace operating cycle.
References
2. Еланский Д.Г. Тенденции развития электросталеплавильного производства // Электрометаллургия. 2001. № 5. С. 3—18.
3. Алиферов А.И., Бикеев Р.А., Горева Л.П., Лупи С., Форцан М., Барглик Д. Дуговые печи. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016.
4. Свенчанский А.Д. и др. Электрические промышленные печи: дуговые печи и установки специального нагрева. М.: Энергоатомиздат, 1981.
5. Рябов А.В., Чумаков И.В., Шишимиров М.В. Современные способы выправки стали в дуговых печах. М.: Теплотехник, 2007.
6. Тулуевский Ю.Н., Зинуров И.Ю., Попов А.Н., Галян В.С. Экономика электроэнергетики в дуговых сталеплавильных печах. М.: Энергоатомиздат, 1987.
7. Смоляренко В.Д. Высокомощные дуговые сталеплавильные печи. М.: Энергия, 1976.
8. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Ахметов У.Б. Оптимизация управления технологическими процессами в металлургии. Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2006.
9. Влияние дуговых электропечей на системы электроснабжения. М.: Энергия, 1975.
10. Минеев Р.В., Михеев А.П., Рыжнев Ю.Л. Графики нагрузок дуговых электропечей. М.: Энергия, 1977.
11. Минеев Р.В., Михеев А.П., Новиков В.Т., Попов А.Н. Условия работы трансформаторов для дуговых электропечей. М.: Информэлектро, 1976.
12. Минеев Р.В., Михеев А.П., Рыжнев Ю.Л. Повышение эффективности электроснабжения электропечей. М.: Энергоатомиздат, 1986.
13. Минеев Р.В., Игнатов И.А., Дмитриев И.Ю. Эффективность и надежность энергоснабжения (опыт работы малого предприятия промышленной энергетики). Ч. I. М.: Спутник+, 2003.
14. Минеев Р.В., Дмитриев И.Ю., Игнатов И.А. Компьютерно-ориентированные высокие технологии для ресурсо- и энергосбережения (опыт работы малого предприятия промышленной энергетики). Ч. II. М.: Спутник+, 2004.
15. Минеев Р.В. и др. Оптимизация электроснабжения дуговых сталеплавильных печей // Электрификация металлургических предприятий Сибири. 2007. Вып. 13. С. 72—78.
16. Миронов Ю.М. Электротехника электрометаллургических печей дугового, резистивного и смешанного нагрева. М.: ИНФРА-М, 2018.
17. Ануфриев А.В. и др. Повышение эффективности работ сверхмощных дуговых сталеплавильных печей за счет использования систем диагностики стадий плавки по высшим гармоникам токов дуг // Технические науки — от теории к практике: Материалы ХХVII Междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск: Изд-во СибАК, 2013.
18. Белковский А.Г., Кац Я.Л., Краснянский М.В. Современное состояние и тенденции развития технологии производства стали в ДСП и их конструкций // Черная металлургия. 2013. № 3. С. 72—88.
19. Черненко А.Н., Вахнин В.В. Влияние режимов работы дуговой сталеплавильной печи 6ДСП-40 на уровень гармонических составляющих напряжения в точке подключения к электрической сети // Вектор науки Тольяттинского гос. ун-та. 2015. № 1 (31). С. 46—50.
20. Николаев А.А., Руссо Ж.Ж., Сцымански В., Тулупов П.Г. Экспериментальное исследование гармонического состав токов дуг для дуговых сталеплавильных печей различной мощности // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2016. Т. 14. № 3. С. 106—121.
21. Чередниченко В.С. и др. Акустические характеристики дуговых сталеплавильных электропечей // Электрометаллургия. 2015. № 10. С. 2—12.
22. Чередниченко Б.С., Бикеев Р.А., Чередниченко М.В. Исследование переноса мощности между фазами токоподвода в дуговых электропечах с использованием математических моделей // Электрометаллургия. 2016. № 6. С. 31—40.
23. Кручинин А.М., Рязанова Е.С., Фоменко О.Я. К теории динамической дуги в электротехнологических установках. Тверь, 1995. С. 28—32.
24. Krouchinin A.M., Sawicki A. A Method of Modelling Heat Transfer and Gasodynamic Processes in Arc Plasma Generators // High Temperature Material Proc. 2003. V. 7. Iss. 4. Pp. 501—524.
25. Кручинин А.М. Физические основы теплообменной модели электрической дуги в электротехнологии // Сб. докладов науч.-техн. семинара, посвященного 100-летию профессора М.Я. Смелянского. М.: Издат. дом МЭИ, 2013. С. 55—77.
26. Runstadler P.W. Laminar and Turbulent Flow of an Argon Arc Plasma // Harvard Univ. Eng. Sci. Lab. Techn. Rep. 1965. No. 22.
27. Свид-во № 2017619675 о гос. регистрации программы для ЭВМ. Программа поиска рациональных электрических режимов работы действующих дуговых сталеплавильных печей / А.М. Кручинин, Е.С. Рязанова, А.Ю. Чурсин.
28. Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей. М.: Металлургия. 1987.
29. Кручинин А.М. Дуга в потоке газа как объект регулирования замкнутой автоматической системы // Доклады науч.-техн. конф. по итогам науч.-исслед. работ за 1964 — 1965 гг. М.: МЭИ, 1965. С. 75—95.
---
Для цитирования: Кручинин А.М., Погребисский М.Я., Рязанова Е.С., Чурсин А.Ю. Прогнозирование энергопотребления в период плавки шихты в дуговых сталеплавильных печах // Вестник МЭИ. 2019. № 6. С. 83—90. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-83-90
#
1. Lopukhov G.A. Blizhayshie Perspektivy Razvitiya Mirovoy Chernoy Metallurgii. Elektrometallurgiya. 2001; 1:7—31. (in Russian).
2. Elanskiy D.G. Tendentsii Razvitiya Elektrostaleplavil'nogo Proizvodstva. Elektrometallurgiya. 2001;5:3—18. (in Russian).
3. Aliferov A.I., Bikeev R.A., Goreva L.P., Lupi S., Fortsan M., Barglik D. Dugovye Pechi. Novosibirsk: Izd- vo NGTU, 2016. (in Russian).
4. Svenchanskiy A.D. i dr. Elektricheskie Promyshlennye Pechi: Dugovye Pechi i Ustanovki Spetsial'nogo Nagreva. M.: Energoatomizdat, 1981. (in Russian).
5. Ryabov A.V., Chumakov I.V., Shishimirov M.V. Sovremennye Sposoby Vypravki Stali v Dugovykh Pechakh. M.: Teplotekhnik, 2007. (in Russian).
6. Tuluevskiy Yu.N., Zinurov I.Yu., Popov A.N., Galyan V.S. Ekonomika Elektroenergetiki v Dugovykh Staleplavil'nykh Pechakh. M.: Energoatomizdat, 1987. (in Russian).
7. Smolyarenko V.D. Vysokomoshchnye Dugovye Staleplavil'nye Pechi. M.: Energiya, 1976. (in Russian).
8. Parsunkin B.N., Andreev S.M., Akhmetov U.B. Optimizatsiya Upravleniya Tekhnologicheskimi Protsessami v Metallurgii. Magnitogorsk: Izd-vo MGTU im. G.I. Nosova, 2006. (in Russian).
9. Vliyanie Dugovykh Elektropechey na Sistemy Elektrosnabzheniya. M.: Energiya, 1975. (in Russian).
10. Mineev R.V., Mikheev A.P., Ryzhnev Yu.L. Grafiki Nagruzok Dugovykh Elektropechey. M.: Energiya, 1977. (in Russian).
11. Mineev R.V., Mikheev A.P., Novikov V.T., Popov A.N. Usloviya Raboty Transformatorov Dlya Dugovykh Elektropechey. M.: Informelektro, 1976. (in Russian).
12. Mineev R.V., Mikheev A.P., Ryzhnev Yu.L. Povyshenie Effektivnosti Elektrosnabzheniya Elektropechey. M.: Energoatomizdat, 1986. (in Russian).
13. Mineev R.V., Ignatov I.A., Dmitriev I.Yu. Effektivnost' i Nadezhnost' Energosnabzheniya (Opyt Raboty Malogo Predpriyatiya Promyshlennoy Energetiki). Ch. I. M.: Sputnik+, 2003. (in Russian).
14. Mineev R.V., Dmitriev I.Yu., Ignatov I.A. Komp'yuterno-orientirovannye Vysokie Tekhnologii dlya Resurso- i Energosberezheniya (Opyt Raboty Malogo Predpriyatiya Promyshlennoy Energetiki). Ch. II. M.: Sputnik+, 2004. (in Russian).
15. Mineev R.V. i dr. Optimizatsiya Elektrosnabzheniya Dugovykh Staleplavil'nykh Pechey. Elektrifikatsiya Metallurgicheskikh Predpriyatiy Sibiri. 2007;13:72—78. (in Russian).
16. Mironov Yu.M. Elektrotekhnika Elektrometallurgicheskikh Pechey Dugovogo, Rezistivnogo i Smeshannogo Nagreva. M.: INFRA-M, 2018. (in Russian).
17. Anufriev A.V. i dr. Povyshenie Effektivnosti Rabot Sverkhmoshchnykh Dugovykh Staleplаvil'nykh Pechey za Schet Ispol'zovaniya Sistem Diagnostiki Stadiy Plavki po Vysshim Garmonikam Tokov Dug. Tekhnicheskie Nauki — ot Teorii k Praktike: Materialy Khkhvii Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Novosibirsk: Izd-vo SibAK, 2013. (in Russian).
18. Belkovskiy A.G., Kats Ya.L., Krasnyanskiy M.V. Sovremennoe Sostoyanie i Tendentsii Rаzvitiya Tekhnologii Proizvodstva Stali v DSP i Ikh Konstruktsiy. Chernaya metallurgiya. 2013;3:72—88. (in Russian).
19. Chernenko A.N., Vakhnin V.V. Vliyanie rezhimov Raboty Dugovoy Staleplavil'noy Pechi 6DSP-40 na Uroven' Garmonicheskikh Sostavlyayushchikh Napryazheniya v Tochke Podklyucheniya k Elektricheskoy Seti. Vektor Nauki Tol'yattinskogo Gos. Un-ta. 2015;1 (31):46—50. (in Russian).
20. NikolaevA.A., Russo Zh.Zh., Stsymanski V., Tulupov P.G. Eksperimental'noe Issledovanie Garmonicheskogo Sostav Tokov Dug dlya Dugovykh Staleplavil'nykh Pechey Razlichnoy Moshchnosti. Vestnik MGTU im. G.I. Nosova. 2016;14;3:106—121. (in Russian).
21. Cherednichenko V.S. i dr. Akusticheskie Kharakteristiki Dugovykh Staleplavil'nykh Elektropechey. Elektrometallurgiya. 2015;10:2—12. (in Russian).
22. Cherednichenko B.S., Bikeev R.A., Cherednichenko M.V. Issledovanie Perenosa Moshchnosti Mezhdu Fazami Tokopodvoda v Dugovykh Elektropechakh s Ispol'zovaniem Matematicheskikh Modeley. Elektrometallurgiya. 2016;6:31—40. (in Russian).
23. Kruchinin A.M., Ryazanova E.S., Fomenko O.Ya. K Teorii Dinamicheskoy Dugi v Elektrotekhnologicheskikh Ustanovkakh. Tver', 1995:28—32. (in Russian).
24. Krouchinin A.M., Sawicki A. A Method of Modelling Heat Transfer and Gasodynamic Processes in Arc Plasma Generators. High Temperature Material Proc. 2003;7;4:501—524.
25. Kruchinin A.M. Fizicheskie Osnovy Teploobmennoy Modeli Elektricheskoy Dugi v Elektrotekhnologii. Sb. Dokladov Nauch.-tekhn. Seminara, Posvyashchennogo 100-letiyu Professora M.Ya. Smelyanskogo. M.: Izdat. Dom MEI, 2013:55—77. (in Russian).
26. Runstadler P.W. Laminar and Turbulent Flow of an Argon Arc Plasma. Harvard Univ. Eng. Sci. Lab. Techn. Rep. 1965;22.
27. Svid-vo № 2017619675 o Gos. Registratsii Programmy dlya EVM. Programma Poiska Ratsional'nykh Elektricheskikh Rezhimov Raboty Deystvuyushchikh Dugovykh Staleplavil'nykh Pechey / A.M. Kruchinin, E.S. Ryazanova, A.Yu. Chursin. (in Russian).
28. Korotkie Seti i Elektricheskie Parametry Dugovykh Elektropechey. M.: Metallurgiya. 1987. (in Russian).
29. Kruchinin A.M. Duga v Potoke Gaza kak Ob′ekt Regulirovaniya Zamknutoy Avtomaticheskoy Sistemy. Doklady Nauch.-tekhn. Konf. po Itogam Nauch.-Issled. Rabot za 1964 — 1965 gg. M.: MEI, 1965:75—95. (in Russian).
---
For citation: Kruchinin A.M., Pogrebissky M.Ya., Ryazanova E.S., Chursin A.Yu. Predicting the Power Consumption during Furnace Charge Melting in Steelmaking Electric Arc Furnaces. Bulletin of MPEI. 2019;6:83—90. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982- 2019-6-83-90.
