Вступ

На сучасному етапі розвитку металургії сталі взагалі та електросталі зокрема проблема енерго- та ресурсозбереження, а також проблеми екології є першочерговими, і їх потрібно класифікувати як такі, що визначально впливають на національну безпеку України.
Основні напрями реалізації державної промислової політики в галузі енергозбереження та енергоефективності на підприємствах гірничо-металургійного комплексу України сформульовані в “Галузевій програмі енергоефективності та ерегозбереження на період до 2017 р.”, яку розроблено в Мінпромполітики України.
Низька енергоефективність електрометалургійного виробництва, що у 2.5–3.5 раза нижча, ніж у передових промислово розвинутих країнах, відчутно поглиблює кризові явища в галузі і є одним з головних чинників, що погіршують екологію довкілля.
Технологія плавлення сталей в дугових печах з погляду енергозатрат та впливу на довкілля є значно ефективнішою за конверторну, і тим більше за мартенівську.
Сьогодні частка електросталеплавильного виробництва у світовому виробництві сталей становить 35–40 % з тенденцією до зростання, тоді як в Україні – лише 3.5–4.5 %. Реально на сучасному етапі в державі, на жаль, майже половину сталі виплавляють саме в мартенівських
печах за технологією, що вимагає значних витрат дорогого природного газу і при якій в атмосферу викидаються найбільші обсяги шкідливих, зокрема і токсичних, сполук. Передові промислово розвинені країни Європи, Японія, США ще у 80-х роках минулого століття відмовилися від мартенівської технології і вивели такі печі з експлуатації і замінили
це виробництво приблизно в рівній частці конверторним та електросталеплавильним. Сьогодні, окрім України, мартенівське виробництво використовують лише в Росії, Індії та у незначних обсягах в деяких країнах Європи та Азії.
Дугові сталеплавильні печі (ДСП) є основними електрометалургійними агрегатами для виробництва високолегованих сталей та прецизійних сплавів. Водночас вони є потужними споживачами електричної енергії зі встановленою потужністю від 1 до 175 МВА з тенденцією, як зазначено вище, до зростання питомої встановленої потужності. Це зумовлює нагальну необхідність розроблення рішень для енергоефективного керування їх режимами.
Як об’єкт керування дугові сталеплавильні печі характеризуються значною нелінійністю, динамічністю, стохастичною нестаціонарністю та пофазною несиметрією електричних режимів (ЕР). Вони належать до класу складних взаємозв’язаних систем. Зазначені фактори ускладнюють завдання реалізації режимів плавлення з високою електротехнологічною ефективністю.
Стратегічний напрям розвитку металургійного та електрометалургійного комплексу України повинен полягати в адаптації наявних потужностей та використовуваних технологій плавлення до вимог світового ринку металопродукції і передовсім стосовно якості, ціни і пов’язаної з цим енергоємності та чинних допустимих норм негативного впливу на довкілля. Ситуація ускладнюється також і тим, що 80–90 % використовуваного в металургійній та електрометалургійній галузях України силового електричного та технологічного обладнання
перевищило допустимий нормативний термін експлуатації.
Одним із перспективних напрямків підвищення енергоефективності металургійної галузі України є заміна морально застарілого та фізично зношеного обладнання мартенівського виробництва на високоефективне електротехнологічне, що значною мірою до того ж є екологічно чистішим. Ефективним способом для реалізації такого напрямку модернізації металургійної галузі є будівництво мініелектросталеплавльних заводів з повним металургійним циклом виробництва металургійної продукції та мобільними можливостями зміни його номенклатури. Такі заводи оснащують сучасним електротехнологічним обладнанням і передовими технологіями плавлення і розливання сталей, які відповідають світовим стандартами ресурсо-, енергозбереження та екологічного навантаження на навколишнє середовище. Такі міні-електрометалургійні заводи будують сьогодні в м. Біла Церква та м. Курахово.
Одними з основних напрямів успішного вирішення окресленої вище проблеми зниження енергоємності в сучасних умовах є вилучення природного газу як джерела технологічної теплоти з технологічного процесу плавлення сталей в ДСП та світова тенденція інтенсифікації електросталеплавлення на етапі розплавлювання шихти значним збільшенням до 0.9–1.1 МВА/т (напруги на дугах складають 800–1200 В) питомої встановленої потужності силового електрообладнання ДСП, що спрямовано на компенсацію частки природного газу в енергетичному балансі плавлення. Для реалізації цих напрямів необхідним є розроблення високоефективних систем автоматичного керування (САК) електричним режимом та створення швидкодійних систем автоматичного регулювання (САР) (якісної стабілізації) електричних координат на рівні оптимальних значень. Зазначений напрям є основним і найефективнішим чинником отримання та реалізації енергоощадних та екологічно чистих технологій плавлення високолегованих сталей і прецизійних сплавів в ДСП.
Цей напрям є особливо доцільним та ефективним до використання у разі модернізації існуючих і створення нових високоефективних систем автоматичного керування та регулювання для дугових сталеплавильних печей, якими оснащуються міні-електрометалургійні заводи, які сьогодні широкими темпами будують та впроваджують в експлуатацію у світі і в яких сьогодні виплавляють до 8–10 % світового виробництва сталі.
В італійській фірмі “Danieli” на мініелектрометалургійному заводі “Істил” завдання підвищення ефективності керування режимами плавлення та динамічної точності стабілізації виконують включенням в коло первинної обмотки пічного трансформатора реактора з підмагнічуванням. Але робота такої системи супроводжується значними спотвореннями синусоїдності струмів навантаження печі, вимагає значної встановленої потужності реактора (в 1,4 раза більшої від потужності пічного трансформатора) і має обмежені функціональні властивості з реалізації багатокритеріальних стратегій оптимального адаптивного керування.
Оптимальне керування широко використовують на сучасному етапі комплексної автоматизації технологічних та виробничих процесів чи складних технічних об’єктів. Завдання оптимізації потрібно розглядати з урахуванням обмежень, що визначаються умовами роботи об’єкта керування − дугової сталеплавильної печі, з урахуванням характеристики та параметрів детермінованих та випадкових збурень, а також з урахуванням змін параметрів силового кола і системи керування та регулювання параметрів стохастичних характеристик збурень, задаючих (керуючих) сигналів та зовнішніх впливів.
З техніко-економічного погляду завдання оптимізації режимів, загалом, і якісного відпрацювання збурень координат електричного режиму дугової печі є нерівнозначні. Синтез та реалізація оптимального керування з погляду підвищення продуктивності печі та зниження питомих витрат електроенергії є у два-три рази ефективнішим підходом від розроблення рішень на якісну стабілізацію координат електричного режиму. До того ж ці завдання є взаємопов’язані і розв’язувати їх необхідно у комплексі з врахуванням зазначених вище пріоритетів, бо якісна стабілізація координат електричного режиму на рівні синтезованих оптимальних значень додатково підвищує ефективність оптимального керування.
З наведеного вище можна констатувати, що розроблення та практичне впровадження нових високоефективних САК електричного режиму з широкими функціональними можливостями з провадження багатокритеріальних стратегій адаптивного оптимального керування, що реалізуються в системах з високою динамічною точністю стабілізації координат електричного режиму на рівні оптимальних значень, дасть змогу усунути чи значно послабити зазначені вище недоліки дугових печей трифазного струму, тобто дасть змогу комплексно понизити енергоємність виробництва електросталей, підвищить показники електротехнологічної ефективності, екологічності, якості металопродукції та електромагнітної сумісності, вирівнявши чи навіть поліпшивши при цьому їхні значення порівняно з ДСП постійного струму, зберігши їхню основну перевагу перед ДСП постійного струму – високу функціональну надійність ДСП трифазного струму як електротехнологічного агрегату.
У монографії описано розробки науковців кафедри електроприводу Національного університету “Львівська політехніка” 2004–2008 рр., що скеровані на вирішення окресленої вище проблеми комплексного підвищення показників електротехнологічної ефективності плавлення в ДСП на основі розроблення ієрархічних структур систем екстремального адаптивного багатокритеріального оптимального керування та швидкодійного регулювання координат електричного режиму, наводяться моделі синтезу багатопараметричного вектора адаптивного багатокритеріального оптимального керування режимами плавлення в дугових сталеплавильних печах трифазного струму, а також результати досліджень їх ефективності на створених математичних та цифрових моделях та результати апробації їх ефективності на діючих дугових сталеплавильних печах, зокрема, на печах Нововолинського ливарного заводу, м. Нововолинськ, та на печах НВО “Розліт”, м. Розділ.
Роботи у цьому напрямку науковці кафедри електроприводу Національного університету “Львівська політехніка” продовжують. Автори з вдячністю сприймуть всі зауваження щодо матеріалу цієї монографії, а також приймуть пропозиції щодо співпраці як у виконанні теоретичних досліджень, так і в практичному впровадженні розроблених рішень у царині комплексної оптимізації режимів плавлення в дугових сталеплавильних печах.