Передмова

Монографія присвячена синтезу системи автоматичного керування переміщенням електродів, як об’єкта регулювання з пружними деформаціями згину, яка формує заданий перехідний процес і тим самим покращує техніко-економічні показники роботи дугових сталеплавильних печей. Запропоновано для синтезу таких систем дві математичні моделі механізму переміщення. Розроблена двома сова математична модель з урахуванням дії дисипативних сил, що дало
можливість адекватно врахувати характеристики об'єкта. Пропонується також математична модель на основі представлення Денавіта–Харттенберга і методу Лагранжа, в основу якої покладено розгляд фіктивного обертового зчленування системи колона-електродотримач.
Ця модель дає змогу детально описати конструкцію виконавчого механізму, досліджувати динамічні властивості механізму переміщення електродів і синтезувати високоефективні системи автоматичного керування ще на стадії проектування, коли параметри пружних елементів невідомі і немає фізичного об’єкта, на якому можна виконати експериментальні дослідження за їх визначенням. Вона також дає можливість досліджувати властивості наявних механізмів переміщення електродів без проведення додаткових експериментальних досліджень і синтезувати для них системи автоматичного керування.
Використання цих моделей під час синтезу системи модального регулювання переміщенням електродів привело до того, що її динамічні і статичні характеристики залежать не тільки від полюсів, але і від нулів передавальної функції. Для синтезу таких систем розроблений модифікований кореневий метод, який дає змогу усувати нулі передавальної функції і формувати будь-яку стандартну форму перехідного процесу заданої швидкодії. Цим методом були синтезовані двомасова позиційна систему модального регулювання переміщенням електродів і двомасова система модального регулювання швидкістю переміщенням електродів, коли система працює в режимі великих переміщень.
Для визначення елементів вектора змінних стану використовуються спостерігачі. Традиційний синтез спостерігачів здійснюється без урахування нулів їх передавальних функцій. У монографії розроблено методику синтезу спостерігачів з усуненням нулів їх передавальних функцій шляхом введення двох сигналів, що коректують, або за допомогою використання модифікованого кореневого методу, забезпечуючи тим самим задані динамічні характеристики вихідної координати, відповідно до вибраної стандартної форми розподілу коріння характеристичного рівняння.
Проведені дослідження на цифрових моделях і експериментальній установці підтвердили ефективність прийнятих рішень, внаслідок яких синтезовані системи автоматичного керування переміщенням електродів з практично відсутніми пружними коливаннями електродів без зниження швидкодії системи.

Вступ

Однією із найперспективніших технологій плавлення високоякісних сталей та сплавів є технології на основі електродугового нагрівання, що реалізуються в дугових сталеплавильних печах (ДСП). Такі печі широко застосовують, як в електросталеплавильному виробництві на заводах чорної металургії, так і на машинобудівних заводах. Сьогодні у ДСП виплавляється більше ніж 35 % світової сталі. У США, Японії і країнах ЄС частка електросталі становить 95,5–98,2 %. Це пояснюється можливістю концентрувати велику кількість енергії в невеликому об’ємі, зручністю керування потоком теплової енергії та точністю її дозування, порівняно невеликими капітальними затратами, швидкою економічною окупністю і простотою експлуатації цих агрегатів порівняно з іншими сталеплавильними агрегатами. Крім того в міру накопичення металофонду і зменшення природних ресурсів частка заліза, що вперше бере участь у виробництві сталі, постійно знижуватиметься. У ДСП виплавляють високолеговані, високоякісні, нержавіючі, жаростійкі і жароміцні, інструментальні сталі та сплави, а також конструкційні сталі спеціального призначення. У таких установках можна одержувати леговану сталь з низьким вмістом сірки, фосфору і неметалічних складників. Втрати легуючих елементів значно менші ніж в інших технологічних процесах виробництва сталі.
В Україні 40 % валютних надходжень у національну економіку припадає на металургійний комплекс. Тому, використовуючи науково-технічні досягнення провідних вчених в галузі електрометалургії [1–22], необхідно розвивати цю галузь в Україні.
Сучасні ДСП є потужними споживачами електроенергії зі складним автоматизованим процесом виробництва. На відмінну від інших сталеплавильних установок вони мають низку особливостей: випадкові нелінійні та несиметричні навантаження, низький cosj (для великих ДСП – 0,5–0,7), часті вмикання-вимикання, висока частота перемикань ступенів напруг електропічного трансформатора (ЕПТ). Дугові печі є значними споживачами реактивної потужності. На їхню частку припадає за різними оцінками від 40 до 50 % усієї виробленої у світі електроенергії. В Україні загальне споживання електроенергії ДСП становить 17 %.
Питомі витрати електроенергії на виплавлення 1 т металу в ДСП залежать від ємності і потужності печі, виду технологічного процесу та його дотримання, а також від правильного вибору електричного режиму [5–7, 12, 23–32]. Під час виплавлення металу в великих печах і з
сучасними системами автоматичного керування (САК) електричним режимом питомі витрати електроенергії неухильно знижуються. Так, для печей малої та середньої ємності (до 50 т) ця величина досягає приблизно 700–950 кВт х год/т та з витратами графітованих електродів 10–13 кг/т протягом періоду виплавлення металу. З них в середньому 600 кВт х год/т електроенергії витрачається за період розплавлення шихти.
На печах великої ємності ці показники становлять: 375–400 кВт х год/т і 5–7 кг/т електродів. На печах від 100 т з прискореним періодом рафінування питомий розхід електроенергії знижений до 500 кВт х год/т за весь період плавки і 390 кВт х год/т в період розплавлення шихти. Для ДСП–50 ці величини становлять: 890 і 623 кВт х год/т [33, 34]. У фірмі Daniel (Італія)
розробили ДСП ємністю 100–160 т, витрати електроенергії яких становлять 360–400 кВт х год/т і електродів 1,2–1,7 кг/т [35]. Тому, завдяки сучасній тенденції зниження витрат електроенергії, розвитку потужних ДСП приділяють значну увагу [22, 36–38]. У роботі [39] наведені результати
дослідження робочої групи Міжнародного інституту заліза і сталі з виявлення сучасного стану і перспектив розвитку ДСП до 2015 р. Було опитано 345 експертів з 24 країн, за результатами яких виконано статистичні і соціологічні обробки одержаних відповідей. Вони показали тенденцію покращення техніко-економічних показників роботи ДСП за рахунок удосконалення САК електричним режимом печі, її конструкції і зміни технології плавки. На питомі витрати електроенергії також впливає і той факт, наскільки правильно вибрано і точно підтримується електричний режим печі за допомогою САК переміщенням електродів у разі забезпечення аперіодичних процесів зміни положення електрода.
Продуктивність електропечей зростає із збільшенням їх ємності. Якість металу задовольняє висунуті до них вимоги під час виплавлення в електропечах будь-якої ємності. Виплавляння сталі в великих печах дає змогу знизити питомі капіталовкладення і експлуатаційні витрати. В цеху з 200 т печами вартість переплавлення на 8 %, а питомі капітальні затрати на 4 % нижчі, продуктивність праці на 14 % вища порівняно з цехом, де є 100 т печі, під час виплавлення однакових марок сталі. У цеху з 100 т печами вартість переплавлення метала та продуктивність
праці в два рази більша, ніж у цехах із 5–10 т печами [5–7].
Для збільшення продуктивності та енергетичної ефективності сталеплавильних агрегатів реалізується загальна концепція створення нових і модернізація наявних сталеплавильних комплексів з удосконаленням САК, що забезпечують плавлення металу. Потрібно зауважити, що модернізація наявних ДСП є економічно доцільнішим способом [24, 40–42] підняття ефективності виплавлення сталі в ДСП.
Ієрархічний принцип побудови сучасних САК технологічними процесами ДСП передбачає наявність локальних систем керування, які можна розглядати як фундамент усього автоматизованого комплексу електросталеплавильного виробництва. Такими локальними системами є: САК напругою пічного трансформатора, САК переміщенням електродів, САК перемішуванням металу тощо. Технічному переоснащенню системи керування ДСП повинні передувати глибокі дослідження електричних режимів роботи печі, що забезпечуються САК потужністю дуг, зокрема їх ефективність під час автоматичного запалювання дуг і за умови стабілізації потужності, що вводиться у піч. Покращення функціонування САК переміщенням електродів, яка забезпечує поставленні завдання на кожній стадії технологічного процесу, а також функціонування їх у разі відпрацювання значних переміщень електродів, дає можливість покращити техніко-економічні показники роботи ДСП.
Від якості роботи САК переміщенням електродів залежать електричні та техніко-економічні показники функціонування ДСП. Для їхнього покращення необхідно, щоб САК переміщенням електродів забезпечувала задані динамічні характеристики вихідної координати. Забезпечення високої швидкодії системи дає змогу не тільки рівномірніше вводити задану потужність у пічний простір, але й швидко відновити нормальну роботу печі у разі виникнення технологічних коротких замикань (к.з.), чи обривів дуг. Недосконалість традиційних САК переміщенням електродів тягне за собою збільшення коливання вихідної координати за умови підвищення швидкодії систем, що є причиною збільшення дисперсії потужностей дуг і недопустимих зусиль, між електродом та шихтою під час запалювання дуги, що може призвести до поломок електрода, а отже, зумовлює погіршення техніко-економічних показників функціонування ДСП. На динамічні характеристики електромеханічної системи також впливають пружні властивості елементів кінематичної схеми виконавчого механізму. Вагомим резервом підвищення техніко-економічних показників ДСП є ефективна робота САК переміщенням електродів в режимах значних переміщень електродів під час технологічних операцій, пов’язаних із заміною електродів, додатковим завантаженням шихтою, зливанням шлаку тощо. Потрібно відзначити погіршення ефективності роботи САК переміщенням електродів через застосування неадекватних математичних моделей механізму переміщення електродів під час синтезу таких систем. Вирішення проблеми створення нових моделей механізму переміщення електродів з урахуванням конструктивних особливостей його елементів підвищує ефективність роботи як САК переміщенням електродів зокрема, так і всієї електропічної установки загалом.