CC BY
55
Рис. 3. Изменение во времени параметров теплового
режима в пятой зоне печи №6: 1 - ¿гс(т); 2 - ¿пов(т); 3 - А<=^изм(т)-^расч(т); 4 - ¿изм(т); 5 - ¿расчСО; 6 - Кт(т) при коррекции прогнозируемого расчетного значения ¿расч(т)
Использование рассмотренного метода гаранти
рует невозможность несанкционированной и неконтролируемой выдачи на стан недогретой заготовки при реализации энергосберегающего оптимального управления режимом нагрева крупногабаритных трудноде-формируемых непрерывнолитых заготовок.
Список литературы
1. Беленький А.М., Дубинский М.Ю. и др. Устройство для измерения температуры нагрева объектов в металлургических печах: патент РФ на полезную модель №72061 БН. 2008. №9.
2. Парсункин Б.Н., Панферов В.И. Контроль прогрева металла // Изв. вузов Черная металлургия. 1981. №10. С. 127129.
3. Андреев С.М., Парсункин Б.Н. Оптимизация режима управления нагревом заготовок в печах проходного типа. Магнитогорск: Из-во Магнитогорск. гос. тех. ун-та им. Г.И. Носова. 2013. 376 с.
Information in English
Accuracy Investigation of Temperature Control Method for Heated Continuously Cast Billets before Discharge
Parsunkin B.N., Andreev S.M., Akhmetov T.U., Akhmetova A.U.
The system of software and tool control of billet temperature prior to discharge from the furnace was developed. The research group conducted the study to determine the reasonable accuracy, objectivity and efficiency of the developed system. The possibilities of the system under conditions of an industrial furnace were shown.
Keywords: quality of heating, optimal control, energy saving mode, intensification of heating temperature of the process section, underheated billet, thermal conditions, temperature difference, optical pyrometer.
References
1. Belenkiy A.M., Dubinskiy M.Yu. et al. Ustroistvo dlya izmereniya temperatury nagreva obyektov v metallurgicheskih pechah [Temperature measuring device for objects heated in metallurgical furnaces]. RF useful model patent No.72061 EH. 2008. No.9.
2. Parsunkin B.N., Panferov V.N. Kontrolprogreva metalla [Metal preheating control]. proceedings of universities Ferrous Metallurgy, 1981, no.10, pp. 127-129.
3. Ahdreev S.M., Parsunkin B.N. Optimizatsiya rezhima upravleniya nagrevom zagotovok v pechah prohodnogo tipa [control mode enhancement of billet heating in through-type furnaces]. Magnitogorsk: Publishing house of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2013, 376 p.
УДК 621.3.02:669.187.28 Агапитов Е.Б., Тихонов А.В.
Энергетические характеристики плазменно-дугового токоподвода
ПРИ НАГРЕВЕ ШЛАКОМЕтАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА
В статье приведены результаты экспериментального исследования и обоснование применения нагрева шлакометалличе-ского расплава путем электрического нагрева сопротивлением слоя шлака при плазменно-дуговом токоподводе.
Ключевые слова: плазменно-дуговой токоподвод, внепечная обработка, шлак, плазма, сопротивление шлака, скорость плавления, нагрев.
Бурный интерес к низкотемпературной плазме и применению стабилизированных газом струй в отечественной металлургии 70-80-х гг. XX в. снизился в связи со спецификой развития отечественной металлургии, которая в качестве основного направления развития выбрала наращивание производственных мощностей. Попытка заменить электродуговой нагрев и переплав в традиционной электрометаллургии на плазменный постепенно (за исключением дорогостоящей спецэлектрометаллургии) зашла в тупик из-за отсутствия аналогичных по мощности плазмотронов,
дороговизны источников питания, сложности эксплуатации оборудования. Однако развитие процессов вне-печной обработки расплавов стали с конца 1980-х годов заставляет по-новому взглянуть на весь спектр внепечных процессов с точки зрения возможности использования в них высокотемпературных струйных электродуговых устройств.
Наличие в ковше агрегата печь - ковш (АПК) готового расплава, который должен пройти обработку, в частности подогрев на 20-70°С, в сложных технологических и временных условиях создает основы для ис-
Энерго- и ресурсосбережение
пользования плазменных устройств ограниченной мощности, работающих в импульсном режиме.
При производстве сверхчистых ультранизкоугле-родистых сталей возможности установок рафинирования с графитовыми электродами по схемам VOD/VAD и ASEA-SKF ограничены из-за проблем конечной де-сульфурации, Для этого требуется обработка расплава стали высокотемпературным шлаком, который нельзя нагревать с применением графитовых электродов, вследствие неизбежного науглероживания металла. При этом плазменный нагрев создает лучшие условия, поскольку для нагрева используются нерасходуемые водоохлаждаемые электроды или водоохлаждаемый катод и неохлаждаемый анод. Плазменно-дуговой разряд может возбуждаться между плазматронами без электрического контакта с днищем ковша. Так как режим подогрева происходит непродолжительное время, измеряемое минутами, влияние эрозии электродов плазматрона на расплав должно быть незначительным [1].
Опыта применения плазматронов для крупнотоннажных объектов нет и оценить экономическую эффективность этого приема не представляется возможным. При этом проведенные многочисленные исследовательские и опытно-конструкторские работы показали, что использование плазменных нагревателей как простой альтернативы традиционному электродуговому нагреву малоэффективно, а концептуального подхода к стратегии практического использования плазменных устройств в современной отечественной металлургии нет [2].
Однако для внепечной обработки в условиях интенсивного перемешивания шлака с расплавом, особенно в случае использования плазменного нагрева, приём преимущественного нагрева расплава перегретым шлаком может быть технологически оправдан [3].
Перегрев шлака можно осуществлять как теплообменом от плазменной газовой струи, так и за счет нагрева сопротивлением слоя шлака. Последнее осуществляется включением сопротивления шлака в электрическую цепь.
Подвод постоянного тока к слою шлака осуществляется аргоновой плазмой от электродов, подключенных к разным полюсам общего источника постоянного тока (рис. 1, а). В варианте (рис. 1, б) [4, 5] используются две независимые плазменные струи, причем ток нагрева проводника подается на катоды плазмотронов. Для организации диффузного токоподвода [6, 7] возможно вакуумирование рабочего пространства (рис. 1, в) при разрежении (р<7° Па).
Для исследования энергетических характеристик нагрева и плавления шлака при плазменно-дуговом токоподводе было проведено экспериментальное исследование, направленное на определение скорости плавление шлака при плазменно-дуговом токоподводе.
Энтальпию шлака, нагретого до температуры расплавления, можно оценить:
I = С -Г (1)
'шл Сшл 1 шл,
при Сшл=0,96 кДж/кг-°С; /плшл=1500°С; -шл=1,44 МДж/кг.
Энтальпия шлака включает: затраты тепла на нагрев до скрытую теплоту плавления и затраты теп-
ла на перегрев шлака до заданной температуры. Например, для шлака состава, %: SiO2=48; FeO=14; CaO=34; Al20з=10 энтальпия 1шл (Дж/г) равна: 695 (?=700°С); 1301 (/=1300°С), для шлака состава, %: Si02=50; Fe0=20; Са0=20; А1203=10 энтальпия 1шл (Дж/г) равна: 1645 (г=1200°С); 1815(г=1350°С).
о-
кВН
Рис. 1. Схемы вариантов контактно-плазменного нагрева шлака
Электропроводность флюсов для электрошлакового подогрева шлака состава, %: $Ю2=25^30; А1203=30^60; СаО=2°^45; Mg=5^2°; CaF2=2°^1°° составляет %=°,4^6 Ом-1 см-1 (при (= 60°^19°°°С).
Характер выделения тепла Джоуля (тепла электросопротивления) в шлаке определяется соотношением сопротивлений в объеме шлака и в зоне контакта дуги со шлаком. Если сопротивление дуги (плазмооб-разующий газ-воздух) или двух дуг значительно больше сопротивления шлака, то основная доля тепловыделения будет приходиться на границу раздела дуга-шлак.
Количество выделившейся теплоты (Дж/с) при прохождении тока через проводник описывается законом Джоуля:
Q = --к,
где К - сопротивление проводника; I - ток.
(2)
К = I /%-Б = р-1 / Б, (3)
где % - удельная проводимость; % = 1/р См/м; р - удельное сопротивление, Ом-мм2/м; Б - площадь сечения проводника; I - длина.
С учетом и = К-1 и Р = и-1 (где и - напряжение, I - ток, Р - мощность) зависимость для удельной электропроводности шлака:
П_
ил
; 1
Р1
ил ■
(4)
Здесь А - эффективная площадь сечения провод-
ника.
б
в
X
С уменьшением % требуется более высокое напряжение U, если ток I, l и A постоянны.
Истинное сопротивление слоя шлака зависит от его конфигурации (длины, толщины и ширины слоя) и устройства, в котором проводится обработка:
Rn =
i
xbK
(5)
где % - удельная электропроводность шлака, Ом-1 см-1; l - длина шлакового слоя; Ь - ширина слоя; hш - толщина слоя шлака.
Расчетная зависимость сопротивления шлака от его толщины представлена на рис. 2. По выбранному сопротивлению шлака, при условии, что расплав включен в цепь плазмотрона и источника питания последовательно, можно построить совместную вольтам-перную характеристику (рис. 3). Линии постоянных сопротивлений шлака соединяют напряжение холостого хода (Цхх) и ток короткого замыкания шлака (!к). ВАХ дуги представлены для плазмотрона прямой полярности с цилиндрическим катодом. Пунктирная линия ограничивает область устойчивого горения дуги.
Яш, Ом
4,5
Рис. 2. Изменение сопротивления шлакового слоя от его толщины. Длина шлакового слоя - 50 см; ширина слоя -10 см; удельная электропроводность х, Ом-1см-1: 1 - 0,5; 2 - 1,0; 3 - 5,0
и, :
\ 11 4 -i,=f(u.) 0,5 Ом
V /II \
\ IV 1 Ом
v = 4 Ом ' 2 Ом 2 Ом \
100 200 300 400 G К1-Ы0"3
Рис. 3. Совместная ВАХ системы плазматрон - шлак. Расход воздуха на плазмотрон Gr, кг/с-10-3: 1 - 1,0; 2 - 1,3; 3 - 1,7; 4 - 2,2
Рассмотрим несколько схем организации нагрева и плавления шлака с плазмотронами (рис. 4). Дуга в
схемах замещения включена последовательно с активным сопротивлением (балластным) Яб и сопротивлением шлака Яш. Источником питания схем служит источник постоянного напряжения (Цхх = 670 В). Балластное сопротивление в данном случае обеспечивает создание падающей характеристики напряжения, подведенного к дуге, и ограничивает ток короткого замыкания.
а б
Рис. 4. Схемы установок (и схемы замещения) плазменно-контактного нагрева шлака с одним плазмотроном
Для определения скорости плавления шлака при различных вариантах его нагрева исследовались две схемы (рис. 5) [8]:
а) с воздушным плазмотроном косвенного действия прямой полярности и подачи пропана на срез сопла, с наложением «плавающего» потенциала на плавящийся образец;
б) с нагревом дуговым плазмотроном прямой полярности с графитовым катодом, при вихревой стабилизации дуги смесью воздуха и пропана.
На подине из графитовой пластины, установленной под углом 15°, размещался образец массой т=0,022 кг по оси плазмотрона, на расстоянии х=0,08 м от сопла. Расход воздуха на плазмотрон составлял От = 1 г/с. Коэффициент избытка воздуха в обоих случаях был одинаковым - а=0,5. Мощность, подводимая к плазмотронам - Жэл=15^25 кВт.
а б
Рис. 5. Схемы плазменного плавления шлака
В обоих случаях инициация разряда начиналась с графитового электрода, с последующим переходом дугового пятна на образец по мере его расплавления. Время проплавления образца модельного шлака до достижения вязкости, обеспечивающей его стекание, фиксировалось секундомером.
Результаты определения скорости плавления шлака представлены на рис. 6. Минимальная толщина расплава на поду, обеспечивающая создание надежной электрической цепи, составляла 30 мм. Нагрев прямой дугой обеспечивал в 3-6 раз более высокую скорость плавления во всем исследованном диапазоне мощностей. Для обеспечения стабильности горения дуги на
Результаты проведенных экспериментов показали, что стадию расплавления шлака лучше организовывать традиционным дуговым способом, после чего для перегрева шлака можно использовать прием нагрева сопротивлением при плазменном токоподводе.
Авторы намеренно не приводили результаты в относительных единицах, т.к. опыт работы с плазмотронами показал, что результаты лабораторных исследований плохо масштабируются и могут использоваться лишь для качественных оценок.
Список литературы
1. Семкин И.Г., Коптев А.П., Морозов А.П. Внепечная плазменная металлургия. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 490 с.
2. Тихонов А.В., Агапитов Е.Б. Способы интенсификации перехода металлического лома в расплав // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы межрегион. науч.-техн. конф. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. тех. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. №71. Т.2. С.103-105.
3. Агапитов Е.Б. Энергосбережение при струйно-плазменной ковшевой обработке расплава стали // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. №4. С.88-90.
4. А.с. 357244 СССР, С21С 7/10. Способ обработки металла.
5. Пат.161111 ВНР, МКИ4 H01F 3/00 Способ подвода тока для прямого нагрева через контакты из газовой плазмы/Ф.Бали. Опубл.1977
6. Заявка 2151090 Франция, МКИ4 Н05В 3/00 Способ передачи электротока для нагрева детали при контакте с газовой плазмой/ Ф.Бали. Опубл.1973
7. Заявка 1400576 Великобритания, МКИ4 Н05В 3/00 Способ подвода тока к металлической заготовке / Ф.Бали. Опубл.1975.
8. Агапитов Е.Б, Морозов А.П. Плазменно-джоулевый нагрев шлакометаллического расплава при внепечной обработке стали // Тепломассоперенос и свойства жидких металлов: тез. докл. рос. межотраслевой конференции. Обнинск, 29-31 октября 2002 г. Обнинск, 2002. С.212 -214.
Information in English
Energy Characteristics of Plasma-arc Current Lead During Slag-metal Melt Heating
Agapitov E.B., Tikhonov A.V.
The article presents results of experimental studies and engineering study of a slag melt heating by the slag layer heating with electrical resistance of the in plasma-arc current lead.
Keywords: plasma arc current lead, ladle treatment, slag, plasma, slag resistance, melting rate, heating.
References
1. Semkin I.G., Koptev A.P., Morozov A.P. Vnepechnaya plazmennaya metallurgiya [Ladle plasma metallurgy]. Magnitogorsk: Nosov MSTU, 2000. 490 p.
2. Tikhonov A.V., Agapitov E.B. Sposoby intensifikatsii perehoda metallicheskogo loma v rasplav [Intensification methods of metal scrap transition into the melt]. Current problems of modern science, technology and education. 2013, no.71, vol.2, pp.103-105.
3. Agapitov E.B. Energosberezhenie pri struino-plazmennoi kovshevoi obrabotke rasplava stali [Energy saving in
образце - приходилось выдерживать соотношение воздух - пропан в соответствии с зависимостью, представленной на рис. 7.
Nm, кВт
Рис. 6. Изменение скорости плазменного плавления шлака от мощности ЭДУ: 1 - нагрев по схеме (а); 2 - по схеме (б)
г/с
1,4 f 1,2/ a = 1 /
// S 08У
/// S 0,6У
0,2
ОВОз, г/с
Рис. 7. Связь изменения расхода воздуха от расхода пропана для обеспечения условий стабильности работы ЭДУ
the plasma jet of molten steel ladle treatment]. Herald of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2011. no.4, pp.88-90.
4. AS 357244 USSR S21S 7/10. Metal processing method.
5. Pat.161111 Hungary, MKI4 N01F 3/00 Method of current supply for direct heating through the contacts from gas plasma. F.Bali. Publ.1977/
6. Application 2151090 France MKI4 N05V 3/00 Method of electric current transmission for heating parts coming into contact with gas plasma. F.Bali. Publ.1973.
7. Application 1400576 Great Britain MKI4 N05V 3/00 Method of current supply to the metal workpiece. F.Bali. Publ.1975.
8. Agapitov E.B., Morozov A.P. Plazmenno-dzhoulevyi nagrev shlakometallicheskogo rasplava pri vnepechnoi obrabotke stali. Teplomassoperenos i svoistva zhidkih metallov. [Plasma -joule heating of the slag-metal melt during ladle steel processing and Heat and mass transfer properties of liquid metals]. Abstracts of the Russian industrial conference. Obninsk October 29-31, 2002. Obninsk, 2002, pp. 212-214.
