CC BY
49
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В МЕТАЛЛУРГИИ
УДК 621.745.35
Ячиков И.М., Портнова И.В.
ХАРАКТЕР ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В ПОДОВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
Одна из характерных черт современного раз -вития металлургии - неуклонный рост выпуска качественных металлов и сплавов, выплавляемых в электрических печах. Повышение производительности печных агрегатов в равной степени определяется увеличением скорости плавления шихты и интенсификацией технологической обработки расплава.
Среди существующих способов воздействия на жвдкий металл (механическое, продувка газом и др.) особое место занимают электромагнитные методы бесконтактного воздействия на расплав. Это ивдукционные, ковдукционные и
ВАННЕ ДППТ С ДВУМЯ
э ле кт ро вихревым и устройства. Последние начали использоваться сравнительно недавно на дуговых печах постоянного тока (ДППТ) и отличаются тем, что в них отсутствуют внешние индукторы и электромагниты.
Для реализации процессов плавки и перемешивания расплава в печи устанавливается один осевой графигированный катод, а в подине - два асимметрично расположенных подовых анода [1]. Движение расплава возникает за счет взаимодействия токов с собственными магнитным и полями.
Необходимо отметить, что характер электро-вихревых течений (ЭВТ) в жвдкой ванне ДППТ с
б
Рис. 1. Экспериментальная установка для изучения ЭВТ в ванне: общий вид экспериментальной установки; б, в - схема расположения подовых электродов: 1 - плавильная ванна; 2 - графитированный электрод; 3 - держатель-токоподвод;
4 - медный катод; 5 - жидкое олово
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В МЕТАЛЛУРГИИ
двумя подовыми электродами до сих пор остается малоизученным. Проведение опытно-промышленных экспериментов характеризуется высокой стоимостью и значительной долей риска, поэтому основным инструментом исследования является математическое и физическое моделирование.
В данной работе ставилась задача определения характера ЭВТ металла в ванне ДППТ с двумя подовыми электродами при одинаковых токах, протекающих через них.
Исследование проводилось на экспериментальной установке, моделирующей ванну расплава пятитонной ДППТ стандартной конфигурации (геометрический масштаб 1:10) (рис. 1).
Диаметр ванны по поверхности жвдкого металла -0в=250 мм, ее высота Н=40 мм; угол откоса у=33°. Циливдрические медные подовые электроды диаметром 16 мм вмонтированы в днище ванны и их оси расположены под углом Дф12=90° относительно ее оси (рис. 1, б, в). Установка включала в себя источник электропитания постоянного тока для дугового нагрева, ис-точник больших токов для создания ЭВТ и контрольно-измерительную аппаратуру.
В качестве модельной жвдкости использовалось олово. Для его расплавления зажигалась дуга между графигированным электродом и поверхностью ванны (ток дуги 1д =100 А, напряже -ние и=50 В).
По оси ванны на глубину 1-2 мм в расплав погружался медный стержень диаметром 8 мм. Стержень закреплялся на медном держателе, через который подавался ток I« 1000 А (11 «12 = 500 А).
На поверхности металла визуально наблюдалось течение. Для изучения его характера прово-
Ф=270 0
Рис. 2. Характер течения расплава на свободной поверхности:
1 - область всплытия расплава; 2 - область затягивания расплава вглубь ванны
дилась ввдеосъемка. Анализ покадровых изображений показал, что под медным стержнем расплав затягивается вглубь ванны, а над подовыми электродами наблюдается всплытие расплава на поверхность. При этом его минимальная скорость наблюдалась у стен ванны, а максимальная - в областях над подовыми электродами и под катодом. Характер течения расплава на поверхности ванны показан на рис. 2.
Для анализа ЭВТ расплава в объеме ванне использовался программный продукт «Электромагнитные процессы в ванне ДППТ» [2], позволяющий в трехмерной постановке моделировать электромагнитные процессы в ванне ДППТ для произвольных геометрических и технологиче-ских параметров [3, 4]. С его помощью для условий проведения эксперимента получено распределение составляющих объемных электромагнитных сил (ОЭМС) в мервдиональной плоскости, проходящей через ось ванны и ось одного из подовых электродов (рис. 3).
Видно, что локальные максимумы значений ОЭМС наблюдаются на краях пятна дуги и краях торцевых поверхностей подовых электродов, а минимумы - в центре пятна дуги и осях подовых электродов. Электр ом агнигные силы создают струю металла под катодом, которая распростра-няется вниз вдоль оси ванны, и струю над подовыми электродами, распространяющуюся вверх вдоль их осей (рис. 3, а). Радиальная составляющая ОЭМС на поверхности ванны стягивает расплав к пятну дуги, а на подине - к подовым электродам (рис. 3, б).
Характер течения расплава в мервдиональной плоскости, проходящей через оси ванны и первого подового электрода, показан на рис. 4. В областях ванны, содержащих подовый электрод, слева об -разуются два вихря разнонаправленной циркуля -цией, а справа - один
Поскольку диаметры подовых электродов и токи, протекающие через них, одинаковы, то наблюдается зеркальная симметрия распределения ОЭМС между подовыми электродами относигель-но плоскости, проходящей через ось ванны перпендикулярно прямой, соединяющей центры подовых электродов (см. рис. 2, ф 45°). В данной плоскости азимутальная составляющая ОЭМС равна нулю, поэтому в ней наблюдается плоское течение. Течение расплава аналогично показанному на рис. 4 справа от оси ванны.
Установлено, что скорость течения в мервдиональной плоскости зависит от угла ф. Наиболее интенсивное течение наблюдается в двугранном угле, образованном плоскостями, проходящими через оси ванны и подовых электродов.
Отметим также, что структура и интенсивность ЭВТ не зависят от полярности постоянного
2. ММ
б
Рис. 3. Распределение осевых (а) и радиальных (б) составляющих ОЭМС в меридиональной плоскости, проходящей через ось ванны и ось одного из подовых электродов
катод
і У*' Г X і л 1 \ ( л
^ / 1 / •V . »/ і ^ 1
* ! :
анод
Рис. 4. Характер течения расплава в меридиональной плоскости, проходящей через оси ванны и первого подового электрода
тока и не изменяются при замене постоянного тока переменным промышленной частоты, что соответствует известным теоретическим и экспериментальным результатам [5].
Выводы. Посредством физического и компьютерного моделирования исследован характер электровихревого течения расплава по ванне ДППТ с двумя подовыми электродами при прохождении через них одинаковых токов. Опреде-лена схема течения расплава по поверхности
ванны ив мервдиальнои плоскости, проходящей через ось ванны и ось подового электрода. Установлено , что при равенстве токов на подовых электродах и равенстве их диаметров наблюдается симметрия распределения ОЭМС относительно плоскости, проходящей через ось ванны перпендикулярно прямой, соединяющей центры подовых электродов. Сравнение данных физиче-ского моделирования с расчетами подтверждает адекватность компьютерной модели.
Библиографический список
1. Об эффективности работы дуговых печей постоянного тока нового поколения при выплавке чугуна и стали / А.В. Афо-наскин, И.Д. Андреев, Д.В. Князев и др. // Вестник М ГТУ. 2005. № 1 (9). С. 26-31.
2. Ячиков И.М., Портнова И.В., Манагаров В.Н. Электромагнитные процессы в ванне дуговой печи: пакет программ. № ГР 50200501270, зарег. 31.08.2005.
3. Мсделированиеэлектромагнитных процессов в электродуговых печах постоянного тока / И.М. Ячиков, О.И. Карандаева, Т.П. Ларина, И.В. Портнова. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 140 с.
4. Ячиков И.М., Портнова И.В. Моделирование электромагнитных процессов, протекающих в ванне расплава ДППТ // Известия вузов. Черная металлургия, 2005. № 7. С. 27-29.
5. Электровихревыетечения / В.В. Бояревич, Я.Ж. Фрейберг, Е.И. Шилова, Э.В. Щербинин. Рига: Зинатне, 1985. 315 с.
