Особенности электродинамических явлений в дуговой сталеплавильной печи постоянного тока с расщепленными электродами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.365.22

Д.Г. МИХАДАРОВ, Ю.М. МИРОНОВ

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С РАСЩЕПЛЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

В настоящее время развитие мощных дуговых сталеплавильных печей идет во многом за счет применения одноэлектродных печей постоянного тока. Наряду с преимуществами перед печами переменного тока у ДСППТ существуют технические ограничения на увеличение мощности печи из-за пропускной способности электродов экономических диаметров [5]. В связи с этим проявляется тенденция увеличения количества электродов в ДСППТ.

Известно [2,3], что в дуговых печах существуют мощные электродинамические взаимодействия тока дуги с собственным и внешним электромагнитными полями. В результате в дуге проявляются эффекты «сжатия» и «магнитного дутья», которые проявляются в отклонении дуги от вертикального положения и прогиба поверхности ванны жидкого металла (мениск) (рис.1, а). Отклонение дуги приводит к возникновению холодных и горячих зон в ванне печи, что вызывает неравномерный износ футеровки, и локальному перегреву жидкой металлической ванны. Мениск в общем случае играет положительную роль, позволяя частично углубить дугу в металл, снижая при этом тепловые потери печи. Однако чрезмерное развитие мениска вызывает локальный перегрев металла под дугой металла в области подового электрода и, как следствие, возможный прожиг подины. Особенно остро эти проблемы встают на сверхмощных печах, где величина номинальных токов достигает 80-100 кА. В настоящее время для одноэлектродных ДСППТ не разработано действенных мер по снижению негативного воздействия этих явлений.

Целью данной работы является исследование особенностей электромагнитного взаимодействия трех параллельных дуг между собой и с токами, протекающими в участках токоподвода.

Рассмотрим трехэлектродную дуговую печь постоянного тока с расщепленным электродом. На рис. 1, б представлена схема расположения электродов и токоподвода. Дуги, взаимодействуя между собой, притягиваются к центру печи, а электромагнитное поле, создаваемое участками токоподвода, оказывает влияние на столб каждой дуги, отклоняя его в сторону, противоположную токоподводу.

По каждому электроду протекает ток 1д , а по остальным участкам токоподвода - ток I = 31 д , равный току одноэлектродной печи. Для расчетов были

приняты геометрические параметры, соответствующие дуговой печи емкостью 12 тонн.

Задачу можно решить, применив принцип суперпозиции: вначале рассматривается система из трех электродов, а затем - влияние участков токоподвода.

а) б)

Рис. 1. Одноэлектродная дуговая сталеплавильная печь постоянного тока (а) и установка с расщепленным электродом (б):

1 - жидкая металлическая ванна; 2 - анодное пятно; 3 - столб дуги; 4 - сводовый электрод; 5 - токоподвод сводового электрода; 6 - свод; 7 - ванна; 8 - токоподвод подового электрода; 9 - подовый электрод; 10 - горячая зона; 11 - холодная зона

Рассмотрим взаимодействие трех электродов, расположенных в вершинах равностороннего треугольника со стороной р (рис. 1, б).

В результате взаимодействия тока дуги электрода 1 с магнитными полями, создаваемыми токами электродов 2 и 3, возникает сила Лоренца

I = [5 х в].

Поскольку направления токов в электродах совпадают, столб каждой дуги будет притягиваться в центр окружности с диаметром [1, 3].

Сила, создаваемая каждым электродом:

*21 = *31 =

4пр

с — (а + х)

а + х

д/ р2 + (с — (а + х))2

д/р + (а + х)

^р 3 где р =~^у3 -

расстояние между осями электродов. Результирующая сила

®23 = ^21 +^31 •

9

*23 =д/*212 + *312 + 2 • *21*31 СОв ф .

Силе F23 оказывает противодействие сжимающая сила

/сж Н- 0

I

4пЯД

С 2

1 - ~~2

v *Ду

которая направлена по оси от электрода к металлу.

Аналогично притягиваются и дуги других электродов. Степень притягивания зависит от величины межэлектродного промежутка, тока и геометрических параметров (диаметра распада, участков токоподвода, глубины жидкой металлической ванны). Очевидно, что чем меньше диаметр распада Бр, тем

сильнее взаимодействие.

Дуги также испытывают воздействие магнитных полей, создаваемых токами участков вторичного токоподвода и жидкой металлической ванны [3]. Эти поля являются поперечными по отношению к дуге. Напряженности и индукции магнитного поля в дуге, создаваемые горизонтальным Н1, Б1 и вертикальным Н2, Б2 участками токоподвода, направлены одинаково и воздействуют на дугу согласно, отклоняя ее в сторону, обратную токоподводу, с силами, действующими на единицу длины дуги, /0ТКл.ГОрш. и /откл верт.. При этом суммарная сила

./откл _ ./откл.гориз. + ./откл.верт. .

Ток, протекающий в горизонтальном участке токоподвода, создает на оси дуги магнитное поле с индукцией

Ь

B =

4n(a + x) yjb2 + (a + x)2

и отклоняющее усилие на единицу длины дуги

f = M2 b

от

4n(a + x) yjb2 + (a + x)2 '

Ток, протекающий в вертикальном участке токоподвода, создает откло-

няющее усилие на единицу длины дуги

/откл верт. = Ijnr^08a + C0Sв) ,

c - (a + x) n a + x

где cos a = ----- ---, cos p = .--- .

yb2 + [c - (a + x)]2 tjb2 + (a + x)2

На рис. 2 представлены результаты расчета взаимодействия трех дуг. Полученные данные позволяют проанализировать расположение анодных пятен на поверхности жидкой ванны металла (ЖМВ). При коротких дугах существуют отдельные анодные пятна для каждой дуги. Увеличение межэлектродного промежутка перемещает анодные пятна к центру печи, постепенно образуя общую горячую зону. В результате прогрев ЖМВ в трехэлектродной ДСППТ происходит более равномерно. Удаление дуг от стенок печи позволяет симметрировать тепловое поле футеровки и устранить явление горячих и холодных зон.

Слияние отдельных анодных пятен в общее анодное пятно происходит при величине промежутка, равной примерно (0,3 + 0,4)p , где p - сторона равносто-

2

роннего треугольника. Эти данные позволяют соотнести конструктивные параметры печи (диаметр распада электродов) и параметры режима, характеризующие длину дуги, оптимизируя конструкцию печи при заданной мощности.

-----100 ---1---200 А-----300 |1пр’ мм

о 330 —Ж—350 — — ось печи

Рис. 2. Профили дуг в трехэлектродной ДСППТ для различных величин межэлектродного промежутка

Расширение зоны нагрева ЖМВ оказывает влияние и на образование мениска. Можно обозначить три причины возникновения мениска [3]:

1. Аэродинамические потоки газов. Дуга представляет собой магнитогидродинамический насос, который засасывает газы из рабочего пространства печи в области электрода. Затем поток газа прогоняется через столб дуги и ударяется о поверхность жидкого металла. Давление аэродинамических газов зависит от мощности дуги, состава шлака и металла [4].

2. Аксиальное давление столба дуги на поверхность металла в результате действия эффекта сжатия дуги. Суммарная сила, действующая на металл, пропорциональна квадрату тока [2]:

*Д |.

^ = | / 2птйт =— 12 = 5-10-812.

о

3. Осевое воздействие на анод (в печах постоянного тока прямой полярности - жидкий металл), чему способствует и давление потока электронов, разогнанных в электрическом поле дуги [3]

Ре = тепву2е ,

где те, пе, уе - масса, количество и скорость движения электронов.

Схема образования мениска под воздействием вертикально горящей дуги представлена на рис. 3, а. Конфигурация мениска определяется балансом сил:

суммарной силой давления, гидростатической (реакция металла) и сил поверхностного натяжения.

а) б)

Рис. 3. Образование мениска при вертикальной (а) и наклонной дуге (б):

1 - электрод, 2 - столб дуги, 3 - поверхность мениска.

Глубина и профиль мениска определяются как отношение суммы сжимающей силы /сж и сил поверхностного натяжения /п н к плотности жидкого металла р и гравитационной постоянной g :

, _ /;ж _ / + Ре ± /п.н

м ?

Р g Р g

где /п н _ ст • Д/, ст - коэффициент поверхностного натяжения Н/м, Д/ - длина поверхности, вдоль которой действует сила поверхностного натяжения, м.

Как известно, силы поверхностного натяжения действуют вдоль деформируемой поверхности жидкости. В центре мениска результирующая сил поверхностного натяжения равна нулю (рис. 3, а, точка 1). В общем случае результирующая может быть направлена как в сторону ослабления мениска (точка 2), так и в сторону его углубления (точка 3). В целом влияние сил поверхностного натяжения на глубину мениска незначительно. Эти силы играют роль в сглаживании поверхности мениска. В случае наклонной дуги поверхность мениска будет выглядеть так, как представлено на рис 3, б.

В табл. 1 приведены результаты расчета мениска для печи с расщепленным электродом при различных токах дуги, горящих без отклонения и с отклонением от оси электрода.

Отношение диаметра пятна мениска к диаметру дуги составляет ём /ёд _ 1,4 . Исходя из отношения диаметров пятен, можно определить общую

площадь для различных случаев. На рис. 4 показан процесс образование мениска при слиянии пятен. Наибольший диаметр горячего пятна будет при близком, но не перекрывающем друг друга расположении анодных пятен (рис. 4, а), а наибольшая глубина мениска будет при полном слиянии (рис. 4, в). Полное слияние нежелательно вследствие локального перегрева жидкой металлической ванны, что может вызвать перегрев подового электрода.

Профиль мениска при различных токах дуги

1Д = 4660 А

- без откл

■ с откл

1Д = 6660 А

■ без откл

• с откл

1Д =13300 А

г дуги, мм 1

А-А

Б-Б

а) б) в)

Рис. 4. Образование мениска при различном расположении анодных пятен.

Сравним мениски установки с расщепленным электродом при различном расположении анодных пятен с мениском одноэлектродной печи (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение менисков одноэлектродной печи и установки с расщепленным электродом при различных межэлектродных промежутках.

Из анализа табл. 2 видно, что в случае с расщепленным электродом, глубина мениска меньше, но прогревается большая площадь поверхности металла.

На основании проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что применение расщепленного электрода дает возможность снизить влияния негативных последствий электромагнитных взаимодействий в одноэлектродных ДСППТ, способствуя более равномерному выделению мощности в ванне и снижению эффекта горячих и холодных зон футеровки.

Литература

1. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов: В 3 т. 4-е изд. СПб.: Питер, 2004. Т. 3. 377 с.: ил.

2. Миронов Ю.М. Теоретическая электротехника электрических электродных печей: Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1997. 232с.

3. Миронова А.Н., Миронов Ю.М. Энерготехнологическая эффективность дуговых сталеплавильных печей. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 1999. 153 с.

4. Пирожников В.Е., Каблуковский А.Ф. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками. М.: Металлургия, 1974. С. 208.

5. Электротехнологические установки. Дополнительные главы: Учеб. пособие / Под ред. Ю.М.Миронова. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2001. 123 с.

МИХАДАРОВ ДЕНИС ГЕОРГИЕВИЧ родился в 1980 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры АЭТУС Чувашского университета. Имеет 1 публикацию.

МИРОНОВ ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ родился в 1937 г. Окончил Московский энергетический институт. Доктор технических наук, профессор. Заведующий кафедрой АЭТУС Чувашского университета. Имеет более 200 статей в области энергетики и электротехники, а также 35 авторских свидетельств и 18 иностранных патентов.