Теплотехнические режимы работы

По характеру теплообмена между дугами, поверхностями рабочего пространства и металлом, условиям электрофизических процессов дугового разряда, энергетическому и электрическому режиму ДСП всю плавку (от начала расплавления до выпуска металла) делят на четыре этапа (рис. 21).

Рис. 21. Изменение условий тепловой работы ДСП второго поколения в различные периоды и этапы плавки:
I – подготовки печи; II – плавления, III – окислительный;
IV – восстановительный; а–г – этапы периода плавления

Первый этап – начало расплавления, когда дуги зажигают над верхним уровнем твердой шихты, вблизи свода (этап а). Из-за недостаточной эмиссионной способности холодной шихты дуги горят неустойчиво, электрический режим характеризуется толчками тока, напряжение на дуге в момент зажигания имеет пики (см. рис. 13, а, точка 1), характерные для плохих условий ионизации межэлектродного промежутка. Во избежание разрушения футеровки свода из-за прямого излучения дуг в непосредственной близости необходимо работать на пониженных значениях напряжения и мощности (50…70 % от номинального значения). Холодная шихта на периферии рабочего пространства нагревается за счет тепла, аккумулированного футеровкой; при этом температура внутренней поверхности футеровки интенсивно снижается (с 1800…1900 до 900…1000 К).

Для улучшения условий тепловой работы футеровки ДСП и для более устойчивого горения дуг целесообразно:

1) применять предварительно нагретую вне печи шихту;

2) подогревать шихту в печи до 900…1000 К с помощью топливных горелок;

3) загружать вместе с металлической шихтой шлакообразующие материалы (технологически необходимые для удаления фосфора), особенно известь из-за низкого ионизационного потенциала кальция (см. § 2).

Продолжительность первого этапа составляет 10…15 мин.

Второй этап – предварительный этап расплавления, когда в результате мощного тепловыделения дуг шихта под электродом диаметром и вокруг электрода на расстоянии, равном в первом приближении длине дуги , оплавляется, жидкий металл каплями стекает вниз, а электроды формируют «колодцы» диаметром . Дуги постепенно погружаются в глубь шихты (см. рис. 21, этап б), удаляясь от свода и охватывая своими тепловыми потоками все больший объем шихты.

Прямое излучение дуг на футеровку прекращается, что позволяет вводить в ДСП максимальную электрическую мощность при максимально возможном напряжении (для увеличения длины дуги ). При большой мощности и относительно близком расположении трех электродов возможно формирование одного общего «колодца». Однако горение дуг на твердой шихте по-прежнему неустойчивое: возможны обвалы шихты и короткие замыкания, т.е. электрический режим также неспокойный.

На подине постепенно накапливается жидкий металл. Минимальная масса металла, расплавленного в трех «колодцах», может быть приблизительно оценена по формуле

*,

где – высота шихты под электродом;
– насыпная плотность шихты.

Если известна продолжительность предварительного этапа расплавления , величину можно оценить по балансу тепловой энергии, пренебрегая теплопередачей в твердой шихте ввиду быстротечности процесса проплавления «колодцев» (средняя скорость опускания электродов составляет 5…15 см/мин); , где – средняя мощность, выделяющаяся в дугах при проплавлении «колодцев»; – изменение энтальпии металлической шихты данного химического состава.

Этап заканчивается, когда опускающиеся дуги достигают поверхности жидкого металла. Глубина формирующейся жидкометаллической ванны должна быть достаточной для защиты футеровки подины от разрушительного теплового действия электрических дуг.

Продолжительность второго этапа составляет 15…20 мин.

Третий этап – этап расплавления основной массы шихты, когда дуги горят под слоем шихты между электродами и жидким металлом, частично покрытым слоем шлака (этап «закрытого» горения дуг). В это время создаются благоприятные электрофизические условия для дугового разряда, электрический режим стабилизируется. Продолжающееся экранирование футеровки позволяет использовать с высокой теплотехнической эффективностью (тепловой КПД дуги может быть принят равным единице) максимальную электрическую мощность ДСП (с учетом электротехнически допустимой перегрузки электропечного трансформатора по току на 20 %) для расплавления твердой шихты и нагрева жидкого металла в ванне. Интенсивная электродинамическая конвекция в зоне действия электрических дуг исключает перегрев жидкого металла и способствует благодаря конвективной теплопередаче расплавлению твердой шихты вдали от дуг. С этой целью на сверхмощных ДСП целесообразно применение искусственного электромагнитного перемешивания ванны жидкого металла (см. § 8) или донной газовой продувки.

По мере увеличения количества жидкого металла уровень ванны повышается, а электроды поднимаются вверх (см. рис. 21, этап в), вследствие чего дуги постепенно открываются. Дуги откроются полностью в тот момент, когда будет расплавлено количество металла , достаточное для заполнения пустот между кусками оставшейся твердой шихты массой , где – масса всей шихты. Из равенства объема жидкого металла и объема пустот в оставшейся шихте и при допущении равенства плотности твердого и жидкого металла можно получить формулу для оценки доли шихты, расплавленной при «закрытом» горении дуг (включая жидкий металл, расплавленный в «колодцах»):

. (49)

Длительность «закрытого» горения дуг (для расплавления ) можно определить из уравнения теплового баланса, допуская :

(50)

где – средняя мощность, выделяющаяся в дугах во время «закрытого» горения.

По оценке Н.В. Окорокова, насыпная плотность шихты должна составлять 1,5…1,6 т/м³, обеспечивая отношение , а с учетом фактического постепенного «раскрытия» дуг отношение .

Четвертый этап работы ДСП – этап «открытого» горения дуг (см. рис. 21, этап г), продолжающийся до конца периода расплавления и в течение окислительного и восстановительного периодов. Прямое излучение дуг на футеровку вызывает резкое повышение ее температуры (со скоростью 30…100 К/мин). Во избежание недопустимого перегрева футеровки необходимо мощность дуг снижать, понижая напряжение, т.е. работать на коротких дугах при менее благоприятных электротехнических режимах эксплуатации ДСП.

Если представить дугу в виде излучающего цилиндра (условно) диаметром, равным диаметру электрода D_эд, и высотой, равной длине дуги l_д, то можно в первом приближении рассмотреть изменение распределения теплового излучения дуги в функции соотношения (рис. 22) или с учетом выражения (33) в функции соотношения или (соотношение электрического и геометрического параметра ДСП). Расчет выполнен Н.В. Окороковым при следующих допущениях:

1) тепловыделение происходит в объеме ;

2) теплоотдача излучением происходит на торцы цилиндра (излучение от столба дуги на ее опорные пятна на ванне и на электроде) и с его боковой поверхности пропорционально соответствующим площадям;

3) тепловые потоки, излучаемые на оба торца, попадают в ванну (пренебрегаем теплопередачей через электрод);

4) тепловой поток, излучаемый с боковой поверхности, распределяется поровну между ванной и футеровкой.

Рис. 22. Распределение излучения дуги между ванной (Ф_вн)
и футеровкой ДСП (Ф_фут) в функции k = l_д/D_эд:
1 – Ф_вн/P_д; 2 – Ф_фут/P_д; 3 – Ф_вн/ Ф_фут

Тогда соотношение тепловых потоков от дуги мощностью P_д на ванну (Ф_вн) и на футеровку (Ф_фут) можно выразить уравнениями

(51)

где .

Кривые, построенные по формуле (51) и изображенные на рис. 22, позволяют сделать следующие выводы:

1) в рабочем пространстве ДСП существует направленный теплообмен (Ф_вн/Ф_фут > 1) в результате экранирования теплового излучения дуг на футеровку торцами вертикально расположенных электродов;

2) при обычных для практики значениях даже незначительное изменение этого отношения резко меняет направленность тепловых потоков (крутопадающая часть кривой 3);

3) возможность изменения при эксплуатации ДСП соотношения Ф_вн/Ф_фут позволяет управлять направленным теплообменом по ходу плавки.

Возможности регулирования направленного теплообмена в рабочем пространстве ДСП изменением ступени вторичного напряжения U_2л, силы тока дуги I_д (параметры электрического режима работы печи), количества шлака, т.е. толщины слоя шлака на зеркале ванны, химического состава, характеризуемого основностью шлака в виде соотношения содержания оксидов (СаО + МgО)/SiO₂, были исследованы В.Е. Пирожниковым на ДСП вместимостью 20 т (рис. 23). Направленность теплообмена оценивалась скоростью нагрева металла (кривая 5)ифутеровки (кривая 7), что является результатом перераспределения тепловых потоков и . Автору удалось оценить длины дуг (кривая 3) и (кривая 4), изменениекоторых на рис. 23 можно объяснить, проанализировав формулу (33).

В зависимости от степени экранирования теплового излучения дуги возможны две схемы теплообмена «дуга – футеровка – ванна»:

1) направленный косвенный радиационный теплообмен (рис. 24, а), когда из-за незначительного экранирования дуги (при больших значениях аргумента , т.е. при более высокой ступени вторичного напряжения, меньшей силе тока, тонком слое шлака и т.д.) ванна нагревается в основном эффективным излучением футеровки. При такой схеме теплообмена температура футеровки будет выше температуры шлака и металла , т.е.

; (52)

Рис. 23. Влияние электрических и технологических факторов на теплообмен в рабочем пространстве ДСП:
1 – сила тока дуги; 2 – мощность дуги; 3 – длина дуги; 4 – длина открыто-излучающей части дуги l_д.о; 5 – скорость нагрева металла dT_м/dt; 6 – температура футеровки T_фут; 7 – скорость нагрева футеровки dT_фут/dt
(по данным В.Е. Пирожникова)

2) направленный прямой радиационный теплообмен (рис. 24, б), когда из-за сильного экранирования дуги (при малых значениях аргумента ,т.е. при более низкой ступени вторичного напряжения, большей силе тока, толстом слое шлака и т.д.) металл в ванне нагревается непосредственно теплопередачей от дуг при интенсивной электродинамической конвекции под электродами; шлак и футеровка получают тепло от металла. При такой схеме теплообмена температура шлака на значительном расстоянии от дуги будет меньше температуры металла, а температура футеровки меньше температуры и шлака, и металла, т.е.

. (53)

Рис. 24. Схемыкосвенного (а) и прямого (б) теплообмена в ДСП

При косвенном теплообмене обеспечивается технологически благоприятное равномерное температурное поле шлака по всей площади зеркала ванны. Однако передача тепла жидкому металлу может лимитироваться тепловым сопротивлением слоя шлака, что ограничивает допустимую толщину шлака при косвенном теплообмене. Кроме того, данная схема теплообмена по причине неравенства (52) менее благоприятна для тепловой работы огнеупорной футеровки стены и свода и создает опасность перегрева и разрушения.

Прямой теплообмен менее благоприятен для технологического процесса, так как создает неравномерное температурное поле по зеркалу ванны. Слишком низкая температура футеровки T_фут может стать причиной замедления расплавления шихты на откосе ванны и снижения эффективности нагрева металла.

Теплообмен в ванне

Теплообмен в ванне жидкого металла связан со схемой теплообмена в рабочем пространстве ДСП (см. рис. 24) и с распределением лучистых потоков дуги по зеркалу ванны.

Распределение лучистых потоков «излучающего» цилиндра (по схеме рис. 22) по зеркалу ванны таково, что с учетом излучения торца электрода диаметром D_эд примерно 90 % всего излучения дуги, падающего на ванну (т.е. ~0,9Ф_вн), попадает на круг – «горячую» зону диаметром

. (54)

При наличии слоя малотеплопроводного шлака на зеркале ванны и неизбежного окисления конца электрода эта зона может иметь и меньшие размеры. В.С. Кочо экспериментально оценил D_г.з » 2D_эд.

Следует отметить, что температура «горячей» зоны значительно выше температуры остальной поверхности зеркала ванны и футеровки. Поэтому «горячая» зона может излучать заметное количество тепла на футеровку, ухудшая направленность теплообмена в рабочем пространстве ДСП.

При относительно малом расстоянии между электродами можно с известным приближением рассматривать круг, описанный вокруг электродов, как общую «горячую» зону диаметром D_о.г.з.

Таким образом, можно сделать вывод, что ванна нагревается от одного, трех или более (по числу электродов, например, в шестиэлектродной ДСП) сосредоточенных источников тепла, размеры которых зависят, согласно (54), от диаметра электрода D_эд и, в конечном счете, от параметров электрического режима дугового разряда.

С учетом ЭМГД-воздействия электрической дуги на жидкий металл часть объема ванны вокруг дуги можно рассматривать как полушар диаметром D_г.з (или D_о.г.з) с внутренним источником нагрева. Поэтому весь объем ванны в первом приближении может быть рассмотрен как шаровой слой с внутренней поверхностью диаметром D_вт = D_г.з (или D_о.г.з) и внешней поверхностью диаметром D_вш, ограниченной футеровкой подины.

Технологически неблагоприятное неравномерное температурное поле ванны имеет наибольший градиент gradT в зоне дуги, а наименьший – около подины; перепад температур DT зависит от теплового потока в ванне F_вн, эквивалентного (эффективного) коэффициента теплопроводности l_эф и от геометрических размеров ванны D_вш и «горячей» зоны D_вт:

Неравномерность температуры по объему ванны усиливается с увеличением вместимости ДСП (влияние величины D_вш).

При косвенном радиационном теплообмене в рабочем пространстве ДСП (см. рис. 24, а) тепловой поток на ванну F_вн поступает от футеровки через всю площадь зеркала жидкометаллической ванны. Такая схема теплообмена позволяет рассматривать ванну в первом приближении как усеченный конус суглом при основании 45°*, прогреваемый сверху через большее основание диаметром D_м.

Равномерность температурного поля по глубине ванны зависит от эффективной (в условиях возможной интенсификации массообмена газовой продувкой или электромагнитным перемешиванием) теплопроводности жидкого металла l_эф и от соотношения диаметра зеркала D_м и глубины ванны h_м.

По данным Н.В. Окорокова и Л.А. Мальцева, можно рекомендовать это соотношение равным

(55)

Меньшие значения используют для малых ДСП (с кислой футеровкой) и для крупных ДСП при одношлаковой технологии, большие значения – для крупных ДСП при двушлаковой технологии.

Выбор глубины ванны h_м лимитируется возможностью нагрева металла. Развитие внепечных методов обработки стали и организация массообмена в ванне снимают ограничения по степени равномерности температурного поля и позволяют конструировать печи с более глубокими ваннами. На отечественных 100-т ДСП третьего поколения (ДСП-100Н3, ДСП-100И6) соотношение составляет 4,2…5,0, а глубина ванны 1100…1200 мм; на ДСП четвертого поколения (ДСП-100И7) соотношение 3,9 при глубине 1350 мм. Такое изменение размеров ванны приводит к уменьшению ее удельной поверхности (ДСП-100Н3 0,25 м²/т, ДСП-100И6 0,23 м²/т, ДСП-100И7 0,20 м²/т) и поверхности контакта «шлак – металл» (не имеющей большого значения при одношлаковой технологии), но способствует сокращению площади теплоотдающих поверхностей корпуса и свода, снижению тепловых потерь и экономии электроэнергии.

В современных дуговых печах применяют два вида конфигурации ванны (рис. 25):

1) сфероконическая ванна (СК-ванна, рис. 25, а);

2) сфероконическоцилиндрическая ванна (СКЦ-ванна, рис. 25, б).

Рис. 25. Формы ванны ДСП: поперечное сечение СК-ванны (а) и СЦК-ванны (б); продольное сечение (в) СЦК-ванны с донным эксцентрическим выпускным отверстием; вид сверху (г) СЦК-ванны с донным эксцентрическим выпускным отверстием; 1 – уровень откоса; 2 – уровень порога рабочего окна 3; 4 – шлаковая ванна; 5 – жидкометаллическая ванна; 6 – выпускное отверстие; штриховые линии – контур корпуса ДСП (для уменьшения эксцентриситета эркера)

Объем шарового сегмента, заполняемого жидким металлом при проплавлении «колодцев», должен быть достаточным, чтобы защитить футеровку подины от теплового действия дуг, когда электроды опускаются в самое нижнее положение (конец этапа б на рис. 21). Для этого глубину шарового сегмента h_сф принимают равной 20…25 % от глубины ванны h_м.

Диаметр ванны (на уровне откоса) определяет диаметр рабочего пространства ДСП.

, (56)

где D_шл – толщина слоя шлака, определяемая по технологически не- обходимому количеству шлака (в среднем принимают объем шлака до 15 % от объема жидкого металла; плотность жид- кого шлака составляет 2,9…3,2 т/м³);
h₃ – высота от зеркала шлаковой ванны до уровня порога рабочего окна, равная 20…40 мм, для создания дополнительного объема на случай «кипения» металла и шлака в окислительный пе- риод плавки;
h₄ – высота от уровня порога рабочего окна до уровня откоса, равная для ДСП разной вместимости 30…100 мм во избе- жание размывания шлаком основания футеровки стены и возможного аварийного выхода жидкого шлака.

В СКЦ-ванне ДСП четвертого поколения угол откоса 30…35° (см. рис. 25, б), уровень зеркала жидкометаллической ванны расположен выше уровня конической части ванны, цилиндроконическая часть ванны имеет эркерную* камеру глубиной h_эрк (0,75…0,80) h_м. Эксцентриситет э+в (см. рис. 25, г) донного выпускного отверстия определяется диаметром D_крп корпуса и конструкцией эркера (выступ составляет 0,4…0,45 м). СКЦ-ванны имеют меньший (по данным В.В. Афанасьева, ОАО СКБ «Сибэлектротерм») на 10…15 % диаметр зеркала ванны, меньшее соотношение размеров ванны (4,1…4,4 вместо 4,2…5,2 для СК-ванн) и меньшую удельную поверхность ванны по сравнению с СК-ваннами.