Определение размеров электродов

Длина электрода зависит от высоты рабочего пространства ДСП:

, (44)

где h₁ – высота рабочего пространства от нижней точки подины до
высшей точки свода, мм;
h₂– толщина свода, мм;
h₃ – высота выступающего над сводом уплотнителя электродно-
го отверстия в своде, мм;
h₄– высота корпуса электрододержателя, мм;
h₅ – запас длины электрода на одну-две плавки, мм;
100…150 – запас длины электрода на случай «роста» кирпичной футеровки свода при нагреве, мм.

Запас длины можно определить из условия

* (45)

где m_эд – расход одного электрода за плавку, кг;
N – число плавок;
d – плотность электрода, кг/м³;
D_эд – диаметр электрода, м.

Определение диаметра электрода представляет собой сложную задачу, решение которой возможно на основе технико-экономического анализа условий работы электрода в ДСП.

Во-первых, электрод является участком токопровода, активное сопротивление которого обратно пропорционально . В части электрода, выступающей из-под свода (до электрододержателя), электрическая мощность по закону Джоуля – Ленца представляет собой электрические потери. Аналогичная мощность, выделяющаяся в большей части электрода ниже свода, участвует в теплообмене рабочего пространства, увеличивая тепловую мощность ДСП.

По оценкам Н.В. Окорокова, такое тепловыделение по методу сопротивления внутри крупных и мощных ДСП сравнимо с мощностью тепловых потерь и составляет 5…6 % от мощности, выделяющейся в дугах.

Во-вторых, через электрод вследствие высокой теплопроводности (см. табл. 4) происходят тепловые потери из-под свода в систему охлаждения уплотнителя электродного отверстия прямо пропорционально (при прочих равных условиях) .

В-третьих, при удалении электрода из печи (для наращивания «электродной свечи») теряется тепловая энергия, израсходованная на изменение энтальпии электрода пропорционально его массе, т.е. примерно пропорционально (длина «свечи» примерно пропорциональна ).

В-четвертых, окисление электрода с боковой поверхности (при прочих равных условиях) может увеличиваться пропорционально , хотя интенсивное окисление возможно и при малых значениях вследствие высокой плотности тока и сильного нагрева поверхности (см. рис. 17).

Кроме этого, необходимо иметь в виду, что электрод является элементом конструкции. Поэтому размеры и сила тяжести электрода влияют на размеры и механическую прочность электрододержателя, механизма передвижения электрода и др.

Размеры электрода, в частности диаметр , имеют значение для создания направленного теплообмена в рабочем пространстве ДСП (см. § 4).

Диаметр электрода D_эд (мм) можно принять по опыту эксплуатации графитированных электродов на разных дуговых печах и агрегатах (рис. 19) или оценить по допустимой (рекомендуемой) плотности тока [J], А/см² из условия допустимой температуры поверхности и минимального окисления электрода (см. рис. 17):

*, (46)

с округлением до стандартного диаметра (см. табл. 4).

Рис. 19. Допустимая сила тока для графитированных электродов
для ДСП (область 1), ДСП ПТ (область 2) и агрегатов
«ковш-печь» (область 3)

Условие теплового равновесия выделяемой (при прохождении тока силой ) и отдаваемой (в результате теплоотдачи с единицы площади поверхности плотностью q)мощностей для обеспечения постоянной температуры поверхности электрода над сводом имеет вид (на единицу длины электрода) , откуда диаметр электрода (мм)

*, (47)

где r – УЭС, мкОм·м;
– коэффициент увеличения активного сопротивления элек-
трода при переменном токе вследствие поверхностного эффекта (для электродов диаметром 300; 500 и 750 мм соответственно 1,04; 1,1 и 1,25);
– среднеквадратичная сила тока (в условиях нестабильного
электрического режима работы ДСП), равная
и составляющая по отдельным периодам плавки в ДСП
45…80 % от номинального тока, кА;
q – плотность теплового потока теплоотдачи с 1 м² площади
теплоотдающей поверхности электрода, равная при тем- пературе 800 К (см. рис. 17) 20…21 кВт/м².

Стоимость эксплуатации одного электрода за одну плавку можно выразить следующим образом:

, (48)

где – тариф за израсходованную электроэнергию, руб/(МВт·ч);
– цена электродов, руб/т;
– расход электрода за плавку, кг.

Величина характеризует расход электрической энергии на компенсацию электрических потерь в той части электрода длиной l, которая выступает из-под свода.

Величина характеризует соответственно расход электрической энергии на компенсацию тепловых потерь из рабочего пространства ДСП теплопроводностью через электрод, охлаждаемый уплотнителем электродного отверстия в своде, и при остывании электрода в период подготовки печи к плавке (t_пдг) и вне печи при наращивании «электродной свечи».

Расчеты по формуле (48) показывают (рис. 20), что:

1) зависимость åC = f(D_эд) дает экономически оптимальный диаметр электрода D_opt;

2) увеличение D_эд влияет на эксплуатационные расходы в меньшей мере, чем уменьшение D_эд;

3) крутовозрастающие левые ветви кривых åC = f(D_эд) подтверждают недопустимость работы на электродах недостаточного (для данного токового режима) диаметра D_эд; при этом даже незначительное увеличение D_эд вызывает значительное снижение стоимости эксплуатации электрода;

4) ухудшение уплотнения электродного отверстия в своде, приводящее к увеличению расхода электродов, смещает минимум эксплуатационных расходов в сторону большего диаметра электрода с одновременным удорожанием его эксплуатации. Практика работы ДСП показывает, что в зависимости от качества уплотнения расход электродов может измениться в 3–4 раза.

При расчете и выборе диаметра электрода необходимо учитывать возможность размещения электродов в рабочем пространстве ДСП по вершинам равностороннего треугольника, характеризуемого диаметром «распада» электродов D_pсп (диаметр окружности, проходящий через центры электродов).