Теплообмен в «свободном» пространстве

«Свободное»* пространство формируют стена и свод, рабочие поверхности которых участвуют в лучистом теплообмене.

Дуговые печи представляют собой печи-теплообменники с радиационным режимом работы. Особенности радиационного теплообмена в рабочим пространстве определяются:

– условиями существования электрических дуг [длина столба, электродинамическое выдувание из-под торцов графитированных электродов (в ДСП), экранирование металлошихтой (при проплавлении «колодцев» и при «закрытом» горении дуг в период плавления) или слоем шлака, особенно вспененного (в окислительный период плавки)];

– теплотехническими качествами внутренней поверхности «свободного» пространства (температура, степень черноты, коэффициент развития футеровки, эксцентриситет электрических дуг).

Для обеспечения направленного рационального теплообмена «свободное» пространство должно иметь теплотехнически рациональные размеры. Помимо этого форма «свободного» пространства современных дуговых печей должна обеспечивать размещение необходимых средств интенсификации технологического процесса. Поэтому «свободное» пространство может быть:

а) цилиндрической формы с выступом (эркером) для эксцентрического донного выпуска жидкого металла;

б) овальной (полуэллиптической) формы при обслуживании отверстия донного выпуска через свод;

в) прямоугольно-эллиптической формы для размещения на своде шахты предварительного подогрева металлошихты.

Для уменьшения числа подвалок металлошихты при использовании легковесного амортизационного лома (особенно для дуговых печей мини-заводов при отсутствии оборотного лома повышенной объемной массы) объем «свободного» пространства увеличивают за счет изменения высоты стены**. Однако при этом увеличивается площадь теплоотдающей поверхности корпуса, возрастают тепловые потери и расход электроэнергии, а также увеличивается длина графитированных электродов и их расход вследствие окисления большей боковой поверхности и повышается вероятность поломок электродов.

Из-за малого объема самой дуги (по сравнению с объемом «свободного» пространства) и сравнительно большого расстояния от дуги до стены и свода можно принять дугу за сферу малого диаметра (точечный источник излучения). Поэтому облученность футеровки рассчитывают по формуле

q = k_экрР_эдcos β/(4πr²), (57)

где q – плотность потока излучения («облученность»), кВт/м²;
– поправочный коэффициент, учитывающий несоответствие излучения реальной дуги понятию «точечного» источника излучения (при выдувании k_экр >1, при экранировании k_экр < 1);
– мощность дуги, кВт;
– угол между направлением излучения и нормалью к футеровке;
r – расстояние от дуги до футеровки (при схеме расположения дуги на оси электрода), м.

В трех- или многоэлектродных ДСП облученность футеровки суммируют от всех дуг.

Формула (57) не учитывает теплообмена эффективными лучистыми потоками теплотехнически серых поверхностей рабочего пространства ДСП и не дает абсолютной величины облученности поверхностей «свободного» пространства, но позволяет сравнивать величину плотности падающего теплового потока для обоснования теплотехнически рациональных соотношений геометрических размеров «свободного» пространства.

Как показывают расчеты по формуле (57), облученность футеровки на уровне дуг неодинаковая: наибольшая ( ) – против электродов, наименьшая ( ) – между электродами. Степень неравномерности облученности зависит от расположения дуг* (рис. 26).

Рис. 26. Эпюра облученности футеровки трехэлектродной ДСП на уровне дуг (а)
и зависимость облученности от соотношения k = D_рсп/D_oтк (б): 1 – q_max; 2 – q_min;
3 – q_max/q_min; q_равн – плотность излучения при равномерном облучении футеровки
(в ДСП ПТ)

Практически равномерная тепловая нагрузка на футеровку стены обеспечивается при соотношении

. (58)

По данным Л.А. Мальцева, условие (58) обеспечивает также более равномерный прогрев ванны.

Сближение электродов при вызывает конструктивные трудности из-за размеров электрододержателей и уплотнителей электродных отверстий в своде, а также ослабляет кирпичную футеровку центральной части купольного свода. Поэтому для сближения дуг над зеркалом ванны до значений электроды наклоняют на угол до 8° к вертикали.

Тенденция увеличения вместимости и мощности ДСП может привести к созданию печей с шестью электродами. Абсолютная величина вводимой мощности может, по крайней мере, удвоиться по сравнению с достигнутыми в настоящее время максимальными показателями на трехэлектродных ДСП. Шестиэлектродные ДСП могут быть (рис. 27):

1) круглыми с расположением электродов по вершинам равностороннего шестиугольника;

2) эллиптическими (или овальными) с расположением электродов двумя симметричными группами;

3) эллиптическими (или овальными) с шахматным расположением электродов.

Рис. 27. Расположение электродов в шестиэлектродных ДСП
(по данным Л.Е. Никольского)

Соотношение размеров, указанных на рис. 27, обеспечивает неизбежную неравномерность облученности футеровки стены (на уровне дуг) не более 30 %. ДСП разной формы равноценны с металлургической точки зрения, ибо имеют одинаковые удельные (на 1 т вместимости) площади зеркала ванны.

По мере удаления вверх от зеркала ванны плотность теплового потока , падающего от дуг на футеровку стены, убывает согласно формуле (57), причем наблюдается (рис. 28) наибольшая облученность в пределах «горячего» пояса высотой

. (59)

Наклон образующей тепловоспринимающей поверхности стены к вертикали способствует уменьшению ,особенно в «горячем» поясе (кривая 2 на рис. 28). По данным Л.Е. Никольского, при наклоне на угол 25…30° облученность снижается в среднем в 1,5 раза. Поэтому ДСП с огнеупорной футеровкой, работающие в режиме «открытой» дуги (печи второго поколения), конструируют с коническими (наклонными) стенами для повышения стойкости футеровки (см. § 7).

Нагретые поверхности стены и свода имеют собственное излучение, создающее для ванны косвенный радиационный теплообмен (см. рис. 24, а),а для футеровки –«фон» облученности .

По данным ВНИИЭТО, на ДСП-200 ,измеренная после выключения дуг, составила 270…370 кВт/м² по сравнению с облученностью от дуг кВт/м².

Теоретические расчеты, результаты светового и физического моделирования тепловой нагрузки футеровки свода показывают, что облученность свода зависит от соотношения высоты свода над зеркалом ванны и диаметра распада электродов , т.е. .

Рациональное расположение свода над зеркалом ванны должнообеспечивать:

1) достаточно малую облученность наиболее «горячей» (центральной) точки свода , исключающую чрезмерный перегрев и преждевременное разрушение футеровки при нормальном энергетическом режиме плавки;

2) более благоприятный температурный режим наиболее «горячей» точки свода по сравнению с наиболее горячими точками стены, что возможно при условии ;

3) размещение в рабочем пространстве всего объема металлошихты при насыпной плотности 1,5…1,6 т/м³, поскольку повторная загрузка («подвалка») шихты затягивает расплавление и увеличивает потери тепла ДСП.

Рациональное расположение свода характеризуют условием , что при условии (58) соответствует отношению

. (60)

Высота стены , связанная с высотой расположения свода , определяет также величину площади теплоотдающей поверхности кожуха ДСП, расход огнеупорных материалов на футеровку стены, длину графитированных электродов и т.д.

Кроме этого, высота влияет на соотношение площадей рабочих (тепловоспринимающих) поверхностей «свободного» пространства ДСП, характеризуемое при косвенном теплообмене (см. рис. 24, а)средним угловым коэффициентом футеровки на ванну.

В ДСП обычной и повышенной мощности «свободное» пространство перекрывают купольным кирпичным сводом, высоту центральной точки которого характеризуют стрелой подъема («выпуклости») свода . Для применяемых огнеупоров составляет 10…15 % диаметра свода, зависящего от диаметра «свободного» пространства . Поэтому высоту «свободного» пространства с учетом рекомендаций для (60) можно определить по соотношению

. (61)

В случае применения водоохлаждаемых комбинированных плоских сводов рекомендация (61) теряет смысл, = 0 и = , причем величину выбирают из соображений размещения твёрдой металлошихты. Л.С. Кацевич для технологии плавки с двухразовой загрузкой шихты (первая порция составляет 60…80 % металлошихты, вторая – 20…40 % металлошихты и шлакообразующие материалы) рекомендовал

(62)

Энергетический режим плавки

Постановка задачи

Энергетический режим представляет собой график изменения мощности по ходу плавки в виде числа и величины ступеней мощности и напряжения электропечного трансформатора. Этому графику соответствует определенный расход электрической энергии, который задают специальному дозатору в виде «директивного» графика – программы плавки для автоматического управления.

Как было отмечено в § 4, теплотехнически рациональные соотношения геометрических размеров рабочего пространства ДСП обеспечивают благоприятное распределение тепловых потоков между тепловоспринимающими поверхностями: зеркалом ванны, стеной, сводом. Абсолютные значения тепловых потоков, согласно выражению (57), зависят от мощности дуг, т.е. от электрической мощности ДСП. Поэтому рациональный энергетический режим в течение плавки является необходимым условием правильной эксплуатации ДСП.

Энергетический режим устанавливают в соответствии с энергопотреблением технологического процесса выплавки стали и условиями теплообмена в «свободном» пространстве ДСП. Поэтому в разные периоды плавки энергетический режим будет отличаться. Энергоемкий процесс нагрева и расплавления твердой металлошихты целесообразно проводить на максимально возможной мощности для сокращения длительности периода τ_эн. Обычно этот период занимает свыше половины времени всей плавки. Расход энергии составляет 60…80 % общего расхода электроэнергии.

Технология выплавки стали не связана с большими энергозатратами, часть необходимой тепловой энергии может выделяться непосредственно в объеме жидкого металла при экзотермических реакциях. Поэтому энергетический режим технологического периода плавки должен обеспечивать температурный режим металла и футеровки.

В общем случае тепловую мощность, вводимую в печь в виде мощности нагрева Р_н, можно представить в виде трех слагаемых:

Р_н = Р_пол + Р_ак + Р_т.п, (63)

где Р_пол – полезная мощность;
Р_ак – мощность, характеризующая скорость изменения энталь- пии футеровки ΔW_ак, т.е. скорость восполнения энергии, «аккумулируемой» футеровкой;
Р_т.п – мощность тепловых потерь.

Повышение температуры футеровки по ходу плавки вызывает снижение Р_ак, но увеличивает Р_т.п. Обе эти величины, как показывают данные энергетических балансов ДСП, одного порядка, что позволяет принять их сумму приблизительно постоянной. Это количество тепла не вызывает перегрева и разрушения футеровки, так как ею целиком поглощается и отводится от внутренней поверхности теплопроводностью.

Остальная часть мощности нагрева Р_пол определяет теплообмен в «свободном» пространстве печи. При отсутствии альтернативных источников тепловой энергии в рабочем пространстве тепловая мощность ДСП Р_нвыделяется в дугах. Поэтому считаем, что и Р_пол излучается частично на шихту, а частично – на футеровку. От футеровки эта мощность (без учета Р_аки Р_т.п) излучается (и отражается) на шихту. В начале плавки, когда шихта холодная, эта теплопередача будет значительной, а по мере нагрева шихты – снижаться согласно закону Стефана – Больцмана (рис. 29).

Рис. 29. График для разработки энергетического режима периода расплавления