Разработка способов улучшения технико-экономических показателей и методики выбора рациональных режимов плазменно-дуговых сталеплавильных печей Окунева Виктория Валерьевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Энергетические режимы плазменно-дуговых сталеплавильных печей

1.1. Устройство плазменно-дуговых сталеплавильных печей и энергетические параметры дуг 16

1.2. Электрические и тепловые режимы плазменно-дуговых сталеплавильных печей 21

1.3. Источники питания и схемы электроснабжения плазменно-дуговых сталеплавильных печей 29

1.4. Выводы по первой главе 37

ГЛАВА 2. Разработка методики расчета рационального положения дуги в плазменно-дуговых сталеплавильных печах

2.1. Локальные и средние угловые коэффициенты излучения поверхностей и объемов 39

2.2. Разработка методики расчета угловых коэффициентов излучения дуги на поверхности при их нахождении во взаимопараллельных плоскостях 45

2.3. Определение локальных угловых коэффициентов излучения дуги при наклонном положении плазмотрона в ПДСП 49

2.4. Разработка методики расчета рационального положения дуги в плазменно-дуговых сталеплавильных печах 54

2.5. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. Расчет мощности, излучаемой дугами на металл, при различных положениях плазмотронов и длинах дуг в плазменно-дуговых сталеплавильных печах 65

3.1. Исследование влияния длины дуги и ее положения на теплообмен в плазменно-дуговых сталеплавильных печах 65

3.2. Исследование влияния угла наклона плазмотрона на теплообмен в плазменно-дуговых сталеплавильных печах 74

3.3. Выводы по третьей главе 81

ГЛАВА 4. Расчет рационального положения дуги и разработка мероприятий по снижению удельного расхода электроэнергии в плазменно-дуговых сталеплавильных печах 84

4.1. Исследование влияния смещения анодного пятна на теплообмен и расчет рационального положения плазмотрона и дуги в плазменно-дуговых сталеплавильных печах 84

4.2. Расчет рационального положения и длины дуги и разработка мероприятий по снижению удельного расхода электроэнергии в плазменно-дуговых сталеплавильных печах 98

4.3. Выводы по четвёртой главе 111

ГЛАВА 5. Разработка конструкции и электрического режима пдсп с двумя плазмотронами, сводовым и стеновым 114

5.1. Разработка конструкции ПДСП с сводовым и стеновым плазмотронами 114

5.2. Разработка электрического режима ПДСП с сводовым и стеновым плазмотронами 120

5.3. Выводы по пятой главе 124

Заключение 125

Список использованных источников

• Электрические и тепловые режимы плазменно-дуговых сталеплавильных печей
• Определение локальных угловых коэффициентов излучения дуги при наклонном положении плазмотрона в ПДСП
• Исследование влияния угла наклона плазмотрона на теплообмен в плазменно-дуговых сталеплавильных печах
• Расчет рационального положения и длины дуги и разработка мероприятий по снижению удельного расхода электроэнергии в плазменно-дуговых сталеплавильных печах

Введение к работе

Актуальность темы. Объем инвестиций в черную металлургию России увеличился с 2000г. по 2008г. в 3,6 раза и составил в 2008г. 140 млрд. руб. В 2014г. объем инвестиций в черную металлургию составил 118 млрд. руб. В результате реализации инвестиционной программы 2000-2014 г.г. на 12 металлургических заводах введено 15 электросталеплавильных комплексов, рассчитанных на производство 14 млн. т стали в год. Из 15 комплексов 8 построены взамен мартеновских печей с выводом их из эксплуатации. Большая часть российских металлургических заводов закупила для комплексов электросталеплавильных цехов новое импортное оборудование. Разработка отечественного энергоэффективного металлургического оборудования, в том числе плазменно-дуговых сталеплавильных печей (ПДСП) и способов плавки в них, является актуальной задачей.

Энергоемкость ВВП Российской Федерации (РФ) в 3 раза больше, чем в Евросоюзе (ЕС), а электроемкость в РФ в 2,6 раза больше, чем в ЕС. В результате реализации инвестиционных проектов снизился удельный расход электроэнергии на производство электростали и удельный расход топлива на производство проката, и в настоящее время средний удельный расход энергоресурсов в черной металлургии РФ на 25% больше аналогичного показателя ЕС. Снижение энергоемкости черной металлургии РФ является актуальной задачей и необходимым условием поддержания конкурентоспособности предприятий черной металлургии РФ на мировом и внутреннем рынке.

Актуальность диссертационной работы подтверждена выделением научной группе, в которую входит автор данной диссертационной работы, гранта Минобрнауки РФ №2.1.2/9224 на 2010-2012 г.г. на проведение фундаментальных исследований в области металлургии, результаты исследования по теме которого вошли в диссертационную работу

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета рациональных параметров дуг в ПДСП, расчет рационального положения и длины дуги в действующих ПДСП, вместимостью 3-10 т, разработка инновационного

способа плавки стали в печах, позволяющего сократить удельный расход электроэнергии, время плавки, повысить производительность печей.

В соответствии с целью работы поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности нагрева при всем многообразии взаиморасположения дуг и поверхностей.

2. Разработка методики расчета рационального положения и длины дуги в ПДСП, вместимостью 3-10 тонн.

3. Расчет для действующей ПДСП вместимостью 5 тонн, рациональных параметров дуги в периоды окончания расплавления шихты и рафинировки металла.

4. Разработка инновационного способа плавки стали в плазменно-дуговых сталеплавильных печах, вместимостью 3-10 тонн.

5. Разработка конструкции плазменно-дуговой сталеплавильной печи с двумя плазмотронами, сводовым и стеновым, и электрического режима плавки стали в ней.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований для отыскания функций для определения локальных угловых коэффициентов излучения дуг ПДСП использованы методы интегрального исчисления. Для расчета угловых коэффициентов излучения дуг, КПД дуг, а также для расчета рационального угла наклона плазмотрона использовались методы математического моделирования на ЭВМ с применением специализированного программного обеспечения, обеспечивающего решение задач методом конечных элементов. При проведении экспериментальных исследований использованы методы статистического анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем.

6. Разработана трехмерная математическая модель для автоматизированного расчета угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности нагрева.

7. Разработана методика расчета рациональных параметров дуг в плазменно-дуговых сталеплавильных печах.

3. Разработан инновационный способ плавки стали в ПДСП, включающий
плавление шихты вертикальным сводовым плазмотроном, дальнейшую плавку
осуществляют установленным в стене под углом 75^о к вертикальной оси
наклонным плазмотроном, при этом отношение длины дуги к диаметру ванны
составляет 0,35-0,5, а анодное пятно смещено от центра ванны на расстояние 0,25-
0,32 от диаметра ванны.

4. Разработана конструкция ПДСП с сводовым и стеновым плазмотронами и
электрический режим плавки стали в ней.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

8. Разработана математическая модель для расчета угловых коэффициентов излучения дуги ПДСП, позволяющая при любом пространственном положении и геометрических размерах дуги определять долю излучения дуги на ванну металла.

9. Разработана методика расчета рациональных параметров дуги в ПДСП с помощью которой можно рассчитать расположение и длину дуги для передачи ею максимальной тепловой мощности ванне металла и снизить потери энергии в ПДСП.

10. Разработаны конструкция ПДСП и инновационный способ плавки стали в ней, при котором плавление шихты осуществляется вертикальными плазмотроном и дугой, дальнейшая плавка установленным в стене наклонным плазмотроном с рассчитанными по разработанной методике рациональными параметрами и расположением дуги при которых сокращается удельный расход электроэнергии на 10-11%, время плавки на 13-14%, повышается производительность печи на 10-14%.

11. Результаты работы были получены по плану госзадания и включены в отчет по НИР по госконтракту №2.1.2/9224 за 2010-12 г.г. на проведение фундаментальных исследований в области металлургии.

12. Основные результаты диссертационной работы изложены в ведущих научных журналах электрометаллургов, электротермистов Электрометаллургия №4, №5, 2013г.; Промышленная энергетика №10, 2013г.; №10, 2014г.; о результатах работы проинформированы металлургические заводы Электросталь,

Сибэлектросталь, Ижсталь и другие металлургические заводы на которых установлены ПДСП.

Результаты диссертационной работы использованы на ОАО «Электромеханика» при выборе рационального положения плазмотрона при нанесении плазменно-дуговым путем защитных покрытий на детали с целью повышения их надежности и ресурса.

6. Методика расчета рациональных параметров дуги и способы повышения технико-экономических показателей (ТЭП) ПДСП включены в учебно-методический комплекс по дисциплине «Электротехнологические установки» и используются в ТвГТУ при чтении лекций при подготовке инженеров по специальности «Электроснабжение», бакалавров, магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника», о чем имеется акт.

Согласно госзадания результаты НИР по госконтракту, методика расчета и способы повышения ТЭП ПДСП включены научным руководителем д.т.н., проф. Макаровым А.Н. в учебное пособие 2014г., допущенное УМО по образованию в области металлургии для студентов вузов, в котором есть ссылки на статьи диссертантки.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется:

- использованием апробированных методов проведения теоретических и
экспериментальных исследований и анализа результатов исследований;

использование стандартных пакетов прикладных программ;

достоверность расчетов подтверждена практикой эксплуатации плазменно-дуговых сталеплавильных печей;

Полученные в работе результаты соответствуют паспорту специальности 05.09.10 – Электротехнология, в частности пункту:

«В рамках специальности решаются проблемы использования электроэнергии в металлургии, термических процессах различного назначения, в технологиях с использованием разряда в газах».

На защиту выносятся:

13. Математическая модель для расчета угловых коэффициентов излучения дуг в ПДСП.

14. Методика расчета рациональных параметров дуг в ПДСП.

15. Инновационный способ плавки стали в ПДСП.

4. Конструкция ПДСП для реализации инновационного способа плавки стали.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

XIV Минском Международном форуме по тепло- и массообмену, Минск,
ИТМО, 2012г.; XIX, XX Международных научно-технических конференциях
студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,
Москва, НИУ «МЭИ», 2013, 2014, 2015 г.г.; научно-практической конференции
«Повышение эффективности энергетического оборудования», Санкт-Петербург,
СПГПУ, 2012г.; XVII конгрессе по электротермии, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ,
2012г.; XIV Международной конференции «Электромеханика,

электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», Крым, Алушта, НИУ «МЭИ», 2012г.; VI Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология», Москва, НИТУ «МИСИС», 2012г.; XV Всероссийском конкурсе «Инженер года-2014» - лауреат конкурса с присвоением звания «Профессиональный инженер России»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2 в англоязычных журналах, в 2 патентах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем 155 страница, в том числе 23 рисунка, 23 таблицы, список литературы из 215 наименования, приложение 2 страницы.

Электрические и тепловые режимы плазменно-дуговых сталеплавильных печей

Энергетический режим плазменно-дуговых сталеплавильных печей включает следующие стадии. После зажигания дуги осуществляется период расплавления шихты. Период расплавления начинается с формирования колодца в металлошихте, который, вследствие значительной длины дуги, составляющей 80-90% высоты стен, имеет форму перевернутого усеченного конуса. Форма колодца в виде перевернутого усеченного конуса обеспечивает устойчивое положение шихты, и, как следствие, отсутствие обвалов, колебаний напряжения и тока дуги, на протяжении всего периода расплавления. Это является преимуществом длинных дуг, которые обеспечивают стабильный электрический режим работы печи. В процессе расплавления дуга горит на «лужу» металла на дне ванны и ее длина не изменяется. После расплавления части шихты верхние участки стен и свод «оголяются» и попадают под прямое излучение дуги. Преимущество длинных дуг, заключающееся в обеспечении стабильной работы печей, становится недостатком, так как длинные дуги приводят к высоким тепловым нагрузкам на футеровку стен и сводов ПДСП.

При длине дуги lд равной 0,8-0,9 высоты стен lд дуга приближена к своду и на него падает мощный поток излучения дуги. На 5-тонных ПДСП в середине периода расплавления фиксировали температуру внутренней поверхности свода в 1700-1800 0С при которой происходит интенсивный износ, оплавление футеровки свода [69]. На первых плавках стойкость свода составляла около 20 плавок при h = 0,8 – 0,9м. После уменьшения длины дуги и заглубления плазмотрона внутрь рабочего пространства при h = 0,5 – 0,6м стойкость свода была увеличена до 60 плавок и выше. Значительную часть плавки даже в период расплавления дуги горят открыто, излучая на футеровку стен и свода. Уменьшение длины дуги осуществляется за счет уменьшения напряжения на дуге, что приводит к снижению мощности дуги. Именно перегрев футеровки при вертикальном горении дуги в период расплавления и жидкие периоды плавки стали ограничивает допустимую мощность, вводимую в печь.

После расплавления шихты последняя не экранирует стены и происходит интенсивный нагрев футеровки, температура футеровки значительно превосходит температуру металла [76] и составляет 1550-1650 0С. Так как температура печной атмосферы также растет, то градиент напряжения в столбе дуги уменьшается в 1,5 – 2 раза, во столько же уменьшаются напряжение на столбе и мощность дуги при неизменной длине дуги, что оказывает сдерживающее влияние на дальнейший рост температуры футеровки. Однако снижение мощности дуги приводит к увеличению времени плавки, снижению производительности печи, увеличению тепловых потерь и удельного расхода электроэнергии. В некоторых случаях для поддержания постоянной мощности дуги используют смеси плазмообразующих газов, например, аргона и водорода. Градиент напряжения в столбе дуги, горящей в водороде, в 50 раз больше градиента напряжения в столбе дуги, горящей в аргоне. Плавку начинают на аргоне, а по мере разогрева печи в плазмообразующий газ подмешивается водород в таком соотношении, чтобы напряжение оставалось неизменным. Однако этот способ не нашел распространения вследствие взрывоопасности водорода и его вредного воздействия на многие сорта выплавляемых металлов.

С учетом вышеизложенного рациональный тепловой режим ПДСП зависит от электрического режима и, в частности, от параметров плазменной дуги. К окончанию плавки необходимо достичь заданной температуры жидкого металла и предотвратить перегрев футеровки выше допустимой температуры. Для этого целесообразно уменьшить длину дуги до некоторого рационального значения путем опускания плазмотрона при сохранении постоянным тока дуги. Рациональная длина дуги при изменении температурных условий внутри печи изменяется незначительно. В настоящее время рациональная длина вертикальной дуги определяется на действующих плазменно-дуговых сталеплавильных печах экспериментально путем проведения десятков и сотен плавок и статистической обработки параметров плавок. После статистической обработки параметров плавок с различными длинами дуг при постоянном токе определяют рациональную длину дуги и рациональный электрический режим, при котором достигается заданная температура металла за наименьшее время плавки и предотвращается перегрев футеровки выше допустимой температуры.

Скорость расплавления и нагрева жидкого металла и время плавки зависят от доли мощности, передаваемой ванне металла от столба дуги [78-90]. Согласно (1.2) мощность дуги Рд складывается из мощности, передаваемой ванне в анодном пятне РА , мощности, выделяемой в столбе дуги, Рст и мощности, выделяемой в катодной области РК. Мощность РК составляет 1 – 2% от Рд и Егоров А.В. предлагает ею пренебречь [74]. Мощность Рв , которую дуга передает ванне металла зависит от конвективной и лучистой составляющих тепловой мощности дуги. Мощность, передаваемая дугой плазмообразующему газу, распределяется следующим образом: большая часть этой мощности переносится путем конвекции ванне металла в зоне анодного пятна и близлежащих зонах поверхности ванны, меньшая часть мощности покидает рабочее пространство ПДСП в виде потерь с печными газами. Поток излучения от столба дуги на ванну Егоров А.В. [87] и другие авторы [13,14] предлагают определять через угловой коэффициент излучения дуги на ванну металла ств. Тогда, мощность, передаваемая дугой ванне металла, определяется по выражению: Рв = РАНГ+ ств Рст , (1.4) где РАНГ – две части мощности дуги, первая часть, передаваемая дугой ванне в анодном пятне и вторая часть, передаваемая дугой плазмообразующему газу и далее плазмообразующим газом путем конвекции ванне металла.

Определение локальных угловых коэффициентов излучения дуги при наклонном положении плазмотрона в ПДСП

Обобщенные угловые коэффициенты излучения, по своему физическому смыслу аналогичны разрешающим угловым коэффициентам излучения, но в отличие от них учитывают не только отражения, но и поглощение потоков излучений средой. Система алгебраических уравнений для определения обобщенных угловых коэффициентов излучения тела на поверхности нагрева имеет вид [1]: у/ = (ер + R.qy.. )е ы, (2.25) где cpik - средний угловой коэффициент излучения /-того тела на /V-тую поверхность; Rj – коэффициент отражения 7-той поверхности; р-- - средние угловые коэффициенты излучения одной поверхности (тела) на другую; / -средняя длина пробега лучей; к коэффициент поглощения излучения.

Угловые коэффициенты излучения являются основными расчетными величинами теплообмена излучением. Угловые коэффициенты излучения определяют аналитическим, графоаналитическим, экспериментальным методами.

При исследовании процессов теплообмена излучением в ПДСП будем использовать аналитический метод определения угловых коэффициентов излучения.

Длительное время отсутствовали аналитические выражения для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения дуги, моделируемой цилиндрическими источниками излучения, на поверхности нагрева при их нахождении во взаимопараллельных плоскостях на произвольной высоте. Автор диссертационной работы под руководством профессора Макарова А.Н. осуществил вывод обобщенного аналитического выражения для определения угловых коэффициентов излучения дуги на поверхность нагрева.

Определим локальный угловой коэффициент излучения дуги на поверхность элементарной площадки К, расположенной между нормалями N3 и N4 (рис. 2.4) [1]: l Л

Рис. 2.4. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения линейного источника на элементарную площадку при их нахождении во взаимопараллельных плоскостях

Из работы [8] следует, что элементарный угловой коэффициент излучения d Pikc поверхности элементарного цилиндра (дуги) на поверхность элементарной площадки определяется по выражению где ai – угол между нормалью N1 к оси элементарного цилиндра и направлением излучения, град; i – угол между нормалью N2 к центру элементарной площадки и направлением излучения, град; Fk – площадь поверхности элементарной площадки, м2; li – расстояние от элементарного цилиндра до элементарной площадки, м.

Локальный угловой коэффициент излучения линейного источника на поверхность элементарной площадки определяется интегрированием выражения (2.26) по высоте источника излучения

В случае, когда элементарная площадка расположена за пределами проекции линейного источника излучения на плоскость F (рис.2.5), расчет ведем следующим образом. h

Рис. 2.5. Геометрические построения для определения локальных угловых коэффициентов излучения при нахождении элементарной площадки на вертикальной плоскости на произвольной высоте

Проверку правильности аналитических рассуждений при выводе выражения (2.31) можно осуществить следующим образом. При fi2 = 0 и fi1 = fi из выражения (2.31) должны получить выражение (2.30). Действительно, подставив fi2 = 0 и fi1 = fi в (2.31), получим выражение (2.30).

Таким образом адаптировали аналитические выражения для определения локальных угловых коэффициентов излучения электрической дуги плазмотрона на элементарную площадку при их положении в параллельных плоскостях. Полученные выражения совместно с выведенными ранее выражениями для определения угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности, при их нахождении во взаимоперпендикулярных плоскостях, а также на наклонные поверхности стен и сводов будем использовать для расчета теплообмена излучением в плазменно-дуговых сталеплавильных печах при различных положениях плазматронов в них.

В диссертационных работах Шимко М.Б. [123], Макарова Р.А. [124], выполненных под руководством профессора Макарова А.Н., осуществлен вывод аналитических выражений для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного постоянного токов на поверхность ванны металла [8], на наклонные наружу поверхности стен при любом пространственном положении расчетной площадки на этих поверхностях [123]. Адаптируем полученные в работах [123,124] аналитические выражения для расчета локальных и средних угловых коэффициентов дуг плазматронов на поверхность ванны металла в плазменно-дуговых сталеплавильных печах.

Определим локальный угловой коэффициент излучения на поверхность элементарной площадки К, находящейся на поверхности ванны металла плазменно-дуговой сталеплавильной печи от дуги плазмотрона, расположенного под углом (90 – ) градусов к горизонтальной плоскости [1]: (рис. 2.6)

Исследование влияния угла наклона плазмотрона на теплообмен в плазменно-дуговых сталеплавильных печах

Как описывалось выше, изучение закономерностей распределения энергии в свободном пространстве ПДСП можно проводить методами светового моделирования на физических моделях.

Недостатком такой модели является то, что она не обладает высокой точностью. Погрешность такого метода составляет 14-16% значений реальной печи, что является допустимым. Эксперименты показали, что величины, полученные на печи и на модели, имеют одинаковый порядок, хотя облученность на модели оказалась несколько выше, чем на реальной печи. На реальных печах происходит экранирование дуги электродом или выдувание дуги из-под него в зависимости от диаметра электрода и длины дугового промежутка.

Эксперименты на печах и физических моделях дают возможность получить исходные данные для моделирования тепловой работы ПДСП на аналоговых и математических моделях. Более точное представление о теплообмене в ПДСП дают математические, расчетные модели.

Преимущества аналитического способа с помощью разработанной математической модели распределения мощности дуг очевидны. Данный способ не требует создания сложных моделей и сложных измерений при высоких температурах внутрипечного пространства и позволяет оперативно провести анализ распределения излучения дуг по поверхностям стен, свода и металла при изменении электрического режима, длины дуги, диаметра распада и прочих геометрических параметров плазменно-дуговых печей и других печей с длинными дугами

Анализируя полученные выражения (2.29)-(2.31), (2.35), (2.38), (2.41) адаптировали обобщенное аналитическое выражение для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности стен, свода, ванны ПДСП при любом произвольном расположении расчетной площадки и электрической дуги: фк= І SY ф5ф- + 5Іп(3-С05((31+Р2 )_+5ІПф-5ІП2Р1-5ІП2р2 ] (2.37) где г - кратчайшее расстояние от центра элементарной площадки до оси излучающего цилиндра, м; /г - высота излучающего цилиндра (длина дуги), м; /3 - угол, под которым цилиндр излучает на площадку, рад; fij, fi2, (р и у определяются из геометрических построений, рад (рис. 2.8). Причем, по условию использования формулы (2.37) углы р и Д должны быть взяты со своими знаками. Угол Д отрицателен, если углы Д и Д отложены в противоположные стороны от нормали N1, иначе Д - положителен. Угол ср берется со знаком “-“, если отложен в противоположную сторону от нормали N1 по сравнению с большим по модулю из углов Рг,Р2, иначе ср -положителен. Для автоматизации выполнения на компьютере необходимо для любой точки поверхности нагрева без построения физической модели определить необходимые линейные и угловые размеры, входящие в формулу (2.37), до каждого излучающего цилиндра.

Необходимыми для вычислений по формуле (2.37) данными являются пространственные координаты центров оснований О(x1,y1,z1) и О (x2,y2,z2) всех излучающих цилиндров, их длины hi, и координаты расчетной точки на поверхности нагрева А(x,y,z) ванны металла.

Независимо от взаимного расположения лучевоспринимающей поверхности и излучающего цилиндра кратчайшее расстояние от точки поверхности до оси цилиндра r, м (рис. 2.8) определяется по выражению (2.38).

Всем элементарным площадкам поверхности ванны металла ставятся в соответствие единичные вектора нормали N2, направленные внутрь топки. Координаты вектора нормали N3 плоскости излучения АООу определяются через векторное произведение векторов АО и АО . Угол между вектором нормали элементарной лучевоспринимающей площадки N2 и плоскостью излучения АОО у определяется через скалярное произведение векторов N2 и N3 .

По условию использования формулы (2.37) углы р и Д должны быть взяты со своими знаками. Угол 1 берется со знаком “-“, если углы 1 и 2 отложены в противоположные стороны от нормали N1. Взаимные направления углов относительно нормали N1 можно учесть, используя выражение (2.49).

Для определения рационального положения плазмотрона по вышеизложенной методике рассматривается плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока (рис. 2.10) [26].

Плазменно-дуговая сталеплавильная печь с одним плазмотроном: 1- кожух; 2- футеровка; 3- свод; 4- ванна металла; 5- подовый электрод; 6-плазмотрон; 7- плазменная дуга Расчет ведется в относительных единицах. Ванна металла единичного диаметра разбивается на элементарные площадки (сегменты) одинаковой площади Smo4. с точкой А в центре (рис. 2.11). В итоге получается б колец с 36 сегментами (площадками) в каждом. Отсчет колец ведется от наружного кольца к центральному.

После чего для каждой такой элементарной площадки рассчитывается значение локального углового коэффициента ((рк). В итоге получится распределение значений локальных угловых коэффициентов по всей ванне металла. Наконец, складывая локальные угловые коэффициенты всех элементарных площадок, получили суммарный средний угловой коэффициент излучения на всю ванну металла ( ) [8,123,124].

Воспользовавшись этой методикой, можно рассчитать угловые коэффициенты на всю ванну металла при различных углах наклона плазмотрона от вертикальной оси. Однако этого недостаточно для полного исследования распределения тепла по ванне металла. Необходимо также исследовать смещение плазменной дуги от центральной точки ванны металла. Смещение осуществляется в точки, показанные на рис. 2.11 или на рис. 2.12 (пол.1, пол.2, пол.3, пол.4, пол.5, пол.6). Также осуществляется смещение в пол.8, симметричное пол.6 относительно центру ванны.

К исходной ванне металла (внешний ее диаметр показан жирной линией) снаружи достраивается еще 17 колец. Причем так, чтобы площади сегментов были одинаковы и равны площадям сегментов исходной ванны металла. Теперь для этой новой достроенной ванны металла рассчитываются угловые коэффициенты на все сегменты соответственно для тех же углов наклона плазмотрона, что и раньше по формуле (2.37). Затем для каждого угла наклона плазмотрона осуществляется смещение исходной ванны от центра достроенной ванны металла, так как показано на рис. 2.13 (смещенная ванна металла показана заштрихованной). Причем смещение производится на расстояние смещения плазмотрона (см. рис. 2.11 или рис. 2.12). Таким образом, имитируется смещение самого плазмотрона от центральной точки исходной ванны металла. На рис. 2.13 показано смещение в положение

Расчет рационального положения и длины дуги и разработка мероприятий по снижению удельного расхода электроэнергии в плазменно-дуговых сталеплавильных печах

Мощность, излучаемая дугой в плазменно-дуговой сталеплавильной печи, распределяется между поверхностями нагрева: металлом, стенами, сводом. Мощность, излучаемая дугой на металл, является полезной мощностью. Мощность, излучаемая дугой на поверхности стен и свода, является основной составляющей тепловых потерь печи. Часть этой мощности идет на нагрев и оплавление футеровки стен и свода, другая часть передается теплопроводностью через футеровку и рассеивается в окружающее пространство, третья нагревает воду водоохлаждаемых элементов внутрипечного пространства печи и также рассеивается в окружающее пространство при охлаждении воды. Для снижения расхода электроэнергии, уменьшения времени плавки стали, повышения производительности печи необходимо увеличивать полезную мощность и снижать тепловые потери печи. Этого можно добиться, определив рациональное положение плазмотрона и дуги в рабочем пространстве печи. В первую часть периода расплавления шихты, когда шихта занимает все рабочее пространство печи, плавку ведут длинной вертикальной дугой плазмотрона, установленного в своде печи. При этом в печи формируется дугой свободное пространство в виде перевернутого усеченного конуса, что обеспечивает устойчивое положение шихты, снижение обвалов, шума, устойчивое горение дуги. После расплавления 65% шихты, когда свод и 2/3 стен оголятся, с целью снижения излучения дуги на стены и свод длину дуги уменьшают за счет уменьшения напряжения на дуге, при этом мощность дуги снижается в 1,5-1,3 раза, увеличивается время плавки, снижается производительность печи.

Для того, чтобы не снижать длину, напряжение, мощность дуги нами предложено вторую часть расплавления шихты и жидкие периоды плавки стали вести плазмотроном, установленным в стене печи и наклоненным к вертикальной оси под определенным углом. После расплавления 65% шихты попадании стен и свода под прямое излучение дуги сводовый плазмотрон отключают и включают плазмотрон, установленный в стене под определенным углом к вертикальной оси, оптимальное значение которого требуется определить. При этом излучение дуги на стены и свод уменьшается, уменьшаются тепловые потери мощности печи, а излучение дуги на ванну металла увеличивается, то есть увеличивается полезная мощность дуги, которая идет на расплавление шихты, нагрев металла, проведение эндотермических реакций в ванне печи. Необходимо определить рациональное положение плазмотрона и дуги в печи в открытые периоды плавки стали, при котором достигается максимальная полезная мощность дуги и снижаются тепловые потери мощности печи. Полезную мощность, излучаемую дугой на металл, характеризует средний угловой коэффициент излучения дуги на металл. Исследуем аналитически средние угловые коэффициенты излучения дуг при различных их длинах и положениях плазмотронов в плазменно-дуговых сталеплавильных печах.

Для того, чтобы результаты аналитического исследования угловых коэффициентов излучения дуг в плазменно-дуговых сталеплавильных печах при различных длинах дуг и углах наклона плазмотрона к вертикальной оси можно было использовать при конструировании новых плазменно-дуговых сталеплавильных печей, выборе энергетических режимов действующих печей различной вместимости и геометрических размеров проведем расчеты в относительных единицах при различных отношениях длины дуги lд к диаметру ванны Дв.

Рассчитаем влияние угла наклона плазмотрона и дуги на теплообмен в плазменно-дуговых сталеплавильных печах. Расчет осуществляем при следующих углах наклона дуги: 15, 30, 45, 60, 75, 85, 86 и 87 град. Для каждого угла наклона осуществляется расчет угловых коэффициентов излучения дуги на каждый отдельный сегмент ванны металла и на всю ванну металла в целом. Осуществим также расчет угловых коэффициентов излучения дуги на ванну металла при изменении длины дуги (lд, отн. ед.). Длины дуг, принятые для расчета следующие: 0,5, 0,4, 0,3 и 0,2 от единичного диаметра ванны металла печи. Для каждой расчетной длины дуги осуществляется наклон плазмотрона на углы, указанные выше. Зависимость среднего углового коэффициента излучения дуги на ванну металла от угла наклона плазмотрона при lд =0,5 Дв, представленная на рис. 3.1.

Как видно из рис. 3.1 зависимость имеет восходящий характер до определенного момента, то есть до определенного угла, после чего наблюдается снижение значений углового коэффициента на ванну металла. Следовательно, функция углового коэффициента на всю ванну металла от угла наклона плазмотрона имеет экстремум при определенном угле. Для длины дуги 0,5 этот экстремум наблюдается при угле наклона плазмотрона 85 град.

Значения средних угловых коэффициентов излучения дуги в зависимости от угла наклона плазмотрона для длины дуги 0,5 Дв представлены в табл. 3.1. Согласно данным табл. 3.1, полученным в ходе расчета для длины дуги 0,5 от диаметра ванны металла, наибольшее значение углового коэффициента на ванну металла (р к наблюдается, как отмечалось выше, при 85 град. и составляет (р к = 0,381896. При этом на ванну металла приходится примерно 38,2% от мощности, излучаемой дугой, остальные 61,8% приходятся на стены и свод печи.

Результаты проведенных аналитических исследований полностью согласуются с практикой эксплуатации дуговых сталеплавильных печей постоянного тока (ДСППТ), в которых в открытые периоды плавки стали снижают длину дуги в два-три раза для того, чтобы увеличить долю излучения дуги на ванну металла и снизить расход электроэнергии в жидкие периоды плавки стали. Например, в печах ДСППТ вместимостью 0,5-6 т фирмой «КОМТЕРМ» в 2011-13 г.г. предложен следующий способ плавки стали. Расплавление шихты ведут длинной дугой. После расплавления части шихты, когда верхняя часть стен освободится от скрапа и попадает под прямое излучение дуги, напряжение и длину дуги уменьшают в два раза, одновременно, с целью сохранения постоянной мощности дуги, увеличивают ток в два раза.

После расплавления всей шихты и полного освобождения от шихты стен напряжение и длину дуги еще раз снижают в два раза, одновременно увеличивая ток в два раза. При работе ДСППТ по вышеописанному способу плавки стали удалось снизить расход электроэнергии на 15-30%, повысить производительность печи на 14-28%. Проведенными аналитическими исследованиями дано объяснение вышеописанному феномену разработанного способа плавки стали в ДСППТ: при уменьшении длины дуги в открытые периоды плавки стали снижается излучение дуги на стены и свод, то есть потери мощности излучения дуги, увеличивается полезная мощность дуги, которая поступает на расплавление шихты на откосах и нагрев ванны металла, снижается удельный расход электроэнергии, повышается производительность печи. Таким образом, проведенные аналитические исследования и практика эксплуатации ДСППТ, ПДСПТ находятся в полном соответствии друг другу. Проведенными аналитическими исследованиями доказана необходимость снижения длины вертикальной дуги ПДСП в жидкие периоды плавки сталь для уменьшения потерь мощности дуги, увеличения среднего углового коэффициента излучения дуги, доли излучения дуги на ванну металла.