Введение к работе
Актуальность проблемы. В настояшее время развитые страны продолжает наращивать производство электростали, доля которой достиг- ла в западных старнах 28-30/2 от общего производства стали. Рост выплавки стали в электропечах объясняется тем, что прочностные характеристики электростали выше, чем мартеновской и конверторной. Сортамент марок качественных сталей, полученных в электропечах, значительно шире. Мартеновское производство по капитальным и эксплуатационным затратам на современном этапе не выдерживает конкуренции с электросталеплавильным и конверторным производствами и во всех развитых странах; в том числе и в Российской Федерации, сокращается, а электросталеплавильное производство расширяется.
Дуговая сталеплавильная печь является электротепловым металлургическим агрегатом, вся вводимая в печь электроэнергия преобразуется в тепловую энергии в электрических дугах и расходуется на расплавление и нагрев металла, оплавление футеровки и тепловые потери через футеровку и уносимые охлаждавшей водой и газом. Распределение тепловой энергии в печи полностью определяется электрическими и геометрическими параметрами дуги, поэтому для анализа процессов распределения тепловой энергии необходимо рассматривать не только "электрическую дугу", но и "тепловую дугу", то есть рассматривать явление в комплексе как дуговой электротепловой преобразователь энергии в электропечах для плавки стали. .
Анализ истории развития электропечей для плавки стали показывает опережавшее развитие электротехнического и отставание теплотехнического обеспечения электропечей, как материального, так и теоретического. Такая диспропорция вызвана тем, что датчики и приборы контроля электрических параметров работают в благоприятных условиях, имеют значительный срок службы, дают непрерывную информацию, что позволило создать многолетнюю базу для совершенствования практического и теоретического обеспечения слектрогехнической части электропечей. Методика расчета оптимальных электрических режимов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) совершенствовалась, развивалась вместе с ДСП с 20-х годов и к настоящему времени приняла законченный вид. Методика состоит из ряда формул, позволяющих рассчитать и построить электрические характеристики ДСП и выбрать оптимальный электрический режим.
Латчики контроля тепловых параметров работают в условиях высоких температур в парах металлов, срок их службы-чрезвычайно мал,
информацию передают эпизодически, поэтому за многолетний опыт эксплуатации электропечей бвла собрана гесьма скудная, зачастую локальная информация о тепловых параметрах в рабочем пространстве электропечей. Методика расчета оптимальных тепловых режимов ЛСП отсутствовала.
Сложность экспериментального познания процессов электротеплового преобразования и распределения онзргии, процессов теплообмена, отсутствие методики расчета теплообмена в дуговых печах для плавки стали приводило к сдерживании дальнейиего прогресса элект-ропечестроения для плавки стали. Не имело научного объяснения,была не понятно происхождение и протекание в электропечах ряда физических явлений: образование "горячих пятен" на футеровке стен ; максимальный износ свода в центральной части, где футеровка экранирована электродами от излучения дуг ; неравномерность температур металла по периметру, неравномерное расплавление шихты на откосах; обвалы шихты в печах с короткими дугами и вызванные ими колебания напряжения сети, сказывающиеся на питании других электроприемников ; отсутствие обвалов, стабильный электрический режим в печах с длинными дугами и другие явления. Не зная причин возникновения и протекания явления, нельзя на него воздействовать, управлять физическим явлением, устранять его орицательное влияние. Объяснение данных явлений возможно только на основе синтеза накопленных знаний в форме научной теории и использования математического аппарата теории для исследования электротепловых процессов, происходящих в электропечах для плавки стали.
Цель работы. Разработать теорию теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали, на основе которой дать научное объяснение физическим явлениям, происходящим в рабочем пространстве печей, установить закономерности между электрическими, геометрическими и тепловыми параметрами дуг и поверхностей теплообмена с целью совершенствования конструкций создаваемых печей, оптимизации электротепловых режимов работы действующих печей.
Объекты и методи исследований. Объектами исследований являются дуговые электропечи для плавки стали с футерованными ванной и откосами, водоохлаждаемыми и футерованными стенами и сводами, емкостью по жидкому металлу от 0,5 до 2иО тонн: дуговые сталеплавильные печи трехфазного тока (ДСПТТ.), дуговые сталеплавильные печи
- З -постоянного тока (ЛСППТ), дуговые сталеплавильные печи постоянного тока с полым электродом и газом, вдуваеган через полость для стабилизации горения дуги (ДСППТПЭГ.),, .плагменно-дуговые сталеплавильные печи постоянного тока (Щ,СППГ), плазменн'о-дуговыз сталеплавильные печи трехфазного тока(ПяСПТТ.).
При проведении теоретических исследований для отыскания функций, связывающих электрические, тепловив и геометрические параметры электрических дуг и пространственное положение плоскостей, воспринимающих излучение дуг, использованы методы интегрального исчисления. После нахождения функций, характеризующих тепловое излучение электрических дуг на поверхности при всем многообразии пространственного положения дуг и поверхностей теплообмена, пользовались методами математического моделирования на ЭВМ теплообмена излучением в электропечах всего их номенклатурного ряда. Определение геометрических размеров углубления, создаваемого дуговыми электротепловыми преобразователями в жидком металле в результате электродинамического воздействия, а также определение пространственного положения дуг переменного тока проведено графоаналитическим методом. При проведении экспериментальных исследований использованы методы статистического анализа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана геометрическая модель дуги переменного тока и углубления, создаваемого ею в металле в резтльтате электродинамического воздействия;
разработан графоаналитический метод определения угла, характеризующего электромагнитное выдувание дуги;
обоснованы модели дуг печей ДСПТТ, ДСППТПЭГ, ПДСШІТ, ІЩСЛТТ, представляющие собой каналы цилиндрической формы, теплоотдача от которых осуществляется преимущественно излучением, все многообразие, электропечей и моделей их дуг синтезированы в два вида: электропечи для плавки стали с короткими дугами и электропечи для плавки стали с длинными дугами;
разработаны математические модели распределения мощности дуг в электропечах для плавки стали с короткими и длинными дугами;
разработан графоаналитический метод определения средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности стен, свода, металла ;
разработана методика расчета теплообмена излучением в дуговых
- t -
печах для плавки стали ;
разработан графоаналитический метод расчета теплопередачи через многослойные огнеупорные стены электропечей;
разработаны условия оптимизации электропечей для плавки стали в открытые и аакрытые периоды плавки стали;
Практическая ценность выполненного исследования состоит: в практических рекомендациях, расчетных процедурах и формулах, позволяющих осуществлять проектный анализ всего многообразия вариантов плавильных электропечей различной конфигурации и выбирать овтимальный вариант;
в адекватности математического моделирования электротепловых процессов реальным процессам преобразования и распределения энергии' в электропечах и возможности анализа различных электрических режимов на распределение тепловой энергии во внутрипечном пространстве, выбора оптимального электротеплового режима для данного периода плавки, данной ступени напряжения ;
в том, что установлено определяющее влияние на износ сводов электропечей для правки стали излучения раскаленных электродов;
в том, что установлена форма колодцев, образованных длинными и короткими дугами в шихте и причины обвалов шихты в печах с короткими дугами и отсутствие обвалов шихты в печах с длинными дугами ;
- в том, что разработанное математическое моделирование элек
тротепловых процессов в электропечах для плавки стали позволяет
отказаться от сложного, трудоемкого, обладающего значительной по-
греаностью, светового и физического моделирования, дает возможность
. пользователям с помощью персональной ЭВМ или программируемого калькулятора анализировать распределение мощности во внутрипечном пространстве при любом изменении конструкций и электрических режимов электропечей ;
- ь исследовании с помодью математического аппарата теории те
плообмена излучением в дуговых печах для плавки стали ранее не
объяснимых физических явлений, изучении их, раскрытии закономер
ностей возникновения и протекания явлений;
- в использовании ряда теоретических и методических положений
дисоертации в программах и учебно-методических лособиял вузов при
подготовке специалистов-электротермистов, металлургов, теплоэнер
гетиков.
Реализация результатов работы. Теория теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали передана в виде ряда методик и методов расчета головному объединению Сибэлектротерм по проектированию и изготовлению дуговых сталеплавильных печей емкостью 12, 25, 50, ТОО, 150, 200 тонн и руднотермичзских печей, где используется в настоящее время при проектировании дуговых сталеплавильных и руднотермических печей. Разработанная методика расчета теплообмена излучением в дуговых сталеплавильных печах была использована в АО "ОКБ Сибэлектротерм" при техническом и рабочем проектировании дуговых сталеплавильных печей типа ДСП-25Н2, ДСП-50ИЭ, ДСП-80ИІ. Применение методики позволило наиболее рационально выполнить геометрию рабочего пространства дСП и выбрать надежные материалы стен и свода. Фактический экономический эффзкт от внедрения методики составил 531 тысячу рублей в ценах первого квартала 1993 года. Практические рекомендации, расчетные процедуры, формулы, полученные при разработке диссертационной работы, используются при повышении квалификации инженеров-конструкторов в"СКБ Сибэлектротерм", при подготовке специалистов высшей квалификации в МЭИ (г. Москва.), МВМИ(г.Москва), НЭП .(г.Новосибирск), ГМетАУ (г.Днепро-петровск), ПТТУ (г.Мариуполь), ТГТУ (г.Тверь) и других вузах.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: УИ Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (Чебоксечы, 1985) ; У Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" (Москва, 1988) ; Всесоюзной научно-технической конференции "Обобщение опыта эксплуатации высокомощных дуговых сталеплавильных печей" (Челябинск, 1989) ; Всесоюзном научно-техническом совещании "Интенсификация тепловых, массообменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах" (Свердловск, 198-9) ; Всесоюзной научно-технической конференции "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии" (Свердловск, 1990) ; Российской научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1994), Всесоюзном научно-техничеоком семинаре "Экономия электроэнергии и газа в термических установках" (Москва, Т98ч) ; Московской городской конференции по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования (Москва, 1980) ; научном семинаре кафедры АЭТУС Московского энергетического института (Москва, 1982) ; научно-техни-
- б -
часком семинаре отдела дуговых печей ВНИИЭТО (Москва, 1982) ; научно-техническом семинаре СКБ ПО Сибэлектротерм (Новосибирск,1989) ; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Тверского политехнического института (Тверь, 1978-93 гг.).
Материалы диссертации были представлены на Всероссийский конкурс грантов 1993 г. по фундаментальным проблемам металлургии. За выполненную работу автору присужден грант-приз конкурса.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе монография "Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей" (М.,Энергсатомиздат, 1992 г.), 3 учебных пособия (ТвеПИ, 1991 г., МЭИ,1992 г., ТеєПИ.1993 г.), 2 методических пособия (ТвеПИ, 1987 г., 1989 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 227 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 255 страницах машинописного текста. Работа содержит 10і» рисунка, 14 таблиц.