Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Электротепловые процессы в нетоковедущих элементах электротехнологических и электротехнических установок, как факторы влияющие на их работоспособность 12
1.1.1 Работоспособность электротехнологических установок 12
1.2 Методы расчета и результаты исследования электротепловых процессов в нетоковедущих металлоконструкциях ЭТУ 14
1.2.1 Эмпирически-аналитические методы 14
1.2.2 Физическое моделирование 27
1.3 Методы расчета активных и реактивных сопротивлений, вносимых в электрическую цепь ЭТУ близлежащими металлоконструкциями 41
1.4 Выводы по обзору 46
Глава 2 Физико-математическая модель 49
2.1 Математическая модель 49
2.1.1 Метод конечных элементов 49
2.1.2 Модель электромагнитных процессов 49
2.1.3 Модель тепловых процессов 53
2.1.4 Сопряжённая электромагнитная и тепловая задача 55
2.2 Электромагнитные процессы в металлоконструкциях ЭТУ 56
2.3 Тепловые процессы в металлоконструкциях ЭТУ 57
2.3.1 Тепловая задача для кольца гидроприжима контактных щек руднотермической печи 57
2.3.2 Тепловой экран узла подвода энергии к электроду РТП 63
2.3.3 Рукав электрододержателя АКП 64
Глава 3 Результаты численного моделирования электротепловых процессов в нетоковедущих металлоконструкциях электротехнологических установок 65
3.1 Тепловое состояние рукава электрододержателя агрегата ковш-печь 65
3.1.1 Исходные данные для расчета 65
3.1.2 Результаты расчетов 67
3.2 Исследование влияния рукава электрододержателя дуговой сталеплавильной электропечи на сопротивление трубошинного участка токоподвода 69
3.2.1 Постановка задачи 69
3.2.2 Результаты расчетов 72
3.3 Электромагнитные и тепловые процессы в кольцах гидроприжима контактных щек и экранах узла подвода энергии к электродам руднотермических печей 82
3.3.1 Электромагнитные процессы в кольце гидроприжима контактных щек и тепловом экране узла подвода энергии к электроду РТП 85
3.3.2 Тепловая задача для кольца гидроприжима контактных щек руднотермической печи 92
3.4 Исследование взаимодействия лежащих в одной плоскости под углом друг к другу цилиндрических проводников 97
3.4.1 Постановка задачи 97
3.4.2 Результаты расчета 99
3.4.3 Анализ полученных результатов 102
Глава 4 Анализ результатов и рекомендации 105
Заключение 108
Приложения 109
- Методы расчета и результаты исследования электротепловых процессов в нетоковедущих металлоконструкциях ЭТУ
- Электромагнитные процессы в металлоконструкциях ЭТУ
- Исследование влияния рукава электрододержателя дуговой сталеплавильной электропечи на сопротивление трубошинного участка токоподвода
- Исследование взаимодействия лежащих в одной плоскости под углом друг к другу цилиндрических проводников
Введение к работе
Актуальность.
При проектировании мощных электротехнологических установок (ЭТУ) является актуальной проблема учёта влияния на электрические параметры системы магнитных и немагнитных конструкционных элементов, электрически изолированных от токоведущих частей.
Одними из таких нетоковедущих элементов является кольцо гидроприжима контактных щёк и тепловой экран узла подвода энергии к контактным щекам руднотемической печи (РТП), охватывающие самоспекающийся электрод, которые могут быть изготовлены из меди, магнитной и немагнитной стали. Другим примером подобных металлоконструкций служит несущий рукав электро до держателя дуговой сталеплавильной печи (ДСП), находящийся под токоведущими трубошинами, который может быть изготовлен из конструкционной магнитной или немагнитной стали.
Наличие металлоконструкций вблизи токоподводов ЭТУ может влиять на ее электрические, энергетические и прочностные характеристики в степени, достаточной для нарушения работоспособности установки.
Находящиеся в переменном магнитном поле нетоковедущие элементы конструкции ЭТУ являются дополнительными потребителями энергии источника питания. Активная мощность, выделяемая в них, представляет собой дополнительные электрические потери, которые, как правило, учитываются при проектировании коэффициентом добавочных потерь при активных сопротивлениях. Нетоковедущие металлоконструкции влияют на конфигурацию магнитного поля токов токоведущих элементов, изменяя общую индуктивность токоподвода и коэффициент мощности ЭТУ. Все это негативно сказывается на электрических и рабочих характеристиках и в целом на энергоэффективности установки.
Кроме влияния на электрические параметры ЭТУ, металлоконструкции, поглощая активную мощность, нагреваются. Они находятся под воздействием высокотемпературной газовой среды и, в ряде случаев, периодически возникающих интенсивных тепловых потоков (например, свищ в РТП). В результате их нагрев может быть весьма существенным за счет поглощённой активной мощности и интенсивных тепловых потоков, попадающих на них, и оказывает влияние на работоспособность этих элементов конструкции, а значит и всей ЭТУ.
Чтобы иметь возможность прогнозировать и управлять взаимным влиянием токоведущих и нетоковедущих элементов конструкций мощных ЭТУ на этапе их проектирования, необходимо иметь универсальные и удобные методики учета влияния токов, расстояний до токоподводов, размеров и материалов нетоковедущих элементов на выделение активной и реактивной мощности в последних.
Объект исследования:
Нетоковедущие элементы ЭТУ: рукава электрододержателей трехфазной ДСП; кольца гидроприжима контактных щёк и тепловые экраны РТП.
Предмет исследования:
Электромагнитные процессы в рукавах электрододержателей ДСП; влияние материала рукавов и относительного положения трубошин и рукавов на электрические, энергетические параметры участка трубошин трехфазного токоподвода ДСП.
Электромагнитные и тепловые процессы в кольцах гидроприжима контактных щёк и тепловых экранах РТП; влияние материала колец и экранов на электрические параметры токоподвода РТП; влияние тепловых условий и материалов колец на их работоспособность.
Цель работы:
1. Обеспечение работоспособности кольца гидроприжима контактных щек
РТП, находящегося в зоне влияния электромагнитного поля трехфазной
системы токов электродов и теплового воздействия из рабочего
пространства печи.
2. Уточнение методики расчета импеданса токоподвода ДСП и РТП.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Анализ существующих методик расчёта электрических потерь и температуры в нетоковедущих конструктивных элементах электротехнических и электротехнологических установок.
-
Анализ физических процессов, протекающих в нетоковедущих металлоконструкциях мощных ЭТУ под воздействием тока близлежащих токоведущих элементов и тепловых условий работы металлоконструкции.
-
Построение математических моделей, позволяющих проводить анализ связанных электромагнитных и тепловых процессов, выявлять закономерности их протекания и их влияние на электрические и энергетические параметры элементов токоподводов ЭТУ.
-
Сравнение полученных на математических моделях результатов с экспериментальными данными, с целью верификации используемых моделей и методов решения.
-
Разработка рекомендаций по учету влияния рукавов электрододержателей ДСП и тепловых экранов РТП на электрические параметры токоподвода и по выбору материала кольца гидроприжима контактных щек РТП, на этапе их проектирования.
Научная новизна состоит в следующем:
1. Установлено, что активное сопротивление фаз трубошинного участка токоподвода ДСП может варьироваться в широких пределах в зависимости от относительного положения трубошин и рукавов.
-
Численным моделированием показано, что при образовании свища воздействие высокотемпературного потока газа на кольцо гидроприжима контактных щек РТП не приводит к выходу из строя кольца, выполненного из меди.
-
Показано влияние колец гидроприжима контактных щек и тепловых экранов РТП на ее импеданс.
Практическая ценность.
-
Разработаны рекомендации по учету влияния рукавов электрододержателей на электрические параметры трубошинного участка токоподвода ДСП.
-
Разработаны рекомендации по выбору материала кольца гидроприжима контактных щек РТП.
-
Разработаны рекомендации по учету влияния колец гидроприжима контактных щек и тепловых экранов узлов подвода энергии к электроду РТП на электрические параметры ее токоподвода.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследования влияния температурных режимов и материала кольца гидроприжима контактных щек РТП на его работоспособность при воздействии на него высокотемпературного потока газа, поступающего из реакционной зоны.
-
Результаты исследования активного и индуктивного сопротивлений фаз трубошинного участка трехфазного токоподвода ДСП в зависимости от относительного положения трубошин и рукавов электрододержателей.
-
Результаты расчета активного и индуктивного сопротивлений фаз электродного участка трехфазной РТП с учетом наличия колец гидроприжима и тепловых экранов.
-
Разработанные рекомендации по учету влияния близлежащих металлоконструкций на электрические параметры токоподвода ДСП и РТП.
-
Разработанные рекомендации по выбору материала кольца гидроприжима контактных щек РТП.
Личный вклад автора заключается в следующем:
-
Анализ существующих методик расчёта электрических потерь и температуры в нетоковедущих конструктивных элементах электротехнических и электротехнологических установок.
-
Создание в ПО ANSYS конечно-элементной модели электромагнитных процессов трехфазной системы «рукава электрододержателей -трубошины» ДСП.
-
Оценка адекватности результатов численного моделирования связанных электромагнитных и тепловых процессов путем сравнения экспериментального температурного поля рукава электрододержателя
трехфазного агрегата ковш-печь (АКП-90) и температурного поля, полученного при численном моделировании в ПО ANSYS.
-
Создание в ПО ANSYS конечно-элементной модели, включающей трехфазную систему электродов, кольца гидроприжима контактных щек и тепловые экраны узла подвода энергии к электроду, для исследования электромагнитных процессов электродного участка токоподвода РТП.
-
Создание в ПО ANSYS конечно-элементной модели кольца гидроприжима контактных щек РТП для решения стационарной и нестационарной тепловой задач воздействия высокотемпературного потока газа на стенку кольца.
-
Анализ полученных результатов и разработка рекомендаций выполнены совместно с научным руководителем.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 13th International conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components ICEEE-2010 (September 19-25, 2010, Alushta, Crimea, Ukraine); XVII Congress UIE (May 21-25, 2012 St. Petersburg); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (2-4 декабря 2011г, Новосибирск); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 29 ноября - 1 декабря 2012г); Научно-практическая конференция с международным участием «Инновационная энергетика 2010» (10-12 ноября 2010 г., Новосибирск); International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES-10 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing» (Italy, Padua, May 18-21, 2010); International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES-13 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing», (Italy, Padua, May 21-24, 2013); The 8-th International Forum on Strategic Technology 2013 IFOST 2013 (June 28 - July 1, Ulaanbaatar, Mongolia), а так же на семинарах кафедры автоматизированных электротехнологических установок Новосибирского Государственного Технического Университета.
Реализация результатов работы.
Рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, были использованы ОАО «Сибэлектротерм» при проведении работ по совершенствованию токоведущего рукава агрегата ковш-печь. Результаты работы были внедрены в учебный процесс при подготовке магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и учебных материалов для аспирантов Российских и Европейских университетов по проекту TEMPUS «PhD Education in Energy Efficient Electrotechnologies at Russian Universities».
Публикации.
Основные научные результаты опубликованы в 15 печатных научных работах, в том числе 5 статей в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованный ВАК РФ, 10 докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список использованных источников и приложения. Работа содержит 134 страницы основного текста, включая 43 рисунка и 9 таблиц. Список использованных источников состоит из 62 наименований.
Методы расчета и результаты исследования электротепловых процессов в нетоковедущих металлоконструкциях ЭТУ
Опыт эксплуатации мощных электротехнологических установок показывает, что влияние металлоконструкций на работоспособность электротехнологических установок определяется несколькими факторами. С одной стороны, активная мощность, наведенная в нетоковедущих элементах ЭТУ, выделяемая в виде тепла, приводит к их перегреву и преждевременному выходу из строя. Например, возможен перегрев рукава электрододержателя в ДСП и АКП. В кольце гидроприжима контактных щек руднотермической печи такой потере работоспособности помимо активной мощности, выделяемой в кольце, способствует попадание на него высокотемпературного потока газа, прорывающегося из реакционной зоны.
С другой стороны, активная и реактивная энергия, выделяемые в металлоконструкциях ЭТУ, изменяют импеданс установки относительно источника питания. Это приводит к изменению электрических параметров и снижению эффективности ее работы.
Работоспособность электротехнологических установок Насколько сильно отличают реальные рабочие параметры установки от проектируемых: активное и индуктивное сопротивление токоподвода, предельно допустимая температура металлоконструкций?
Обратимся к толковым словарям [1], [2] и ГОСТу 27.002–89 [3]. Работоспособность Работоспособное состояние технического устройства (изделия), это состояние, при котором устройство выполняет функции в соответствии со своим назначением. Устройство работоспособно, если его основные параметры находятся в пределах, предусмотренных технической документацией; дополнительные параметры не сказываются на работоспособности устройства. Если все параметры устройства находятся в установленных пределах, то оно считается исправным. Из работоспособного состояния в неработоспособное устройство переходит вследствие Отказа [1]. Отказ
Отказ приводит устройство в неработоспособное состояние, так как при этом, по крайней мере, один из основных параметров не соответствует техническим требованиям, предъявляемым к устройству [2]. Исправность
Исправность это состояние технического устройства, при котором оно соответствует всем требованиям, обусловленным технической документацией. Исправным считается такое устройство, у которого все параметры, определяющие работоспособность и характеризующие его состояние и внешний вид, находятся в заданных пределах, и, кроме того, оно не имеет Отказов резервных узлов и элементов. Из исправного состояния изделие вследствие отказа или повреждения может перейти в неисправное [1]. Неисправность
Неисправность это состояние технического устройства, при котором хотя бы один из его дополнительных параметров не соответствует требованиям, обусловленным технической документацией [1]. Вывод
Таким образом, неисправность возникает в случае повреждения, а неработоспособность в случае отказа.
Устройство работоспособно, если его основные параметры находятся в пределах, предусмотренных технической документацией.
Исправным считается такое устройство, у которого все параметры, определяющие работоспособность и характеризующие его состояние и внешний вид, находятся в заданных пределах, и, кроме того, оно не имеет Отказов резервных узлов и элементов. Работоспособность
Для оценки работоспособности металлоконструкции необходимо рассчитать распределение температуры по ее объему и определить точки максимальных температур.
Для оценки работоспособности мощных ЭТУ необходимо рассчитать суммарные электрические потери в металлоконструкциях, а так же, активные и индуктивные сопротивления, вносимые ими в цепь источника питания ЭТУ. Проблема определения активных потерь и температуры металлоконструкций в электротехнических и электротехнологических установках посвящено значительное количество исследований, выполненных как советскими, российскими, так и зарубежными исследованиями. В конце 1950х начале 1960х годов изготовление и запуск мощных токопроводов, пропускающих токи от единиц до десятков килоампер, потребовали разработки методов расчета активной мощности, выделяемой в металлоконструкциях данных токопроводов, и вычисления температур до которых они могут нагреваться.
В работе Перекалиной М. А. и Татур Т. А. [4] была исследована зависимость температуры стальных балок крепежной арматуры токопровода от расстояния до фаз токопровода, расстояния между фазами, вследствие появления в этих элементах конструкций вихревых токов.
При исследовании авторы статьи использовали аналитический метод расчета. Сначала было получены выражение для мощности вихревых токов на 1 см балки для координаты рассматриваемой точки на поверхности балки, учитывающее расстояние между балкой и токопроводом и составлено дифференциальное уравнение теплового баланса стальной балки, нагреваемой в переменном магнитном поле. Уравнение решено для 4х вариантов токопровода (один фазный провод, двухфазный двухпроводный, трёхфазный плоский, трёхфазный треугольный) для различных расстояний между токоведущими шинами и ферромагнитной балкой, продольная ось которой перпендикулярна осям шин.
Авторами установлены зависимости активной мощности и превышения температуры балки над температурой окружающей среды от тока в токопроводе, а так же от отношения периметра поперечного сечения балки к его площади F/S. Эти зависимости показывают, что максимальная температура балки возрастает с увеличением отношения F/S, с уменьшением расстояния а от проводов до балки и с увеличением расстояния между проводами (рисунок 1.1).
Электромагнитные процессы в металлоконструкциях ЭТУ
Зависимость L A определена экспериментально и может быть использована для расчёта потерь в своде из любого неферромагнитного металла. Таким образом, при расчёте потерь стенки неферромагнитного свода считаются бесконечной толщины, а в результате вводится поправка на толщину стенки. Проверка на физических моделях показала, что ошибка метода расчета потерь в своде составляется менее 15%. Бортничук Н. И. [16], [17]
В работах Бортничука Н. И. [16], [17] было обосновано и выполнено моделирование электромагнитного влияния металлоконструкций различных электропечей с их токоподводом. С использованием исследований Кирко М. И. [18] в статье [16] обосновываются частотные режимы физического моделирования такого взаимодействия. Особое внимание было уделено выбору условия, необходимого для соблюдения подобия электромагнитных полей. Из анализа волнового уравнения такое условие представлено в виде: e2 = idem.
Дело осложняется, если вблизи с токоподводом находятся ферромагнитные стальные конструкции, магнитная проницаемость которых и электрические потери в которых нелинейно зависят от напряженности магнитного поля.
При выборе частоты, на которой будет работать модельная установка, авторы [16] исходили из того, что повышение частоты позволяет уменьшать размеры этой установки. Однако, на высоких частотах сложнее проводить измерения нелинейных и искаженных несинусоидальных сигналов (тока и напряжения). Поэтому в экспериментах, проводимых во Всероссийском научно-исследовательском и опытно-конструкторском институте электротермического оборудования (ВНИИЭТО) при питании моделей применялись частоты 2500 Гц и 8000 Гц, позволяющие уменьшить линейные размеры в масштабе 7,1 и 12,7 соответственно. При этом активное и реактивное сопротивления оригинала рассматривались по выражениям: где ml – линейный масштаб; Rор, Rм, xор, xм – активное и реактивное сопротивления оригинала и модели. В статье были выполнены исследования по определению электрических потерь в рукавах и стойках электрододержателей дуговых сталеплавильных печей ДСП-100 и ДСП-200, выполненных из конструкционной магнитной стали и немагнитной стали. Исследования показали, что потери в стойках и рукавах, выполненных из магнитной стали, на печи ДСП-100 достигают 35% от электрических потерь в медных трубошинах, а у ДСП-200 потери составили 15% от потерь в трубошинах.
Использование рукавах немагнитной стали не дает заметного уменьшения потерь в них, по сравнению с магнитной.
В работе Шуле Э. Х. [19] представлены результаты моделирования электрических потерь в стальных конструкциях мощных электропечей. Исследования выполнялись в Новосибирском филиале специального конструкторского бюро ВНИИЭТО и являлись развитием модельных экспериментальных работ, выполненных Бортничуком Н.И [16]. В статье [19] сделано фундаментальное обоснование физического моделирования электромагнитных процессов в системе «токоподвод-металлоконструкция ЭТУ», базирующееся на исследованиях Иваново-Смоленского [20], Нейман Л.Р. [7] и [9], Веникова В. А. [21], Кирко М. И. [18], Смелянского М. Я. и Бортничука Н. И. [22].
В проводящих линейных средах определяющий критерий подобия электромагнитного поля выражается формулой [18] П = ю0і0а0l02 = CDмfiмaмl м2 = idem, где: ю0 и юм - угловая частота оригинала и модели; \io и juм - магнитная проницательность среды оригинала и модели; з0 и ам - удельная проводимость материала оригинала и модели; /0 и /м - линейный размер оригинала и модели. При одинаковых физических параметрах сред модели и оригинала линейный масштаб модели где: fo – частота тока оригинала; fм – частота тока модели.
Для обеспечения подобия электромагнитных полей в нелинейных средах возникает дополнительное требование сохранения одинаковых относительных характеристик нелинейного параметра среды. Так как магнитная проницаемость ферромагнитной стали нелинейно зависит от напряженности поля Н, для сохранения одинаковых относительных характеристик магнитной проницаемости поля в сходных точках модели и оригинала требуется выполнение дополнительного критерия подобия [17], [20].
Возможности определения электрических потерь в металлоконструкциях электропечей на высокочастотной модели ограничены трудностью получения больших токов высокой частоты.
Эти ограничения особенно наглядны при моделировании электрических потерь печей средней и большой мощности с токами в десятки тысяч ампер.
Возможен и другой путь моделирования потерь в ферромагнитных стальных конструкциях, основанный на резко выраженном поверхностном эффекте в сильном электромагнитном поле. А именно, глубина проникновения электромагнитной волны в ферромагнитный материал обычно меньше толщины стенок и других геометрических размеров конструкции. Магнитные силовые линии, проходя из воздуха в ферромагнетик, преломляются на границе раздела так, что внутри конструкции волна практически движется по нормали к поверхности, независимо от угла падения на поверхность [20], [23]. Поэтому в пределах необходимой точности при частоте тока 50 Гц можно считать волну, падающую на поверхность конструкции, плоской.
Для конструкционной стали (например, Ст. 3) при частоте тока 50 Гц в пределах магнитных напряжённостей 103 А/м и выше z = 0,001 - 0,0017 м. Так как толщина стенок оригинала всегда намного больше z, необходимо сохранить стенки модели также «непрозрачными» для электромагнитной волны, т.е. когда волны падает на внешнюю и внутреннюю поверхность, толщина стенки 2z, когда волна падает только на одну поверхность - z.
При питании модели током частотой 50 Гц линейный масштаб модели выбирается произвольно. Масштаб тока, как и у высокочастотной модели, равен линейному масштабу; мощности, проходящие через единицу поверхности модели и оригинала в сходных точках, равны. Общие потери в
Исследование влияния рукава электрододержателя дуговой сталеплавильной электропечи на сопротивление трубошинного участка токоподвода
Несмотря на различие конструкции и технологического назначения, очевидно, что кольца гидроприжима контактных щек РТП, тепловые экраны узла повода энергии к электроду РТП и рукава электрододержателей ДСП и АКП испытывают аналогичные воздействия со стороны близлежащих источников электромагнитного поля.
В кольце, экране и рукаве наводятся вихревые токи, определяющие выделение активной мощности и, как следствие, их нагрев.
Активная мощность, выделяющаяся в этих элементах, изменяет общее активное сопротивление токоподвода ЭТУ. Магнитная энергия, сконцентрированная в нетоковедущих металлических конструкциях, изменяет общую индуктивность токоподвода ЭТУ.
Все это негативно сказывается на электрических и рабочих характеристиках и в целом на энергоэффективности установки.
Таким образом, при расчете параметров схемы замещения электрической цепи ЭТУ необходимо правильно учитывать наличие нетоковедущих металлоконструкций близи токоведущих элементов. Для решения электромагнитной задачи в рассматриваемых нетоковедущих металлических конструкционных элементах ЭТУ будем использовать систему уравнений (2.6). При этом граничные условия для всех моделей однотипны и задаются уравнениями (2.7).
Значения физических свойств, входящие в решаемые уравнения электродинамики и геометрические размеры элементов модели, для каждой задачи будут выбираться в соответствующих разделах главы 3.
Тепловая задача для кольца гидроприжима контактных щек руднотермической печи При моделировании теплового состояния кольца гидроприжима контактных щек РТП решается уравнение теплопроводности в установившемся тепловом состоянии (2.11). При моделировании воздействия высокотемпературного потока газа из реакционной зоны РТП на кольцо прижима щек при свище решается уравнение теплопроводности в нестационарном режиме (2.10). При этом теплопроводность и объемная теплоемкость являются функциями температуры. Свищ в руднотермической печи
Свищ является результатом неоптимальной технологии проведения плавки и обслуживания колошника. Например, на некоторых ферросплавных заводах существует технология производства ферросилиция, исключающая, в том числе, образование свища. Так, в [48], [49], [50] представлена расчетная модель, описывающая химические процессы в рабочей области печи, учитывающая размер кусков шихты и газопроницаемость завалки. На основе расчетов даны рекомендации по составу и размеру кусков используемого сырья, технологии обслуживания колошника.
Последние два пункта предотвращают образование спекшейся корки шихты вокруг электрода, которая формирует замкнутый объем вокруг дуги – «тигель электрода». Тигель примыкает сверху к поверхности электрода, а снизу – к поверхности расплава. Объем тигля заполнен газообразными продуктами реакции шихты, нагреваемыми дугой.
В процессе регулирования тока дуги путем вертикального перемещения электрода или во время опускания электрода для компенсации его выгорания происходит разрушение корки в месте ее контакта с электродом – образуется свищ. Доведенные до состояния плазмы газы подэлектродного пространства вырываются из тигля вертикально вверх вдоль электрода, попадая на нижний торец кольца гидроприжима контактных щек (рисунок 2.1 [51]). Внешне это выглядит как светящийся плазменный столб диаметром до 5 см. Длительность явления свища может достигать по разным оценкам от 3-5 минут до получаса.
При оценке величины плотности теплового потока, падающего на поверхность кольца гидроприжима контактных щек РТП под действием высокотемпературного газового потока при образовании свища, было принято следующее приближение. По оценке экспертов, поток газа выглядит как светящийся столб диаметром около 5 см. Для оценки работоспособности металлоконструкций РТП (кольца гидроприжима контактных щек, тепловые экраны узла подвода энергии к электроду) некоторые зарубежные фирмы используют в качестве теплового источника пламя ацетилено-кислородной горелки (АКГ). Поэтому величина теплового потока, падающего на поверхность кольца при образовании свища, была определена на основе анализа данных о тепловом режиме пламени АКГ. В книге Петрова Г. Л. [52] приводится модель взаимодействия такого пламени с поверхностью плоского тела. Плотность теплового потока, падающего на поверхность тела, вычисляется по выражению
Конструкция кольца гидроприжима контактных щек РТП Наружный диаметр сильфона выполняется на 350-милиметрой высоте полости, в которую он вваривается. Охлаждающая вода течет вдоль верхней части полукольца, затем - в нижней, попадая в 5 последовательно чередующихся сужений и расширений. При таком чередовании поток воды попадает в расширенную часть полости полукольца значительно турбулезированным, со значительно пониженной скоростью. В зазоре же между стаканом сильфона и стенкой кольца вода бежит с бльшей скоростью. В обоих случаях интенсивность взаимодействия воды со стенкой кольца высока, что обеспечивает существенное местного коэффициента теплоотдачи вдоль этой стенки. Можно считать, что местный коэффициент теплоотдачи вдоль поверхности кольца примерно одинаков, и модельное приближение можно выполнять для среднего значения коэффициента теплоотдачи, получаемое при протекании воды в самом узком зазоре между стаканом сильфона и стенкой кольца. Поэтому будем рассчитывать средний коэффициент теплоотдачи в модельном канале с сечением, определяемым данным зазором.
Исследование взаимодействия лежащих в одной плоскости под углом друг к другу цилиндрических проводников
Коэффициент добавочных потерь для активного сопротивления фазы электродного участка РТП, отражающий его изменение в следствии взаимодействия токоведущих элементов (электродов) с нетоковедущими элементами (кольца и экраны), рассчитываются следующим образом:
Использование данного выражения обосновано тем, что активная выделяемая в электродах мощность в модели без металлоконструкций (кольца, экраны) практически не отличается от активной мощности в электродах, рассчитанной по модели с металлоконструкциями.
Коэффициент добавочных потерь для индуктивного сопротивления фазы электродного участка РТП, отражающий его изменение в следствии взаимодействия токоведущих электродов с металлоконструкциями по формуле где – индуктивное сопротивление, рассчитанное через действующую индуктивность фазы электродного участка РТП в модели без металлоконструкций; – индуктивное сопротивление, рассчитанное через действующую индуктивность фазы электродного участка РТП в модели с металлоконструкциями. Методически, вычисление индуктивного сопротивления фаз электродного участка РТП, было сделано с помощью матричной процедуры, встроенной в ANSYS.
Активные мощности и коэффициенты добавочных потерь фазы электродного участка РТП для разных материалов колец и экранов приведены в таблице 3.7. Таблица 3.7 – Электрические потери фазы электродного участка
Как видно из таблицы 3.7, медные кольца гидроприжима и тепловые экраны узла токоподвода вокруг электродов РТП практически не изменяют электрические параметры фаз электродного участка по сравнению со свободными от металлоконструкций электродами и ими можно пренебречь при расчете активного и индуктивного сопротивлений фаз участка.
Если указанные металлоконструкции выполнены из немагнитной стали, то индуктивность фазы участка практически не изменяется, а его активное сопротивление увеличивается почти на 5 %.
При использовании магнитной конструкционной стали для колец гидроприжима и тепловых экранов увеличение активного сопротивления фаз электродного участка составляет 18.6 %. Индуктивность участка в данном случае увеличивается на 4.1 %.
Увеличение активного сопротивления только электродного участка на 18.6% приводит к увеличению общего активного сопротивления печного контура на 4.82%, индуктивного сопротивления на полученные 4.1% – к К), для стали 12Х18Н10Т 25 Вт/(м К). Удельная теплоемкость для меди 420 Дж/(кг К), для стали Ст3 440 Дж/(кг К), для стали 12Х18Н10Т 520 Дж/(кг К).
При моделировании воздействия высокотемпературного потока газа из реакционной зоны РТП на кольцо прижима щек при свище решается уравнение теплопроводности в нестационарном режиме (2.10). При этом физические свойства материала кольца являются функциями температуры.
Распределение удельной объемной плотности мощности источников тепла для стационарной и нестационарной задач рассчитывается при решении электромагнитной задачи для кольца. Граничные условия – температуры окружающей среды, коэффициенты теплоотдачи и излучения на поверхностях системы, а так же особые условия на поверхностях системы, а именно, высокотемпературный поток газа при свище – определены и обоснованы в главе 2. Анализ результатов
В среде конечно-элементного моделирования ANSYS была разработана модель кольца гидроприжима контактных щек РТП для решения стационарной и нестационарной тепловых задач.
Было рассчитано температурное поле прижимного кольца в нормальном рабочем режиме и в аварийном при воздействии свища на кольцо для трёх различных материалов: медь, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, конструкционная сталь Ст3.
Распределения температур по кольцу в нормальном режиме работы, определяемом стационарным режимом теплообмена с газовой средой рабочего пространства РТП и нагревом вихревыми токами, представлены на рисунках Б 1 – Б 3.
В модели аварийного режима дополнительно к режимом теплообмену с газовой средой рабочего пространства и нагреву кольца вихревыми токами учитывался поток высокотемпературного газа из колошника РТП в виде теплового поток плотностью 5 МВт/м2, падающего на участок нижней поверхности кольца, ограниченный окружностью диаметром 50 мм.
Рисунки Б 4 – Б 6 и 3.15 иллюстрируют распределения температур в установившемся режиме под действием высокотемпературного потока газов при свище. Очевидно, что стальное кольцо расплавится, если не принять меры по удалению свища. Кроме того, кольцо из нержавеющей стали достигает в точке контакта с газом из свища температуры плавления через 6 секунд с момента контакта, а из конструкционной – через 12 секунд. При этом значение максимальной температуры медного кольца в таком режиме работы находится в районе 500 оС.
