Сопротивления участков токопродвода печи ЭШП

типа ОКБ-905 (числитель – для электродов из магнитной стали,

знамена­тель электродов из немагнитной стали

Участок	Активное сопротивление	Индуктивное сопротивление
Ом·10^-4	%	Ом·10^-4	%
Трансформатор	0,84	5,4	4,13	8,9	4,92
10,9	10,2
Короткая сеть	2,41	15,5	25,6	55,1	10,6
31,2	63,1
Электроны:
магнитные	12,27	79,1	16,7		1,36
не магнитные	4,47	57,9	10,8	26,7	2,42
Всего	15,52		46,43		2,98
7,72	40,43	5,26

Рис. 4.24. Электрические характеристики печи типа ОКБ-905 при переплаве магнит­ной (сплошные линии) и немагнитной (пунктир) стали	Рис. 4.25. Изменение соотношения сопро­тивления ванны и токоподвода одноэлек­тродных печей при увеличении размера слитка (точки — экспериментальные дан­ные)

Для выбора рациональной об­ласти режимов печей большое зна­чение имеет режим максимальной мощности шлаковой ванны, который наступает при численном равенстве сопротивления ванны полному со­противлению токоподвода При превышении этого режима вводимая в ванну мощность падает, несмотря на увеличение тока, и рез­ко ухудшаются и , что в свою очередь вызывает ухудшение технико-экономических показате­лей процесса.

На рис. 4.25 представлена полу­ченная в результате обработки па­раметров токоподводящих сетей одноэлектродных печей зависимость соотношения от развеса слитка( – сопротивление шлако­вой ванны при оптимальной геомет­рии). Из его рассмотрения видно, что одноэлектродные электрошлако­вые печи в силу причин, изложен­ных ранее, начиная с м (для шлака АНФ-6), работают в неэкономичных режимах. Примене­ние шлаков с более высоким удель­ным электрическим сопротивлением (типа АН-291) несколько увеличи­вает критический размер слитка. Особенно трудно выбрать режим при переплаве под шлаком типа АНФ-1П.

Из этого следует, что без при­нятия специальных мер (компенса­ции реактивной мощности токоподвода, сниже­ния частоты тока и т.д.) выплавка крупных слитков ЭШП массой бо­лее 70–80 т на одноэлектродных пе­чах затруднена. Для улучшения ха­рактеристик печей необходимо все­мерно снижать сопротивление токо­подвода и повышать сопротивление шлаковой ванны, применяя шлаки с повышенным удельным электриче­ским сопротивлением, снижая высо­ту слоя и т. д.

Значительного улучшения элек­трических характеристик печей ЭШП можно добиться при переходе на многоэлектродные печи. Это свя­зано с отказом от обратного токоподвода от поддона к трансформа­тору и со снижением индуктивного сопротивления при применении спе­циальных схем. Особенно заметное улучшение параметров наблюдается при использовании m/2 -бифилярных схем (m - число электродов печи), которые позволяют снизить индук­тивность не только короткой сети, но и электродов (табл. 4.6). Это да­ет возможность применять ток промышленной частоты для выплав­ки слитков массой свыше 200 т [12, 13].

На электрические характеристи­ки печи большое влияние оказывают сплавление электрода во время плавки и изменение при этом пара­метров токоподводящей сети. Ис­следования показывают, что изме­нение активного сопротивления токоподвода печи во время плавки превышает 40 %, а изменение ин­дуктивного сопротивления достига­ет 20 %.

Таблица 4.6

Сопротивление токоподвода (Ом·10^-4) печи топа Р-951

с одноэлектродной и бифилярной схемами

Участок	Одноэлектродный токоподвод	Бифилярный токоподвод
r	x	r	x
Короткая сеть	14,25	88,5	10,9	38,1
Электроды		36,4	15,75	11,83
Всего	239,25	124,9	25,65	49,93

В результате вводимая в шлаковую ванну мощность и напря­жение значительно возрастают, что является одной из причин возник­новения нестабильности режима плавления электрода и качества ме­талла по высоте слитка.

Необходимо отметить, что элек­трические характеристики опреде­ляются параметрами электрической цепи, зависят от конструктивных особенностей печи и слабо связаны с конкретной технологией плавки на данной печи — развесом слитка, химическим составом и количеством шлака. Состав металла оказывает влияние на электрические характе­ристики печи через изменение сопро­тивления электрода. При заданномрежиме трансформатора технологи­ческие характеристики ЭШП оказы­вают влияние не на сопротивление шлаковой ванны и вводимую мощ­ность, а на положение электрода в шлаковой ванне. Это приводит к не­обходимости при изменении техно­логии для сохранения оптимальных условий плавки изменять соответст­венно параметры режима трансфор­матора (ток и вторичное напряже­ние).

Несмотря на важность для оцен­ки работы печей электрических ха­рактеристик, они не могут дать пол­ной информации о режимах шлако­вой ванны. Основным инструментом анализа режимов переплава и вы­бора рациональных режимов явля­ются рабочие характеристики пе­чей. Под рабочими характеристика­ми понимают зависимости показа­телей качества металла, положения электрода в шлаке, скорости плав­ления металла и удельного расхода электроэнергии от электрического режима установки. Базой для пост­роения рабочих характеристик яв­ляются электрические характеристики печей и зависимости, определя­ющие воздействие параметров ре­жима на сопротивление, тепловой КПД и показатели качества ме­талла. Связь между электрическими и технологическими показателями режима описывает зависимость со­противления ванны от положения электрода в шлаке.

На рис. 4.26 приведены рабочие характеристики печей типа ОКБ-905 для одной ступени трансформатора. Из их рассмотрения видно, что ско­рость плавки, удельный расход электроэнергии и коэффициент фронта кристаллизации экстремаль­но зависят от тока и положения электрода в шлаке. Режим, при котором минимальная себестоимость пере­плавленного металла соответствует режиму с оптимальным межэлект­родным промежутком, примерно равным 0,5 d.

Рис. 4.26. Рабочие характеристики печи типа ОКБ-905 ( – заглубление элек­трода)	Рис. 4.27. Диаграмма для выбора электрического режи­ма (штриховые линии соответствуют показателям режима в конце плавки)

Характеристики, построенные в функции тока, являются хорошим инструментом для анализа режима переплава на данной ступени напря­жения. Для выбора рационального режима удобнее брать рабочие ха­рактеристики, построенные в зави­симости от вторичного напряжения трансформатора при неизменном межэлектродном промежутке, близ­ком к оптимальному (рис. 4.27). Электрический режим выбирают по заданному значению коэффициента фронта кристаллизации. Полученное напряжение трансформатора округ­ляется до ближайшего наименьшего паспортного значения, по которому и выбирается рабочий ток печи.

Выбранный режим будет раци­ональным лишь до тех пор, пока параметры токоподвода не будут сильно отличаться от заданных. При сплавлении электрода возникает необходимость коррекции режима с помощью заданной программы или контроля изменения параметров ре­жима во время плавки.

4.6. Шлаковая ванна как приемник электроэнергии

Шлаковая ванна при ЭШП с энергетической точки зрения пред­ставляет собой нагреватель, в кото­ром происходит преобразование электроэнергии в тепловую.

При протекании электрического тока через расплавленный шлак, представляющий собой электролит, на электродах устанавливается на­пряжение, которое состоит из паде­ния напряжения на активном со­противлении шлаковой ванны и приэлектродных падений напряжения. Реактивная составляющая напря­жения незначительна из-за малой величины индуктивности ванны. Активное сопротивление ванны и выделение в ней тепла определя­ются трением между анионами и катионами, перемещающимися в противоположных направлениях.

Приэлектродные падения напря­жения при ЭШП могут иметь дво­якую природу — электролитиче­скую и электродуговую. При проте­кании постоянного или несиммет­ричного переменного тока по ванне расплавленного шлака может про­исходить электролиз компонентов шлака, что обусловливает появле­ние в приэлектродных областях перенапряжения, обычно называемо­го поляризацией. Поэтому вольт-амперная характеристика (ВАХ) для средних значений токов и на­пряжений нелинейна и не про­ходит через начало координат (рис. 4.28, а). Приэлектродные па­дения напряжения составляют в зависимости от режима печи 2,25–2,35 В.

а б в

  Рис. 4.28. Вольт-амперные характеристики шлаковой ванны для средних (а), мгновенных (б) и действующих (в) значений токов и напряжений: 1 - лабораторная печь; 2 - промышленная печь малой мощности с м; 3 - промышленная печь большой мощности  

При питании печей симметрич­ным переменным током электроли­тические явления проявляются очень слабо из-за инерционности направленного перемещения ионов и обратимости электрохимических реакций в рабочем диапазоне ре­жимов. В связи с этим приэлект­родные падения напряжения элект­рохимического характера в электрошлаковых печах переменного тока обычно отсутствуют. Отсутствуют при ЭШП и приэлектродные падения напряжения дугового характера, что связано с обязательным требованием отсутствия дуги в шлаке из-за ее отрицательного влияния на качество металла. Поэтому динамическая и статическая ВАХ проходят через начало координат (рис. 4.28, б, в).

В общем виде связь между напряжением и током описывается операторным выражением:

, (4.4)

где – динамическое сопротивление ванны; – статическое сопротивление в режиме, обеспечивающем высокое качество металла; – постоянная времени теплового режима ванны; с* – коэффициент, учитывающий изменение проводимости шлака при изменении режима и размера печи.

Анализ (4.4) свидетельствует о том, что проводимость ванны практически не изменяется не только в течение периода тока промышленной частоты, но и в течение периода капельного переноса металла. Поэтому при протекании по ванне переменного тока кривые тока и напряжения не искажены и синфазны, и динамическая ВАХ линейна.

Наличие медленных («статических») изменений режима вызывает достаточно существенное откло­нение температуры и проводимости шлака, что приводит к возникнове­нию так называемой «условной» нелинейности шлаковой ванны как приемника электроэнергии. Стати­ческая ВАХ имеет вид:

, (4.5)

а статическое входное сопротивле­ние описывается зависимостью

. (4.6)

Нелинейность ванны сказывает­ся лишь на печах небольшой мощ­ности, что связано с резким умень­шением коэффициента с* при рос­те размера слитка. Уже при м можно считать ванну линейным приемником электро­энергии (рис. 4.28, в).

Электрическое поле шлаковой ванны, определяющее характер растекания тока и распределения мощности по объему ванны, имеет обычно сложную конфигурацию. Она зависит от взаиморасположе­ния в шлаке электродной системы (оплавившихся концов расходуе­мых заготовок – электродов и по­верхностей жидкого металла и кристаллизатора). При ЭШП кри­сталлизатор обычно электрически связан с поддоном и слитком и поэтому играет определенную роль в характере растекания тока в ванне.

Рассмотрим пути растекания то­ка по ванне на примере одноэлект­родной печи (рис. 4.29). Характер протекания тока через кристалли­затор определяется толщиной шла­кового гарниссажа на его стенках. Гарниссаж в зоне шлаковой ванны может быть условно разделен на три зоны.

Первая зона – зона прямого контакта жидкого перегретого шлака со стенкой – находится вблизи поверхности шлаковой ван­ны и образуется за счет затекания шлака при наплавлении слитка. Эта зона имеет небольшие размеры (единицы миллиметров) и умень­шается с увеличением развеса слитка. Во второй зоне шлак в гарниссаже находится в полужидком со­стоянии. Толщина гарниссажа уве­личивается, а его средняя темпера­тура уменьшается при приближе­нии к ванне жидкого металла. Третья зона - зона твердого гарниссажа.

В связис тем, что удельная электропроводность шлака резко уменьшается со снижением темпе­ратуры (электропроводность твер­дого шлака на несколько порядков ниже жидкого перегретого), проте­кание тока через стенку значитель­но снижается с удалением от по­верхности шлаковой ванны (рис. 4.29) и практически прекра­щается на расстоянии ,которое называют зоной протекания тока кристаллизатора; обычно состав­ляет 0,2–0,6 высоты ванны. В ниж­ней части ванны кристаллизатор ведет себя практически как изоли­рованная стенка.

Ток кристаллизатора зависит от режима переплава и коэффици­ента заполнения (рис. 4.30). При нормальных режимах его доля не­велика и в основном ток печи про­текает от электрода на слиток. При очень больших коэффициентах заполнения () доля мо­жет достигать 90 %. Протекание тока через кристал­лизатор связано с появлением	а б
Рис. 4.29. Характер растекания тока по шлаковой ванне (а) и эпюра распределения плотности тока кристаллизатора по высоте ванны (б)

вен­тильного эффекта, вызванного ча­стичным выпрямлением тока Последнее определяется в основ­ном наличием на границе кристал­лизатора пленки закиси меди, об­ладающей полупроводниковыми свойствами. Вентильный эффект приводит к возникновению в элект­рической цепи печи естественной постоянной составляющей тока (5–10 % тока трансформатора в нормальных режимах).

а б

  Рис. 4.30. Зависимости тока кристаллизато­ра от вводимой мощности (а) и высоты слоя шлака при различных коэффициентах заполнения кристаллизатора k (б)  

Постоянная составляющая тока вызывает подмагничивание трансформатора, эро­зию кристаллизатора и протекание электролизных процессов в ванне. В связи с этим принимают специ­альные меры по снижению влия­ния «вентильного эффекта».

Напряжение и мощность по ванне распределены неравномерно. Это связано в первую очередь с несимметричностью электродной системы (конец электрода и поверхность ванны металла, рис. 4.31). Основная доля напря­жения и мощности выделяется в приэлектродной зоне. Это способ­ствует созданию теплового ядра под электродом и определяет возможность интенсивного оплавления электрода. С увеличени­ем заглубления электрода концен­трация мощности вблизи его конца возрастает.

  Рис. 4.31. Распределение потенциала по ванне печи (а) и изменение потенциала (кривая 1) и удельной мощности (кривая 2) по поверхности шлака в зазоре между электродом и кристаллизатором (б) и по оси в межэлектродном промежутке (в)  

Очень важным для технологии ЗШП является характер распределения мощности по поверхности ванны металла. Он во многом опре­деляет характер тепловых потоков изшлаковой ванны в металличе­скую и формирование дна жидкометаллической ванны, являющего­ся фронтом кристаллизации. Мощ­ность преимущественно выделяется в центральной зоне (рис. 4.32).

Это в сочетании с осевым потоком переноса тепла с каплями жидкого металла и удаленностью от поверх­ностей охлаждения затрудняет по­лучение требуемого характера кри­сталлизации слитка. Изменение межэлектродного промежутка по­зволяет в определенной степени управлять распределением мощно­сти по ванне. При небольших за­глублениях электрода абсолютное значение удельной мощности мало. При увеличении заглубления мощ­ность возрастает, причем до

Рис. 4.32. Распределение удельной объем­ной мощности по поверхности ванны жидкого металла при различных положе­ниях электрода в ванне

значе­ния ее рост на перифе­рии идет интенсивнее, что благо­приятно сказывается на форме ванны жидкого металла. При дальней­шем росте заглубления электрода резко растет неравномерность рас­пределения мощности. Это хорошо согласуется с зависимостью коэф­фициента формы ванны от положе­ния электрода в шлаке.

В многоэлектродных печах кон­фигурация электрического поля зависит от взаимного расположе­ния электродов и схемы питания. При однофазном питании поле близко к полю в однофазных пе­чах, но при сближении электродов наблюдается эффект взаимного от­талкивания линий тока. В связи с этим зона выделения мощности несколько смещается к периферии шлаковой ванны (рис. 4.33, а). При многофазном питании ток протека­ет не только между электродами и слитком, но и между электродами, что положительно сказывается на энергетике печей (рис. 4.33, б).

До­ля тока, протекающего между электродами, слабо зависит от заглубления электродов и растет при их сближении. В обычно применяемых зазорах между электродами она составляет около 10 % общего тока. В многоэлектродных печах то­же наблюдается протекание тока через кристаллизатор.

а б

  Рис. 4.33. Характер протекания тока по ванне двухэлектродной печи:   а – при однофаз­ном питании; б – двухфазном (бифилярном) питании

При трех­фазном питании этот ток замыка­ется на кристаллизаторе в горизон­тальной плоскости. При питании пе­чей по схеме звезда с нулевым про­водом возможно протекание посто­янной составляющей тока, которая в нулевом проводе будет иметь вид, аналогичный трехфазной схе­ме выпрямления. В бифилярных печах ток кристаллизатора разде­ляется на две составляющие (рис. 4.34): одна замыкается по кристаллизатору в горизонтальной плоскости, вторая – в вертикаль­ной. Первая обычно мала (около 1 % тока электрода), вторая состав­ляет около 20 % тока. При этом возникает постоянная составляю­щая тока, аналогичная току двух-полупериодного выпрямления. Её значение составляет 2–4 %, что может привести к заметному анод­ному разрушению перемещающего­ся кристаллизатора.

Рис. 4.34. Пути протекания тока в кристаллизаторе бифилярной печи

В многоэлектродных печах зна­чительно меняется важное с техно­логической точки зрения распреде­ление мощности по поверхности жидкой ванны металла. По окруж­ности распада электродов мощ­ность изменяется по периодическо­му закону с периодом, равным . На характер этой зависи­мости большое влияние оказывает схема питания печи (рис. 4.35), что необходимо учитывать при ее выбо­ре. Влияние заглубления электро­дов аналогично таковому в одноэлектродных печах.

Рис. 4.35. Распределение удельной объем­ной мощности по окружности распада трехэлектродной печи вблизи поверхности ван­ны металла: 1 - при трехфазном питании; 2 - однофаз­ном питании  

В качестве схемы замещения ванны печи как приемника элект­роэнергии m -электродной электро­шлаковой печи используют m -лучевую звезду входных сопротивлений , нулевая точка которой нахо­дится на ванне жидкого металла и поддоне, а фазные выводы соеди­нены с соответствующими фазными выводами токоподвода. Сопротив­ления схемы замещения имеют ак­тивный и линейный характер; они равны отношению фазного напря­жения на ванне к току в электроде и представляют собой сопротивле­ние ванны, приходящееся на один электрод.

При симметричном рас­положении электродов в рабочем пространстве печи параметры схем замещения для всех электродов одинаковы и звезды входных со­противлений симметричны.

Сопротивление ванны зависит от многих факторов. В первую очередь к ним относятся электро­проводность шлака, геометриче­ские размеры печи, количество электродов и их расположение в печи, положение электродов в ван­не, схема питания установки. В об­щем виде зависимость сопротивле­ния от перечисленных параметров можно записать

, (4.7)

где – сопротивление ванны одноэлектродной печи с круговым сечением электрода, Ом; – ко­эффициент, зависящий от формы сечения электрода; – коэф­фициент, учитывающий схему пи­тания и взаимовлияние электрода m -электродной печи.

В свою очередь сопротивление одноэлектродной печи может быть определено по выражению

, (4.8)

где – удельная проводимость, Ом^-1·м^-1; - характерный линей­ный размер печи (обычно - высо­та слоя шлака или диаметр электрода d), м; Г - сопротивле­ние ванны в критериальном виде.

Выражение (4.7) позволяет раз­делить влияние различных пара­метров печи на сопротивление. Дей­ствительно, критериальное сопро­тивление Г слабо зависит от хими­ческого состава шлака и определя­ется только конфигурацией элект­рического поля в ванне.

Влияние химического состава шлака можно определить через его
удельную электропроводность.

Удельная электропроводность зависит также и от размеров слит­ка, с увеличением которых законо­мерно снижается температура про­цесса, необходимая для получения заданного характера структуры слитка (рис. 4.36).

  Рис. 4.36. Зависимость удельной проводи­мости ванны электрошлаковой печи от диа­метра электрода для разных марок шлаков

Сопротивление Г определяется положением электрода в ванне и диаметром электрода (рис. 4.37). Увеличение заглубления электрода вызывает уменьшение сопротивле­ния ванны по нелинейной зависи­мости. Это связано с увеличением поверхности погруженного в шлак конца электрода и уменьшением межэлектродного промежутка h.Влияние высоты слоя шлака многообразно. При неизменном за­глублении увеличение вызывает рост сопротивления, а при неизмен­ном межэлектродном промежутке – уменьшение. Установлено, что параметром, однозначно определя­ющим сопротивление ванны при погружении электрода, является относительное заглубление h_э/l_ш или отношение h/h_э. При неизмен­ности этого параметра высота слоя шлака не оказывает влияния на сопротивление ванны.

 

Рис. 4.37. Зависимости сопротивления ван­ны   а - от заглубления электрода; б - высоты слоя шлака; в - параметра h/h_э; г - диа­метра электрода  

Увеличение диаметра электрода при том же относительном заглуб­лении вызывает уменьшение сопро­тивления ванны примерно в обрат­но пропорциональной зависимости. При неизменных прочих парамет­рах диаметр кристаллизатора практически не оказывает влияния на сопротивление.

Сопротивление Г может быть определено по формуле

, (4.9)

где ; – коэффициент, зависящий от .

При переплаве под шлаками АНФ-6, АНФ-1П, АН-291 для оп­ределения сопротивления ванны одноэлектродной печи можно поль­зоваться эмпирической форму­лой

, (4.10)

где и – коэффициенты, за­висящие от химического состава шлака (табл. 4.7); – коэффи­циент, зависящий от химического состава шлака и диаметра элект­рода, .

Таблица 4.7

Значения коэффициентов и для различных шлаков

(круговое сечение электродов)

Шлак	, м·Ом/см
АНФ-1П	28,7	0,40	0,13	0,83
АНФ-6	37,2	0,48	0,08	0,73
АН-291		-	-	0,69

Коэффициент < 1, что учиты­вает снижение температуры шлака при увеличении диаметра электро­да.

При изменении формы сечения электрода сопротивление ванны из­меняется. При сечении электрода в виде правильного п -угольника, вписанного в круг диаметром d, со­противление

. (4.11)

При прямоугольном сечении с соотношением сторон

. (4.12)

В многоэлектродных печах электроды оказывают взаимное влияние, изменяя сопротивление ванны. Рассмотрим влияние спосо­ба питания и расположения элект­родов на наиболее простом приме­ре двухэлектродной печи, питаемой по бифилярной (двухфазной) и однофазной схемам. В первом слу­чае сближение электродов приво­дит к увеличению тока между электродами и снижению входного сопротивления (рис. 4.38).

В слу­чае питания печей по однофазной схеме сближение электродов за­трудняет отекание тока с электро­да, что увеличивает сопротивление ванны. При удалении электродов их взаимное влияние ослабевает и при значительном расстоянии между ними [практически при s > (2,4 - 2,5) d ] отсутствует. Тогда . Эти закономерности со­храняются при любом количестве электродов. Коэффициенты могут быть рассчитаны по следую­щим выражениям:

Рис. 4.38. Влияние расстояния между ося­ми электродов на сопротивление многоэлек­тродных печей:   1 - при многофазном питании; 2 - од­нофазном питании

при многофазном питании

; (4.13)

при однофазном питании

, (4.14)

где а, b, с, g – коэффициенты, за­висящие от количества электродов.

4.7. Закономерности выделения и распределения

тепла в ванне электрошлаковой печи

В шлаковой ванне электриче­ская энергия превращается в теп­ловую. В связи с тем, что выделя­емая в ванне мощность распреде­ляется по ее объему неравномерно, неравномерным является и рас­пределение температур.

Наиболее нагретой частью ван­ны является подэлектродная об­ласть, где находится тепловое яд­ро с температурами 1900 – 2100°С (рис. 4.39). В остальных зонах ван­ны температура ниже, что опреде­ляется интенсивными потоками к границам ванны.

Особенностью ЭШП является наличие фазовых превращений ме­талла на конце электрода и шлака на внутренней (к ванне) поверхно­сти шлакового гарниссажа. Для преодоления сил поверхностного натяжения и отрыва капли от электрода металл получает допол­нительный перегрев над точкой плавления. В связи с этим темпе­ратура капли выше температуры точки плавления на 40 – 120 К. Этот перегрев зависит от химического

Рис. 4.39. Расположение теплового ядра в шлаковых ваннах:   а - одноэлектродной б - бифилярной печей ЭШП

состава шлака и металла и обычно растет с увеличением в составе шлака содержания глинозема.

Тем­пература внутренней поверхности шлакового гарниссажа примерно равна температуре плавления шла­ка . На верхней границе шла­ковой ванны температура в значи­тельной степени зависит от режима переплава и особенно от положе­ния электрода в ванне.

Температура металла на по­верхности жидкой металлической ванны распределяется неравномер­но, уменьшаясь от центра к перифе­рии по закону, аналогичному зако­ну распределения плотности мощ­ности.

Неравномерность распределе­ния температуры по объему ванны в значительной степени сглаживается интенсивным перемешиванием шлака, вызванным электродинами­ческими и конвективными причина­ми. В связи с этим почти весь пе­репад температуры между тепло­вым ядром и границами ванны приходится на пограничные обла­сти, протяженность которых неве­лика (10–20 мм). На промышлен­ных печах, особенно средней и большой емкости, основная часть объема ванны имеет примерно одинаковую температуру , кото­рая зависит от вводимой мощности и составов шлака и металла (рис. 4.40, а). ­

Рис. 4.40. Влияние на температуру шлака содержания в нем глинозема при различной вводимой мощности: а - диаметра элек­трода; б - при ЭШП под шлаком типа АНФ-6

С увеличением разме­ров слитка и линейных размеров печей средняя температура шлака уменьшается (рис. 4.40, б).

На многоэлектродных печах за счет протекания токов между электродами зона повышенных тем­ператур распространяется на меж­электродную зону (см. рис. 4.39, б).Это при правильно выбранных за­глублениях электрода создает ус­ловия для повышения теплового КПД печи из-за удаления тепло­вого ядра от стенок кристалли­затора.

Тепло, выделенное в шлаке, пе­редается окружающим границам. Основными видами теплопередачи в ванне являются конвекция и теплопроводность. Тепловые потоки (рис. 4.41) направлены на электрод (что и обеспечивает его оплавление), через стенку кристаллизато­ра, поверхность жидкой ванны металла и верхнюю поверхность шла­ковой ванны.

Рис. 4.41. Направление тепловых потоков в шлаковой ванне печиЭШП	Рис. 4.42. Распределение тепловой нагрузки на стенке кристаллизатора по ее высоте

Тепловые потоки на всех грани­цах ванны распределяются нерав­номерно. Так, непостоянство тол­щины гарниссажа по высоте ванны и коэффициента теплопередачи при различных тепловых нагрузках при­водит к неравномерности распреде­ления теплового потока через стен­ку кристаллизатора. При прохож­дении тепла через стенку кристал­лизатора наблюдается ярко выра­женная зона повышенных тепло­вых нагрузок, соответствующая областям шлаковой и жидкой ме­таллической ванн. Внутри этой зо­ны существуют два максимума на­грузок, соответствующих верхней части шлаковой ванны и цилинд­рической части ванны металла (рис. 4.42). Первый максимум обу­словлен действием теплового ядра подэлектродной зоны и выделением мощности в верхних слоях шлако­вой ванны за счет протекания тока кристаллизатора. Второй максимум объясняется подплавлением шлако­вого гарниссажа перегретым метал­лом в верхней части металлической ванны и увеличением в ре­зультате этого тепловой нагрузки на стенке кристаллизатора.

На лабораторной печи плот­ность теплового потока может до­стигать 1,4·10⁶ Вт/м², что предъяв­ляет серьезные требования к про­ектированию систем охлаждения кристаллизатора. С увеличением линейных размеров печей плотность тепловых потоков изменяется об­ратно пропорционально диаметру слитка. Ниже уровня жидкой ме­таллической ванны тепловые пото­ки через кристаллизатор резко сни­жаются из-за усадки слитка и об­разования воздушного зазора меж­ду слитком и кристаллизатором.

Неравномерно распределяются потоки и по поверхностям электро­да жидкой металлической ванны и верхней границы шлака.

Выделившаяся в шлаке мощ­ность тратится в стационарном тепловом режиме ванны на полез­ную мощность и покрытие тепловых потерь. Полезная мощность расходуется на нагрев металла электрода, его плавление и пере­грев до температуры отрыва капли. Основными видами потерь являют­ся потери с охлаждающей водой кристаллизатора , излучением с поверхности шлаковой ванны , теплопередачей в жидкую металли­ческую ванну Р_М и осевым потоком тепла по электроду [4, 23]:

. (4.15)

Полезная мощность, кВт, мо­жет быть определена по выраже­нию [35]

, (4.16)

где G – массовая скорость плав­ления металла, кг/мин; - температура электрода, обусловленная джоулевым теплом; а, b – коэф­фициенты, зависящие от химиче­ского состава металла:

;

,

, – удельные теплоем­кости жидкого и твердого металла при температуре окружающей сре­ды соответственно; – температурный коэффи­циент удельной теплоемкости в ди­апазоне ; – удельная скрытая теплота плавления метал­ла, ккал/кг.

Для углеродистых сталей ориен­тировочно можно принять а = 21,5 кВт·мин/кг, b = 1,0 кВт·мин/кг.

Расчет тепловых потерь пред­ставляет значительные трудности в связи с неравномерностью распре­деления температур и коэффициен­тов теплопередачи по поверхностям границ ванны. Для ориентировоч­ных расчетов можно пользоваться упрощенной системой уравнений:

(4.17)

где – усредненный по высоте стенки кристаллизатора коэффици­ент теплоотдачи от жидкого шлака к гарниссажу, Вт/(м²·град);

, – усредненные по поверхностям электрода и ванны металла коэф­фициенты теплоотдачи от жидкого шлака к жидкому металлу, Вт/(м²·град);

, , , – пло­щади поверхностей боковой стенки ванны, ванны жидкогометалла,верхней границы шлака в зазоре между электродом и кристаллиза­тором и заглубленной части элек­трода, м².

В (4.17) все мощности даны в ваттах.

Коэффициенты теплоотдачи не являются постоянными, а зависят от технологического и электрического режимов переплава и линейного размера слитка.

Экспериментальные исследова­ния составляющих энергетического баланса показали, что основные по­тери тепла шлаковой ванной при ЭШП (табл. 4.8) происходят с во­дой через стенки кристаллизатора. Потери излучением в жидкую ван­ну металла при правильно выбран­ном положении электродов в ванне играют подчиненную роль. Однако теплопередача из шлака в метал­лическую ванну оказывает значи­тельное влияние на условия фор­мирования слитка. Это связано с тем, что эта доля тепла соизмери­ма с теплом , вносимым с каплями металла.

Таблица 4.8

Соотношения между составляющими энергетического

баланса шлаковой и жидкой металлической ванн

одноэлектродной печи, %

Шлаковая ванна	Металлическая ванна
20–35	45–55	5–10	5–20	3–5	80–65	20–35

На многоэлектродных печах со сложной формой охлаждающих по­верхностей, обусловленной наличи­ем горизонтальных участков крис­таллизатора, дорна и т. д. (много­ручьевые печи, перемещающиеся кристаллизаторы с переменным се­чением, печи для полого слитка), доля потерь через стенку кристал­лизатора еще более существенна и может достигать 50–70 %. Для ее определения можно пользоваться приведенной зависимостью на рис. 4.43.

Рис. 4.43. Зависимость относительных по­терь через стенки кристаллизатора от ко­эффициента F, равного отношению площа­дей контакта жидкого шлака со стенками кристаллизатора и зеркала металлической ванны
Рис. 4.44. Влияние положения электрода и химического состава шлака (а) и коэффи­циента заполнения кристаллизатора (б) на энергетический коэффициент шлаковой ванны

К сожалению, точность расчетов по выражениям (4.17) невеликакак из-за принятых допущений о равно­мерности температур и тепловых потоков, так и из-за слабой изучен­ности коэффициентов теплоотдачи на поверхностях и зависимости их от химических составов металла и шлака и размеров печи. В связи с этим при выборе необходимой мощ­ности печи надежнее опираться на опытные данные по тепловому КПД печей:

(4.18)

или по энергетическим коэффициен­там

, (4.19)

примерно пропорциональным тепло­вому КПД.

Коэффициент позволяет весьма просто определить требуемую мощ­ность , кВт·ч/т, по заданной ско­рости плавки G, кг/мин:

(4.20)

или по заданной мощности опреде­лить «горячую» производительность G, кг/мин, и удельный расход элек­троэнергии W в киловатт·часах на тонну:

;

, (4.21)

где – энергетический КПД токоподвода.

Исследования энергетического коэффициента шлаковых ванн од­ноэлектродных печей показали, что основное влияние на него ока­зывают химические составы шлака и металла, соотношение геометри­ческих размеров и положение элек­трода в ванне. Это связано с суще­ственным изменением распределе­ния мощности по объему ванны и ее температурного поля.

При изменении положения элек­трода в ванне энергетический коэф­фициент проходит максимум (рис. 4.44, а). Это вызвано измене­нием тепловых потерь при переме­щении вместе с электродом тепло­вого ядра шлаковой ванны. При не­больших заглублениях электрода наблюдаются сравнительно высокие температуры поверхности шлаковой ванны. Это вызывает большие поте­ри тепла излучением и через стенки кристаллизатора при небольших теп­ловых потоках в электроде. С уве­личением заглубления растет тепло, отдаваемое электроду ввиду увели­чения площади поверхности его кон­ца, и уменьшаются потери излуче­нием, так что заглубленное тепло­вое ядро начинает приближаться к поверхности жидкой ванны металла. Это порождает рост потерь тепла через стенки кристаллизатора в ни­жней части ванны и теплопередачей к ванне металла, и при некотором промежутке, называемом оптималь­ным , они начинают превалиро­вать над ростом полезной мощнос­ти. Это вызывает снижение тепло­вого КПД. На промышленных пе­чах .

При небольших промежутках возникают короткие замыкания и электрическая дуга, что ведет к пов­торному повышению теплового КПД печи. Но такие режимы яв­ляются нерабочими.

Изменение диаметра электрода и кристаллизатора при неизменном их отношении мало влияет на теп­ловой КПД печи. В связи с этим энергетические коэффициенты гео­метрически подобных печей обычно принимают одинаковыми. Однако изменение коэффициента заполне­ния кристаллизатора влияет на значение теплового КПД достаточно сильно (рис. 4.44, б). Увеличение ди­аметра электрода при неизменном диаметре кристаллизатора при не­больших коэффициентах заполнения вызывает вначале повышение энер­гетического коэффициента. Это объясняется увеличением тепловоспринимающей поверхности электро­да и уменьшением излучающей по­верхности шлаковой ванны. Но с приближением электрода к боковым стенкам кристаллизатора происхо­дят рост температуры в периферий­ных частях шлаковой ванны и уве­личение потерь через стенки. При некотором коэффициенте заполне­ния (0,55–0,6) потери через стенки начинают превалировать, и тепло­вой КПД снижается. Увеличение и при коэффициентах заполне­ния выше 0,7–0,75 связано со зна­чительным ростом тока кристалли­затора и перемещением зоны тепловыделения в верхнюю часть зазора между электродом и кристаллиза­тором. При этом охлаждается ниж­няя часть ванны, и снижаются поте­ри теплопередачей в жидкую метал­лическую ванну и через стенки кри­сталлизатора в этой зоне. Такие ре­жимы, несмотря на высокие энерге­тические показатели, невыгодны с технологической точки зрения, так как не обеспечивают стабильных условий для получения качествен­ной поверхности слитка.

Изменения в пределах рабочих режимов вводимой в ванну мощ­ности и высоты слоя шлака слабо влияют на тепловой КПД печи.

Значительное влияние на энерге­тическую эффективность ЭШП ока­зывают теплофизические свойства шлака и металла. Исследования по­казывают, что чем выше поверхно­стное натяжение на границе шлак – металл, тем выше температура шла­ка в ядре и выше тепловой КПД печи (табл. 4.9).

Таблица 4.9

Значения энергетического коэффициента

, кг/кВт·мин · 10^-2, для некоторых металлов

и шлаков при оптимальном промежутке электрод – металл

(одноэлектродные печи)

Марка металла	Марка шлака
АНФ-1П	АНФ-6	АН-291
ШХ15
ЭИ-961	9,2		20,5
Х20Н80	8,3	13,5	18,5

На многоэлектродных печах из­менение характера распределения мощности и удаление теплового ядра от водоохлаждаемой поверхности кристаллизатора приводят к росту теплового КПД по сравнению с одноэлектродными печами. Это объясняет эффективность много­электродных печей и их все более широкое применение для ЭШП.

Дата добавления: 2015-08-20