Энергетический баланс и технико-экономические показатели работы

Поскольку технологический процесс электронно-лучевой плавки стали и сплавов протекает с определенной массовой скоростью Q_m, работа УЭН может характеризоваться энергетическим балансом мощности с учетом энергетики электрофизических процессов электронного нагрева, теплотехнических процессов при рафинировании жидкого металла на «холодном» поду и формировании слитка в кристаллизаторе:

(244)

где Р_с – мощность, забираемая из сети; Р_пол = Q_mW_y.т – полезная мощность, расходуемая на нагрев и оплавление заготовки и необходимый (для рафинирова- ния) перегрев ванны жидкого металла; ΣР_т.п – мощность, расходуемая на компенсацию тепловых по- терь излучением Ф_изл и теплопроводностью Ф_тлп, а также на компенсацию теплоты фазового перехода первого ро- да (при испарении жидкого металла) Q_фаз; ΣР_э.п – мощность электрических потерь, имеющих место в ис- точнике питания и токопроводе Р_и.п, в электронной пуш- ке Р_пш и в электронном пучке Р_пч.

С

Рис. 117. Зависимость плот-ности тепловых потоков излучения (q_изл) и испаре-ния (Q_фаз) от степени пе-регрева жидкого металла Т_ж/Т_пл

татьи баланса Р_пол и ΣР_т.п зависят от величины температуры жидкого металла Т_ж, характеризующей, в свою очередь, технологические свойства УЭН и являющейся определяющим параметром электронно-лучевой плавки. По оценке МЭИ и ВНИИЭТО, допустимая плотность мощности электронного нагрева железа (стали), обеспечивающая заданный перегрев над температурой плавления Т_пл (или ликвидус T_l) при достаточной степени рафинирования жидкого металла и приемлемой величине ΣР_т.п (рис. 117), составляет:

Тж/Тпл(Тж/Тl)	1,5	1,10	1,15	1,20
q, МВт/м2	2	2,8	4	Более 6

При электронно-лучевой плавке сплавов на основе железа, никеля и кобальта с плотностью нагрева 4...5 МВт/м² 25...35 % мощности электронного пучка расходуется на плавление заготовки и создание жидкой ванны с заданным перегревом T_ж/T_l, а 65...75 % теряется на компенсацию ΣР_т.п, т.е. тепловой КПД переплавных УЭН составляет η_т ≈ 0,25...0,35, снижаясь при увеличении мощности из-за повышенных тепловых потерь на испарение (см. рис. 117). Необходимо отметить, что при рафинировании жидкого металла η_т = 0.

С учетом (4б) (см. табл. 1) электрический КПД УЭН

η_э = (Р_с – ΣР_э.п)/Р_с = η_и.пη_пшη_пч,

где η_и.п – КПД источника питания; η_и.п ≈ 0,85...0,95; η_пш – КПД электронной пушки; η_пш ≈ 0,96...98; η_пч – КПД процесса преобразования кинетической энергии элек- тронов в тепловую (так называемый КПД электронного пучка), который для сталеплавильных УЭН в зависимости от вели- чины ускоряющего напряжения составляет 0,5 (радиальные пушки, U ~ 15 кВ) и 0,65 (аксиальные пушки, U ~ 30 кВ).

Общий КПД переплавных УЭН

, (245)

т.е. электронный нагрев имеет низкую энергетическую эффективность, что и определяет технологическое назначение УЭН для получения металлов и сплавов особо высокого качества.

Производительность переплавных УЭН зависит при технологически целесообразной массовой скорости процесса Q_m, от массы выплавляемого слитка и от использования календарного времени (табл. 28).

Таблица 28