книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

неустойчивом горении пауза стремится к бесконечности и происходит гашение дуги.

Неспокойная, прерывистая дуга в электропечах нежелательна, так как в этом случае мощность трансформатора используется не­ полностью, вследствие чего замедляется плавление металла, сни­ жается производительность установки.

Появление пауз при смене полярности связано с деионизацией разрядного промежутка и с потерей эмиссионной способности ка­ тода. Ферросплавные и сталеплавильные дуговые электропечи являются печами прямого действия, в которых дуга горит между электродом и поверхностью нагреваемого металла. Тепловое состоя­ ние электрода в таких печах бывает достаточно стабильным, а темпе­ ратура металла может изменяться в значительных пределах, осо­ бенно в печах периодического действия. В зависимости от периода плавки дуга горит между электродом и твердой холодной шихтой, электродом и прогретой твердой шихтой и, наконец, между электро­ дом и поверхностью жидкой ванны.

Наименее устойчивое горение дуги наблюдается в первом случае, когда дуга горит на поверхности твердой холодной шихты. При пере­ ходе напряжения источника через нуль шихта в зоне дуги благо­ даря высокой теплопроводности металла успевает остыть и в тот полупернод, когда она служит катодом, эмиссия электронов оказы­ вается недостаточной для получения необходимой степени иони­ зации газов в разрядном промежутке при нормальном напряжении на дуге. Ионизация начинается при более высоком напряжении; напряжение на дуге сильно колеблется даже в течение полупериода. На осциллограмме напряжения появляются «пики» (рис. 15, а).

По мере разогрева шихты и появления озерка жидкого металла горение дуги становится более устойчивым, уменьшается напря­ жение зажигания, пики напряжения сглаживаются, сокращается продолжительность пауз (рис. 15, б). После полного расплавления металла осциллограмма напряжения дуги приближается по форме к синусоиде, а значение силы тока плавно переходит через нуль. Горение дуги стабилизируется, паузы практически отсутствуют

(рис. 15, в).

Для повышения стабильности горения дуги необходимо прини­ мать меры по теплоизоляции зоны разряда с тем, чтобы поддержи­ вать требуемую степень ионизации газа в разрядном промежутке и улучшить условия эмиссии электронов катодом.

Возможности активного воздействия на тепловое состояние раз­ рядной зоны в промышленных электропечах, особенно в период наименее устойчивого горения дуги (в период проплавления шихты) практически отсутствуют. Холодная шихта хорошо поглощает тепло и благодаря высокой теплопроводности быстро отводит его от зоны горения дуги.

Несколько уменьшить отвод тепла в шихте от зоны дуги и тем самым несколько улучшить условия ее возбуждения можно рацио­ нальным подбором и укладкой шихты. Для этого под электродами шихту надо расположить таким образом, чтобы в начале плавления

41

дуга горела на мелких кусках шихты, которые быстрее нагреваются н оплавляются. В этом случае горение дуги стабилизируется сравни­ тельно быстро. Если же под электродом окажется массивный кусок шихты, на прогрев которого требуется много тепла, то дуга горит неустойчиво в течение длительного периода времени.

Повысить устойчивость горения дуги можно в результате изме­ нения условий ионизации газа в межэлектродном промежутке. Обычно дуга горит в газах, характеризуемых довольно высоким потенциа­ лом ионизации (см. табл. 2). Если под электроды поместить материал, содержащий легкоионизируемый элемент, то в разрядном проме­ жутке появятся пары этого элемента, суммарная степень иониза­ ции газа при прочих равных условиях увеличится, и дуга станет более устойчивой.

Наиболее распространенным в металлургических цехах элемен­ том со сравнительно низким потенциалом ионизации является каль­

U?- = 12,5 В). Присадка под электроды кальцийсодержащих мате­ риалов, например извести или силикокальция, оказывает на дугу стабилизирующее действие.

Заметно повысить устойчивость дуги, особенно в печах неболь­ шой емкости, можно изменяя параметры электрической цепи дуго­ вых печей.

Рассматривая условия возбуждения и гашения дуги, до сих пор принимали, что в электрической цепи печей дуге свойственно только активное сопротивление, и поэтому индуктивным и реактивным сопротивлением цепи пренебрегали. Фактически же электрическая цепь реальных печей характеризуется значительным индуктивным сопротивлением, величина которого увеличивается с ростом мощности печи. Поэтому электрическую цепь дуговых печей можно изобразить в виде эквивалентного контура, включающего источник тока, дугу, активное и индуктивное сопротивления (рис. 16).

Наличие в контуре дуги индуктивности несколько изменяет условия гашения и возбуждения дуги при смене полярности. В цепи

42

переменного тока индуктивность аккумулирует запас потенциаль­ ной электромагнитной энергии. Образуемая этой энергией электро­ движущая сила препятствует изменению тока в цепи. Во время увеличения силы тока увеличи­

.43

С увеличением мощности электропечиых установок их индук­ тивное сопротивление увеличивается быстрее активного. Поэтому на мощных электропечах это отношение больше, чем на маломощ­ ных печах небольшой емкости, и на крупных печах дуга более устой­ чива. Для повышения стабильности дуги малых печей на период ее наиболее неустойчивого горения в цепь целесообразно включать дополнительную индуктивность. Однако индуктивность уменьшает коэффициент мощности (cos ф) установки, в связи с чем установлен­ ная мощность трансформатора используется неполностью и ухуд­ шаются технико-экономические показатели работы установки. По­

ходу плавки в дуговых печах, особенно в печах периодического действия, необходимо изменять подводимую мощность. Во многих случаях мощность, выделяющуюся в дуге, целесообразно перераспре­ делять определенным образом между различными нагреваемыми объектами, регулируя тем самым скорость их нагрева. В этой связи

в тепловую в дуге происходит в результате ускорения в электри­ ческом поле заряженных частиц, которые в дальнейшем передают часть полученной энергии нейтральным атомам и молекулам. По­ этому мощность, выделяющаяся в дуге, определяется количеством заряженных частиц и ускоряющим напряжением. В целом мощность дуги может быть охарактеризована произведением силы тока на величину падения напряжения в дуге, т. е.

Так как основное падение напряжения приходится на столб дуги, то и преобразование электрической энергии в тепловую также происходит в основном в столбе. В среднем на каждую единицу длины дуги (/д) приходится мощность

Р 1 = Е1, ( П )

-где Е — градиент напряжения в дуге.

Из выражения (10) следует, что изменять количество выделяю­ щегося в дуге тепла можно изменением силы тока или напряжения. Последнее же можно изменить либо за счет изменения длины дуги при прежнем градиенте потенциала в дуге, либо за счет изменения градиента напряжения при постоянной длине дуги.

При прочих равных условиях градиент напряжения в дуге опре­ деляется составом газа, в котором происходит разряд. Градиент напряжения тем больше и, следовательно, тем больше удельная

44

мощность дуги и тем выше ее температура, чем больше потенциал ионизации газа. Средняя температура дуги Тд связана с потенци­ алом ионизации выражением

Эта формула не учитывает влияния на температуру дуги силы тока, давления газа, способа охлаждения и других факторов, и явля­ ется поэтому весьма приближенной. Но ома позволяет оценить при­ мерные границы температуры дуги. Учитывая, что потенциал иони­ зации металлов колеблется в пределах от 6 до 8 В (табл. 2), темпе­ ратуру горящей в парах металла дуги можно оценить в 4730— 6230°С. Потенциал ионизации газов выше, следовательно, выше и тем­ пература дуги, горящей в газах. Самый высокий потенциал иони­ зации (почти 25 В) свойствен легким инертным газам, поэтому температура дуги в инертных газах может достигать 14700° С и более.

Состав атмосферы, в которой происходит разряд, определяется конструктивными особенностями установки и технологическими условиями процесса. Возможности изменения состава атмосферы в зоне разряда по ходу плавки очень ограничены и на работающей установке изменять мощность дуги можно за счет изменения силы тока или общего падения напряжения на дуге при постоянном гра­ диенте, т. е. за счет изменения длины дуги.

Выбирая в качестве параметра для регулирования мощности дуги силу тока или напряжение, необходимо учитывать не только электротехнические возможности установки, но и теплофизические последствия изменений характеристик разряда, а именно послед­ ствия в передаче тепла от дуги к нагреваемому объекту.

В общем случае отвод тепла от дуги происходит теплопровод­ ностью, излучением и конвекцией. В печах прямого действия тепло, отводимое теплопроводностью, затрачивается на повышение темпе­ ратуры электрода и металла, т. е. является полезным теплом. За счет охлаждения дуги конвекцией нагреваются окружающие ее газы. Значительная часть этого тепла уносится отходящими из печи газами, т. е. относится к тепловым потерям. Поток тепла излу­ чением может увеличивать либо долю полезного тепла, либо долю тепловых потерь. В восстановительных печах с закрытой дугой и в отдельные периоды плавки в печах периодического действия, работающих на твердой завалке, дуга экранирована твердой шихтой.

Вэтом случае поток тепла излучением способствует нагреву шихты

иявляется полезным.

Когда же излучение попадает на стены, ограничивающие плавиль­ ный объем, оно увеличивает тепловые потери. Если излучение по­ падает на огнеупорную футеровку, то происходит разогрев футе­ ровки и ее прочностные свойства ухудшаются. Поэтому иногда целе­ сообразно регулировать мощность излучения дуги.

45

Глава $

РАБОЧЕЕ ПРОСТРАНСТВО ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ

ТЕПЛООБМЕН В РАБОЧЕМ ПРОСТРАНСТВЕ

В теплотехническом отношении дуговые электропечи относят к печам с внешним источником нагрева, т. е. к печам, в которых тепло передается металлу извне, а внутри него распределяется теплопро­ водностью или конвекцией. Скорость нагрева металла определяется условиями внешнего и внутреннего теплообмена и может лимити­ роваться теми или другими из них. Условия внешнего теплообмена определяют количество тепла, попадающего на тепловоспринимаю­ щую поверхность металла, а условия внутреннего теплообмена — скорость выравнивания температуры металла. При этом в процессах теплообмена— получении и отдачи тепла— кроме дуги и металла, принимает участие огнеупорная футеровка.

Дуговым сталеплавильным печам свойствен периодический ха­ рактер работы, при котором плавку можно разбить на три периода, отличающиеся мощностью и направленностью тепловых потоков и тепловым напряжением внутренней поверхности кладки стен и свода:

1.Вспомогательный, в течение которого выполняются вспомо­ гательные операции (выпуск металла, очистка, заправка и загрузка печи), и мощность к печи не подводится. В этот период печь теряет тепло, аккумулированное футеровкой. Длительность вспомогатель­ ного периода определяется организацией работ.

2.Энергетический или теплотехнический, в течение которого осуществляются нагрев и плавление металла. Длительность этого периода непосредственно определяется полезной мощностью, по­ ступающей в печь.

3.Технологический, складывающийся из окислительного и вос­ становительного периодов плавки. Продолжительность технологи­ ческого периода и потребляемая в этот период мощность определяются требованиями технологии.

Впервый период установленная мощность трансформатора не

используется, а в третий период используется лишь частично, но в эти периоды происходят значительные потери тепла футеровкой. Если исходить с позиций улучшения тепловой работы печи, продол­ жительность этих периодов целесообразно сократить до минимума.

Для достижения высоких технико-экономических показателей работы агрегата на всем протяжении второго периода в печь необ­ ходимо подводить максимально возможную (в рациональных преде­ лах) мощность. При применяемой технологии выплавки легированной стали это требование справедливо и для отдельных моментов третьего периода, например после присадки крупной порции легирующих ферросплавов. Максимум подводимой в печь мощности ограничивается или возможностями электрического оборудования, или условиями теплообмена в рабочем пространстве и экономическими соображе­ ниями.

47

Наиболее благоприятные условия для нагрева металла существуют в течение первой части периода плавления. При правильно выпол­ ненной завалке дуги очень быстро прожигают под электродами ко­ лодцы и погружаются' ниже уровня нерасплавившейся шихты. Температура металла в это время ниже температуры кладки стен и свода, поэтому часть аккумулированного футеровкой тепла рас­ ходуется на подогрев металла. Тепловые потоки в этот промежу­ ток времени направлены от дуги н от огнеупорной футеровки к ме­ таллу. Хорошее тепловосприятие холодной шихты и экранирование огнеупорной футеровки от излучения дуг нерасплавившейся шихтой позволяют работать в этот период на максимально]! мощности, обес­ печиваемой электрооборудованием установки.

На современных мощных электропечах, работающих по прогрес­ сивной технологии с укороченным технологическим периодом, уста­ новленное электрооборудование обеспечивает мощность до 500— 1000 кВ-А/т, что позволяет расплавлять завалку за 1,0—1,5 ч.

После расплавления основной части шихты излучение дуг вос­ принимается не только металлом, но и футеровкой. Если принять дугу за точечный источник излучения, то интенсивность облучения единицы поверхности дугой можно определить по формуле Кеплера:

R — расстояние от источника излучения до центра облучаемой площади, м;

а— угол между направлением луча и нормалью к облучаемой площадке, град;

k3 — поправочный коэффициент, учитывающий неодинаковое излучение дуги в разных направлениях.

Неодинаковое излучение объясняется тем, что дуга сверху за­ крыта электродом, а с боков шлаком (после расплавления шихты). Поэтому распределение излучения дуги должно зависеть от: степени

.наблюдаемого в трехфазных печах выдувания дуги из-под электрода в сторону стен, соотношения диаметра электрода и длины дуги (Пэ//Д), толщины шлакового покрова и длины дуги (6Ш//Д), напряжения столба дуги и анодно-катодного падения потенциала (Uc/Ua.K), состава шлака (два последних фактора определяют длину дуги).

В зависимости от степени экранирования дуги в системе дуга— ванна—кладка после расплавления шихты возможны две схемы теп­ лообмена:

1. При . сильном экранировании дуги (большая величина ПЭ/7Д и толстый слой шлака) основное количество тепла дуги поглощается ограниченным объемом, расположенным под электродами. Диаметр «горячей зоны», в которой тепло от дуги передается металлу непо­ средственно теплопроводностью и на которую приходится около 90% всего излучения, примерно равен двум диаметрам электродов.

При такой схеме теплообмена металл нагревается теплопровод­ ностью от горячих зон под дугами, а шлак, находящийся за пределами

48

горячих зон, и кладка нагреваются в основном от металла (рис. 19, а). В этом случае температура шлака на значительном расстоянии от дуг меньше температуры металла, а температура кладки меньше темпе­ ратуры и шлака и металла.

2. При незначительном экранировании дуги ванна нагревается теплом, поступающим от горячих зон и отражаемым кладкой на шлак, от которого нагревается металл (рис. 19, б). При такой схеме тепло­ вых потоков температура кладки выше температуры шлака, а тем­ пература шлака выше температуры металла.

Количество тепла, передаваемого излучением, пропорционально разности температур нагреваемого тела и источника тепла в четвер-

Рнс. 19. Схемы теплообмена в дуговых электропечах при сильном (а) и слабом (б) экранировании дуги

той степени [закон Стефана—Больцмана, уравнение (13)]. Поэтому в начале плавки, когда температура кладки значительно превышает температуру шихты, величина теплового потока от кладки на шихту достигает больших значений и резко уменьшается к концу плавки по мере выравнивания температуры металла и кладки.

В то же время разность температур в четвертой степени дуги и кладки остается очень большой и уменьшается к концу плавки незна­ чительно (примерно на 10%). В связи с этим в дуговых печах практи­ чески отсутствует саморегулирование интенсивности облучения фу­ теровки, характерное для пламенных печей, у которых температуры источника нагрева (факела) и футеровки сопоставимы.

Изменяющаяся во времени излучательная способность футеровки на шихту и независимая от ее температуры интенсивность облучения кладки дугами служат причиной очень резких колебаний темпера­ туры внутренней поверхности футеровки. Скорость изменения тем­ пературы составляет 3000—4000 и может, достигать в некоторых случаях 10 000 °С/ч. При этом в конце отдельные участки футе­ ровки получают тепла больше, чем теряют теплопроводностью и

излучением на Кладку, и этот избыток тепла кладкой аккумули­ руется. В результате температура таких участков резко повышается, может превысить допустимый предел и вызвать разрушение футе­ ровки.

Первая схема теплообмена исключает опасность перегрева фу­ теровки, но менее благоприятна для протекания физико-химических процессов между шлаком и металлом. При такой схеме теплообмена отдельные участки поверхности раздела металл—шлак неравно­ ценны для процессов рафинирования: условия рафинирования бла­ гоприятны в горячей зоне (шлак горячее металла) и неблагоприятны на периферии (шлак холоднее металла).

Вторая схема обеспечивает более благоприятные условия рафи­ нирования металла шлаком по всей поверхности ванны, но создает опасность перегрева отдельных участков футеровки.

Учитывая низкую стойкость футеровки мощных сталеплавильных печей, более целесообразной следует считать первую схему теплооб­ мена. При этом использование даже такого простого приема, как пере­ мешивание металла (механическое, электромагнитное и др.), вызы­ вает значительное увеличение эффективного коэффициента теплопе­ редачи (изменяет условия внутреннего теплообмена) и согласованное изменение коэффициента массопереноса, что приводит к заметному увеличению скорости и нагрева и рафинирования. Уже разработан­ ные методы интенсификации физико-химических процессов между металлом и шлаком в печи и применяемые способы внепечного рафинирования позволяют исключительно гибко управлять про­ цессами рафинирования независимо от схемы теплообмена в печи и делают тем самым недостатки этой схемы не столь значительными.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА

В идеальном случае геометрия рабочего пространства должна обеспечивать минимум тепловых потерь, равномерную тепловую на­ грузку всей поверхности огнеупорной футеровки и высокую стой­ кость футеровки, ее хорошие условия для протекания процессов между металлом и шлаком, позволять осуществлять завалку всей шихты в один прием при любой насыпной массе лома. Полное вы­ полнение этих противоречивых требований одновременно невоз­ можно. Поэтому форму и размеры плавильного пространства выби­ рают такими, чтобы оптимально сочетались требования и технологии, и теплообмена.

На рис. 20 показан профиль рабочего пространства печи емкостью 100 т. Весь плавильный объем дуговой электропечи делится на три составляющих: ванну, свободное и подсводовое пространство.

Ванна представляет часть объема, в которой находятся рас­ плавленные металл и шлак. Размеры ванны должны быть такими, чтобы в ней можно было вместить необходимое количество жидких металла и шлака и чтобы при этом оставался еще небольшой (10— 15%) резерв объема, необходимый для кипения и перемешивания металла. Форма ванны должна обеспечивать минимум тепловых

50