автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование процессов теплообмена и разработка рекомендаций по его совершенствованию в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока

На правах рукописи

ШИМКО МИХАИЛ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ В ОДНО-, ЧЕТЫРЕХЭЛЕКТРОДНЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения и электротехники Тверского государственного технического университета.

Защита диссертации состоится "18" февраля 2005 года в 16- часов в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111 250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111 250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « _200.&

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Макаров Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Долбилин Евгений Валентинович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Минеев Роберт Викторович

Ведущая организация

ОАО «ВНИИЭТО», г. Москва

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

///

СА. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современных металлургических предприятиях выплавка электростали осуществляется, в основном, в двух типах агрегатов - дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока (ДСПТТ) и дуговых сталеплавильных печах постоянного тока (ДСППТ) различной вместимости и мощности. С увеличением мощности дуговых печей все сильнее проявляются различия в работе ДСППТ и ДСПТТ, которые отражаются на их технико-экономических показателях. В настоящее время выплавка электростали может осуществляться в одно-, двух-, трех-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока. При замене мартеновских печей электропечами требуется выбрать к установке электропечь с лучшими технико-экономическими показателями. Однако расчет и сравнительный анализ энергетических характеристик, теплообмена в многоэлектродных печах постоянного тока и дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока не осуществлялся. В связи с этим необходима разработка методики расчета угловых коэффициентов излучения дуг дуговых сталеплавильных печей на наклонные стены плавильного пространства, расчет и анализ угловых коэффициентов излучения дуг, теплообмена в ДСПТТ и ДСППТ с различным количеством электродов с целью выявления преимуществ в энергетических и технико-экономических показателях одних электропечей над другими. Исследование процессов теплообмена излучением в одноэлектродных и многоэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока с помощью разработанной методики позволит анализировать и прогнозировать расход электроэнергии в печах, выбирать рациональные способы плавки стали в дуговых сталеплавильных печах с наименьшим расходом электроэнергии и электродов за плавку, а также определять рациональное количество электродов в печах.

Актуальность этой темы подтверждена грантом Министерства образования Российской Федерации ТОО - 1.5 - 3124 на проведение фундаментальных исследований в области энергетики и электротехники за 2000-2002 годы, результаты исследования по теме гранта вошли в диссертационную работу.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненные наружу, и откосы одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печей, анализ по разработанной методике процессов теплообмена и кпд дуг, выбор рационального количества электродов, позволяющего снизить удельный расход электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Осуществлен вывод аналитических выражений для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на наклоненные наружу поверхности стен и откосы дуговых сталеплавильных печей;

2. Разработаны алгоритмы расчета на ЭВМ угловых коэффициентов излучения электрических дуг на вертикальные и наклонные поверхности стен, свода, ванны металла в одно-, четырехэлектродных ДСППТ;

3. Осуществлен расчет средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на металл и кпд дуг в одно-, четырехэлектродных высокомощных ДСППТ;

4. Проведен анализ теплообмена излучением в ДСППТ, который показал, что средний угловой коэффициент излучения дуги на металл увеличивается с увеличением числа электродов с 0,755 в одноэлектродной печи до 0,985 в четырехэлектродной печи, увеличивается средний кпд дуги за плавку с 0,75 в одноэлектродной печи до 0,92 в четырехэлектродной печи;

5. Осуществлен расчет и анализ процессов теплообмена в одно-, четырехэлектродных ДСППТ, который показал, что наиболее рационально организован теплообмен с середины периода расплавления и в открытые периоды плавки стали в трех-, четырехэлектродных ДСППТ, в которых более равномерное распределение потоков излучений по поверхностям ванны металла, меньше тепловые нагрузки на стены и свод по сравнению с одно- и двухэлектродными ДСППТ;

6. Выполнен анализ рассчитанных энергетических параметров электрических дуг, технико-экономических характеристик печей, который показал преимущества трех-, четырехэлектродных ДСППТ по сравнению с одноэлектродными: меньший в 1,4-1,5 раза удельный расход электроэнергии в печах.

Методы проведения исследований. При проведении исследования использованы методы интегрального исчисления, математического моделирования и статистического анализа. Теоретические исследования сопровождались разработкой математических моделей и методик. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации дуговых сталеплавильных печей.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения, выводы и рекомендации, представленные в диссертационной работе, аргументированы, их достоверность является установленным фактом. Достоверность теоретических результатов подтверждена экспериментально на действующих дуговых сталеплавильных печах, на моделях, а также практикой эксплуатации печей. Достоверность расчетных результатов подтверждена в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов на ОАО "Тверьтехостнастка" и ОАО "Белэнергомаш".

Научная новизна.

1. Получены аналитические выражения для расчета локальных угловых коэффициентов излучения электрических дуг на наклоненные наружу поверхности стен плавильного пространства печей.

2. Разработана адаптированная к компьютерному моделированию методика расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности нагрева дуговых сталеплавильных печей при различном количестве дуг и электродов и их пространственном положении в печи.

3. Выявлено, что средний угловой коэффициент излучения электрических дуг на металл и кпд дуг, характеризующие энергетическую эффективность теплообмена излучением, увеличиваются с увеличением числа дуг и электродов в печи.

4. Установлено, что наиболее рационально организован теплообмен с середины периода расплавления и в открытые периоды плавки стали в трех-, четырехэлектродных ДСППТ по сравнению с одно- и двухэлектродными, и что использование трех-, четырехэлектродных ДСППТ взамен одно-, двухэлектродных позволяет снизить удельный расход электроэнергии в 1,2-1,3 раза без применения дополнительных мер по подогреву шихты.

5. Выявлены преимущества в энергетических и технико-экономических показателях трех- и четырехэлектродных печей по сравнению с одноэлектродными ДСППТ и ДСПТТ аналогичной вместимости и мощности.

Практическая ценность и апробация работы. Практическая ценность работы состоит в том, что с разработкой методики и алгоритма расчета на ЭВМ угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности нагрева появилась возможность провести анализ средних угловых коэффициентов излучения и кпд электрических дуг в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах, провести анализ процессов теплообмена в одно- и многоэлектродных ДСППТ, выявить преимущества трех-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печей

перед одноэлектродными и рекомендовать их к использованию при модернизации электросталеплавильных цехов металлургических и машиностроительных предприятий.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Третьей Российской национальной конференции по теплообмену («РНКТ-3», Москва, 2002 г.), Международной научно-технической конференции «Современные проблемы металлургического производства» (Волгоград, 2002 г.), Пятой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Москва, 2003 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 6 статей, 2 из которых в центральных журналах, 1 тезис доклада.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 151 странице, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено общей характеристике работы, описанию структуры диссертации. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи работы, показаны ее практическая ценность и научная новизна.

Первая глава посвящена анализу исторического развития дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов, анализу методов расчета электрических и тепловых режимов электропечей.

Применение в металлургической промышленности дуговых сталеплавильных печей постоянного тока является новым направлением ее развития. Используются одноэлектродные и многоэлектродные ДСППТ с количеством электродов до четырех. Выявить преимущества и недостатки теплообмена излучением в одно- и многоэлектродных ДСППТ по сравнению с ДСПТТ можно на примере высокомощных большегрузных печей, в которых наиболее ярко выражены отличия в процессах горения дуг постоянного и переменного токов.

Во второй главе приведены результаты анализа энергетических и геометрических характеристик электрических дуг в одно-, четырехэлектродных ДСППТ вместимостью 150 тонн металла, в качестве базисной для всех печей принята ДСПТТ - 150 Fuchs Systemtechnik, основные характеристики плавильного пространства которой представлены на рис. 2.1, энергетические характеристики - в таблице 2.1. Для адекватности результатов моделирования теплообмена в одно-, многоэлектродных ДСППТ-150 принято постоянство мощности, вводимой в печь, что обуславливает равенство суммарных мощностей дуг в вариантах печей с различным количеством электродов и равенство средних диаметров дуг.

Таблица2.1 Энергетическиехарактеристики ДСППТ- 150иэлектрических дуг

Показатель Ед. изм. 1 электрод 2 электрода 3 электрода 4 электрода

Мощность полная МВА 90 90 90 90

Мощность дуги МВт 75 37,5 25 18,75

Токдуги кА 90 90 89 87

Напряжение на В 835 418 281 217

дуге

Длина дуги мм 1000 500 330 250

Ср. диаметр дуги мм 290 290 290 290

Рис. 2.1. Характеристики плавильного пространстваДСППТ-150на примере двухэлектродного варианта

Для исследования процессов теплообмена излучением в плавильном пространстве дуговых сталеплавильных печей осуществлен вывод аналитических выражений для определения локальных угловых коэффициентов излучения дуг на наклоненные наружу поверхности стен. Аналитические выражения для расчета локальных коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности стен, наклоненных внутрь печей, а также на поверхности сводов, металла получены ранее профессором Макаровым А.Н. и его учениками.

При исследовании распределения потока излучения дуги средние угловые коэффициенты излучения (УКИ) являются основными расчетными величинами, показывающими, какая доля мощности, излучаемой дугой, попадает на расчетную поверхность плавильного пространства печи. Средние УКИ равны сумме локальных УКИ на поверхность. Применяется зональный метод расчета, при котором исследуемая поверхность разбивается на элементарные площадки, для каждой из которых рассчитывается локальный УКИ.

На рис. 2.2 показано взаимное расположение источника излучения (дуги) и поверхности теплообмена, наклоненной наружу при условии расположения элементарной площадки напротив источника излучения. Дуга моделируется цилиндром малого диаметра - линейным источником излучения.

Определим локальный угловой коэффициент излучения линейного источника на поверхность элементарной площадки к, расположенной на плоскости F,

наклоненной вправо от вертикальной оси, между нормалями N3 И N4, проходящими через центры верхней и нижней окружностей основания линейного источника излучения.

Выделим на линейном источнике излучения, представляющим собой цилиндр бесконечно малого диаметра длиной 1$, элемент то есть цилиндр бесконечно малого диаметра и бесконечно малой высоты.

Рис. 2.2 Определениелокальных УКИнаучастки стен, наклоненные наружу, прирасположении элементарнойплощадкинапротив дуги

Элементарный угловой коэффициент излучения (¡щ с поверхности элементарного цилиндра на поверхность элементарной площадки определяется по выражению:

ще а, - угол между нормалью N1 к оси элементарного цилиндра и направлением излучения, град.; Р, - угол между нормалью N2 к центру элементарной площадки и направлением излучения, град.; - площадь элементарной площадки, М2; I, -расстояние от элементарного цилиндра до элементарной площадки, м.

Локальный УКИ фдк линейного источника на поверхность элементарной площадки определяется интегрированием выражения (2.1) по углу р. В выражении (2.1) содержится три переменных, путем подстановки освободимся от двух из них. Из рис. 2.2 и тригонометрических преобразований получаем следующие математические выражения для приведения уравнения (2.1) с тремя переменными к уравнению с одним переменным:

Подставив (2.2) в уравнение (2.1), получим:

2 , Я т1

сое а((со5 ср соб ан-эт (р вш а>\)ёа\ + соя а 12(ее« (р соб а/2+5ш <р вт аи)с1а г

(2.3)

Локальный угловой коэффициент излучения линейного источника на поверхность элементарной площадки определим интегрированием выражения (2.3) в пределах изменения угла а,:

По выражению (2.4) можно определять локальные УКИ на участки стен, наклоненные наружу и расположенные напротив дуги. Получим аналитическое выражение для определения локальных УКИ на элементарные площадки, расположенные на наклоненных наружу стенах плавильного пространства выше дуги (рис. 2.3).

Из рис. 2.3 можно записать:

Подставив (2.5) в (2.1), получим:

с1срл = —тр—[соя аI(соб а/сое <р -зт жвт

(2.6)

Я

Т1 д

Локальный УКИ линейного источника на поверхность элементарной площадки, расположенной на произвольной высоте на наклоненной вправо от вертикальной оси плоскости, определяется интегрирование выражения (2.6) в пределах изменения угла а„ то есть от до (5,:

Рис. 2.3. Определение локальных УКИнаучастки стен, наклоненные наружу, при расположении элементарнойплощадки выше дуги

По выражению (2.7) можно определять локальные УКИ на участки стен, наклоненные наружу и расположенные выше дуги. Полученные аналитические выражения (2.4) и (2.7) дополняют имеющиеся выражения для расчета локальных УКИ на поверхность ванны металла и свода печей и позволяют рассчитывать и выбирать рациональные энергетические работы дуг дуговых сталеплавильных печей постоянного и переменного токов.

В третьей главе осуществлена разработка адаптированных к компьютерному моделированию методики, моделей и алгоритмов расчета теплообмена излучением в плавильном пространстве одно-, четырехэлектродных ДСППТ. Необходимость разработки подобной методики обусловлена повышением точности зонального метода расчета теплообмена излучением, моделированием несимметричных режимов работы печей, проведением расчетов для многоэлектродных печей.

Рассмотрим построение модели расчета локальных и средних УКИ на наклонные стены плавильного пространства печи с использованием аналитических выражений, полученных в предыдущей главе. Необходимые геометрические построения для моделирования теплообмена излучением в этом случае представлены на рис. 3.1. Точка А - центр элементарной площадки, лежащей на наклонной поверхности стен. Характеристикой наклона стен служит стрела их наклона -непосредственно связанная с углом наклона стен Д (рис. 3.1).

Углы могут быть найдены из системы выражений:

п

к

Явамш кпиъ

Рис. 3.1. Геометрические построения для моделирования теплообмена излучениемна наклонные стены плавильного пространства.

Для формирования алгоритма расчета зональным методом локальных и средних УКИ на поверхность наклонных стен необходимо от параметров гиЛ( перейти к исходным параметром зонального метода - числу поясов (т) и зон (п) условного сечения. Высота центра элементарной площадки, лежащей на г'-м поясе, от плоскости ванны металла, определяется по выражению:

где / = 1...т -номер условного пояса.

Выражение для нахождения параметра г через элементарное приращение а (рис. 3.2) имеет вид:

Нм лл -Ь) ■

(3.2)

г, = г,., + а = Яеаюы + а 4 - а/2

(3.3)

I

Рис. 3.2 Определениеэлементарного приращения а.

Выражение для нахождения площади элементарной площадки на г'-м условном поясе имеет вид:

где п - число зон условного сечения.

Получена система уравнений для нахождения углов, входящих в аналитические выражения (2.4) и (2.7):

При нахождении угла (5 знак "+" ставится при расчете локальных УКИ на элементарные площадки, лежащие напротив дуги, знак - для элементарных площадок, расположенных выше дуги.

В многоэлектродных дуговых сталеплавильных печах оси электродов расположены по окружности, диаметр которой составляет диаметр распада электродов. По этой причине необходимо производить расчет локальных УКИ каждой дуги на каждую элементарную площадку и среднего (от всех дуг) УКИ на поверхность ванны металла. Смещение осей электродов относительно центра ванны металла требует определения расстояния г от оси каждого электрода до центра каждой элементарной площадки. Поэтому целесообразно определить математические зависимости для нахождения указанного параметра с целью автоматизации расчетов (рис. 3.3). Определение расстояний г осуществляется координатным методом с использованием декартовой и полярной систем координат.

Расстояния от оси каждого электрода до т. А (т,п) - центра элементарной площадки определяются по выражениям:

В данном случае координаты осей электродов следующие: {¡¿¿Ы^тЩасп), м3 (0,25Дряс„;-0,433 Орас„).

Координаты центра каждой элементарной площадки задаются в полярной системе координат посредством полярного радиуса - расстояний г, от центра ванны до центра каждой элементарной площадки и полярного угла определяемого из

параметров зонального метода по выражениям:

Таким образом, для нахождения координат центров элементарных площадок можно записать:

С учетом (3.6) и (3.8) вычисляются расстояния от оси каждого электрода до центра каждой элементарной площадки в трехэлектродной печи. Аналогично рассчитываются данные параметры для двух-, и четырехэлектродных вариантов дуговых сталеплавильных печей при расположении элементарных площадок на поверхности ванны металла, стен и свода печей.

Рис. 3.3. Определение расстояний от осей электродов до центров элементарныхплощадок напримере трехэлектродной печи

Аналогичным способом разработаны модели и алгоритмы расчета УКИ дуг на другие поверхности рабочего пространства печей - ванну металла, вертикальные стены, свод. В качестве системы исходных данных используются естественные характеристики дуг (длина, мощность), рабочего пространства (диаметр ванны и распада электродов, высота стен, угол их наклона, угол наклона свода) и зонального метода расчет теплообмена излучением (количество поясов т и зон условного сечения п).

В четвертой главе выполнено моделирование и анализ теплообмена излучением в одноэлектродной ДСППТ-150. Расчет распределения излучения дуги по плавильному пространству одноэлектродной ДСППТ осуществлено в наиболее характерные периоды плавки: начало расплавления, прорезка дугой колодцев в

твердой шихте, расплавление основной массы шихты (жидкий период с топким слоем шлака), жидкий период плавки со вспененным шлаком (таблица 4.1).

Из таблицы 4.1 следует, что наиболее энергетически эффективен теплообмен излучением в период прорезки колодцев, когда дуга экранирована от излучения на стены и свод стенками колодца и практически вся мощность излучения дуги падает на металл, а также в жидкий период со вспененным шлаком, когда толстый слой шлака повышает средний УКИ на ванну в 1,7-1,8 раза.

Переход от локальных УКИ к плотностям потоков излучения дуг на поверхности плавильного пространства дуговых сталеплавильных печей осуществляется по формуле:

«юл Л> Фк.

<? =-, (4.1)

где аИ1Л - коэффициент, учитывающий соотношение между процессами излучения, конвекции и теплопроводности, Р^ - мощность дуги, кВт, фд-, - локальный УКИ на йо элементарную площадку, - площадь г'-й элементарной площадки.

На рис. 4.1 представлен график распределения плотностей потоков излучения дуги на поверхность жидкометаллической ванны с тонким слоем шлака (кривая 1) и со вспененным шлаком (кривая 2).

Таблица 4.1 Средние УКИна поверхностирабочегопространства одноэлектроднойДСППТ-150вразличные периодплавки

Рис. 4.1. Распределение плотностей потоков излучения дуги по образующей ванны металла в одноэлектроднойДСППТ-150.

Резкое убывание плотностей потоков излучений душ по мере удаления от центра ванны и приближения к ее периферийному поясу вызывает замедленность расплавления шихты на откосах. Наличие слоя вспененного шлака не оказывает влияния на характер распределения плотностей потоков излучений дуги на поверхность ванны, а сказывается на величинах плотностей, что вызвано уменьшением открытой части дуги.

На рис. 4.2 представлен график распределения плотностей потоков излучений дуги по высоте стен плавильного пространства без учета экранирования дуги слоем вспененного шлака в лучепрозрачной среде, что является наиболее тяжелым тепловым режимом для водоохлаждаемых стен. Наибольшая плотность потоков излучений на стены наблюдается напротив дуги на высоте 0,5 м от уровня откосов.

При расчете распределения плотностей потоков излучения дуг по образующей свода учитывается влияние излучения на свод раскаленного электрода. Тепловой поток, излучаемый электродом во внутрипечное пространство, определяется по следующему выражению:

где Еэ - коэффициент излучения графитового электрода; F3 - площадь боковой поверхности электрода, М2; Т- средняя по высоте температура электрода, К.

Рис. 4.2. Распределение плотностей потоков излучения по высоте стен рабочего пространства одноэлектродной ДСППТ-150.

С учетом выражения (4.2) при средней по высоте температуре электрода / = 1800 °С получены следующие значения плотностей потоков излучений электрода на свод 150-т одноэлектродной ДСППТ (табл. 4.2).

Таблица 4.2 Распределение плотностей потоков излучения раскаленного электрода по образующей свода в характерных точках.

г, м 0,3 0,6 0,9 1,25 1,5 1,8 2,15 2,45 2,75 3,05

кВт/м2 245,5 113,3 65,9 41,9 28 19,42 13,89 10,21 7,68 5,9

На рис. 4.3 показано распределение плотностей потоков излучения дуги (кривая 1) и системы дуга + электрод (кривая 2) по образующей свода одноэлектродной ДСППТ-150. В приэлектродной области свода излучение электрода оказывает существенное влияние на характер распределения потоков излучений по длине образующей свода. Излучение электрода увеличивает суммарные плотности радиационных потоков в 3,75 раз в центральном поясе и в 1,1 раза в среднем поясе свода.

При исследовании распределения тепловых потоков излучения дуг по поверхностям плавильного пространства произведены расчеты поглощения части излучения дуги газовой средой печи. Поглощающая среда ДСППТ уменьшает абсолютные значения плотностей потоков излучений. В целом степень лучепрозрачности газовой среды не влияет на характер износа футеровки, а сказывается на ее стойкости.

о.з1 о« 1 1.4 1,7 г г.э 275 з • Я. м

Рис. 4.3 Распределение плотностей потоков излучения дуги (1) и системы дуга +электрод (2) по образующей свода одноэлектроднойДСППТ-150.

На основании закона Бугера, плотность потоков излучений на поверхность ванны металла с учетом поглощения определяется по формуле:

Оизл Рд ЗШ2Р ^ ^

Ятогл ~ ® > (4-3)

2т:2г1д

где Кп - коэффициент поглощения газового слоя, 1/м; г - длина пути лучей, м.

Запыленность печной атмосферы изменяется в течение плавки: она максимальна в период расплавления и снижается в периоды окисления и рафинирования, соответственно изменяется и коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения газовой среды изменяется в пределах к„ = 0,42 + 1,25. В результате моделирования получены данные о том, что в ДСППТ - 150 значения величин плотностей радиационных потоков на стены и свод рабочего пространства в поглощающей газовой среде в раза меньше, чем в диатермической.

В пятой главе произведен анализ процессов теплообмена излучением в двух-, четырехэлектродных ДСППТ-150, а также произведена оценка влияния теплообмена на технико-экономические показатели одно-, и многоэлектродных печей постоянного тока. В таблице 5.1 приведены результаты расчета средних УКИ на поверхности нагрева многоэлектродных ДСППТ-150 в характерные периоды плавки.

Таблица 5.1 Средние УКИнаповерхностирабочего пространства многоэлектродныхДСППТ-150вразличные периодплавки_

Период плавки Средний УКИ на ванну Ф«.» Средний УКИ на стены Флстсо Средний УКИ на свод 9лс|се

2 эл. 3 эл. 4 эл. 2 ЭЛ. 3 эл. 4 эл. 2эл 3 эл. 4 эл.

Начало расплавления 0,501 0,572 0,593 0,168 0,142 0,138 0,331 0,286 0,269

Прорезка колодцев 0,92 0,95 0,999 0 0 0 0,02 0,05 0,001

Жидкий период с тонким слоем шлака 0,501 0,572 0,681 0,395 0,333 0,29 0,104 0,095 0,029

Жидкий период со вспененным шлаком 0,876 0,958 0,985 0,057 0,01 0,004 0,067 0,032 0,011

На рис. 5.1-5.3 представлена структура облученности ванны металла, стен и свода в двух-, четырехэлектродных ДСППТ-150 и в ДСПТТ-150.

Рис. 5.1. Распределение плотностей потоков излучения дуг по поверхности ванны металла в одноэлектродной (1), двухэлектродной (2), трехэлектродной (3), четырехэлектродной (4) ДСППТ- 150иДСПТТ-150(5).

В многоэлектродных ДСППТ наибольшая облученность при условии лучепрозрачности газовой атмосферы печи составляет 930 кВт/м2 в двухэлектродной печи и наблюдается в нижнем поясе стен, в отличие от ДСПТТ, где наибольшему тепловому воздействию повержен средний их пояс (рис. 5.2). Наименьшая облученность - в верхнем поясе стен- до 267 кВт/м2 в четырехэлектродной ДСППТ-

150. Наибольшая облученность свода - 430 кВт/м2 - наблюдается в ДСПТТ-150 (рис. 5.3), что обусловлено выдуванием дуг из-под электродов и значительным их излучением на свод, что приводит к уменьшению кампании свода в этих печах по сравнению с печами постоянного тока, в которых наибольшая облученность наблюдается в приэлектродных областях и достигает в двухэлектродной

печи.

С учетом полученных для различных периодов плавки характерных средних УКИ на поверхности нагрева одно-, четырехэлектродной ДСППТ-150, рассчитаны средние за плавку кпд дуг постоянного тока, которые изменяются от 0,75 в одноэлектродной ДСППТ-150 до 0,92 в четырехэлектродной ДСППТ-150 На рис. 5.4 приведены средние за плавку кпд электрических дуг во всех исследуемых ДСППТ-150 и ДСПТТ-150. Удельные расходы электроэнергии в печах приведены в таблице 5.2.

Ист, н

О 100 гоо 300 400 500 600 700 800 9 00 1000

щ, кВт/квн

Рис 5.2. Распределениеплотностей потоков излучения дуг по образующей стен в двухэлектродной (1), трехэлектродной (2), четырехэлектродной (3) ДСППТ-150и ДСПТТ-150(4)

Таблица5.2 КПДдугиудельныйрасходэлектроэнергии в ДСПТТ-150иДСППТ-150с

количествомэлектродов отодного до четырех.

г/п Показатель Ед. изм ДСПТТ-150 ДСППТ-150 1 электрод ДСППТ-150 2 электрода ДСППТ-150 3 электрода ДСППТ-150 4 электрода

1 Средний КПД дуги за плавку 0,7 0,75 0,905 0,915 0,92

Удельный расход электроэнергии

2 Без подогрева шихты кВт*ч/т 545 510 435 425 420

3 В шахтных печах кВт*ч/т 320 300 225 215 210

4 В шахтных печах с ТКГ и 25% жидкого чугуна в завалке кВт*ч/т 250 230 145 140 135

5 Уд расх электродов кг/т 16 1,4 1,3 12 1,0

6 Производительность т/ч 114 114 114 114 114

Рис 5.3. Распределение плотностей потоков излучения дуг и электродов по образующей свода в ДСПТТ-150(1), двухэлектродной (2), трехэлектродной (3) и четырехэлектродной (4) ДСППТ-150

Рис. 5АКПДдуг в дуговыхсталеплавильныхпечахтрехфазного и постоянного

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные выводы и результаты.

1. Получены аналитические выражения для определения локальных и средних УКИ электрических дуг в ДСППТ и ДСПТТ, при моделировании их излучающими цилиндрами, на наклоненные наружу поверхности стен и любом пространственном положении расчетной площадки на этих поверхностях.

2. Разработаны адаптированная к расчету на ЭВМ методика расчета локальных и

токов

средних УКИ электрических дуг на наклоненные наружу поверхности стен ДСПТТ и ДСГШТ, алгоритмы расчетов локальных и средних УКИ электрических дуг на поверхности нагрева одно-, четырехэлектродных ДСППТ, позволяющие анализировать теплообмен при изменении параметров плавильного пространства, количества дуг и определять энергетические показатели электрических дуг и печей с различным количеством электродов.

4. Проведенными расчетами выявлено, что средний угловой коэффициент излучения дуги на металл в открытые периоды плавки увеличивается с увеличением числа электродов с 0,755 в одноэлектродной шахтной ДСППТ-150 до 0,985 в четырехэлектродной печи и, как следствие, увеличивается средний кпд дуги за плавку с 0,75 в одноэлектродной печи до 0,92 в четырехэлектродной печи, а расход электроэнергии уменьшается соответственно с 300 кВт*ч/т в одноэлектродной печи до 210 кВт* ч/т в четырехэлектродной печи.

5. Анализ результатов расчета теплообмена в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах позволил выявить, что наиболее рационально организован с середины периода расплавления и в открытые периоды плавки стали теплообмен в трех-, четырехэлектродных ДСППТ, в которых более равномерное распределение потоков излучения по поверхности ванны металла, меньше тепловые нагрузки на стены и свод печей по сравнению с одно-, двухэлектродными ДСППТ.

6. Анализ рассчитанных энергетических параметров электрических дуг, технико-экономических показателей работы одно-, двух-, трех- и четырехэлектродных ДСППТ показал, что с увеличением числа электродов удельный расход электроэнергии в печах уменьшается в 1,1-1,5 раза по сравнению с одноэлектродным вариантом печи, это положительно сказывается на снижении себестоимости стали. Себестоимость меньше в многоэлектродных печах, доля которых в общем количестве дуговых сталеплавильных печей постоянного тока будет увеличиваться.

7. При комбинированном способе плавки стали, когда прорезку колодцев осуществляют одним электродом и одной длинной дугой, а расплавление шихты и жидкие периоды плавки стали проводят двумя, тремя, четырьмя электродами и, соответственно, двумя, тремя, четырьмя дугами будущее принадлежит двух-, трех-, четырехэлектродным ДСППТ, как обладающим более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с одноэлектродными дуговыми сталеплавильными печами постоянного тока.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Макаров А.Н., Шимко М.Б. Влияние КПД дуг на потребление электроэнергии дуговыми сталеплавильными печами постоянного и трехфазного токов // Электротехника.-2002.-№ 7.- С. 54-57.

2. Макаров А.Н., Шимко М.Б. Влияние толщины слоя шлака на энергетическую эффективность теплообмена в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов. // Современные проблемы металлургического производства: Сб. трудов. Волгоград, РПК "Политехник". 2002.- С. 105-108.

3. Макаров А.Н., Шимко М.Б. Анализ излучения дуг в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах. // III Российская национальная конф. по теплообмену: Сб. трудов. Москва, МЭИ (ТУ). 2002.-Т.6.-С. 286-289.

4. Острик В.В., Шимко М.Б. Теплообмен в одно- четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного и трехфазного тока. // Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение: Тез. докл. 5- Международной конф. Москва, МЭИ(ТУ). 2003.-Ч.2.-С. 67-71.

20

05,09-05~.fl

5. Шимко М.Б. Пути уменьшения расхода электроэнергии мощными дуговыми сталеплавильными печами. // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Вестник УГТУ №5. Екатеринбург, УГТУ. 2003.-С. 297-301.

6. Макаров А.Н., Шимко М.Б., Острик В.В. Анализ основных технико-экономических показателей работы дуговых печей постоянного и переменного тока. // Электрометаллургия.-2004.-№ 3.-С. 5-10.

7. Шимко М.Б. Влияние факторов плавильного пространства на показатели теплообмена излучением в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока. // Вестник ТГТУ №2. Тверь, ТГТУ. 2003.-С. 11-13.

Подписано в печать /¿М- С'Л'Зак. // Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

и ФЕВ 2005

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЖИМАМ И ТЕПЛООБМЕНУ В ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ.".

1.1 Электротехническое обеспечение ДСППТ.

1.2 Теплотехническое обеспечение ДСППТ.

1.3 Схемы питания ДСППТ.

ГЛАВА 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОВЫЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОДНО- ЧЕТЫРЕХЭЛЕКТ-РОДНЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

2 .1 Геометрические и энергетические характеристики электрических дуг.

2.2 Взаимосвязь параметров дуг и показателей теплообмена излучением. . . .'.

2.3 Оценка теплообмена излучением с помощью угловых коэффициентов излучения дуги.

2.4 Вывод аналитических выражений для расчета локальных УКИ на наклоненные наружу стены плавильного пространства.

2.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА

ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ В ПЛАВИЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ОДНО-, ЧЕТЫРЕХЭЛЕКТРОДНЫХ ДСППТ.:.

3.1 Разработка модели и создание алгоритма расчета на ЭВМ локальных и средних УКИ на поверхность ванны металла.

3.2 Разработка модели и создание алгоритма расчета на ЭВМ локальных и средних УКИ на вертикальные стены плавильного пространства.

3.3 Разработка модели и создание алгоритма расчета на ЭВМ локальных и средних УКИ на наклонные стены плавильного пространства.-.

3.4 Разработка модели и создание алгоритма расчета на ЭВМ локальных и средних УКИ на свод плавильного пространства.

3.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 4 РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА

ИЗЛУЧЕНИЕМ В ОДНОЭЛЕКТРОДНОЙ ДСППТ

ВМЕСТИМОСТЬЮ 150 ТОНН МЕТАЛЛА.

4.1 Расчет и анализ распределения плотностей потоков излучения дуги по поверхностям плавильного пространства.

4.2 Теплообмен излучением в поглощающей среде в одноэлектродной ДСППТ-150.".

4.3 Влияние излучения электрода на теплообмен в плавильном пространстве.

4.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 5 РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА

ИЗЛУЧЕНИЕМ В МНОГОЭЛЕКТРОДНЫХ ДСППТ ВМЕСТИМОСТЬЮ 150 ТОНН МЕТАЛЛА.

5.1 Расчет и анализ распределения плотностей потоков излучения дуг по поверхностям плавильного пространства в двух-электродной ДСППТ-150.

5.2 Расчет и анализ распределения плотностей потоков излучения дуг по поверхностям плавильного пространства в трех-электродной ДСППТ-150.,.

5.3 Расчет и анализ распределения плотностей потоков излучения дуг по поверхностям плавильного пространства в четырех-электродной ДСППТ-150.

5.4 Влияние показателей теплообмена излучением на технико-экономические характеристики одно- и многоэлектродных ДСППТ-150.

5.5 Выводы по главе.

В настоящее время в мире растет доля электростали, то есть стали, выплавленной в дуговых сталеплавильных печах. По оценке экспертов, суммарная выплавка стали к 2010 году. достигнет 830 млн. тонн при доле электростали 40% (33% в 1999 году) [1]. Быстрое увеличение доли электростали в общем объеме выплавки началось с 1960-х годов, когда мартеновские печи повсеместно стали заменяться электропечами; в ряде стран Европы такая замена закончилась 10-15 лет назад. В Российской Федерации замена мартеновского производства электросталеплавильным также является одним из основных направлений развития черной металлургии. Увеличение доли электростали объясняется более низкой удельной стоимостью последней по сравнению со сталью, полученной в кислородно-конвертерном производстве. Продолжающееся увеличение доли электростали позволяет сделать вывод о том, что кислородно-конвертерное производство может постепенно утратить свою ведущую роль в выплавке стали в пользу электросталеплавильных производств [2].

Сегодня наблюдается постоянное совершенствование дуговых сталеплавильных установок, их основных элементов и электрооборудования. Происходит увеличение емкости дуговых сталеплавильных печей (ДСП) - с 5 тонн в 1950-х годах до 300-400 тонн в 1980-х. Удельные мощности, вводимые в дуговые сталеплавильные печи, возросли с 220-360 кВА/т в 1960-х годах до 600-800 кВА/т в 1980-х годах. Однако на сегодняшний день можно с уверенностью утверждать, что процесс увеличения удельных мощностей ДСП приостанавливается. В связи с высокими ценами на энергоресурсы, в целях повышения кпнтгулртгтоспособности продукции на передний план выходят проблемы снижения энергоемкости производств путем эффективного использования энергетических ресурсов, энергосбережения. Появились шахтйые и двухванные ДСП, позволяющие предварительно подогреть шихту и тем самым снизить удельные расходы электроэнергии. Одновременно с энергетическими требованиями усиливаются и экологические, в силу которых расширяется применение более экологически чистых агрегатов - дуговых сталеплавильных печей постоянного тока и плазменно-дуговых сталеплавильных печей [3].

На современных металлургических предприятиях массовая выплавка электростали осуществляется, в основном, в двух типах агрегатов - дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока (ДСПТТ) и дуговых сталеплавильных печах постоянного тока (ДСППТ) различной вместимости и мощности. Дуговая сталеплавильная печь постоянного тока с одним электродом впервые была продемонстрирована Сименсом в 1880 году, почти за 20 лет до печи Эру во Франции [4], однако до последнего времени массовому применению ДСППТ препятствовал ряд причин, в числе которых отсутствие мощных источников питания, в связи с чем применение ДСППТ является новым направлением развития и модернизации электросталеплавильного производства. Поскольку ДСППТ имеют ряд преимуществ по сравнению с ДСПТТ (более стабильный режим горения дуг, отсутствие фликкер - эффекта, пониженный уровень шума и пылегазовых выбросов и т.д.), они находят все более широкое применение в металлургии. С увеличением мощности дуговых печей все сильнее проявляются различия в работе ДСППТ и ДСПТТ, которые отражаются на их эксплуатационных показателях. Создание в плавильном пространстве печей искусственных факторов, таких как вспенивание шлака, предварительный подогрев скрапа отходящими газами и топливно-кислородными горелками, добавление в завалку жидкого чугуна, создание в атмосфере печи экранирующего слоя газов, хотя и позволяют улучшить технико-экономические показатели дуговых печей, однако не дают вскрыть резервы оптимизации, заложенные в самой конструкции печей. Но в силу новизны ДСППТ отсутствуют обобщенные наработки в части показателей их работы, подобные сложившимся в результате многолетней промышленной эксплуатации дуговых сталеплавильных печей трехфазного тока. В связи с этим возникает необходимость в анализе первичных процессов, происходящих в ДСППТ, как базы для осуществления дальнейшей оптимизации их работы. Важнейшим из таких процессов является процесс теплообмена в плавильном пространстве печи, без познания которого невозможен поиск путей модернизации и повышения энергетической эффективности ДСППТ, улучшения эксплуатационных показателей' их работы. Именно процесс теплообмена в плавильном пространстве ДСП, его эффективность, то есть эффективность преобразования электрической энергии, как первичного топлива, в тепловую, снижение потерь электрической и тепловой энергии в печи, оптимальное сочетание длительности этапов плавки, создание в плавильном пространстве факторов, положительно влияющих на теплообмен, позволяют улучшить технико-экономические и эксплуатационные показатели ДСП и, как следствие, снизить себестоимость продукции - стали. Исторически сложилось отставание теплотехнического обеспечения дуговых сталеплавильных печей от их электротехнического обеспечения. Явления, возникающие в результате протекания в ДСП процессов теплообмена, подвергались, в основном, экспериментальным исследованиям на моделях и действующих печах. С разработкой профессором Макаровым А.Н. теории теплообмена в ДСП, теоретических методов расчета его показателей были объяснены такие явления, как образование «горячих пятен» на футеровке стен, разгар футеровки свода в центральном и среднем поясах, повышение' расхода электроэнергии и снижение кампании стен и свода при повышении мощности электропечного трансформатора первоначально - после создания ДСП высокой и сверхвысокой мощности, вторично - после внедрения в промышленную эксплуатацию дуговых сталеплавильных печей постоянного тока. Однако, при эксплуатации ДСППТ большой мощности выяснилось, что мероприятия, направленные на повышение эффсхтпзнсст:: их работы, выработанные на основании многолетней промышленной эксплуатации ДСПТТ, зачастую не дают желаемого эффекта в ДСППТ. Требуется теоретическое исследование теплообмена в ДСППТ чтобы понять его отличительные особенности от ДСПТТ и предсказать уже на стадии проектирования достоинства и недостатки применения этих типов печей в каждом случае.

Актуальность этой темы подтверждена грантом Министерства образования Российской Федерации ТОО - 1.5 - 3124 на проведение фундаментальных исследований в области энергетики и электротехники за 2000-2002 годы.

Целью диссертационной работы является разработка адаптированной к компьютерному моделированию методики расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности нагрева одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печей, анализ по разработанной методике процессов теплообмена и кпд дуг, выбор рационального количества электродов, позволяющего снизить расход электроэнергии на тонну выплавленной стали.

• Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

- осуществлен вывод аналитических выражений для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на наклоненные наружу поверхности стен дуговых сталеплавильных печей;

- разработаны алгоритмы расчета на ЭВМ угловых коэффициентов излучения электрических дуг на вертикальные и наклонные поверхности стен, свода, ванны металла в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока; осуществлен расчет средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на металл и кпд дуг в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока одинаковой мощности 90 МВА;

- проведен анализ результатов расчета, который показал, что средний угловой коэффициент излучения дуги на металл увеличивается с увеличением числа электродов с 0,755 в одноэлектродной печи до 0,985 в четырехэлектродной печи, увеличивается и средний кпд дуги за плавку с 0,75 в одноэлектродной печи до 0,92 в четырехэлектродной печи;

- осуществлен расчет и анализ процессов теплообмена в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах, который показал, что наиболее рационально организован теплообмен с середины периода расплавления и в открытые периоды плавки стали в трех-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах, в которых более равномерное распределение потоков излучений по поверхностям ванны металла, меньше тепловые нагрузки на стены и свод по сравнению с одно- и двухэлектродными печами;

- выполнен анализ рассчитанных энергетических параметров электрических дуг, технико-экономических характеристик печей который показал преимущества трех-, четырехэлектродных печей по сравнению с одноэлектродными: меньший в 1,4-1,5 раза удельный расход электроэергии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика расчета угловых коэффициентов излучения электрических дуг на наклоненные наружу поверхности стен дуговых сталеплавильных печей постоянного тока;

- разработаны алгоритмы расчета на ЭВМ угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности нагрева в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока;

- выявлено, что средний угловой коэффициент излучения электрических дуг на металл и кпд дуг увеличивается с увеличением числа дуг и электродов в печи;

- проведенными исследованиями установлено, что наиболее рационально организован теплообмен с середины периода расплавления ив открытые периоды плавки стали в трех-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах по сравнению с одно- и двухэлектродными;

- выявлены преимущества в энергетических и технико-экономических показателях трех- и четырехэлектродных печей по сравнению с одноэлектродными дуговыми сталеплавильными печами постоянного тока.

Сложность поставленных задач обусловила необходимость использования комплексного метода исследований, включающего экспериментальные и аналитические исследования. Для достижения 'цели, поставленной в работе, использовались математические методы интегрирования, координатные, а также матричные, тригонометрические и геометрические преобразования, компьютерное моделирование. Результаты теоретических исследований сопоставлялись с характеристиками существующих дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов, перспективными разработками отечественных и зарубежных г производителей. Достоверность методов и результатов исследований оценивалась стандартными расчетами точности измерений и сравнений с результатами, полученными на промышленном оборудовании.

Практическая ценность работы состоит в том, что с разработкой методики и алгоритма расчета на ЭВМ угловых коэффициентов излучения электрических дуг на поверхности нагрева появилась возможность провести анализ средних угловых коэффициентов излучения и кпд электрических дуг в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах, провести анализ процессов теплообмена в одно- и многоэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока, выявить преимущества трех-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печей перед одноэлектродными и рекомендовать их к использованию при модернизации электросталеплавильных цехов металлургических и машиностроительных предприятий.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках» (Тверь, 2001 г.), Третьей Российской национальной конференции по теплообмену («РНКТ-3», Москва, 2002 г.), международной научно-технической конференции «Современные проблемы металлургического производства» (Волгоград, 2002 г.), научно-технических семинарах кафедры электроснабженил промышленных предприятий и электротехники ТГТУ. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.

Диссертация изложена на 151 странице, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и приложения.

выводы и результаты.

1. На основании теоретических исследований получены аналитические выражения для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг дуговых сталеплавильных печей постоянного и трехфазного токов, при моделировании их излучающими цилиндрами, на наклоненные наружу поверхности стен и любом пространственном положении расчетной площадки на этих поверхностях.

2. Аналитическим путем получено выражение для расчета среднего диаметра дуг одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печей постоянного тока.

3. Разработана адаптированная к расчету на ЭВМ методика расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на наклоненные наружу поверхности стен дуговых сталеплавильных печей постоянного и трехфазного токов. г

4. Разработаны алгоритмы расчетов локальных и средних угловых коэффициентов излучения электрических дуг на вертикальные и наклонные поверхности стен, свода, ванны металла в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока.

5. Проведенными расчетами выявлено, что средний угловой коэффициент излучения дуги на металл увеличивается с увеличением числа электродов с 0,755 в одноэлектродной шахтной дуговой сталеплавильной печи постоянного тока ДСППТ-150 до -0,985 в четырехэлектродной печи и, как следствие, увеличивается средний кпд дуги за плавку с 0,75 в одноэлектродной печи до 0,92 в четырехэлектродной печи, а расход электроэнергии уменьшается, соответственно, с 300 кВт*ч/т в одноэлектродной печи до 210 кВт*ч/т в четырехэлектродной печи.

6. Анализ результатов расчета теплообмена в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах позволил выявить, что наиболее рационально организован с середины периода расплавления и в открытые периоды плавки стали теплообмен в трехт, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока, в которых более равномерное распределение потоков излучения по поверхности ванны металла, меньше тепловые нагрузки на стены и свод печей по сравнению с одно-, двухэлектродными дуговыми сталеплавильными печами постоянного тока.

7. Анализ рассчитанных энергетических параметров электрических дуг, технико-экономических характеристик работы одно-, двух-, трех- и четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печей постоянного тока показал, что с увеличением числа электродов удельный расход электроэнергии в печах уменьшается в 1,1-1,5 раза по сравнению с одноэлектродным вариантом печи, а это при прочих равных технико-экономических показателях сказывается на себестоимости стали, которая меньше в многоэлектродных печах и доля которых в общем количестве дуговых сталеплавильных печей постоянного тока будет увеличиваться.

8. При комбинированном способе плавки стали, когда прорезку колодцев осуществляют одним электродом и одной длинной дугой, а расплавление шихты и жидкие периоды плавки стали проводят тремя, четырьмя электродами и, соответственно, тремя, четырьмя дугами будущее принадлежит трех-, четырехэлектродным дуговым сталеплавильным цечам постоянного тока, как обладающим более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с одноэлектродными дуговыми сталеплавильными печами постоянного тока.

9. Анализ конструкций и тепловой работы дуговых сталеплавильных печей постоянного тока показывает, что резервы снижения удельного расхода электроэнергии еще не исчерпаны, возможны новые конструктивные решения, реализация которых позволит снизить данный показатель на 5-10%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока получены следующие основные 9

1. Лопухов Г.А. Эволюция электросталеплавильного производства к 2010 году. // Электрометаллургия. 2002. №5. С. 2-3.

2. Макаров А.Н. Теплообмен в дуговых сталеплавильных печах. Тверь: ТГТУ, 1998.- 184 с.

3. Экологические аспекты плавки в электродуговых печах. /В.Д. Смоляренко //Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках. /Тверь: ТГТУ, 2001, С. 13-15.

4. DC arc furnace and the modification of exiting EAF plant / Xu Xingnan //Proc. 6th Int. Iron and Steel Congr., Nagoya, 1990. Vol.4 Tokyo, 1990. P. 216-226

5. Влияние КПД дуг на потребление электроэнергии дуговыми сталеплавильными печами постоянного и трехфазного токов/А.Н. Макаров, М.Б. Шимко//Электротехника, №7, 2002 С. 55-59.

6. Пат. 2135603 (RU 2135603 CI) 6С21С5/52. Способ плавки стали в дуговой печи / А.Н. Макаров, Р.А. Макаров // Изобретения. 1999. № 24.

7. А.Н. Макаров, Р.А. Макаров, P.M. Зуйков. Определение коэффициента полезного действия дуг дуговых сталеплавильных печей трехфазного и постоянного токов.//Изв. вуз. Черная металлургия. 2001 №2 С. 12-17.

8. Тельный С.И. Регулирование электрического режима работы дуговой электрической печи на основании круговых диаграмм и теории вольтовойдуги.-Изв. ОТН АН СССР, 1945, №6, С. 531-544.

9. Ефроймович Ю.Е. Эдектрические режимы дуговых сталеплавильных печей. М.: Металлургиздат, 1956. 230 с.

10. Timm K. Beitrag zur Symmertrierang von Drehstromofen // Electrotechnik, 1973, №4, S. 204-208

11. Werner L., Sclapfer O. Hochleistungs Lichtbogenofen. // Broen Boveri Mitt, 1976, №10. S. 651-654

12. Developing the largest DC arc furnace/Kawakami Isamu//Steel Times.-1991.-№5-P.246, 254.

13. Direct current arc furnace /Kai Hua, Xu Guang Ping, Li Zhi Chao, Zhao Er Wei //Proc. 6th Int. Iron and Steel Congr., Nagoya, Oct. 21-26, 1990. Vol. 4. Tokyo, 1990.-P. 208,215.

14. DC arc furnace АВВ-1Ш. /Yamada Takamitsu, Ishida Kei, Nakajima Taro, Namiiri Yuji // Ishikawajima- Harima Eng. Rev. 1991- №4. - P. 274-279.

15. Power suppliers for DC arc furnaces /Spathy Walter, Saltinka Lumir // ABB Rev. -1992, №6.-P. 11-16.

16. Кузнецов Л.Н., Смоляренко В.Д., Курлыкин B.H. Разработка конструкций тепломеров для исследования тепловой работы дуговых сталеплавильных йечей. Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1070. вып. 97. С. 15-18.

17. Поскачей А.А., Свенчанский А.Д. Пирометры излучения в установках нагрева.- М., Энергия, 1978,95 с.

18. Окороков Н.В., Никольский Л.Е. Исследование распределения излучения однофазной и трехфазной дуг на моделях цилиндрической сталеплавильной печи. Изв. вузов СССР. Черная металлургия, 1958, № 12, С. 21-34.

19. Никольский JI.E. Пространственное распределение мощности излучения дуг и- рациональные размеры свободного пространства дуговых сталеплавильных печей. Дисс. на соис. ученой степени канд. техн. наук. М., МИСиС, 1958.

20. Сосонкин О.М. Некоторые вопросы тепловой работы электродуговой печи с водоохлаждаемыми элементами кладки.- Дисс. на соис. ученой степени канд. техн. наук. М., MB МИ, 1969.

21. Кузнецов Л.Н., Однопозо^ Л.Б., Никольский JI.E. Моделирование радиационного теплообмена? в рабочем пространстве дуговых сталеплавильных печей.- Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1971, вып. III, С. 14-17.

22. Макаров А.Н. Исследование несимметричных электрических и тепловых режимов мощных дуговых сталеплавильных печей: Дисс.канд. техн. наук. --М., 1982-175 с.

23. Design of an experimental electric arc furnace /Hartman Alan D., Ochs Thomas L.// Rept Invest./Bur. Mines. US Dept. Inter. -1992, № 9441.- p. 1-9.

24. DC arc furnace -a status report./Steel Times, 1985, № 10, 491.

25. Палий Г.М. Функции распределения тепловых потоков, падающих от дуг и некоторые вопросы тепловой работы дуговой электросталеплавильной печи.-В сб.: Производство стали и стального литья. МВМИ, 1971, вып. 10, С.66-85.

26. Палий Г.М., Зинуров И.Ю., Сосонкин О.М., Никольский Л.Е. Влияние положения дуг на распределение тепловых потоков электродуговой печи,-Изв. вузов СССР. Черная металлургия, 1975, №3, С. 85-88.

27. Тепловая работа -сверхмощной ДСП и определение размеров рабочего пространства печи /Давыдов В.П., Игнатов И.И.//Электротехника. 1987-№2. С. 53-58.

28. Кацевич Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических печей. М., «Энергия», 1977, 304 с.

29. Etude et developpement du four electrique monoarc a courant continu ARP / Grosjean J.C., Destannes Ph., Maurer G., Lebrun G., Takahaski V. // Review metall. 1992. V. 89 № 2 P. 147-154.

30. Direct current: New trend, for mini-mills. Goldwater Leslie. "Production", USA,t1986, №1,32, 37.

31. Дуговые электропечи постоянного тока/ Крутянский М.М., Малиновский B.C., Филиппов А.К., Харламов И.Н.//Дуговые сталеплавильные электропечи/ Всес. н.-и., проект.-конструкт. и технол. ин-т электротер. оборуд. (ВНИИЭТО).-М., 1991.- С. 112-116.

32. Дуговая сталеплавильная печь постоянного тока емкостью 25 т на ПО «Ижсталь»/ Закамаркин М.К., Липовецкий М.М., Малиновский В.С.//Сталь.-1991.-№4-С. 31-34.

33. Eight years of operation at NUCOR DARLINGTON. First year at NUCOR HICMAN / Anthony W. Kurley, Patrick B. Spivey, Ernest G. Mueller // "MAN GHH" 1992. p. 18.

34. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева. / А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердев, A.M. Кручинин и др.; Под. ред. А.Д. Свенчанского. М.: Энергоиздат, 1981. - 256 с.

35. Фликенбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.: Иностранная литература, 1961.-370 с.

36. Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи. М.: Металлургия, 1974.-30 с.

37. Методика расчета теплообмена излучением в электродуговых и факельных печах и топках. /А.Н. Макаров // Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках. /Тверь: ТГТУ, 2001, С. 4-7.

38. Векторный способ определения среднего расстояния до электрической дуги. /А.Н. Макаров, В.А. Филинов, А.В. Дунаев // Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках. /Тверь: ТГТУ, 2001, С. 81-83.

39. Макаров А.Н., Макаров Р.А. Распределение потоков излучения дуг в дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов в период расплавления. //Изв. вузов. Черная металлургия. 1998. №2. С. 11-14.

40. А.Н. Макаров. Таблицы для расчета угловых коэффициентов излучения дуг , сталеплавильных печей. //Энергосбережение в промышленности. Межвуз. сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1996. С. 16-21.

41. Макаров А.Н. Аналитические и экспериментальные исследования теплообмена и электрических режимов дуговых сталеплавильных печей. //Электрометаллургия. 2002. №5. С. 38-45.

42. Свенчанский А.Д., Макаров А.Н." Расчеты теплообмена излучением и прогнозирование износа футеровки в ДСП. //Электротермические процессы и установки: Сб. тр. /ЧТУ. 1984- С. 3-7.

43. Макаров А.Н., Свенчанский А.Д. Теплообмен в камере дуговой сталеплавильной печи при несимметричном режиме. //Вопросы теплообмена в электротермических установках. М.: Энергоатоиздат, 1983. - С. 67-72.

44. Макаров А.Н. Распределение мощности в дуговых сталеплавильных печах.//Вопросы проектирования и эксплуатации электроустановок в горной промышленности: Сб. тр. /Калинин, политех, ин-т. 1982.- С. 121-127.

45. А.Н. Макаров, Р.А. Макаров. Теплоотдача электрических дуг в плазменно-дуговых и дуговых сталеплавильных печах трехфазного и постоянного токов// Изв. вуз. Черная металлургия, 1999, №6 С. 16-19.

46. Р.А. Макаров. Методы увеличения КПД дуговых сталеплавильных печей. Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках. -Тверь: ТГТУ, 2001. Кн. 1. С. 22-24. .

47. А.Н. Макаров. Аналитические выражения для расчета внутрипечной энергетики дуговых сталеплавильных печей. //Энергосбережение в промышленности: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1996. С. 8-13.

48. Спелицин Р.И., Смоляренко В.Д., Курлыкин В.П. Правомерность применения закона Кеплера для расчета облученности футеровки ДСП //Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. 1976. -Вып.6. - С. 6-7.

49. Макаров А.Н., Свенчанский А.Д. Расчет отраженной составляющей облученности футеровки от дуг в дуговых сталеплавильных печах. //Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия. 1983. - Вып. I.-C. 1-2.

50. Макаров А.Н., Шаталов В.И. • Расчет электрических параметров и теплообмена в дуговых сталеплавильных печах 3-100 тонн. //Совершенствование электроснабжения и электропривода промышленных предприятий: Сб. тр. /Калинин, политех, ин-т. 1986.- С. 40-45.

51. Дуговые печи постоянного тока. Исследование режимов работы и опыт эксплуатации. //М.Я. Каплун, М.М. Крутянский, B.C. Малиновский, Г.И.

52. Мсерсян/В.А. Хотин, Б.Б. Пельц //Актуальные проблемы создания дуговыхи рудно-термических печей: Сб. тр./ ВНИИЭТО. 1984. С. 44 - 53

53. Макаров А.Н. Влияние излучения электродов на износ сводов дуговых сталеплавильных печей. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991. - №2. - С. 80-82.

54. Сосонкин О.М., Кудрин В.А. Водоохлаждаемый свод электродуговой печи. М.: Металлургия, 1985. - 144 с.

55. Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Егоров А.В., Никольский JI.E. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства М.: изд. МИСИС, 1995 .512 с.

56. Игнатов И.И., Давыдов В.П. Тепловой расчет ДСП с водоохлаждаемыми панелями //Математическое моделирование и расчет дуговых и плазменных сталеплавильных печей: Сб. тр. /ВНИИЭТО. 1983. - С. 15-17

57. Невский А.С. Лучистый теплообмен в печах и топках. М.: Металлургия, 1971 -439 с.64.0плавление футеровки ДСП /В.Н. Ломакин, Ц.Д. Кацман, А.А. Устюгов, A.M. Розенфельд и др. //Производство электростали: Сб. тр. /НИИМ. 1977. - №6. - С.56-64.

58. Reduction of electrode consumption by water cooling / Kocher Alvin C., Lawler Rick N. // Iron and Steel Eng., 1984, №7. P. 21-26

59. Самохвалов Г.В., Черныш Г.И. Электрические печи черной металлургии. -М.: Металлургия, 1984. 232 с.

60. Макаров А.Н. Статическое исследования тока в дуговых сталеплавильных печах. // Электрофизические, тепловые и электротехнические процессы в электротермических установках и вопросы управления ими. Сб. тр. №576 /МЭИ.- 1982.- С. 26-29.

61. Егоров А.В. Электроплавильные печи черной металлургии. М.: Металлургия, 1985. 280 с.

62. Строганов А.И., Сергеев Г.Н., Лабунович О.А., Маркелов А.И. Дуговые электропечи. М.: Металлургия, 1972.288 с.

63. Кривандин В.А., Филимонов Ю.П. Теория и конструкции металлургических печей. М.: Металлургия, 1986,479 с.

64. Кайбичева М.Н. Футеровка электропечей. М.: Металлургия, 1975. - 280 с.

65. Кузнецов Л.Н., Пирогов Н.А., Егоров А.В. Расчет параметров дуговых сталеплавильных печей для плавки металлизированных материалов // Исследования в области промышленного электронагрева: Сб. тр. /ВНИИЭТО. 1981. С.88-97

66. А.Н. Макаров, А.Д. Свенчанский. Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 96 с.

67. Егоров А.В., Моржин А.Ф. Электрические печи. М.: Металлургия, 1975. -351 с.

68. Альтгаузен А.П. Применение электронагрева и повышение его эффективности. -М.:Энергоатомиздат, 1987. 128 с.

69. Цишевский В.П. Рудновосстановительные печи и энергетические балансы дуговых металлургических печей. М.: МЭИ, 1980. - 74 с.

70. Сверхмощная дуга как преобразователь электрической энергии в тепловую. /М.Г. Кузьмин, B.C. Чередниченко, Р. А. Бикеев // Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках. /Тверь: ТГТУ, 2001, С. 18-20.

71. Schwabe W.E., Robinson C.G. Development of large steel furnaces from 100 to 400 ton capacity 111 Congress of International Union for electroheat. -Warsaw. 1972-P. 126-142

72. Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 376 с.

73. Пути повышения стойкости футеровки дуговых сталеплавильных печей /И.Ю. Зинуров, А.И. Строганов, Н.А. Тулин, JI.K. Кузнецов, О.А. Лабунович, Н.Ф. Байстрюков. //Производство электростали: Сб. тр. /НИИМ. 1976. С.23-29.

74. Попов А.Н., Никулин А.А., Фертшер Л.М. Производство плавильного электротермического оборудования в Японии. //Обзорная информация. Сер. Электротермическое оборудование. М.: Информэлектро, 1985. 63 с.

75. New developments in electric aerofurnace technology /Gianni Gemini, Valerio Garrito.// Metallurgical Plant and Technology. 1991. № 1. P. 52-54.

76. The d.c. arc furnace, a new way to produce steel. Eimann Hans, Grunberg Dieter. "MPT", 1983, 6, №3,22-23,26-27

77. Air-gas-fuel burner systems to be installed in steel making facilities IIInd. Heat, 1988, №5, P.8

78. К расчету тепловых процессов в дуговых печах. /В.Г. Петров, Ю.М. Миронов. // Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках. /Тверь: ТГТУ, 2001, С. 1618. .

79. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981 -417 с.

80. Scrap melting in an electric furnace supplied with direct current./ 40th Elec. Furnace Conf. Proc., Kansas City, Mo., 7-10 Dec., 1982. Vo. 40.

81. Пирогов Н.А., Спелицин Р.И. Режимы заглубления дуг в сталеплавильной ■ печи. //Исследования в области промышленного электронагрева: Сб. тр./ВНИИЭТО. 1979. С. 107-115.

82. Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.Н. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. - М.: Металлургия, 1981.- 320 с.

83. Ключников А. Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. -М.: Энергия, 1970. 400 с.

84. Цишевский В.П. Дуговые электропечи специальной металлургии. М.: МЭИ, 1981,87 с.

85. Бортничук Н.И., Крутянский М.М. Плазменно-дуговые плавильные печи. -М.: Энергоиздат, 1981. 120 с.

86. Крутянский М.М., Малиновский B.C. Энергетические и газодинамические . параметры стационарной электрической дуги в плазменной печи

87. Исследования в области промышленного электронагрева: Сб. тр./ВНЙИЭТО. 1979. - С. 125-134.

88. The comelt electric arc furnace with side electrodes / Berges Harald, Mittag Peter // Metallurgical Plant and Technology International. 1995. № 4. P. 64-66.

89. Utilization of scrap preheating and substitute slag conditioners for electric arc furnace steelmaking / Elger G.W., Nafziger R.H., Tress J.E., Hartman A.D. // Rept. Invest. Bur. Mines. US. Dept. Inter., 1987, №9130, P. 1-26

90. Utilization of scrap preheating and substitute slag conditioners for electric arc furnace steelmaking / Elger G.W., Nafziger R.H., Tress J.E., Hartman A.D. // Rept. Invest. Bur. Mines. US. Dept. Inter., 1987, №9130, P. 1-26

91. The VAI d.c. electric arc furnace // VAI review, 1994. p. 54.

92. Экономия электроэнергии в дуговых сталеплавильных печах /Ю.Н. Тулуевский, И.Ю. Зинуров, А.Н. Попов, B.C. Галян. М.: Энергоатомиздат, 1987.-104 с.

93. Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей. Справ, изд. /Данцис Я.Б., Кацевич JI.C., Жилов Г.М. и др. М.: Металлургия, 1987. 320 с.

94. Электрооборудование и автоматика электротермических установок.: Справочник/Под ред. А.П. Альтгаузена, М.Д. Бершицкого, М.Я. Смолянского, В.М. Эдемского. М.: Энергия, 1978. - 304 с.

95. Электротермическое оборудование: Справочник/ Под общ. ред. А.П. Альтгаузена. М.: Энергия, 1980. - 416 с.

96. Макаров А.Н., Шимко М.Б., Острик В.В. Анализ основных технико-экономических показателей работы дуговых печей постоянного и переменного тока.//Электрометаллургия, 2004, №3, С. 5-10.

97. Ген. директор: (0822) 42-03-34 1-й зам. ген. директора: 424)3-98 Факс (0822) 42-20-30 Коммерческий отдел: 42-25-34 Финансовый отдел: 42-20-93 Отдел снабжения: 42-25-4220/г.

98. РОС 150ЙСКАЯ ФВДЕРАВДЯ нто EDliTEVАп,У Д (Г>Т|/.

99. ТВЕРСКОЙ ЗАВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ИМЕНИ 1 МАЯ0А0иТвер$техоснаска н1. АКТо внедрении диссертационной работы.

100. Главный энергетик j }<ф$2А Хрусталев В.В.

101. Начальник сталеплавильногоцеха ^ЙГ Любачев А.Н.

102. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО -БЕЛГОРОДСКИЙ ЗАВОД ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ"1. Российская Федерация,308800, г. Белгород, пр. Б. Хмельницкого, 111

103. ОКПО: 5799321, телеграф: "ПРОГРЕСС"телетайп: 156153 "ИКАР"факс: (0722) 26-58-57, 26-68-37, 2642-79,справочный факс: 22-88-67телефон: 32-36-39 приемная

104. OPEN JOINT-STOCK COMPANY "BELGOROD POWER ENGINEERING WORKS"

105. Главный энергетик //Jv^ / B.C. Ляшенко1.«21025 j