автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка основ теории, исследование и создание рудовосстановительных электропечей

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Попов Александр Николаевич

Разработка основ теории, исследование и создание рудовосстановительных электропечей

Специальность 05.09.10 - Электротехнология -

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

о Л

- О > _____

на правах рукописи УДК 621. 365. 2

Москва -1998

Официальные оппоненты:

- заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Васильев А. С.

- доктор технических наук, профессор Саломатов В.В. -доктор технических наук, профессор Ибраев Ш.Ш.

Ведущая организация: ОАО "СКВ Сибэлектротерм"

Защита состоится _ на заседании диссертацион-

ного совета Д 063.34.09 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета. Диссертация в виде научного доклада разослана " ЪО " ОкТ1998г

Ученый секретарь диссертационного совета

А. И. Алиферов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В 70 - е годы у нас в стране и в высокоразвитых зарубежных странах возникла необходимость создания нового поколения оборудования для осуществления рудовосстановительных и руднотермических процессов широкого назначения, включая термохимические и сплавные процессы.

В этот период в нашей стране уже существовали открытые ферросплавные электропечи, рудовосстановительные (термохимические) для производства фосфора, карбида кальция и др. материалов с единичной мощностью до 24000 кВА. Особенности развития этого направления техники, относящейся к самым мощным преобразователям электрической энергии в тепловую с последующей реализацией различных термохимических реакций с получением готового продукта через расплавы, определялся во многом эмпирическим характером создания промышленного оборудования. Отсутствие общего теоретического подхода к анализу электротехнологических процессов, ярко выраженная многофакторность и нелинейность электрических и технологических режимов, отсутствие методов расчетной оценки тепловых полей, неоднозначность понимания принципов оптимизации рабочих условий осуществления технологий не позволяли однозначно перенести опыт создания и эксплуатации старой серии рудовосстановительного оборудования на проектирование новых высокопроизводительных и мощных агрегатов.

Очевидное, на первый взгляд, разнообразие технологических процессов и вызванные этим классификационные признаки каждого отдельного процесса, не позволяли сформировать общий взгляд на этот класс электротехнологического оборудования. Такое состояние научного обобщения вступало в противоречие с накопленным практическим опытом, вызывало необходимость разработки новых концептуальных подходов и решений, которые позволили бы перейти на принципиально новый уровень техники как по производительности, так и по электротехнологическим параметрам оборудования. Это и определило, в основном, актуальность, необходимость выполнения работы и направленность ее содержания.

Следует особо подчеркнуть настоятельную необходимость, важность и глобальность развития рассматриваемого технического направления для промышленности любой страны, в том числе и нашей. Крупномасштабное рудовосстановительное производство определяет уровень индустриализации хозяйственной деятельности в целом, является прямым и косвенным показателем развития отечественной техники и ее потенциальных возможностей. Технический уровень и масштабность этого производства во многом опреде-

ляет и развитие последующих технологических процессов и оборудования для получения материалов и продукции химических производств.

В излагаемом научном докладе приводятся в обобщенном виде результаты научной и практической деятельности автора в области создания отечественного рудовосстановитсльного оборудования, включая новое поколение открытых и закрытых электропечей для производства ферросплавов, фосфора, силикомаргапца, карбида кальция, силикокальция, нормального электрокорунда, медноникелевого штейна и др.

Целью работы является разработка теории и создание высокоэффективных рудовосстановительных электропечей - аппаратурно-технологических комплексов, состоящих из технически сопряженных рабочих зон и отдельных узлов, связанных энергетическими и материальными потоками и предназначенными для производства широкого класса продуктов. В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача: в теоретическом плане - создание обобщенной теории протекания злектротех-нологических процессов, выявление влияния интегральных и отдельных составляющих энергетических потоков на формирование температурных и технологических зон, принципов оптимизации рабочих режимов и поддержания их в квазистационарном состоянии; в экспериментальном плане -разработка, исследование и реализация электротехпологичсского оборудования нового поколения; обеспечение его работоспособности; разработка мощных и сверхмощных рудовосстановительных промышленных электропечей широкого назначения мощностью до 125 ООО кВА.

Главные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы разработки технических решений и электротехнологических схем рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих увеличение единичной мощности печных установок; результаты определения возможных границ предельных мощностей для различных типов электропечей.

2. Основы теории, комплекс электротехнологических моделей рабочих процессов в рудовосстановительных электропечах; теория и практика обеспечения стабильности энергетических потокораспределений.

3. Совокупность теоретических и экспериментальных исследований выбора исходных параметров систем электропитания рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих совместно с системами оптимального управления процессом плавки возможность осуществления рабочих процессов при высоких и сверхвысоких мощностях в квазистационарных режимах.

4. Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований, обеспечивающих выбор исходных технических требований и принципов конструктивного исполнения узлов ввода электрической энергии в рабочее пространство электропечей - систем самоспекающихся электродов.

5. Результаты создания и промышленного освоения электротехнологических комплексов - рудовосстановительных электропечей для производства ферросплавов, силикоалюминия, фосфора и др.

Научная значимость и новизна результатов работы состоит в том, что выполнен комплекс научных и прикладных работ, обеспечивающих создание и развитие мощных (до 125000 кВА) рудовосстановительных комплексов и систем, включая формирование основных концепций выбора исходных параметров электропечей, режимов работы оборудования и принципов обеспечения квазистационарности тепловых и технологических условий в рабочем пространстве, поддержание этих режимов при оптимальных соотношениях энергораспределения в рабочих зонах многофазных систем преобразования энергии. При этом впервые показано, что масштабирование процессов и создание мощных и сверхмощных рудовосстановительных комплексов прежде всего возможно при наличии стабильной закрытой теплоизолированной дуги, обеспечивающей создание и поддержание квазистационарного электротехнологического пространства - реакционного электропроводящего тигля. Установлено, что за счет организации оптимальных соотношений материальных и энергетических потоков возможно обеспечить необходимое сочетание электросопротивлений стенок реакционного тигля и близлежащего пространства, включая процессы энерговыделения в промежутке между электродами отдельных фаз, между электродами и расплавом, а также между электродами и токопроводящей стенкой футеровки.

На основе физических и математических моделей выявлены качественные и количественные особенности и закономерности одновременно протекающих процессов энергораспределения, тепло-массопереноса и локализации химико - термических процессов в конкретных областях рабочего пространства; предложен метод вычисления энергораспределений в сложной электротехнологической системе с учетом нелинейности электрической и тепловой проводимостей шихты и, следовательно, изменения токораспределе-ний между различными областями рабочих зон при больших температурных градиентах. Установлены причинные связи изменения эксплуатационных характеристик различных типов рудовосстановительных электропечей от значений исходных параметров, заглублений электродов и конструктивных особенностей электропечей. Полученные результаты позволяют сформулировать технологам исходные требования к гранулометрическим параметрам шихты, ее электропроводности и составу.

Теоретически и экспериментально показана эффективность и техническая возможность увеличения вводимой мощности в рабочее пространство за счет увеличения рабочего напряжения. Впервые предложены, обоснованы и реализованы в промышленных масштабах конструктивно - технологические принципы создания мощных и сверхмощных электротехнологпческих рудо-

восстановительных комплексов. При этом выявлены и реализованы на промышленном оборудовании способы выведения электротехнологических многофазных рудовосстановительных систем в квазистационарные режимы работы, обеспечивающие эффективную и оптимальную производительность с необходимым качеством получаемых продуктов; получены математические модели, связывающие входные (рабочий ток и напряжение) и выходные параметры рудовосстановительных систем (энергораспределение по отдельным зонам) при увеличении вводимой мощности и рабочего тока. Доказано, что основное увеличение доли вводимой мощности наблюдается в стенках тигля и эта зона совпадает с областью интенсивного протекания химико - технологических процессов. Впервые показана физическая сущность полуэмпирических критериев подобия рассматриваемых систем нагрева, на основании которых проводились расчеты рудовосстановительных электропечей; это позволило провести обобщение существовавших расчетных методик, выявить их общность и различия за счет дифференциации отдельных определяющих факторов и степени их влияния па протекающие элсктротехпологичсскис процессы. При этом впервые установлено, что различные по своему технологическому назначению и режимным параметрам рудовосстановительные процессы могут быть обобщены на основе единого подхода к анализу энергопотоков в рабочей зоне многофазных систем введения электроэнергии электродными группами. Теоретически и экспериментально доказана прямая связь режимных параметров различных электротехнологических рудовосстановительных систем (зависимость энергораспределения от интегрального рабочего тока) и выявлен характер этой связи с установившимся режимом оптимальной работы, обеспечивающей эффективность химико - технологических реакций. Разработан инженерный метод расчета конструктивно - режимных параметров оборудования, на основе которого создана серия отечественных рудовосстановительных электротехнологических комплексов различного назначения.

За счет комплексности научной постановки с положительным результатом решена одна из центральных задач по созданию конструкций мощных и сверхмощных систем нагрева рассматриваемого типа - исследованы электротехнические и теплотехнические режимы работы самоспекающихся электродов, обеспечивающих введение мощности в рабочую зону; на основании комплекса полученных научных результатов и обобщения опыта эксплуатации ранее созданных конструкций разработаны концепции выбора количества электродов (трехэлектродная, шестиэлектродная или многоэлектродная системы электропечей), созданы методы расчетной оценки конкретного самоспекающегося электрода с учетом особенностей токораспределения и критерия термостойкости; определены пути развития различных конструкций рудовосстановительных электропечей для различных химико-технологичес-

ких процессов и уровня мощности (производительности), для которых необходимо создание нового типоразмера оборудования.

Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования новой серии отечественных рудовосстанови-тельных комплексов, принципов их запуска в рабочие режимы и технико-технологических требований для устойчивой эксплуатации.

Методика проведения исследований. Основные результаты выполненной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчетов рудовосстановительных электропечей, физического моделирования, теории подобия, современных экспериментальных методов диагностики электротехнических, теплофизических и химико-термических процессов. Достоверность методов и результатов работы проверялась путем параллельного расчета научно-инженерными методами и экспериментальной проверкой на физических моделях и промышленных электропечах.

Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила решить крупную научно-техническую задачу по созданию нового поколения высокоэффективного промышленного электротехнологического оборудования для получения различных продуктов методами рудовосстано-вительной электротермии; предложить ряд новых технических способов и устройств, направленных на дальнейшее совершенствование и развитие рудовосстановительных комплексов и систем; разработать принципиально новые конструкции химико-технологических промышленных агрегатов, находящихся на уровне лучших мировых образцов современной техники; создать инженерные методы расчетов разработанных электротермических установок.

Реализация результатов работы в промышленности

осуществлялась в рамках государственных программ развития рудовосста-новительной электротермии силами ВНИИЭТО в содружестве с рядом технологических организаций, заводов - изготовителей и предприятий, на которых устанавливалось новое оборудование. Созданные типы промышленных рудовосстановительных комплексов находятся на уровне лучших мировых образцов современной техники. На новые технологические решения и возможные пути развития рудовосстановительных электропечей получено 90 авторских свидетельств и 9 патентов в заинтересованных странах - США, ФРГ, Норвегии, Италии, Великобритании, Швеции. Высокий технический уровень разработок подтверждается поставкой шести электропечен на экспорт в Индию (4 электропечи РКЗ-16,5 для производства силикомарганца, карбида кальция и ферросилиция, 2 электропечи РКЗ-24 для производства ферросилиция),

По заключению специалистов фирм, эксплуатирующих оборудование, электропечи обеспечивают успешную работу в диапазонах рабочих режимов, предусмотренных паспортными характеристиками.

Разработанные рудовосстаповительные электропечи успешно работают на Челябинском металлургическом комбинате (РКЗ-7,5; РКЗ-16,5; РКЗ-24), Никопольском заводе ферросплавов (РПЗ-48, РПЗ-бЗ), Запорожском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Стахановском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Кузнецком заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Ермаковском заводе ферросплавов (РКЗ-48), Чимкентском заводе фосфорных солей (РКЗ-48Ф), Джамбульском фосфорном заводе (РКЗ-48Ф), Новоджамбуль-ском фосфорном заводе (РКЗ-72Ф), Побужском никелевом заводе (ОКБ-767). Созданное рудовосстановителытое оборудование в основном определило развитие отечественной черной металлургии и отдельных отраслей химических производств.

Результаты настоящих исследований в полной мере вошли в учебник для вузов "Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева", М.: Энергоиздат, 1981 г., который используется для подготовки инженерных кадров по специальности "Элсктротехнологические установки и системы" в Московском энергетическом институте, Санкт-Петербургском электротехническом университете, Новосибирском государственном техническом университете, Чувашском государственном университете, Алма-Атинском электротехническом институте и других вузах России и СНГ. Полученные результаты получили развитие в шести диссертациях на соискание ученой степени кандидатов технических наук, подготовленных под руководством автора диссертации.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 18 научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в том числе на 9 международных и 8 Всесоюзных: VIII Международном конгрессе по электротермии (Бельгия, 1976 г.); Международном конгрессе по металлургии (Австрия, 1980 г.); IX Международном конгрессе по электротермии (Англия, 1981 г.); X Международном конгрессе по электротермии (Швеция, 1984 г.); XI Международном конгрессе по электротермии (Испания, 1988 г.); Международном конгрессе по рудовосстано-вительным и переплавным процессам СРНК - 90 (Южная Корея, 1990 г.); VI Международном конгрессе по чугуну и стали (Япония, 1990 г.); Международном конгрессе "Черная металлургия России и СНГ в XXI веке" (г. Москва, 1994 г.); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Схемы и системы электроснабжения электротермического оборудования (г. Москва, 1975 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления научно-исследовательских работ по аппаратурному оформлению электротермических и высокотемпературных процессов химических производств

в десятой пятилетке" (Термия-75, г. Ленинград, 1975 г.); VII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (г. Новосибирск, 1979 г.); III Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Параметры рудовосстаповильных электропечей и совершенствование конструктивных элементов" (г. Тбилиси, 1982 г.); VIII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (г. Чебоксары, 1985 г.); VI Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Параметры рудовосставительных электропечей, совершенствование конструктивных элементов и проблемы управления процессами" (г. Никополь, 1987г.); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме " Электроснабжение и электрооборудование дуговых электропечей" (г. Тбилиси, 1988 г.), а так же на ряде других конференций, научно-технических семинаров и совещаний.

Публикации. Диссертация включает обзор печатных работ автора, в числе которых специализированные главы в справочнике по электротермическому оборудованию и учебнике для вузов, 9 патентов и 90 авторских свидетельств на изобретения. Всего по проблемам теории и практики рудо-восстановительных дуговых электропечей, общим вопросам развития элек-тротехпологии опубликовано 195 печатных работ, в том числе получено 99 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Содержание работы

1. Исследование электротехнологических процессов рудовосстановительных комплексов широкого назначения.

1.1. Разработка основных концепций создания теории мощных и сверхмощных рудовосстановительных комплексов

В 70-е годы была поставлена задача создания новых типоразмеров мощных и сверхмощных электропечей. В этот период не существовало теоретических положений или методов расчета рудовосстановительных электропечей (РВП), в которых бы строго устанавливались соотношения между номинальными мощностями, токами и напряжениями трансформатора, а также между электрическими и конструктивно-геометрическими параметрами электропечей. Мало того, отсутствовало общепризнанное единодушие в качественном анализе электроэнергетических процессов, протекающих в рабочем пространстве РВП. К примеру можно указать, что подвергалось сомнению существование самого дугового разряда для ряда процессов.

В этих условиях необходимо было получить конкретные результаты и исходную информацию для принятия решений о конкретных путях создания новых типоразмеров электропечей. Трудности получения такой информации объяснялись тем, что совокупность протекания энергетических, физических, химических, гидродинамических процессов внутри ванны очень сложна, а экспериментальные исследования не позволяли установить действующие закономерности для создания строгой и обоснованной теории. Отдельные методы расчетов, применявшиеся для расчетной оценки электротехнических и геометрических параметров РВП, базировались на сочетании статистических экспериментальных данных и общих физических закономерностей. Такое положение развития теории вызывало необходимость разработки новых оценочных и аналитических подходов к РВП.

Как известно, к рудовосстановительным электропечам относятся электротехнологические установки с большим разнообразием технологических процессов, но объединенных основной конечной целью - за счет прямого нагрева электрическим током в этих печах производится восстановление из руд минералов основного и сопутствующих элементов углеродом шихты или расплавление руд с целью гомогенизации или сегрегации их составляющих. Большая обобщенность приведенной характеристики требует некоторой конкретизации, так как подходы к созданию оборудования, например, для крупномасштабного производства, во многом принципиально могут отличаться от маломасштабного производства. Поэтому в начале постановки рассматриваемых работ была поставлена задача разработки основных концепций создания оборудования с производительностью в десятки и сотни тысяч тонн в год для производства ферросилиция, феррохрома, кристаллического кремния, силикокалышя, ферромарганца, фосфора, силикомаргапца, медного и медно-никелевого штейна, синтетического и сварочного флюсов и т.д. Такое объединение процессов позволило при выполнении поставленной научно-технической задачи найти обобщенные решения для определения мощности электропечей и типа электротехнологических агрегатов под каждый процесс.

Из всего многообразия крупномасштабных процессов на основании потребностей в промышленности и принятых решений правительством была определена очередность создания головных образцов оборудования, которая, в свою очередь, определила ориентацию экспериментальных исследований, решение общих и частных задач и опережающую проверку принятых решений последовательно по времени.

Рассматривая организационно-технические проблемы, следует особо подчеркнуть, что задача создания уникальных электротехнологических комплексов могла быть решена только в содружестве со специалистами головных ферросплавных заводов страны и ведущих технологических институтов

- Гипростали, Ленниигипрохима, ЦНИИЧерМета, Укрнииспецстали, ГИ-МЕТА и др. Разработка промышленного оборудования, принятие решений по техническим характеристикам и их обеспечение в эксплуатационных промышленных условиях осуществлялось ВНИИЭТО при непосредственном участии соискателя. Совершенно очевидно, что перед принятием окончательных решений по реализации концепций создания уникального оборудования отдельные предложения, научные результаты и технические предложения проходили экспертную оценку широкого круга специалистов, выполнявших исследования по комплексным планам разработки технологий и создания оборудования.

Поставив задачу существенного изменения типоразмера электропечей как по мощности, так и по производительности, т.е. задачу создания мощных и сверхмощных электротехнологических рудовосстановительных комплексов, внимание прежде всего было обращено к основным теоретическим положениям, на основании которых создавались первые РВП. Исторически сложилось положение, при котором качественный анализ эффективности протекания рабочих процессов в РВП проводился по интегральным характеристикам так называемого полезного напряжения - падения потенциала в межэлектродном промежутке (электрод - расплав). Методики расчета полезного напряжения изучались и разрабатывались многими советскими и зарубежными специалистами. Из-за многообразия подходов к рассматриваемому сложному и многофункциональному рабочему процессу была проведена структурная классификация этих методик и одновременно оценка потенциальных возможностей анализа одновременно протекающих физических процессов в ваннах электропечей.

На основании рассмотрения большинства известных методов были выделены три основных группы формул расчета полезного напряжения.

К первой группе были отнесены формулы вида: Unone.} = С ■ Р"оп, где Сип- постоянные коэффициенты, а Рпол- полезная электрическая мощность печи. Приоритет применения этой формулы принадлежит A.C. Микулинскому, который обосновал ее на основании критерия подобия рудовосстановительных печей. К этой же группе расчетных выражений относятся формулы Ф.Андреа, Г.Кургиса, М.Моркрамера, П.Пашкиса, Б.В.Семеновича, С.И.Денисова, В.Л.Розенберга, В.Г.Бабенко, С.А.Моргулева, В.П.Киселева. В сущности этого подхода лежит уточнение основной формулы A.C. Микулинского путем введения различных полуэмпирических коэффициентов. Показатель степени "п" в этих формулах используется в диапазоне от 0,25 для многошлаковых процессов до 0,33 для бесшлаковых, а коэффициент "С" имеет различные значения и, в некоторых случаях, является переменной величиной.

Вторая группа формул, типичной для которой является формула М.Гро:

т, ->0.67 -0,33 0,67 .-1 „ Г,0,33

где \т - плотность тока в электроде, ру - объемная удельная мощность. Этот подход характеризуется стремлением ввести коэффициенты, учитывающие объемное или поверхностное распределение мощности в ванне. К этой группе можно отнести формулы А.Е.Романи, Г.Ф.Платонова, И.И.Граня, К.И.Мосиондза, Б.П.Онищина, Г.С.Нуса и Б.С.Струнского. К третьей группе формул относится формула В.Келли:

иполез '

1г ■ Р

пол

V '

и формула Л.Стази

11 - /ЮОО п г " ~П

У полез у 860 м ' Ят ' >

где йэ - диаметр электрода, к - коэффициент периферийного сопротивления, р с1„

—Т''п~1 ' сопротивление боковой поверхности электрода. Эта ¿к-\п а,

группа формул характеризуется стремлением авторов произвести расчет полезного напряжения по сопротивлению электрода, отдельных участков ванны, т.е. приближением к расчету реальных физических явлений. К этой группе методик можно отнести работы Я.Б.Данциса.

Обобщенный анализ имеющихся в литературе подходов показал, что существующие расчетные выражения в определенной мере позволяют провести оценочные расчеты конкретных процессов и электропечей, но только эмпирически связывают вопросы выбора конкретной мощности или удельных параметров с принципами конструирования и принятия конкретных решений по выбору геометрических параметров рабочей ванны, электродов, изменения высоты расплава или шлака, шихты в подсводовом пространстве и, самое главное - не позволяют оценить влияния каждого из этих параметров на рабочий процесс в условиях высокой и сверхвысокой мощности. Еще большая неопределенность появилась при создании электропечей с герметичным сводом, когда приходилось учитывать существенное изменение температуры шихты в верхней части ванны электропечи - на колошнике.

Для получения обобщенных результатов и выявления конкретных взаимосвязей определяющих параметров электро- и теплофизических процессов был проведен качественный анализ пространственно-распределенной

трехфазной системы преобразования электрической энергии в тепловую, которая реализуется в обобщенной РВП. Принципиальной особенностью такой системы является фактическое формирование электрических и магнитных полей в рабочем пространстве в зависимости от соотношения фазных и линейных объемно-раснределенных активных и реактивных электрических сопротивлений. Полное описание такой системы электрической схемой замещения с сосредоточенными параметрами практически невозможно из-за относительной неопределенности ряда сопротивлений, резко выраженных не-линейностей других сопротивлений, их взаимосвязей и т.д. Однако качественный анализ такой системы позволил впервые сформулировать ряд научных положений и технических требований, которые целесообразно выполнять при конструировании рабочего пространства, определении состава шихтового материала по исходной электропроводности с учетом ее зависимости от рабочей температуры, выбора соотношений диаметра распада электродов и внутреннего диаметра футеровки ванны электропечи и т.д. Несмотря на многообразие технологических процессов, объединенных общими признаками (многошлаковости или бесшлаковости), при создании новых типоразмеров электропечей в качестве исходной концепции необходимо было обеспечить снижение прямого преобразования электрической энергии в тепловую во всех областях рабочего пространства электропечей, лежащих за пределами диаметра распада электродов. Было доказано, что температурный режим в этой части рабочего пространства должен в основном обеспечиваться за счет оптимизации кондуктивного и конвективного теплообмена между центральными (подэлектродной и межэлсктродной) областями рабочего пространства и периферийными. Уровень температур в этих зонах целесообразно оптимизировать с учетом снижения величины протекающих электрических токов на стены футеровки. Это позволяет концентрировать зоны преобразования электрической энергии в тепловую непосредственно под электродом (фазное напряжение) и между электродами (линейное па-пряжение). При рассмотрении РВП как электротехнологического агрегата было показано, что для создания оптимальных рабочих условий необходимо, чтобы исходная шихта имела максимальное усредненное электрическое сопротивление при температурах, свойственных температурам областей рабочего пространства, лежащих за пределами диаметра распада электродов. Это положение позволило оптимизировать рабочий процесс и обеспечить приоритетное протекание электрического тока, а следовательно, и выделение вводимой мощности, в подэлектродном пространстве. Такое представление рабочего процесса позволило заформализовать качественную схему замещения РВП как электротехнологнчсского агрегата с выделением обобщенных четырех областей преобразования вводимой в рабочее пространство электрической энергии в тепловую —■ электрическая дуга в подэлектродном

пространстве (фазное сопротивление Кд), протекание тока в стенках реакционного тигля (фазное сопротивление Б^), протекание тока через шихту между электродами (линейное сопротивление Ищ) и протекание тока от каждого электрода через шихту на стены футеровки с последующим замыканием на фазное или линейное напряжение (обобщенное сопротивление Ксх). В связи с тем, что токи, протекающие через указанные сопротивления, определяются различными напряжениями трехфазной цепи (фазное и линейное), практически невозможно изобразить схему замещения одной фазы (или одного электрода). Это замечание оказывается существенным, та.к как при компоновке электропечей различной конструкции (прямоугольных, круглых, кольцевых или овальных) необходимо принимать во внимание этот факт. Это теоретическое положение оказывается важным при пересчете моделирующих факторов с одной конструктивной схемы на другую.

Соотношение тока дуги и тока шихтовой проводимости зависит от организации технологического процесса. В этом состоит особенность РВП как электротсхнологического комплекса, для которого технологические факторы являются составляющими параметрами режимов работы. В какой-то мере эти особенности рабочих процессов нашли отражение в классификационных признаках электропечей. Для бесшлаковых и малошлаковых процессов характерна, как правило, необходимость организовывать процесс с наличием концентрированного источника энергии. В этом случае основное преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется в зоне газового дугового промежутка. Это обеспечивает наличие под электродами плазменного объема относительно большого размера, а ток шихтовой проводимости оказывается минимальным. Если эти соотношения не выдерживать, то наблюдается преждевременный прогрев шихты, ее спекание и расстройство хода технологического процесса из-за снижения газопроницаемости колошника.

Для малошлаковых процессов, которые являются основными для рассмотрения в настоящей работе, характерным является необходимость выделения тепла в подэлектродном пространстве, при этом ток дуги может составлять относительно большую долю, и тигель может быть относительно небольших размеров по толщине в радиальном направлении. Однако при этом оказывалось, что для рассматриваемых процессов совершенно необходимо обеспечивать конкретные тепловые условия в областях рабочего пространства, непосредственно прилегающих к внутренней поверхности тигля, так как именно эти области являются реакционными и определяющими производительность печи.

Чаще всего в литературе электроэнергетические режимы рассматриваются на основании однофазных схем замещения. Однако, как было уже указано, при составлении схемы замещения для одного электрода вносятся существенные неточности, искажающие сущность протекающих процессов,

так как ток шихтовой проводимости в значительной мере обеспечивается линейным напряжением трехфазной системы, а ток в дуге и тигле - фазным напряжением. Поэтому мы считаем целесообразным использовать традиционные методы анализа процессов, но с учетом указанного замечания.

Следует прежде всего констатировать, что с энергетической точки зрения особенности технологического процесса должны характеризоваться соотношениями сопротивлений возможных путей протекания тока, а, следовательно, соотношениями тепловых энергий (мощностей), выделяющихся в шихте (шлаке, расплаве) и в дуге, тигле или контакте "электрод-расплав", т.е. в подэлектродном пространстве. Именно этот методологический подход использовался в излагаемой работе при создании мощных и сверхмощных РВП.

Для дальнейшего изложения полученных теоретических результатов укажем, что основоположник отечественной электротермии М.С.Максимен-ко ввел в теорию руднотермических электропечей понятия долей выделения энергии в подэлектродном пространстве - "р", и в керне - На основе этих положений все процессы в РВП принято делить на две группы: процессы, в которых р > ц, и процессы, в которых р < q. Как известно, эта классификация не получила широкого распространения среди специалистов из-за сложности интерпретации понятий р и q, а в 70-е годы - невозможности расчетного или экспериментального определения соотношения мощностей. Следует сказать, что нам не удалось принципиально развить работы М.С.Максименко. В целом эта задача и пе ставилась. Однако привлечение в качестве определяющих величин понятия сравнения выделяющихся мощностей позволило получить значимое обобщение - вывод о том, что создание мощных и сверхмощных электротехнологических комплексов возможно на основе реализации технологических процессов с концентрацией энергии в реакционной зоне, образованной закрытыми дугами и горячим тиглем. При этом необходимо обеспечивать относительно холодный колошник.

Детальный анализ многочисленных рудовосстановительных процессов показал, что именно по этому пути развития РВП могут идти электротехнологические комплексы непрерывных шлаковых процессов (фосфора, углеродистых ферромарганца и феррохрома, силикомарганца) и практически все малошлаковые непрерывные процессы - производство ферросилиция всех марок, снликокальция, силикоалюминия и т.д.

1.2. Анализ взаимосвязи параметров рабочих режимов РВП

В соответствии с выработанной концепцией направления решения поставленных задач по созданию мощных и сверхмощных РВП был проведен общий анализ специфических условий горения электрической дуги и рас-

пределения выделяющейся энергии в рабочем пространстве электропечей. Для рассмотрения прежде всего были приняты электропечи, в которых технологические процессы протекают при наличии электрической дуги, находящейся под слоем шихты и шлака и горящей в замкнутом объеме тигля. Обобщенная схема строения подэлектродного пространства приведена на рис.1. Как видно, структуру рабочего пространства, прилегающего к электроду, можно подразделить на тигель (газоплазменную полость), прилегающую область полутвердой шихты (магма) и область электропроводной шихты, имеющей значительный градиент температуры и, следовательно, изменение плотности протекающего тока по радиальной координате. Именно в ' такой последовательности расположения областей рабочего пространства был проведен анализ процессов.

Рис. 1. Общая схема строения нодэлектродного пространства

Газоплазменная полость (дуговой промежуток). Как

было установлено многочисленными исследованиями, геометрические размеры газоплазменной дуговой полости зависят от выделяющейся мощности в дуге и предварительно принятых конструктивных технических решений, которые, в свою очередь, также определяются мощностью электропечи и особенностями технологического процесса. Для иллюстрации этих общих положений укажем, например, на следующие взаимосвязанные вопросы. Необходимость введения большей мощности приводит к необходимости увеличения рабочего тока и, следовательно, увеличению диаметра электрода. Это приводит к увеличению среднего диаметра газовой полости и длины дуги (высоты тигля). Для общей характеристики тигля укажем, что для всего диапазона достигнутых мощностей длина дуги может составлять 150 ... 350 мм, диаметр газовой полости (тигля) - 300 ... 1200 мм.

Газовая полость заполнена реакционными газами и ионизированными парами металлов и составляющих шихту элементов. В процессе выполнения работы было доказано, что несмотря на большое разнообразие реализуемых электротехнологических процессов, реакционные газы газоплазменной полости для большинства руднотермических электропечей имеют малоотли-чающиеся электро- и теплофизические параметры. Это позволило сформулировать основные положения обобщенной физической модели рабочего процесса на основании анализа энергетического баланса квазистационарного режима работы электропечей.

Для формирования физической модели и последующего физико-математического моделирования укажем, что при проведении работы было однозначно доказано принципиальное свойство РВП как электротехнологического комплекса - при оптимальной организации процесса основные технологические реакции происходят в основном на стенках тигельной газовой полости и в прилежащей прогретой до тестообразного состояния шихте (магме). Эта область подэлектродного пространства представляет собой псевдостабильную структуру, состоящую из твердой фракции - карбидов, пропитанной восстанавливаемым продуктом и расплавом шлакообразующих составляющих шихты. Карбиды практически во всех рудовосстановитель-ных процессах являются промежуточным реакционным продуктом, образующимся по мерс схода шихты и расходующимся при образовании конечного продукта.

Однозначное определение области протекания основного технологического процесса - внутренняя поверхность тигля и прилегающая к ней область магмы, позволяет сформулировать первую особенность физической модели - постоянство температуры для конкретного процесса в этой области рабочего пространства, включающего квазиизотермическую поверхность газоплазменной полости. Второй особенностью физической модели является самоподдержание постоянства температуры при изменении вводимой мощности при внешнем обеспечении условий существования квазистационарного процесса, когда регулируемый диапазон изменения исходных параметров (тока и напряжения) позволяет рассматриваемой системе сохранить свои оптимальные электротехнологические свойства за счет изменений геометрических параметров тигля с изменением соотношений выделяющихся мощностей в дуге (тигле), в стенках тигля и за счет растекания электрического тока в шихте. Эта выявленная особенность физического процесса является важной не только при выборе рабочих режимов для новых электропечей с большей мощностью, но и для анализа методов и обоснования технических решений для организации поддержания процесса в квазистационарном эксплуатационном режиме.

Праиомерность принятых положений физической модели и их общий характер подтверждается проведенными исследованиями на моделях и действующем промышленном оборудовании. Существенным косвенным подтверждением этих положений является широко известный факт, многократно подтвержденный в проведенных исследованиях и состоящий в том, что пространственная область существования электрической дуги (тигель) хорошо теплоизолирована, динамическая вольтамперная характеристика разряда квазилинейна и в сверхмощных режимах при токах в несколько десятков килоампер и выше эти свойства электрической дуги необходимо поддерживать для обеспечения оптимальности рабочих процессов при создании нового типоразмера электропечей.

Статистическая обработка результатов исследований показала, что благодаря этим факторам дуга в РВП обладает квазистационарными свойствами относительно тепловых характеристик. Процессы ионизации и рекомбинации находятся в устойчивом равновесии и относительно стенок реакционного тигля имеют большую тепловую постоянную времени. При нормальном режиме работы электропечи синусоидальная форма тока в цепи "электрод - дуга - продукт - подина" практически не искажается, т.е. рабочие режимы осуществляются на линейной части динамической вольт-амперной характеристики, что принималось некоторыми исследователями за свидетельство отсутствия дуги в рабочем пространстве печи.

Прямое экспериментальное изучение собственно дугового разряда в мощных и сверхмощных РВП встречает труднопреодолимые сложности. Эти сложности связаны с недоступностью дугового промежутка для прямого наблюдения и измерений. Поэтому при исследовании получены только относительные экспериментальные характеристики закрытых дуг: длины дуги, напряжения на дуге, доли электрического тока, протекающего через дугу. Было показано, что дуга может самопроизвольно делиться и существовать в виде отдельных дуг; при этом можно утверждать, что возможность существования множества дуг увеличивается с увеличением сечения электрода и тока. В электропечах, укрытых сводами, эти явления еще более усугубляются и сближают физические процессы различных технологий.

Экспериментальные сведения о дуговом разряде в РВП, полученные многими авторами, носят оценочный характер, главная цель которых направлена на выработку направления по оптимизации электротехнологий в электропечах. В частности, установленные Воробьевым В.II. и Фомичевым A.A. для ряда случаев возможные отклонения формы динамической ВАХ от линейной не позволяют провести необходимые обобщения для определения параметров новых мощных и сверхмощных РВП, так как для уровня этих мощностей не известна степень нелинейности (отношение U/I). Поэтому автором работы предложено и успешно реализовано предположе-

ние о постоянство в первом приближении дифференциального сопротивления дуги с возможностью учета нелинейности этой характеристики на конкретных процессах и электропечах в период их пуска и экспериментальной отработки режимов и технологий для новых типоразмеров РВП. Такой подход оказался приемлемым и позволил успешно обеспечить вывод в оптимальные рабочие режимы промышленных электропечей.

В результате оказалось возможным сформулировать научные положения, выполнение которых позволило фактически развить теорию РВП и создать мощные и сверхмощные агрегаты. В число этих положений входят следующие выводы:

1. В оптимальном режиме работы электропечи в подэлектродпом пространстве необходимо обеспечивать наличие газового промежутка и существование закрытой стабильной дуги;

2. Дуга горнт в атмосфере паров углерода и компонентов перерабатываемых продуктов, а также газов, в основном моноокиси углерода. Пары углерода и газовая составляющая дуговой зоны являются определяющими для величины градиента потенциала в столбе дуги. Оценки для большинства процессов показывают, что давление в разрядной зоне составляет 0,4 -0,5 МПа. Это, с одной стороны, вызывает повышение градиента потенциала и напряжения дуги, а с другой стороны, сближает эти параметры до квази-равенсгва для различных технологических процессов.

3. Дифференциальное сопротивление дуги = AU/AI для всех ру-довосстановительных процессов практически постоянно и не зависит от мощности дуги; это позволяет принять Лд = AU/AI a const;

4. Различие в полезных напряжениях для электропечей одинаковой мощности, но с различными технологическими процессами, объясняется тем, что сопротивление дуги в различной степени шунтируется стенками реакционного тигля (фазное сопротивление - R,.), шихтой в промежутке между электродами (линейное сопротивление - Rm) и шихтой между электродами и стенкой футеровки (обобщенное сопротивление - R,;T).

Развивая основные положения физической модели токораспределения в ванне РВП, рассмотрим реакционную область, непосредственно прилегающую к области газового разряда.

Стенки реакционного тигля являются основным шунтирующим каналом для фазного тока дуги. Термодинамический анализ восстановительных реакций, протекающих в этой области рабочего пространства, показал, что температура на стенке тигля практически для любого из рудо-восстановительных процессов оптимальна и постоянна, так как любое поступление энергии в эту область будет скомпенсировано дополнительным развитием эндотермических реакций. При изменениях вводимой в эту зону

мощности будет сохраняться квазистационарный температурный режим, но при этом могут происходить изменения геометрических размеров реакционного объема как за счет диаметра тигля, его радиальной толщины, так и протяженности (расстояние между торцом электрода и расплавом). Эта область рабочего пространства имеет максимальные рабочие температуры, которые обеспечиваются балансом энергий, поступающих за счет теплопередачи от дугового разряда, преобразования электрической энергии в тепловую при протекании электрического тока через магму, и расходных составляющих - для осуществления эндотермических реакций и нагрева прилегающей шихты близлежащих областей рабочего пространства. При проведении общего анализа зависимостей интегрального активного сопротивления стенок тигля было показано, что в общем виде Яг= { [р(Т), п, I, Б], где р(Т) - результирующее удельное электрическое сопротивление материала стенок тигля, п - кратность шлака, XV - теоретический удельный расход электроэнергии па топну металлического продукта, I - рабочий ток, Б - площадь токонесущего слоя стенок тигля, Т - температура в слое. Статистическая обработка большого числа экспериментов для фосфорных электропечей позволила рекомендовать для ориентировочного расчета следующее выражение: И^А-ХУ-к/Рэ [ом], где А - постоянный коэффициент (для рассмотренного диапазона технологических процессов значение Л

можно принимать равным 2500); к= у ; р - удельное электрическое со/ р

противление металлического продукта плавки; гк - удельное электрическое сопротивление жидкого феррофосфора; 1э - ток электрода; - удельный расход электроэнергии на тонну производимого продукта плавки.

Область шихтовой проводимости ванны электропечи включает большой объем рабочего пространства и в интегральной форме характеризуется сопротивлением шихты в промежутке между электродами (Яш) и между каждым электродом и токопроводящей стенкой (Кст). Эти области растекания тока в шихте определяют линейную проводимость между электродами и интегральное сопротивление ванны: 1/Д„ = 1/Л„ + 1 /Л1И. Процессы преобразования электрической энергии в тепловую в ванне электропечи протекают при ярко выраженной нелинейной зависимости удельной электропроводности шихты от температуры и, следовательно, от координат. Исследования этой области проводилось путем описания процессов уравнениями электродинамики с учетом неоднородности проводимости среды, задаваемой в виде функции координат.

Исходная система уравнений выбиралась с учетом представления сре-дьккак кусочно однородной при допущении, что в объеме ванны отсутствует влияние дугового промежутка и не проявляется явлеиие поверхностного эффекта. При этих условиях уравнения имеют вид:

ШЕ = 0; сН\>5 = (У, 5 = у-Е, (1)

где Е - напряженность электрического поля, 5 - плотность электрического тока, у - удельная электропроводность среды.

Интегрирование этой системы при условии у = у (х, у, г) приводит к нелинейному уравнению Лапласа, дающему решение задачи о распределении потенциала в электрическом поле

<Им[-у(х,у,2)^га<}<р(х,у,2)] = 0. (2)

Учитывая кусочно-однородный характер среды, уравнение (2) можно упростить:

di^i-gradq>) = У> = 0 . (3)

По вычисленному распределению потенциала на каждом отрезке рассчитывались параметры поля по выражениям:

Е = -grad<p\ 3 = уЕ\ ру = уЕг, (4)

где удельная объемная мощность.

Для однозначности расчетов электрического поля в ванне принималось, что поверхность электрода является эквипотенциальной поверхностью,

форма которой определялась уравнением {г/К} +(г/'"э) где

Гэ, Ьэ - радиус и заглубление электродов, а п = 2, 4, 6, 8. При этом учитывалось, что у печей для производства фосфора форма рабочего конца электрода близка к цилиндру со слегка скругленными концами (п = 6, 8), а для печей по производству карбида кальция - к полуэллипсоиду (п = 2, 4). Поверхность расплава принималась эквипотенциальной поверхностью и распределение потенциала на верхней границе шлака (плоскость г - 0) определялась выражением: дц>/дг = 0.

Для расчета электрического поля ванн РВП с электродами сложной формы использовался метод изображений. При этом электроды заменялись системой источников тока, состоящей из отдельных геометрических тел, параметры которых подбирались таким образом, чтобы в электрическом поле, созданном этими источниками, образовывались эквипотенциальные эллипсоидные поверхности. В результате структура расчета сводилась к задаче электрического поля системы эллипсоидов вращения в однородной среде (на каждом участке) между двумя параллельными проводящими поверхностями.

В результате решение уравнения (2) отыскивалось в виде:

= F0JrW ,

где F0 - функция, удовлетворяющая уравнению (2) и всем граничным условиям в однородной среде (у = const), a W - функция, учитывающая неоднородность среды и влияние боковых стенок ванны.

Подстановка (5) в (2) с учетом V2Fo = 0 дала уравнение, которому удовлетворяет рассматриваемая система

В работе получены значения обобщенных функций Бц и V/ для относительных координат.

Используя численное моделирование, были определены распределение потенциалов и напряженностей электрического поля, зависимость дифференциальных и интегральных сопротивлений ванны от заглубления электродов, диаметра электродов и распада электродов, от глубины ванны. Указанные зависимости получены для электропечей с одним электродом, для круглой трехэлектродиой и для кольцевой двенадцатиэлектродной электропечей.

Для формирования путей развития и концепций создания РВП высокой и сверхвысокой мощности был проведен анализ различных областей рабочего пространства. Было установлено, что независимо от форм рабочих концов и расположения электродов удельная объемная мощность ру в ванне распределена неравномерно. Наибольшее выделение мощности происходит вблизи поверхностей электродов и с удалением от их оси убывает. При этом, зона наибольшего выделения мощности при электроде в виде полуэллипса находится под его концом, а у электрода в виде цилиндра со слегка скругленными концами зоны наибольшего выделения мощности смещены в сторону торцов. Изменение формы рабочих концов электродов оказывает существенное влияние на распределение мощности лишь в непосредственной близости от их поверхностей. В межэлектродой области на расстоянии от поверхности электрода г > (0,65...0,7)с1э и на расстоянии от боковой поверхности электрода в сторону стенки ванны печи г > (0р6...0,65)с1э процессы преобразования энергии не зависят от подэлектродных зон. Было установлено, что размеры реакционных тиглей па уровне верхней границы уг-

di\[- y(x,y,z)-gradW (x,y,z)\ = = grad/(x,y,z)-gradF0(x,y,z).

(6)

1.3. Исследование рабочего пространства мощных и сверхмощных РВП.

леродистой зоны определяются минимальной удельной объемной мощностью и составляют для фосфорных электропечей ру = 0,25...0,35 Вт/см3 и для карбидных - ру = 0,4...0,5 Вт/см3.

Обработка результатов исследований позволила сконструировать выражение для расчета интегрального сопротивления ванны одноэлектродной электропечи - как базовой для теории процессов в РВИ. Это выражение имеет вид:

К, = 0,2 • (/г/#м)"/Уср' ¿э, (7)

где а = [0,237 - 0,0241п(с1э/Нш)], с!3 - диаметр электрода, Ь - расстояние от электрода до подины, Нэл - глубина заглубления электрода, Нш - глубина слоя шихты. Для расчетов сопротивлений многоэлектродных электропечей можно пользоваться выражением Я"3 =Кд-к , где к - коэффициент, зависящий от числа электродов, схемы их соединения и определяющий степень искажения электрического поля одиночного электрода при изменении начальных и граничных условий.

Принципиальной особенностью результатов анализа, проведенного при формировании подходов при создании мощных и сверхмощных РВП, состоит в том, что удалось показать прямую связь конструктивных геометрических размеров рабочего пространства (внутреннего диаметра ванны с1в, диаметра распада электродов с!р, диаметра электрода с]3( величины заглубления электрода Нэ и др.) с величинами самоустанавливающихся электрических сопротивлений Кл, Я,., и которые определяются прежде всего интегральным температурным полем в шихте. Рассматривая РВП как электротехнологический агрегат, было показано, что для создания оптимальных рабочих условий необходимо, чтобы исходная шихта имела максимальное усредненное удельное электрическое сопротивление при температурах, свойственных температурам областей рабочего пространства, лежащего за пределами диаметра распада электрода. Это положение позволяет оптимизировать рабочий процесс и обеспечить приоритетное протекание электрического тока, а, следовательно, и выделение вводимой мощности в подэлектродно.м пространстве. Обобщение результатов позволило сформулировать следующие выводы:

- для одноэлектродных электропечей максимальное сопротивление достигается при соотношениях диаметров электрода и ванны с18 > Зс1э;

- для трехэлектродных электропечей сопротивление ванны уменьшается по сравнению с одноэлектродными примерно на 10%;

- максимальное сопротивление ванны трехэлектродных электропечей наблюдается при соотношениях 2,6 < (с1р / с1э) < 3,2.

- для шестиэлектродной круглой электропечи максимальное сопротивление ванны обеспечивается при (с1()//с1э) > 3,5; при этом - наибольшее сопротивление обеспечивается при схеме соединения электроде а-г-Ь-х-с-у; при других схемах соединения электродов максимальное сопротивление снижается на 15...25%;

- для двепадцатиэлектродной кольцевой электропечи оптимальной схемой соединений является а^-Ь-х-с-у-а-г-Ь-х-с-у, максимальное сопротивление ванны обеспечивается при (с!р / с1э) > 8, а глубина ванны незначительно влияет на Я0.

Влияние различных схем соединения электродов на сопротивление ванны дополнительно к физико-математическому моделированию исследовалось на ламповой световой модели и на электролитических моделях трех-электродной, прямоугольной шестиэлектродной и двепадцатиэлектродной кольцевой печах. Получена удовлетворительная сходимость результатов исследований различными методами и подходами. Кроме этого, на электролитических моделях установлено, что оптимальная глубина ванны с учетом токопроводящих стенок составляет Н„ = (2...2,6)с1э, а рабочая зона заглубления электродов Нэл= (1,2...1,44)с1э.

Анализ проблемы увеличения рабочего напряжения на электродах РВП на основе изучения распределения объемных мощностей в различных зонах электропечей и самоустанавливающихся электрических сопротивлений Ид, 1£Т1 и 11ст показал, что наиболее реальными способами увеличения полезного напряжения является воздействие на сопротивления И,., И,,, и К(.т путем изменения исходных значений с последующей оптимизацией за счет методов ведения режима.

В связи с тем, что с увеличением ввода энергии будет наблюдаться увеличение диаметра тигля, так как его диаметр пропорционален квадрату тока электрода, сопротивление тигля Я, можно увеличить за счет перехода на производство сплава с меньшим содержанием металла ( см. уравнение для расчета Я,.), т.е. на высокопроцентные сплавы, для которых наибольший удельный расход электроэнергии \¥. Увеличение Я,, возможно также за счет ускоренного отвода образующегося металла из стенок тигля путем непрерывного слива или устройства копилышков. Этого же эффекта можно достичь за счет организации продувки стенок тигля газами через отверстие в электроде, т.е. разрыва сплошности стенок реакционного тигля и увеличения радиального теплового потока.

Межэлектродные сопротивления и Ист в значительно меньшей

степени влияют на интегральное сопротивление рабочего пространства. Однако и их можно повысить за счет применения высокоомных восстановителей, использованием кокса с большим количеством летучих составляющих, продувкой газов через шлак или даже путем создания в рабочем пространстве изолирующих перегородок. Как было установлено, на эти сопротивления большое влияние оказывают геометрические размеры ванны и диаметр распада электродов.

Перераспределение вводимой мощности в рабочем пространстве между отдельными зонами при увеличении рабочего тока оценивалось на основе следующей модели. Фосфорные электропечи имеют наименьшее количество восстанавливаемого продукта -фосфора. На основании экспериментально полученного активного электрического сопротивления ванны электропечи РКЗ-48Ф, равного 1,2-10-3 Ом, с учетом растекания тока, определялось сопротивление дуги. Это сопротивление оказалось равным 2-10-3 Ом. Используя доказанное положение, что сопротивление дугового промежутка для различных процессов имеют близкие значения, полученное значение сопротивления дуги использовалось для анализа энергораспределения в электропечи Миге, в которой процессы растекания в шихте значительно снижены и основной ток протекает через дугу (сопротивление Ид) и стенки тигля (сопротивление Г1т). Для количественной ориентации приведем экспериментальные значения: интегральное сопротивление ванны Кв=0,45-10-3 Ом, при сопротивлении дуги Кд=2-10~3 Ом сопротивление стенок тигля составляет 11т=0,58-10-3 Ом.

Базируясь на изложенном понимаиии протекания электротехнологических процессов в ваннах РВП, был проведен расчет составляющих, энергораспределения в трехэлектродных электропечах при изменении токов в электроде от 65 до 200 килоампер. Результаты расчетов приведены на рис.2. Расчеты проведены для производства ферросилиция марки ФС-45. Для ориентации и сравнения на этом же рисунке показаны результаты расчета для печи Миге. Сопоставительный расчет электропечей для выплавки ферросилиция с электропечами для производства фосфора показал, что сопротивление стенок тигля в фосфорной печи составляет около Нт=( 17...20>• 10 3 Ом, а сопротивление дуги - Кл=(2...4)-10-3 Ом.

Полученные результаты исследований позволили получить информационное ноле для принятия решений о выборе величины вторичных напряжений трансформаторов для различных технических решений РВП, включая варианты использования установок продольно-емкостной компенсации реактивной мощности электропечи.

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Рис. 2. Зависимость энергораспределения между зонами РВП от рабочего тока электрода (на примере ферросилиция 45 %)

2. Электротехнические и теплотехнические режимы работы самоспекающихся электродов

Проблема увеличения единичной мощности РВП связана с необходимостью создания нового узла ввода электрической энергии в рабочее пространство. Прямое увеличение диаметров самоспекающихся электродов наталкивалось на резкое снижение работоспособности, что вызывало необходимость решения ряда проблем: направленное улучшение качества исходного сырья для создания электродной массы, разработке и промышленного освоения режимов спекания электродов каждого типоразмера для конкретного технологического процесса, учета снижения активного сопротивления ванны с увеличением диаметра электрода и, следовательно, электротехнических показателей печной установки и допустимой плотности тока в электроде. Одновременно возникала проблема значительного увеличения массы электрода и электрододержателя, приводящая к удорожанию металлоконструкций печи и цеха в целом.

В трехфазной РВП с круглой ванной тепловое поле самоспекающегося электрода обеспечивает формование и коксование электродной массы, находящейся в металлическом кожухе электрода. Без принятия специальных комплексных мер тепловое поле электрода формируется как несимметрич-

ное. Было установлено, что для обеспечения надежности работы электрода необходимо соблюдать три условия:

1. Зона окончания обжига электродной массы, характеризуемая изотермой 800°С температурного поля электрода, должна находиться ориентировочно па уровне нижней трети высоты контактных щек.

2. Изотермы в зоне коксования электрода должны быть максимально симметричны.

3. Скорость перепуска электрода У,гер должна равняться скорости обжига Уобж так, чтобы Уггер = У0(-)ж. Если Упер < У0бж. то происходит перекоксование электрода в зоне контактных щек, ухудшается их электрический контакт с электродами, щеки преждевременно выходят из строя. Если Упер > Уобж. то электрод выходит из-под контактных щек "сырой" и появляется опасность его обрыва.

Первое и третье условия обеспечиваются формированием оптимального энергетического и расходно-технологического балансов электрода, а второе условие - асимметрия температурного поля, вызвано следующими факторами:

1. Эффектом близости электродов трехфазной системы токоподвода.

2. Неравномерными тепловыми условиями по периметру электрода. В печах полузакрытого типа это связано с тем, что у оси печи наблюдается более высокая температура газов, омывающих электрод.

3. Неравномерным распределением тока по элементам токоподвода (по гибкому кабелю и трубошннам). Конструктивное исполнение токоподвода обеспечивала неравномерность токораснределения по контактным щекам узла токоподвода.

При исследовании этой проблемы установлено, что с увеличением диаметра электрода все три фактора усугубляют асимметрию теплового поля электрода и изотерма начала коксования становится особо асимметрична.

Первый фактор - эффект близости электродов, при исследовании изучался одновременно с определением оптимальной плотности тока в электроде, обеспечивающей одну из приходных составляющих энергетического баланса электрода. Изучение закономерности влияния поверхностного эффекта позволило получить удобную для расчетов формулу для глубины проникновения: Д = 7,15-104Ср)1/2, где р - удельное электрическое сопротивление электродной массы (в зависимости от сорта составляет от 36-Ю"6 до 90-10"60м- м). Влияние поверхностного эффекта оценивалось изменением площади поперечного сечения электрода на величину: ДГ = к/- 2д)2, где с!э > 2-Д. Исследования эффекта близости показали, что это явление выяв-

ляется в смещении теплового потока в электроде в сторону соседнего электрода, имеющего отстающую на 120 электрических градусов фазу тока, что можно выразить отношением тепловых потоков с учетом <3 и без учета 0)<>

а - радиальный угол в сечении электрода. Для ориентировочных расчетов в диапазоне диаметров электродов 1200...1400 мм эффект близости можно оценить коэффициентом 1,05.

Анализ методов расчета плотности тока в блоке спеченного электрода показывает, что в большинстве случаев в этих методах используется задаваемая для конкретного технологического процесса плотность тока. Обобщение полученных результатов позволило сделать заключение, что для всех процессов и электропечей желательно выбирать электрод минимального диаметра, т.е. с максимально допустимой для данного диаметра плотностью тока. Отступление от этой закономерности с применением электрода большего диаметра, чем рекомендуется в настоящей работе, приводит к нарушению энергетического баланса в блоке электрода. Эго вызывает, в свою очередь, увеличение тепловых потоков через электрод и ухудшает спекание электрода. На основании сопоставления свойств угольных и сймоспскаю-щихся электродов и изучения оценок по формуле В.Келли, разработана формула расчета допустимой плотности тока в электроде:

где с1э - диаметр электрода. Численный коэффициент в этой формуле соответствует разработанной технологии и может зависеть от степени уплотнения и трамбовки электродной массы и может быть увеличен, например, дополнительной подпрессовкой во время спекания или за счет применения специальных блоков электродной массы большей плотности.

Изучение электросопротивления и механической прочности кожуха самоспскающегося электрода позволило сделать заключение об относительном постоянстве распределения тока в кожухе и блоке электрода. Это позволяет проводить их расчеты независимо. При этом получена формула для расчета минимальной толщины стенки кожуха с учетом его механической прочности: 5= 0,025-с!э2//3, мм.

Общий анализ результатов исследований позволил предложить выражение для расчета тока в электроде с учетом поверхностного эффекта, эффекта близости, физических свойств материала и способа его поднрессовки

влияния эффекта близости

в процессе спекания, а также с учетом доли тока, протекающей по кожуху электрода и ребрам:

Оптимизация процессов коксования электродов связана с двумя другими факторами, влияющими на асимметрию теплового поля. Одна из причин - неравномерное распределение тока по контактным щекам. Это связано не только с эффектом близости, т.е. электродинамическим стремлением тока к внутренней поверхности электродов относительно центра печи, но и с особенностями токоподводов РВП. При традиционной схеме токоподвода путь тока к внутренним щекам более короткий, чем к наружным (из-за необходимости приблизить гибкую часть токоподвода к центру печи). Кроме этого, сопротивления внутренних труб меньше наружных из-за частичной компенсации их реактивных сопротивлений проводниками соседних фаз. В работах соискателя показано, что задачи симметрирования теплового поля электродов и токовой нагрузки тесно связаны. Для достижения симметричного температурного поля зон самообжигающихся электродов необходимо токовую нагрузку по контактным щекам распределять так, чтобы наружные щеки были нагружены больше, чем внутренние. Установлено, что на токораспре-деление в основном влияет участок трубошин через собственную индуктивность и их взаимное расположение - через величину вносимой индуктивности. Проведенные работы показали, что изменяя длину труб, их количество и взаимное расположение, можно эффективно управлять токораспределени-ем но контактным щекам и обеспечить оптимальные условия обжига самоспекающихся электродов.

Сравнение вариантов экспериментального конструктивного исполнения контактного узла самоспекающихся электродов проводилось с использованием среднего по трем электродам коэффициента симметрии токовой нагрузки Кс=£1нар/Е1вн, где £1нар и 2Im, - сумма токов, протекающих по наружным и внутренним контактным щекам. Обследование промышленных электропечей показало, что на всех действующих печах Кс<1. Равномерность токовой нагрузки наблюдается при Кс = 1. Однако для компенсации двух других факторов, влияющих на температурное поле, целесообразно обеспечивать Кс>1. Приоритет введения этого коэффициента для анализа токораспределения по щекам принадлежит В.Г.Кущнареву, К.В.Филимоненко, И.П.Воропаеву, В.Л.Розснбергу, А.И.Алиферову и В.Л.Рабиновичу.

При разработке промышленных конструкций впервые наилучших результатов удалось получить на фосфорных электропечах путем разработки токоподвода, в котором гибкие кабели разведены под углом. Это позволило укоротить трубы, подводящие ток к наружным щекам, и ослабить компенсирующее влияние соседней плюс - фазы. Изложенное направление развития конструкций позволило обеспечить необходимое токораспределение с получением Кс>1. Впервые реализация этих положений осуществлена на электропечах РКЗ-48Ф, РКЗ-72Ф для производства желтого фосфора и печах РПЗ-48 для производства силикомарганца.

При создании этих электропечей на основе усовершенствованного метода расчетов определены параметры новых электропечей мощностью 33 и 63 MB-А для выплавки ферросплавов и 150 - 300 МВ-А для возгонки желтого фосфора. Особое место при создании этих электропечей было уделено исследованиям электрических и теплофизических аспектов работы самообжигающихся электродов, созданы математические модели самообжигающихся электродов для двух принципиально отличающихся процессов - шлакового (в бездуговом режиме) и бесшлакового (с мощной закрытой дугой). Выполненные на ЭВМ расчеты позволили определить условия разогрева при пуске и остановке электродов в период эксплуатации печей; вычислить значения силы тока и линейного перепуска электродов, обеспечивающие расположение зоны спекания электродов (изотермы 400...800°С) выше нижнего обреза контактных плит; сформулировать технические требования к качеству и свойствам электродных масс.

Особое место в проблемах создания самообжигающихся электродов занимают вопросы надежности работы, в том числе механическая прочность и ее снижение при появлении термических трещин. Наибольшие термические нагрузки, связанные с тепловыми ударами, возникают при охлаждении извлеченного из рабочего пространства электрода во время длительного простоя печи. Поверхностные слои электрода быстро охлаждаются и сжимаются, в то время как внутренние теряют тепло намного медленнее и препятствуют сжатию. В результате в поверхностных слоях электрода возникают касательные напряжения растяжения, а в центральных - силы сжатия. Таким образом, создаются условия нарушения механической прочности.

Термические напряжения зависят от величины температурного перепада по сечению, от степени нагрева и теплофизических свойств электрода. В общем виде критический перепад температур, который определяется по эмпирическому уравнению ДТкр = R-S-K, где S - коэффициент, учитывающий форму электрода, К - коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние теплопроводности материала на величину термических напря-

жений (при охлаждении на воздухе К = 0,1 см-°С/Вт); II - критерий термостойкости, который применительно к условиям нестационарного теплового потока равен 11= егр( В этом выражении сгр - предел механической прочности при разрыве (кГ/см2), р - коэффициент Пуассона, А. - коэффициент теплопроводности (Вт/см°С), Е - модуль Юнга (кг/см2), Ь - коэффициент термического расширения (1/°С).

Для цилиндрического электрода это уравнение имеет вид

ДТкр= 2-ар(1-р)-Я-К-1п(Ко/г)/Е-Ь[1-2г2-1п(г/К0)]/(Н02-г2).

На основе анализа полученных результатов исследований сформулированы технические требования к эксплуатации электродов. В частности, для предотвращения условий образования термических трещин необходимо тепловые потери через боковую поверхность сократить до минимума (утеплять электрод); предъявлять требования к электродной массе: увеличивать теплопроводность материала и максимальную термомеханическую стойкость в обожженной части (обеспечивается дополнительной прокалкой материала электрода (обожепной части) в зоне высоких температур). Это можно достичь тем, что перед отключением печи в течение 20-24 часов не производить очередного перепуска электрода.

Электродная масса удовлетворяет требованиям производства, если в процессе формирования и обжига из нее получается электрод, материал которого имеет низкие коэффициенты термического расширения и модуль Юнга, а также высокую механическую прочность и хорошую теплопроводность.

Путем анализа экспериментальных результатов исследований распределения температур в скоксованиом блоке электрода при разогреве печи после простоя установлено следующее: с увеличением плотности тока температура повышается при незначительном росте температурного перепада по его сечению; максимальный температурный перепад и максимальные термические напряжения в скоксозанном блоке электрода во время его разогрева возникают на уровне нижнего обреза контактных щек. Этот период начинает значительно развиваться только к концу 8 часа (1раб = 0,7...0,8 1ном); в первые 10 часов работы характер распределения температуры в электроде на уровне зоны контактных щек определяется теплом от прохождения тока. Центральные слои электрода нагреваются за счет теплопроводности от более горячих поверхностных слоев; квазистационарный режим разогрева электрода отмечается через 20...25 часов после включения печи под токовую нагрузку.

Динамика распределения температур в электроде в процессе его охлаждения при различных коэффициентах теплоотдачи на поверхности (aj = 50, с*2 = 25, a-¡ = 10 Вт/м2°С) показывает, что в первые часы охлаждения (1...8 ч) наблюдается режим, характеризующийся резким снижением температуры поверхности, в то время как центральные слои охлаждаются медленнее. Равномерное охлаждение начинается в конце 10-го часа после отключения печи. Максимальный температурный перепад по сечению электрода возникает к концу 7-го часа после начала охлаждения. Величина этого перепада не превышает перепады в электроде во время его разогрева и при работе в установившемся режиме, т.е. подтверждается теоретическое положение, что наиболее вероятное время образования термических трещин - режим охлаждения. Величина возникающего температурного перепада определяется коэффициентом теплоотдачи. Изменяя а, можно регулировать температурные перепады, а, следовательно, и термические напряжения в электроде.

Комплекс экспериментальных работ, проведенных при замене электродов диаметром 1200 мм на электроды диаметром 1400 мм на электропечах для производства ферросилиция позволил выявить определяющие причины особенностей эксплуатационных характеристик. Сравнение условий обжига электродов диаметрами 1200 и 1400 мм показало, что снижение плотности тока c. 5,52 до 4,35 А/см2 при близких значениях электрических параметров и линейного расхода электродов сопровождается значительным смещением зоны начала коксования. Асимметрия теплового пол я также увеличивается, что приводит к выходу неспеченной части электрода из контактного узла на участках, удаленных от центра печи. Сравнение тепловых нолей электродов показало, что увеличение мощности печи с 21 до 27 МВ-А благоприятно отразилось на условиях обжига электродов. Зона начала коксования несколько переместилась вверх вследствие увеличения плотности тока в электроде с 4,1...4,35 до 4,68...4,85 А/см2, расход электродов существенно не изменился, несмотря на то, что полезная мощность печи возросла с 15...17 до 20...22 МВт. Очевидно, это объясняется уменьшением отношения тока к полезному напряжению и увеличением процентного содержания углерода в шихте (т.е. управлением температурным распределением в ванне). Наклон изотерм также несколько уменьшился, что связано с обеспечением более равномерного распределения тока по щекам и более равномерным и интенсивным газовыделением из воронки.

При проведении экспериментальных работ исследовалась роль ребер и кожуха электрода. Испытания показали отрицательное влияние ребер на прочность электрода и поэтому предложен переход на безреберный кожух с зигованными кольцевыми канавками, позволяющими обеспечить сцепление кожуха и блока электрода.

С использованием полученных результатов произведены расчеты параметров системы ввода электрической энергии в рабочее пространство с использованием электродов диаметрами 1200...2400 мм. Результаты расчетов приведены иа рис.3.

Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении тока в электроде для этого диапазона диаметров в 2,5 раза масса электродо-держателей возрастает в 10 раз, а капитальные затраты возрастают в 15... 20 раз.

Эти данные имеют большое практическое значение. Они свидетельствуют о том, что при определенных токах, а следовательно, и мощностях печей технически и экономически целесообразно переходить на многоэлектродные схемы. Это обеспечивает при росте мощности электропечи снижение рабочих токов, что позволяет уменьшить диаметры электродов, увеличить сопротивление ванны, улучшить электрические характеристики печей и их экономические и экологические показатели. Этот вывод послужил основой для формирования предложений о направлениях создания сверхмощных РВП.

Л'.у.е.лл I, кл т, т

1200 1500 1800 2100 2400

Рис. 3. Сравнительные параметры самоспекающихся электродов в диапазоне диаметра от 1200 до 2400 мм. 1 - рабочий ток электрода ( / ); 2 - масса электрода с электрододержателем ( т ); 3 - удельные капитальные затраты на кА рабочего тока ( N ).

3. Практика создания мощных и сверхмощных рудовосстановительных электропечей

3■ 1- Выбор оптимальных конструктивных схем мощных и сверхмощных электропечей.

Одной из центральных проблем при разработке концепций развития мощных и сверхмощных РВП стояла задача определения оптимальной конструктивной схемы электропечей. Анализ преимуществ и недостатков различных путей развития РВП, установленных в исследованиях взаимосвязи отдельных фаз электропечей и принципов оптимизации выделяющихся мощностей приведенных в первом и втором разделах, привели к созданию новой конструктивной схемы, которая получила название кольцевой многоэлектродной электропечи. Конструкция такой РВП защищена авторскими свидетельствами и патентами и может быть представлена в виде прямоугольной электропечи, свернутой в кольцо, с расположением электродов вдоль осевой линии кольцевой ванны (рис.4). В результате проведенного технико-экономического анализа и сравнения различных конструктивных схем установлено, что при мощности 125-И50 МВА наиболее предпочтительным является применение кольцевых печей. Однако эти электропечи целесообразно применять и при меньших мощностях (40...60 МВ-А) для выплавки специальных сплавов, например, кристаллического кремния с графитированными или угольными электродами.

Молено выделить следующие преимущества многоэлектродных кольцевых печей:

по сравнению с круглыми трех- и шестиэлектродны-ми печами

- возможность использовать раздельное соединение электродов по однофазной двухэлектродной схеме, что позволяет повысить на 15% напряжение трансформатора и, следовательно, снизить реактивные потери;

- резкое снижение диаметра электрода (для той же мощности), уменьшение габаритов и массы электродного узла и использование доста-

Рис. 4. Кольцевая многоэлектродная электропечь

точно удачно отработанных и надежных конструкций электродов, электро-додержателей и контактных узлов;

- повышение фазного сопротивления ванны печи и электрического КПД,, что способствует снижению удельного расхода электроэнергии;

- возможность ремонта одного из электродов без отключения печи при использовании схемы с расщепленными фазами;

-обеспечить более равномерную нагрузку всего колошника и возможность увеличить на 50... 100% удельную мощность на подине;

- увеличение общего КПД печи за счет уменьшения доли токов, замыкающихся между электродами в верхних слоях ванны.

по сравнению с прямоугольными печами

-упрощение конструкции кожуха и повышение сто прочности;

обеспечение равномерного распределения мощности па подине (в отличие от трех однофазных активных зон в шестиэлектродных печах);

- снилсение реактивного и повышение активного сопротивления ванны, обеспечение большей прочности и работоспособности футеровки, возможность вращения ванны

К общим преимуществам относится возможность рациональной компоновки цеха с различным расположением аппаратов разливки, систем газоочистки и печных трансформаторов.

Основными недостатками разработанных кольцевых электропечей, по мнению ряда специалистов, является большое количество электродов, усложнение конструкции автоматических регуляторов мощности при расщепленной схеме включения, необходимость изменения традиционно сложившейся системы загрузки шихты и потребность в большем количестве леток для разливки продукта по всему периметру печи (или с двух противоположных сторон). Эти недостатки сформулированы дискуссионно на основе необходимости разработки новых концепций развития РВП и в большей мере были устранены при разработке институтом "Гипросталь" совместно с автором работы возможных планировок цехов с крупными кольцевыми печами мощностью 150... 180 МВ-А. Была установлена целесообразность строительства цехов "островного" типа, аналогично доменным цехам. При этом более рационально решаются вопросы организации транспортных потоков, подвода электроэнергии, размещения и обслуживания трансформаторов. Усложнение обслуживания печи, связанное с наличием большого количества электродов, оправдывается применением широко освоенных размеров электродов, возможность выхода из строя которых вместе с электродержателями минимальна по сравнению с новыми, более крупными. Экспериментальные исследования распределения мощности в кольцевой двенадцатиэлектродной печи показали, что наибольшая равномерность ее распределения достигается

при соединении электродов с фазами трансформаторов по схеме azbxcyazbxcy, а минимальная реактивность ванны при схеме abcxyzabcxyz .

Таким образом, экономически обоснованная тенденция роста единичных мощностей рудовосстановительных агрегатов должна привести к созданию кольцевых многоэлектродных электропечей, что при мощности 150...400 МВ-А требует совместных усилий специализированных организаций по проектированию цехов, электропечей, систем газоочистки и разливки сплавов.

Полученное широкое информационное поле позволило провести технико-экономическое сравнение различных конструктивных схем РВП. На рис. 5 показаны результаты расчетов зависимости удельных приведенных затрат от установленной мощности трансформаторов трех-, шести- и двена-дцатиэлектродных печей (на примере выплавки 45-процентного ферросилиция).

Анализ кривых показывает, что в диапазоне мощностей до 60...80 МВА неоспоримые преимущества имеет трехэлектродпая электропечь благодаря простоте конструкции и обслуживания. Шестиэлектродные электропечи могут применяться в диапазоне мощностей 60... 100 МВ-А. При более высоких значениях мощности неоспоримо технико-экономическое преимущество имеют двенадцатиэлектродные печи.

3.2. Предельные мощности РВП.

Рассмотренная концепция выбора конструктивной схемы РВП связана с обобщенным понятием предельной мощности конкретной схемы электропечи. Анализируя основные расчетные выражения для РВП: полезное

1

напряжение Unon~ С Р" и cosp = Jl - (Г л ■ х / j2, и электрические характеристики электропечей, было установлено, что с ростом мощности происходит заметное снижение естественного коэффициента мощности электропечи за счет более быстрого роста 1Л по сравнению с иф при относительном увеличении реактивного сопротивления х. Мощность созданных в настоящее время электропечей достигает такого уровня, что их естественный коэффициент мощности понизился до 0,55...0,6. Например, расчетный естественный коэффициент мощности электропечи РКЗ-ЗЗМ2 при выплавке ферросилиция на мощности 40 МВ-А составляет coscp=0,66; печи РКЗ-6ЭИ1 при работе на мощности 63 МВ-А составляет cos(p=0,61, при работе на мощности 80 МВ-А - cos<p=0,57. При работе на таких коэффициентах мощности, т.е. при работе на падающей части рабочей характеристики Рпол= f (I2), уменьшение тока печи, вызванное подъемом электрода или повышением сопротивления подэлектродного пространства, вызывает увеличение полезной

мощности, вводимой в электропечь, а увеличение тока, наоборот, сопровождается уменьшением полезной мощности. Это в значительной мере усложняет работу автоматических регуляторов, если такой режим реализовать на практике без применения искусственных приемов компенсации реактивного сопротивления печного контура. Кроме того, РВП является самыми мощными потребителями электрической энергии, и энергосистемы выставляют жесткие требования по снижению реактивной энергии, потребляемой из сети. Это приводит к необходимости поиска путей повышения коэффициента мощности РВП для снижения потерь электроэнергии в сетях.

Рис. 5. Зависимость удельных приведенных капитальных затрат (И - у.е/тонну) от мощности печи и количества электродов: 1 - трехэлектродная печь; 2 - шестиэлект-родная печь; 3 - двенадцатиэлектродная печь

В первом разделе настоящей работы указывалось, что при создании мощных и сверхмощных РВП уже были исчерпаны все возможности по оптимизации Кц, И,., 11ш и в том числе за счет технологических факторов. Это значит что коэффициент "С" и показатель степени "п" в уравнении для полезного напряжения изменить нельзя. Однако необходимо провести анализ возможного влияния на реактивное сопротивление электропечи. Выбор оптимальной схемы, геометрии, числа параллельно расположенных проводников в фазе коротких сетей позволяет обеспечить минимальное индуктивное сопротивление жесткой части короткой сети (6...9% общего реактивного сопротивления). Индуктивное сопротивление трансформатора (10...20%) также ограничено конструктивными и экономическими оптимизационными рамками. В то же время значительная часть (60...70%) реактивного сопро-

тивления составляют реактивные сопротивления гибкой части, электродо-держателя, ванны, электродов, которые практически невозможно изменить в сторону большей оптимизации. Таким образом, возможностей существенно влиять на реактивное сопротивление не имеется. Практически реактивные сопротивления печного контура для созданных отечественных круглых электропечей мощностью 16,5...80 МВ-А лежат в пределах 1,15-10 3...0,9-10"3 Ом.

Для оптимизационного поддержания технологического процесса работа электропечей должна обеспечиваться на восходящей ветви характеристики - /(а) с максимумом полезной мощности при coscp™" = 0,75...0,78. Следовательно, из-за наличия ограничений по рабочему току при конкретном иф без компенсации реактивного сопротивления появляется понятие предельных значений мощностей для различных процессов. Расчетные значения предельных мощностей РВП составляют:

- круглые электропечи для выплавки ферросилиция - 24...30 МВ-А (coscp = 0,78...0,82); 10...12 МВ-А (coscp = 0,88...0,92);

- круглые электропечи для выплавки ферромарганца - 13...16 МВ-А (coscp = 0,78...0,82); 6 МВ-А (coscp = 0,78...0,82);

- круглые и трехэлектродные прямоугольные для выплавки карбида кальция - 60...70 МВ-А (coscp = 0,78...0,82); 15...20 МВ-А

(coscp = 0,88...0,92).

Приведенные результаты являются составляющей частью при комплексном анализе принятия решений при выборе конструктивных схем электропечей и электрических схем их включения.

Технико-экономическая эффективность и ориентировочные зоны мощностей (с учетом компенсации реактивной мощности) для трех-, шести- и двенадцатиэлектродных электропечей для различных сплавов приведены на рис. 6: на этом же рисунке отмечены цифрами крупнейшие действующие электропечи для реализации рудовосстановителышх процессов в России, странах СНГ и за рубежом. Обозначение цифр на рисунке соответствует порядковому номеру электропечей в таблице.

Расширение зоны двенадцатиэлектродных электропечей в области сплавов с высоким удельным расходом электроэнергии объясняется необходимостью применения для этих.печей угольных или графитированных электродов, диаметры которых не превышают соответственно 1200 и 710 мм. Зона прямоугольных печей в области сплавов с малым расходом электроэнергии расширена в связи с необходимостью организации раздельного выпуска большого количества шлаков и металла, что удобнее делать в прямоугольной ванне.

IVуц, кет час/Т 15000

12500 10000 7500 5000 -2500 -

16

\ 13 •22

Круглые

Кольцевые

Прямоугольные

\ 5, МВА

О 10 20 }0 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Рис. 6. Диаграмма применения различных конструктивных схем РВП в зависимости от мощности (цифрами обозначены созданные и работающие печи в соответствии с порядковым номером таблицы)

3-3. Характеристика промышленных РВП, созданных в период с 1970 года.

Изложенные концепции развития РВП реализованы при создании отечественных электропечей, работающих в России, странах СНГ и за рубежом. Основные научные результаты подтверждены при создании, пуске в эксплуатацию и в период вывода на максимальную мощность первой отечественной мощной многоэлектродпой ферросплавной электропечи типа РГ13-48, приведенный на рис. 7. Первый год эксплуатации характеризовался неустойчивыми режимами работы с низкими технико-экономическими показателями.

Анализ, проведенный на основе разработанной теории, показал причины неудовлетворительной работы электропечей, связанные с наличием в рабочем пространстве неглубокой ванны и отсутствием устойчивой электрической связи подэлектродных областей. Основная доля мощности выделялась в промежутке между электродами (Нщ«!^), что вызывало перегрев ванны, вскипание шлака и определяло низкое интегральное активное сопротивление ванны.

2

п

М

40 Таблица

Эксплуатационные показатели рудно-термических электропечей

№ п/п Тип элек-тро-печи Основной продукт Установленная мощность тр-та, МВА Полная рабочая мощность печи, МВА Полезная рабочая мощность печи, МВт Рабочий ток в электроде, кА О) К С. ВЕ: л К * о) К з) ¡и ¡з-о \о Козффициентмощ-ности с учетом компенсации 2 о а 1—г Е§ Ё* ч т

1 РКО-10,5 Ферросили- 10,5 10,80 8,49 40,0 156,0 0,868 0,906

ций, 75 %

2 РКС-16,5 Ферросили- 16,5 17,75 12,74 57,0 180,0 0,807 0,888

ций, 75 %

3 РКС-20,0 Ферросилиц 20,0 16,8 13,48 33,0 183,0 0,900 0,873

ий, 75 %

4 РКЗ-40,0 Ферросилиц 40,0 40,0 32,54 106,0 217,4 0,928 0,877

ий, 65 %

5 РКЗ-80,0 Ферросили- 80,0 80,0 66,18 171,1 268,8 0,927 0,907

ций, 45 %

6 РКЗ-27,5 Ферросили- 27,5 27,4 23,52 79,8 198,7 0,95 0,901

ций, 25 %

7 РКО-16,5 Фсрросили- 16,5 18,97 13,52 63,3 173,0 0,800 0,891

кохром

8 РКО-16,5 Феррохром 16,5 16,85 13,11 54,5 178,5 0,852 0,910

9 РКО-14,0 Силикохром 13,95 12,99 9,71 46,0 163,0 0,856 0,870

10 РПО-И.О Ферромар- 11,15 10,25 6,83 42,0 141,0 0,796 0,836

ганец

И РКЗ-16,5 Силикомар- 16,5 17,29 13,45 53,4 187,0 0,858 0,907

анец

12 РКЗ-80 Силикомар- 80,0 80,0 66,78 101,2 263,5 0,92 0,907

гансц

13 РКО-15,0 Силикока- 15,07 13,22 8,15 57,0 134,0 0,735 0,841

льций

14 РПО-бОК Карбид 60,0 45,8 36,02 103,0 257,0 0,864 0,91

кальция

15 РКЗ-48Ф Форсфор 50,0 50,0 46,85 62,5 460,0 0,960 0,973

16 РКЗ-80Ф Форсфор 80,0 72,0 58,96 78,0 533,4 0,846 0,977

17 РКО-16,5 Нормальный 16,5 14,87 12,39 39,6 217,0 0,905 0,921

электроко-рунд

18 РПЗ-ЗО Медноникел 30,0 28,9 25,4 29,5 566,0 0,940 0,931

евый штейн

Рис.. 7. Закрытая ферросплавная электропечь РПЗ - 48 с прямоугольной ванной: 1 -кожух ванны; 2 -футеровка; 3 -электрододержатель; 4 -трансформатор; 5 -короткая сеть; 6-гидроподъемник; 7 - устройство для перепуска электродов; 8 - свод; 9 - аппарат для электропрожига леток.

Предложения соискателя, разработанные совместно со специалистами Никопольского ферросплавного завода, результаты моделирования и проведенные экспериментальные исследования позволили провести модернизацию первого варианта конструкции электропечи и вывести режимы в оптимальный диапазон. В результате увеличения глубины ванны до 4000 мм было обеспечено перераспределение выделяющейся мощности с созданием постоянного слоя металла на подине. Одновременно была изменена конструкция футеровки ванны, значительно повышена стойкость подины и стен. Измерения, проведенные специалистами ДМЕТИ, показали, что после модернизации температура шихты до глубины 2000 мм сохраняется на уровне 200°С и практически отсутствуют процессы протекания электрического тока через шихту. Это свидетельствует об оптимальном режиме работы печи. Пользуясь разработанной методикой оценки выделяющихся мощностей через сопротивления Г1д, 11Ш1 Я,-, было показано, что в новых рабочих режимах в дуговой части подэлектродного пространства выделяется 3200 кВт, в стенках реакционного тигля 3700 кВт и в промежутке между электродами 2100 кВт (на одном электроде). Была доказана реальная возможность увеличения мощности электропечи до 100 МВ-А.

В последующем эти принципы реализованы при создании всей серии отечественных мощных и сверхмощных РВП для производства кремнистых,

марганцевых и хромистых ферросплавов, желтого фосфора и ферроникеля. Базовые конструкции герметичной и открытой РВП приведены на рис. 8, 9.

Рис. 8. Герметичная руднотермиче-ская электропечь РКЗ-48ФМ1 для получения желтого фосфора: 1- шлаковая летка; 2- кожух ванны; 3- футеровка; 4- свод; 5- короткая сеть; 6-гидроподъмник; 7- механизм для перепуска электродов; 8- кожух самоспекающегося электрода; 9- электро-додержатель; 10- течки для шихты; 11- укрытие; 12- головка электродо-держателя; 13- феррофосфорная лет-

Рис. 9. Открытая ферросплавная электропечь РКО-27 с низким зонтом: 1- мехинизм вращения; 2-опорная плита механизма вращения; 3 - футеровка; 4 - кожух ванны; 5 - головка электрододержате-ля; 6 - низкий зонт; 7 - короткая сеть; 8-гидроподъемник; 9- устройство для перепуска электродов; 10 -кожух самоспекающегося электрода; 11 - трансформатор.

Заключение

Развитие теории рудовосстановительных электропечей на основе комплексного представления как аппаратурно-технологических комплексов, состоящих из технически сопряженных рабочих зон и отдельных узлов и определяющих основные физические процессы энергораспределений в рабочем пространстве, позволили создать серию мощных РВП широкого назначения. Созданные типы промышленных электротехнологических установок, находящиеся на уровне лучших образцом мировой техники, позволили решить общегосударственную проблему по созданию современного производства ферросилиция, феррохрома, силикохрома, силикомаргаица, силикокальция, карбида кальция, фосфора, элсктрокорупда и других продуктов. Проведенные комплексные работы позволили разработать оригинальные отечественные способы и конструкции, защищенные 99 авторскими свидетельствами и патентами.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Показано, что РВП является электротехнологическим комплексом, рабочий процесс в котором определяется технически сопряженными рабочими зонами и отдельными узлами, связанными энергетическими и материальными потоками, совместно определяющими эффективность и оптимальность протекания электротехнологических процессов.

2. Создание мощных и сверхмощных РВП широкого назначения возможно путем дифференцированного подхода к определению конструктивных схем электропечей в зависимости от установленной мощности. Показаны целесообразные области использования трехэлектродных круглых, шестиэлек-тродных прямоугольных и двенадцатиэлектродных кольцевых электропечей; определены возможные границы предельных мощностей для различных типов электропечей.

3. Анализ энергораспределений в различных зонах рабочего пространства РВП, установленные принципы оптимизации энерговыделений в подэлек-тродном пространстве (электрической дуге, тигле и околотигельной зоне) позволили обосновать нетрадиционные подходы к синтезу конструктивных схем РВП и создать принципиально новую конструкцию - двенадцатиэлек-тродную кольцевую электропечь. Анализ энергетического баланса отдельных рабочих зон РВП позволил создать детализованную физическую модель температурно-технологического процесса обобщенной электропечи и на основании выявленной принципиальной концепции - квазипостоянства температуры в реакционной зоне, обосновать выбор исходных параметров для синтеза мощных и сверхмощных РВП.

4. Впервые доказано, что маштабирование электротехнологических процессов и создание мощных и сверхмощных рудовосстановигельных комплексов возможно при наличии стабильной, закрытой, хорошо теплоизолированной дуги, обеспечивающей создание и самоподдержание квазистационарного электротехнологического пространства - реакционного электропроводящего тигля. Установлено, что за счет организации оптимальных соотношений материальных и энергетических потоков возможно обеспечить необходимое сочетание электросопротивлений стенки тигля и близлежащего пространства, включая процессы энерговыделения в промежутке между электродами отдельных фаз, между электродами и расплавом, а также между электродами и токопроводящей стенкой футеровки.

5. Выявлены качественные и количественные особенности и закономерности одновременно протекающих процессов энергораспрсдсления, тепломассопе-реноса и локализации химико-термических процессов в конкретных областях рабочего пространства; разработай метод расчетных оценок энсргорас-пределений с учетом нелинейности электрической и тепловой проводимостей шихты. Установлены причинные связи изменений эксплуатационных характеристик РВП от исходных параметров, заглублений электродов и конструктивных особенностей электропечей.

6. Показаны предельные технические возможности увеличения вводимой мощности в рабочее пространство РВП за счет увеличения рабочего напряжения. Впервые предложены, обоснованы и реализованы в промышленных масштабах конструктивно-технологические принципы создания мощных и сверхмощных РВП; выявлены и реализованы на промышленном оборудовании способы выведения электротехнологических многофазных рудовосста-новительных систем в квазистационарные режимы работы, обеспечивающие эффективную и оптимальную производительность с необходимым качеством получаемых продуктов.

7. Расчетным и экспериментальным путем выявлены закономерности, связывающие входные (рабочий ток и напряжение) и выходные параметры ру-довосстановительных систем (энергораспределение по отдельным зонам) при увеличении вводимой мощности и рабочего тока. Доказано, что основное увеличение доли вводимой мощности наблюдается в стенках тигля и эта зона совпадает с областью интенсивного протекания химико-технологических процессов.

8. Впервые показана физическая сущность полуэмперических критериев подобия рудовосстановительных систем нагрева, на основании которых проводились расчеты РВП. Это позволило провести обобщение существующих расчетных методик, выявить их общность и различие за счет дифференциа-

ции отдельных определяющих факторов и степени их влияния на протекающие процессы.

9. Впервые установлено, что различные по своему технологическому назначению и режимным параметрам рудовосстановительные процессы могут быть обобщены на основе единого подхода к анализу энергопотоков в рабочей зоне.

10. За счет комплексности научной постановки решена конструктивно-эксплуатационная задача создания узла ввода электрической энергии в рабочее пространство с использованием самоспекающихся электродов.

11. Совокупность научных результатов позволила развить теорию РВП, создать методологические основы проектирования, запуска в эксплуатацию и принципов поддержания в квазистационарных рабочих режимах; созданные мощные и сверхмощные отечественные РВП соответствуют мировому техническому уровню.

Содержание диссертационной работы изложено в 195 печатных работах, в том числе:

1. Попов А.Н. Руднотермические электропечи.// Электротехника,- 1975.-№2.-С. 17-20.

2. Попов А.Н., Рязанцев Л.А., Матюшенко В.И. Крупнейший комплекс печей РКЗ-48 для производства силикомарганца.// Электротермия: Научи.-техн. сб.-, М., 1976. Выи. 162,- С. 21-22.

3. Popov A.N., Rozenberg V.L. The results of high-power closed furnaccs operating and features of their design parameters and operating conditions./ Papers of the VHI-th International Congress on Electroheat, Liege, October 1115, 1976,- Section 1. Reduction, refining and melting processes, Ref. 8.

4. Altgauzen A.P., Berzin V.A., Borodachyov A.S., Popov A.N. Some Trends in the Development of Electrtrothermal Equipment for Ferrous Metallurgy./ Papers of the VIITth International Congress on Electroheat, Liege, October 11-15, 1976, Section VII. General problem, Ref.4.

5. Попов A.H., Пельц Б.Б., Белов В.И. Создание и освоение фосфорных печей РКЗ-72ФМ1// Электротермия: Научи.-техн. сб. - М., 1976. - Вып. 162, С. 20-21.

6. Микулинский А.С., Розенберг В.Л., Попов А.Н. и др. Определение основных параметров рудовосстановительных электропечей.// Исследование в области промышленного электронагрева: Тр. ВНИИЭТО,- М., 1976,- Вып. 8. - С. 95-97.

7. Попов А.Н., Розенберг В.Л., Миронов Ю.М. и др. Аналитический расчет электромагнитных полей// Исследования в области промышленного элек-

тронагрсва. Тр. ВНИИЭТО. -М.:, Энергоатомиздат, 1979. - Вып. 9. - С. 120-123.

8. Попов А.Н., Розснберг В.Л. Современные рудовосстановительные электропечи// Электротехника. - 1979. - № 8. С. 15-18.

9. Попов А.Н., Волохонский Л.А., Пельц Б.Б. и др. Электротермическое оборудование: Справочник/ Под общей редакцией А.П.Альтгаузена. - М.: Энергия, 1980, Разд. 9. Дуговые печи. С. 308-353.

10. Свенчанский А.Д., Жердев И.Т., Попов А.Н. и др. Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 296 с.

11. Попов А.Н., Боголюбов Г,Д., Розенберг В.Л. Тепло- и массообмен в ванне рудовосстановительной печи и расчет ее геометрических параметров. // Вопросы теплообмена в электротермических установках: Тр. ВНИИЭТО. - М., Энергоатомиздат: 1983. - С. 57.

12. Попов А.Н., Рабинович В.Л., Харченко В.А. Опыт создания и внедрения герметизированных электропечей РПЗ-бЗ: Тез. III Всесоюз. Науч.-техн. симпозиума "Параметры рудовосстановительных электропечей и совершенствование конструктивных элементов": - М.: Информэлектро, 1982.

13. Попов А.Н., Кузнецов Л.Н. Модернизация электропечи для выплавки синтетических шлаков// Электротермия: Научн.-техн. сб. - М., 1984, Вып. 262, - С. 20-23.

14. Попов А.Н., Кузнецов Л.М., Никулин A.A. Разновидности процесса плавки металлизированного материала и особенности конструкции применяемых электропечей.// Актуальные проблемы создания дуговых и рудно-термических электропечей: Сб. науч. тр. ВНИИЭТО. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 41-44.

15. Popov A. State of art and prospects of industrial application of low - temperature plasma in processes.. Papers of the 10-th International Congress on Electroheat, Stockholm (Sweden), 1984. - P.2.

16. Попов A.H., Волохонский Л.А. Роль электротермии в решении экологических проблем: Тез. докл. VIII Всесоюз. науч.-техн. совещания по электротермии и электротермическому оборудованию. - М.: Информэлектро, 1985.

17. Попов А.Н. Современные методы расчета электротехнологических параметров и анализа режимов работы РВП с применением аналитических расчетов: Тез. докл. VIII Всесоюз. науч.-техн. совещания по электротермии и электротермическому оборудованию. - М.: Информэлектро, 1985.

18. Попов А.Н., Никулин A.A., Ферштер Л.Н. Производство плавильного электротермического оборудования в Японии.// Информэлектро. - 1985, -Вып. 1. - С. 1-3.

19. Попов А.Н. Широкое внедерение электртермии - важнейшее направление энергосбережения.// Электротехника. - 1986. - № 3. - С. 2-5.

20. Попов А.Н. Основные принципы конструирования и расчета ферросплавных электропечей: Тез. докл. IV Всесоюз. науч.-техн. симпозиума "Параметры рудовосстановительных электропечей, совершенствование конструкционных элементов и проблемы управления процессами". - М.: Ин-формэлектро, 1987. - 2 с.

21. Попов А.Н., Розенберг В.Л. Направления развития электроснабжения и электрооборудования рудовосстановительных электропечей: Тез. докл. I Всесоюз. науч.-техн. симпозиума "Электроснабжение и электрооборудование дуговых электропечей". - М.: Информэлектро, 1988. - 2 с.

22. Попов А.Н., Игнатов И.И. Современные аналитические методы расчета электрических параметров электропечей с применением ЭВМ. Рудовосста-новительные электропечи: Тр. ВНИИЭТО. - М.: Энергоатомиздат, 1988. С. 41-45.

23. Popov A. Electricity and Electroheat in Comecon. Papers of the Xl-th International Congress on Electroheat. Malaga - Costa del Sol (Espana), 1988. P. 132-138.

24. Попов А.Н. Электротермическое оборудование и технология в настоящем и будущем.// Электротехника. - 1990. - № 1. - С, 20-26.

25. Popov A.N. Physical methods of Defining Parameters of Electric Furnaces with Submerged Arc. Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress, Nagoya (Japan), 1990. - Vol. 4, p. 172-179..

26. Попов A.H., Дрогин В.И. Электрическая дуга в мощных ферросплавных электропечах.// Электротехника. - 1992. - № 2. - С. 22-25.

27. Arc Furnaces D.C., Popov A.N., Krutjansky M.M. a.a. Proceedings of the International Conference " 21-st Century Steel Industry of Russsia and CIS". -Moscow, 1994. - Vol. 2. - P. 264-267

28. Попов A.H., Волохонский Л.А., Харламов И.Н. Использование инфраструктуры металлургических производств для решения экологических проблем с применением разработок АО "ВНИИЭТО": Тез. докл. III конгресса сталеплавильщиков. - М., 1995 - 2 с.

29. Попов А.Н., Волохонский Л.А. Использование электрометаллургических технологий для переработки твердых бытовых и промышленных отходов.// Сталь. - 1995. - № 9. - С. 69-71.

30. Попов А.Н., Нехамин С.М., Фридман М.А. и др. Руднотермические печи выпрямленного тока как ресурсосберегающие агрбгаты.// Электрометаллургия. - 19981. - С. 11-16.

31. Попов А.Н., Крутянский М.М., Долгов В.В., Филиппов А.К. Электродуговые печи постоянного тока.// Электрометаллургия. - 1998. - № 2. - С. 11-15.

32. Попов А.Н. Применение электротехнологии для решения муниципальных вопросов. Докл. Междунар. науч.-техн. конфр. "Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования". - СПб, 1998. - С. 222-230.

33. Patent of USA № 3950601, Elcctric furnace. A.N. Popov, L.S. Katsevich, V.L. Rosenberg. - 1976.

34. Patent of USA № 4388108, Method and apparatur for smelting charge materials in Electric arc furnace. A.N. Popov, V.L. Rosenberg, J.P. Bru kovsky a.a. - 1983.

35. Patentshrift № 2111504, Elektrolichtbogenofen. Popov A.N., Kazewitsch L.S., Rosenberg W.L. - 1974.

36. Patentshrift № 3035508, Schmclzverfahren fur ein Bcschickungsgut in einem Lichtbogenofen und Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens. A.N. Popov, W.L. Rosenberg, J.P. Brukovskij u.a. - 1982.

37. Utlegningsskrift № 132209, Elektrisk Lysbueovn. A.N. Popov, L.S. Katsevich, V.L. Rosenberg. - 1975.

38. Utlegningsskrift № 157240, Fremgang smate og apparat for a smelte charge-materiale i en elektrisk ovn. A.N. Popov, V.L. Rosenberg, J.P. Bruk-ovsky a.a.

39. Патент Италии № 931160. "Электрическая печь".

40. Patent Specification № 1557696. Electric discharge device. A.N. Popov, V.O. German, J.P. Kukota a.a.

41. Sweden patent № 440438, Forfarande och anordning for smalning av besk-iskning-smaterial i en elektrisk Ljuasbagsugn. A.N. Popov, V.L. Rosenberg, J.P. Brukovsky i.a. - 1985.

42. A.c. № 245159 (СССР) Руднотермическая электропечь.// Попов А.Н., Розенберг В.Л., Кацевич Л.С.// Открытия. Изобретения. - 1969.

43. A.c. № 254540 (СССР) Устройство для перепуска электродов электропечей./ Попов А.Н..// Открытия. Изобретения. - 1969.

44. A.c. № 272329 (СССР) Самоспекающийся электрод./ Попов А.Н.// Открытия. Изобретения. - 1969.

45. A.c. № 329215 (СССР) Самоспекающийся электрод./ Попов А.Н., Беленький Л.З., Розенберг В.Л. и др.// Открытия. Изобретения. - 1971.

46. A.c. № 444812 (СССР) Кольцевая многоэлектродиая рудовосстанови-тельная электропечь./ Попов А.Н., Розенберг В.Л. Логинов Г.А. и др.// Открытия. Изобретения. - 1974.

47. A.c. № 444811 (СССР) Рудовосстановительная дуговая электропечь./ Попов А.Н. Розенберг В.Л.// Открытия. Изобретения. - 1974.

48. A.c. № 458586 (СССР) Кольцевая рудовосстановительная электропечь./ Попов А.Н., Розенберг В.Л. Казанский В.В. и др.// Открытия. Изобретения. - 1975.

49. A.c. № 487288 (СССР) Дуговая рудовосстановительная электропечь./ Попов А.Н. Беленький Л.З., Розенберг В.Л. и др.// Открытия. Изобретения. - 1975.

50. A.c. № 562059 (СССР) Узел самоспекающегося электрода./ Попов А.Н., Беленький Л.З., Рязанцев Л.А. и др.// Открытия. Изобретения. - 1977.

51. A.c. № 661040 (СССР) Способ пуска в эксплуатацию рудовосстанови-тельной электропечи с самоспекающимися электродами./ Попов А.Н., Розенберг В.Л., Киселев А.М. и др.// Открытия. Изобретения. - 1979.

52. A.c. № 670788 (СССР) Рудовосстановительная электропечь./ Попов А.Н., Пельц Б.Б., Альжанов Г.М.// Открытия. Изобретения. - 1979.

53. A.c. № 712635 (.СССР) Футеровка рудовосстановительной электропечи./ Попов А.Н., Богомолов Г.Д., Мурашов В.Д. и др.// Открытия. Изобретения. - 1980.

54. A.c. № 719219 (СССР) Трехфазная руднотермическая электропечь./ Попов А.Н.// Открытия. Изобретения. - 1980.

55. A.c. № 795035 (СССР) Способ плавки в рудовосстановительной печи и устройство для его осуществления./ Попов А.Н., Рознеберг В.Л., Бруков-ский И.П. и др.// Открытия. Изобретения. - 1980.

56. A.c. № 811509 (СССР) Устройство для прижима контактных щек./ Попов А.Н., Пилюков Ю.Ф., Семенов Г.В. и др.// Открытия. Изобретения. -1981.

57. A.c. № 825664 (СССР) Способ загрузки материалов в руднотермиче-скую электропечь./ Попов А.Н., Микулинский A.C., Рязанцев Л.А. и др.// Открытия. Изобретения. - 1981.

58. A.c. № 839276 (СССР) Способ регулирования глубины погружения электродов в ванну руднотермической электропечи./ Попов А.Н., Капелянов В.Л., Ткач Г.Д. и др.// Открытия. Изобретения. - 1981.

59. A.c. № 852035 (СССР) Руднотермическая электропечь./ Попов А.Н. и др.// Открытия. Изобретения. - 1981.

60. A.c. № 852664 (СССР) Способ загрузки материалов в руднотермиче-скую электропечь./ Попов А.Н. и др.// Открытия. Изобретения. - 1981.

61. A.c. № 960510 (СССР) Ванна рудовосстановительной электропечи./ Попов А.Н., Боголюбов Г.Д., Розенберг В.Л. и др.// Открытия. Изобретения. -1982

62. A.c. № 1048666 (СССР) Способ получения плавленых гранулированных фосфатных удобрений./ Попов А.Н., Дятлов В.И., Рябов Ю.В.// Открытия. Изобретения. - 1983.

63. A.c. № 1081811 (СССР) Электрододержатель дуговой руднотермической печи./ Попов А.Н., Беленький Л.З., Рязанцев Л.А. и др.// Открытия. Изобретения. - 1984.

64. A.c. № 1102196 (СССР) Способ получения плавленых фосфатных удобрений./ Попов А.Н., Вербунович H.H., Дятлов В.И. и др.// Открытия. Изобретения. - 1984.

65. A.c. № 1132644 (СССР) Руднотермическая печь./ Попов А.Н., Фролов Ю.Ф., Серов Г.В. и др.// Открытия. Изобретения. - 1984.

66. A.c. № 1422769 (СССР) Электродуговая открытая рудовосстановитель-ная лечь и способ ее эксплуатации./ Попов А.Н.// Открытия. Изобретения. -1989.

67. A.c. № 425034 (СССР) Устройство для обдува днища ванны дуговой печи./ Попов А.Н., Беленький Л.З., Ильинский Д.И. и др.// Открытия. Изобретения. - 1974.

68. Патент № 2088674 (РФ) Способ ведения плавки в трехэлектродной дуговой печи./ Попов А.Н., Бершицкий И.М., Курлыкин В.Н., Никулин A.A.// Открытия. Изобретения. - 1995.

69. Патент № 2100701 (РФ) Топочное устройство./ Попов А.Н., Волохон-ский Л.А., Киссельман М.А. и др.// Открытия. Изобретения. - 1997.

70. Патент N° 2104445 (РФ) Способ термической переработки отходов./ Попов А.Н., Волохонский Л.А., Киссельман М.А. и др.// Открытия. Изобретения. - 1998.

- г ■ ^ ^ / I/ с>

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

на правах рукописи УДК 621. 365. 2

Попов Александр Николаевич

Разработка основ теории, исследование и создание рудовосстановительных электропечей

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

3)

РОССИЙСКАЯ /ОСУД Л РСТВЗД

библиогсяд""

э

Ц - 99

Официальные оппоненты:

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

- доктор технических наук, профессор

- доктор технических наук, профессор

Васильев А. С. Саломатов В.В. Ибраев Ш.Ш.

Ведущая организация: ОАО "СКБ Сибэлектротерм"

Защита состоится

Л-

на заседании диссертацион-

ного совета Д 063.34.09 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу. 630092, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20.

С диссертацией в виде научного док Новосибирского государств' Диссертация в виде нау

:ло ознакомиться в библиотеке ; "рситета.

^Х/ 1998г

Щ

% Г

Ученый секретарь диссертационного совета

И. Алиферов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В 70 - е годы у нас в стране и в высокоразвитых зарубежных странах возникла необходимость создания нового поколения оборудования для осуществления рудовосстановительных и руднотермических процессов широкого назначения, включая термохимические и сплавные процессы.

В этот период в нашей стране уже существовали открытые ферросплавные электропечи, рудовосстановительные (термохимические) для производства фосфора, карбида кальция и др. материалов с единичной мощностью до 24000 кВА. Особенности развития этого направления техники, относящейся к самым мощным преобразователям электрической энергии в тепловую с последующей реализацией различных термохимических реакций с получением готового продукта через расплавы, определялся во многом эмпирическим характером создания промышленного оборудования. Отсутствие общего теоретического подхода к анализу электротехнологических процессов, ярко выраженная многофакторность и нелинейность электрических и технологических режимов, отсутствие методов расчетной оценки тепловых полей, неоднозначность понимания принципов оптимизации рабочих условий осуществления технологий не позволяли однозначно перенести опыт создания и эксплуатации старой серии рудовосстановительного оборудования на проектирование новых высокопроизводительных и мощных агрегатов.

Очевидное, на первый взгляд, разнообразие технологических процессов и вызванные этим классификационные признаки каждого отдельного процесса, не позволяли сформировать общий взгляд на этот класс электротехнологического оборудования. Такое состояние научного обобщения вступало в противоречие с накопленным практическим опытом, вызывало необходимость разработки новых концептуальных подходов и решений, которые позволили бы перейти на принципиально новый уровень техники как по производительности, так и по электротехнологическим параметрам оборудования. Это и определило, в основном, актуальность, необходимость выполнения работы и направленность ее содержания.

Следует особо подчеркнуть настоятельную необходимость, важность и глобальность развития рассматриваемого технического направления для промышленности любой страны, в том числе и нашей. Крупномасштабное ру'дэвосстановительное производство определяет уровень индустриализации ■тяйственной деятельности в целом, является прямым и косвенным показа--м развития отечественной техники и ее потенциальных возможностей. \ нический уровень и масштабность этого производства во многом опреде-

ляет и развитие последующих технологических процессов и оборудования для получения материалов и продукции химических производств.

В излагаемом научном докладе приводятся в обобщенном виде результаты научной и практической деятельности автора в области создания отечественного рудовосстановительного оборудования, включая новое поколение открытых и закрытых электропечей для производства ферросплавов, фосфора, силикомарганца, карбида кальция, силикокальция, нормального электрокорунда, медноникелевого штейна и др.

Целью работы является разработка теории и создание высокоэффективных рудовосстановительных электропечей - аппаратурно-технологических комплексов, состоящих из технически сопряженных рабочих зон и отдельных узлов, связанных энергетическими и материальными потоками и предназначенными для производства широкого класса продуктов. В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача: в теоретическом плане - создание обобщенной теории протекания электротехнологических процессов, выявление влияния интегральных и отдельных составляющих энергетических потоков на формирование температурных и технологических зон, принципов оптимизации рабочих режимов и поддержания их в квазистационарном состоянии; в экспериментальном плане -разработка, исследование и реализация электротехнологического оборудования нового поколения; обеспечение его работоспособности; разработка мощных и сверхмощных рудовосстановительных промышленных электропечей широкого назначения мощностью до 125 ООО кВА.

Главные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы разработки технических решений и электротехнологических схем рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих увеличение единичной мощности печных установок; результаты определения возможных границ предельных мощностей для различных типов электропечей.

2. Основы теории, комплекс электротехнологических моделей рабочих процессов в рудовосстановительных электропечах; теория и практика обеспечения стабильности энергетических потокораспределений.

3. Совокупность теоретических и экспериментальных исследований выбора исходных параметров систем электропитания рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих совместно с системами оптимального управления процессом плавки возможность осуществления рабочих процессов при высоких и сверхвысоких мощностях в квазистационарных режимах.

4. Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований, обеспечивающих выбор исходных технических требований и принципов конструктивного исполнения узлов ввода электрической энергии в рабочее пространство электропечей - систем самоспекающихся электродов.

5. Результаты создания и промышленного освоения электротехнологических комплексов - рудовосстановительных электропечей для производства ферросплавов, силикоалюминия, фосфора и др.

Научная значимость и новизна результатов работы состоит в том, что выполнен комплекс научных и прикладных работ, обеспечивающих создание и развитие мощных (до 125000 кВА) рудовосстановительных комплексов и систем, включая формирование основных концепций выбора исходных параметров электропечей, режимов работы оборудования и принципов обеспечения квазистационарности тепловых и технологических условий в рабочем пространстве, поддержание этих режимов при оптимальных соотношениях энергораспределения в рабочих зонах многофазных систем преобразования энергии. При этом впервые показано, что масштабирование процессов и создание мощных и сверхмощных рудовосстановительных комплексов прежде всего возможно при наличии стабильной закрытой теплоизолированной дуги, обеспечивающей создание и поддержание квазистационарного электротехнологического пространства - реакционного электропроводящего тигля. Установлено, что за счет организации оптимальных соотношений материальных и энергетических потоков возможно обеспечить необходимое сочетание электросопротивлений стенок реакционного тигля и близлежащего пространства, включая процессы энерговыделения в промежутке между электродами отдельных фаз, между электродами и расплавом, а также между электродами и токопроводящей стенкой футеровки.

На основе физических и математических моделей выявлены качественные и количественные особенности и закономерности одновременно протекающих процессов энергораспределения, тепло-мас.сопереноса и локализации химико - термических процессов в конкретных областях рабочего пространства; предложен метод вычисления энергораспределений в сложной электротехнологической системе с учетом нелинейности электрической и тепловой проводимостей шихты и, следовательно, изменения токораспределе-ний между различными областями рабочих зон при больших температурных градиентах. Установлены причинные связи изменения эксплуатационных характеристик различных типов рудовосстановительных электропечей от значений исходных параметров, заглублений электродов и конструктивных особенностей электропечей. Полученные результаты позволяют сформулировать технологам исходные требования к гранулометрическим параметрам шихты, ее электропроводности и составу.

Теоретически и экспериментально показана эффективность и техническая возможность увеличения вводимой мощности в рабочее пространство за счет увеличения рабочего напряжения. Впервые предложены, обоснованы и реализованы в промышленных масштабах конструктивно - технологические принципы создания мощных и сверхмощных электротехнологических рудо-

восстановительных комплексов. При этом выявлены и реализованы на промышленном оборудовании способы выведения электротехнологических многофазных рудовосстановительных систем в квазистационарные режимы работы, обеспечивающие эффективную и оптимальную производительность с необходимым качеством получаемых продуктов; получены математические модели, связывающие входные (рабочий ток и напряжение) и выходные параметры рудовосстановительных систем (энергораспределение по отдельным зонам) при увеличении вводимой мощности и рабочего тока. Доказано, что основное увеличение доли вводимой мощности наблюдается в стенках тигля и эта зона совпадает с областью интенсивного протекания химико - технологических процессов. Впервые показана физическая сущность полуэмпирических критериев подобия рассматриваемых систем нагрева, на основании которых проводились расчеты рудовосстановительных электропечей; это позволило провести обобщение существовавших расчетных методик, выявить их общность и различия за счет дифференциации отдельных определяющих факторов и степени их влияния на протекающие электротехнологические процессы. При этом впервые установлено, что различные по своему технологическому назначению и режимным параметрам рудовосстановительные процессы могут быть обобщены на основе единого подхода к анализу энергопотоков в рабочей зоне многофазных систем введения электроэнергии электродными группами. Теоретически и экспериментально доказана прямая связь режимных параметров различных электротехнологических рудовосстановительных систем (зависимость энергораспределения от интегрального рабочего тока) и выявлен характер этой связи с установившимся режимом оптимальной работы, обеспечивающей эффективность химико - технологических реакций. Разработан инженерный метод расчета конструктивно - режимных параметров оборудования, на основе которого создана серия отечественных рудовосстановительных электротехнологических комплексов различного назначения.

За счет комплексности научной постановки с положительным результатом решена одна из центральных задач по созданию конструкций мощных и сверхмощных систем нагрева рассматриваемого типа - исследованы электротехнические и теплотехнические режимы работы самоспекающихся электродов, обеспечивающих введение мощности в рабочую зону; на основании комплекса полученных научных результатов и обобщения опыта эксплуатации ранее созданных конструкций разработаны концепции выбора количества электродов (трехэлектродная. шестиэлектродная или многоэлектродная системы электропечей), созданы методы расчетной оценки конкретного самоспекающегося электрода с учетом особенностей токораспределения и критерия термостойкости; определены пути развития различных конструкций рудовосстановительных электропечей для различных химико-технологичес-

ких процессов и уровня мощности (производительности), для которых необходимо создание нового типоразмера оборудования.

Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования новой серии отечественных рудовосстанови-тельных комплексов, принципов их запуска в рабочие режимы и технико-технологических требований для устойчивой эксплуатации.

Методика проведения исследований. Основные результаты выполненной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчетов рудовосстановительных электропечей, физического моделирования, теории подобия, современных экспериментальных методов диагностики электротехнических, теплофизических и химико-термических процессов. Достоверность методов и результатов работы проверялась путем параллельного расчета научно-инженерными методами и экспериментальной проверкой на физических моделях и промышленных электропечах.

Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила решить крупную научно-техническую задачу по созданию нового поколения высокоэффективного промышленного электротехнологического оборудования для получения различных продуктов методами рудовосстано-вительной электротермии; предложить ряд новых технических способов и устройств, направленных на дальнейшее совершенствование и развитие рудовосстановительных комплексов и систем; разработать принципиально новые конструкции химико-технологических промышленных агрегатов, находящихся на уровне лучших мировых образцов современной техники; создать инженерные методы расчетов разработанных электротермических установок.

Реализация результатов работы в промышленности

осуществлялась в рамках государственных программ развития рудовосста-новительной электротермии силами ВНИИЭТО в содружестве с рядом технологических организаций, заводов - изготовителей и предприятий, на которых устанавливалось новое оборудование. Созданные типы промышленных рудовосстановительных комплексов находятся на уровне лучших мировых образцов современной техники. На новые технологические решения и возможные пути развития рудовосстановительных электропечей получено 90 авторских свидетельств и 9 патентов в заинтересованных странах - США, ФРГ, Норвегии, Италии, Великобритании, Швеции. Высокий технический уровень разработок подтверждается поставкой шести электропечей на экспорт в Индию (4 электропечи РКЗ-16,5 для производства силикомарганца, карбида кальция и ферросилиция, 2 электропечи РКЗ-24 для производства ферросилиция),

По заключению специалистов фирм, эксплуатирующих оборудование, электропечи обеспечивают успешную работу в диапазонах рабочих режимов, предусмотренных паспортными характеристиками.

Разработанные рудовосстановительные электропечи успешно работают на Челябинском металлургическом комбинате (РКЗ-7,5; РКЗ-16,5; РКЗ-24), Никопольском заводе ферросплавов (РПЗ-48, РПЗ-бЗ), Запорожском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Стахановском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Кузнецком заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Ермаковском заводе ферросплавов (РКЗ-48), Чимкентском заводе фосфорных солей (РКЗ-48Ф), Джамбульском фосфорном заводе (РКЗ-48Ф), Новоджамбуль-ском фосфорном заводе (РКЗ-72Ф), Побужском никелевом заводе (ОКБ-767). Созданное рудовосстаяовителыюе оборудование в основном определило развитие отечественной черной металлургии и отдельных отраслей химических производств.

Результаты настоящих исследований в полной мере вошли в учебник для вузов "Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева", М.: Энергоиздат, 1981 г.,.который используется для подготовки инженерных кадров по специальности "Электротехнологические установки и системы" в Московском энергетическом институте, Санкт-Петербургском электротехническом университете, Новосибирском государственном техническом университете, Чувашском государственном университете, Алма-Атинском электротехническом институте и других 'вузах России и СНГ. Полученные результаты получили развитие в шести диссертациях на соискание ученой степени кандидатов технических наук, подготовленных под руководством автора диссертации.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 18 научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в том числе на 9 международных и 8 Всесоюзных: VIII Международном конгрессе по электротермии (Бельгия, 1976 г.); Международном конгрессе по металлургии (Австрия, 1980 г.); IX Международном конгре