автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Теория теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ .В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

МАКАРОВ АНАТОЛИЯ НИКОЛАЕВИЧ

ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ ДЛЯ ПЛАВКИ СТАЛИ

Специальность:05.09.10- электротермические процессы

и установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Р Г 5 ОД

На правах рукописи

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук профессор Васильев A.C.

доктор технических наук профессор Рубцов В.П. доктор технических наук профессор Чередниченко B.C.

ведущая организация— АО ВНИИЭТО

Защита состоится " 17 "_февраля__1995 г. в ^ часов ЗА«**

на заседании диссертационного совета 1 063.36.01 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им.В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: Санкт-Петербург, 197376, ул.Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " Но.яб'кЛ. 1994 г.

Учений секретарь диооертационного совета

Демидович В.Б.

Актуальность проблемы. В настояшее время развитые страны продолжают наращивать производство электростали, доля которой достиг- 1 ла в западных старнах 28-30% от общего производства стали. Рост выплавки стали в электропечах объясняется тем, что прочностные характеристики электростали выше, чем мартеновской и конверторной. Сортамент марок качественных сталей, полученных в электропечах, значительно шире. Мартеновское производство по капитальным и эксплуатационным затратам на современном этапе не выдерживает конкуренции с электросталеплавильным и конверторным производствами и во всех развитых странах; в том числе и в Российской Федерации, сокращается, а электросталеплавильное производство расширяется.

Дуговая сталеплавильная печь является электротепловым металлургическим агрегатом, вся вводимая в печь электроэнергия преобразуется в тепловую энергию в электрических дугах и расходуется на расплавление и нагрев металла, оплавление футеровки и тепловые потери через футеровку и уносимые охлаждавшей водой и газом. Распределение тепловой энергии в печи полностью определяется электрическими и геометрическими параметрами дуги, поэтому для анализа процессов распределения тепловой энергии необходимо рассматривать не только "электрическую дугу", но и "тепловую дугу", то есть рассматривать явление в комплексе как дуговой электротепловой преобразователь энергии в электропечах для плавки стали. .

Анализ истории развития электропечей для плавки стали показывает опережавшее развитие электротехнического и отставание теплотехнического обеспечения электропечей, как материального, так и теоретического. Такая диспропорция вызвана тем, что датчики и приборы контроля электрических параметров работает в благоприятных условиях, имеют значительный срок службы, дают непрерывную информацию, что позволило создать многолетнюю базу для совершенствования практического и теоретического обеспечения слектрогехнической части электропечей. Методика расчета оптимальных электрических режимов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) совершенствовалась, развивалась вместе с ДСП с 20-х годов и к настоящему времени приняла законченный вид. Методика состоит из ряда формул, позволявших рассчитать и построить электрические характеристики ДСП и выбрать оптимальный электрический режим.

Датчики контроля тепловых параметров работают в условиях высоких теипоратур в парах металлов, срок их службы-чрезвычайно мал,

информацию передают эпизодически, поэтому за многолетний опыт эксплуатации электропечей била собрана гесьма скудная, зачастую локальная информация о тепловых параметрах в рабочем пространстве электропечей. Методика расчета оптимальных тепловых режимов ЛСП отсутствовала.

Сложность экспериментального познания процессов электротеплового преобразования и распределения онэргии, процессов теплообмена, отсутствие методики расчета теплообмена в дуговых печах для плавки стали приводило к сдерживании дальнейиего прогресса элект-ропечестроения для плавки стали. Не имело научного объяснения,была не понятно происхождение и протекание в электропечах ряда физических явлений: образование "горячих пятен" на футеровке стен ; максимальный износ свода в центральной части, где футеровка экранирована электродами от излучения дуг ; неравномерность температур металла по периметру, неравномерное расплавление шихты на откосах; обвалы шихты в печах с короткими дугами и вызванные ими колебания напряжения сети, сказывающиеся на питании других электроприемников ; отсутствие обвалов, стабильный электрический режим в печах с длинными дугами и другие явления. Не зная причин возникновения и протекания явления, нельзя на него воздействовать, управлять физическим явлением, устранять его орицательное влияние. Объяснение данных явлений возможно только на основе синтеза накопленных знаний в форме научной теории и использования математичебкого аппарата теории для исследования электротепловых процессов, происходящих в электропечах для плавки стали.

Цель работы. Разработать теорию теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали, на основе которой дать научное объяснение физическим явлениям, происходящим в рабочем пространстве печей, установить закономерности между электрическими, геометрическими и тепловыми параметрами дуг и поверхностей теплообмена с целью совершенствования конструкций создаваемых печей, оптимизации электротепловых режимов работы действующих печей.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются дуговые электропечи для плавки стали с футерованными ванной и откосами, водоохлаждаемыми и футерованными стенами и сводами, емкостью по жидкому металлу от 0,5 до 2иО тонн: дуговые сталеплавильные печи трехфазного тока (ДСГГШ, дуговые сталеплавильные печи

постоянного тока (ЛСППТ), дуговые сталеплавильные печи постоянного тока с полым электродом и газом, вдуваемый через полость для стабилизации горения дуги (ДСППТПЭГ;,, .плагменно-дуговые сталеплавильные печи постоянного тока (Щ.СППГ.), плазменн'о-дуговые сталеплавильные печи трехфазного тока(ПяСПТТ).

При проведении теоретических исследований для отыскания функций, связывающих электрические, тепловие и геометрические параметры электрических дуг и пространственное положение плоскостей, воспринимающих излучение дуг, использованы методы интегрального исчисления. После нахождения функций, характеризующих тепловое излучение электрических дуг на поверхности при всем многообразии пространственного положения дуг и поверхностей теплообмена, пользовались методами математического моделирования на ЭВМ теплообмена излучением в электропечах всего их номенклатурного ряда. Определение геометрических размеров углубления, создаваемого дуговыми электротепловыми преобразователями в жидком металле в результате электродинамического воздействия, а также определение пространственного положения дуг переменного тока проведено графоаналитическим методом. При проведении экспериментальных исследований испольэованн методы статистического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана геометрическая модель дуги переменного тока и углубления, создаваемого ею в металле в рез^'льтате электродинамического воздействия;

- разработан графоаналитический метод определения угла, характеризующего электромагнитное выдувание дуги;

- обоснованы модели дуг печей ДСПТТ, ДСППТПЭГ, ПДСППТ, ГШСЛТТ, представляющие собой каналы цилиндрической формы, теплоотдача от которых осуществляется преимущественно излучением, все многообразие. электропечей и моделей их дуг синтезированы в два вида: электропечи для плавки стали с короткими дугами и электропечи для плавки стали с длинными дугами;

- разработаны математические модели распределения мощности дуг в электропечах для плавки стали с короткими и длинными дугами;

- разработан графоаналитический метод определения средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности стен, свода, металла ;

- разработана методика расчета теплообмена излучением в дуговых

- и -

печах для плавки стали ;

- разработан графоаналитический метод расчета теплопередачи через многослойные огнеупорные стены электропечей;

- разработаны условия оптимизации электропечей для плавки стали в открытые и аакрытые периоды плавки стали;

Практическая ценность выполненного исследования состоит:

в практических рекомендациях, расчетных процедурах и формулах, позволяющих осуществлять проектный анализ всего многообразия вариантов плавильных электропечей различной конфигурации и выбирать оптимальный вариант;

- в адекватности математического моделирования электротепловых процессов реальным процессам преобразования и распределения энергии' в электропечах и возможности анализа различных электрических режимов на распределение тепловой энергии во внутрипечном пространстве, выбора оптимального электротеплового режима для данного периода плавки, данной ступени напряжения ;

- в том, что установлено определяющее влияние на износ сводов электропечей для правки стали излучения раскаленных электродов;

- в том, что установлена форма колодцев, образованных длинными и короткими дугами в шихте и причины обвалов шихты в печах с короткими дугами и отсутствие обвалов шихты в печах с длинными дугами ;

- в том, что разработанное математическое моделирование электротепловых процессов в электропечах для плавки стали позволяет отказаться от сложного, трудоемкого, обладающего значительной по-греаностью, светового и физического моделирования, дает возможность

. пользователям с помощью персональной ЭВМ или программируемого калькулятора анализировать распределение мощности во внутрипечном пространстве при любом изменении конструкций и электрических режимов электропечей ;

- ь исследовании с помощью математического аппарата теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали ранее необъяснимых физических явлений, изучении их, раскрытии закономерностей возникновения и протекания явлений;

- в использовании ряда теоретических и методических положений дисоертации в программах и учебно-методических лособиял вузов при подготовке специалистов-электротермистов, металлургов, теплоэнергетиков.

Реализация результатов работы. Теория теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали передана в виде ряда методик и методов расчета головному объединению Сибэлектротерм по проектированию и изготовлению дуговых сталеплавильных цечей емкостью 12, 25, 50, 100, 150, 200 тонн и руднотермичзских печей, где используется в настоящее время при проектировании дуговых сталеплавильных и руднотермичзских печей. Разработанная методика расчета теплообмена излучением в дуговых сталеплавильных печах была использована в АО "ОКБ Сибэлектротерм" при техническом и рабочем проектировании дуговых сталеплавильных печей типа ДСП-25Н2, ДСП-50ИЭ, ДСП-80И1. Применение методики позволило наиболее рационально выполнить геометрию рабочего пространства ДСП и выбрать надежные материалы стен и свода. Фактический экономический эффзкт от внедрения методики составил 531 тысячу рублей в ценах первого квартала 1993 года. Практические рекомендации, расчетные процедуры, формулы, полученные при разработке диссертационной работы, используются при повышении квалификации инженеров-конструкторов в"СКБ Сибэлектротерм", при подготовке специалистов высшей квалификации в МЭИ (г. Москва.), МВМИ( г.Москва.), НЭТУ (г.Новосибирск), ГМетАУ (г.Днепропетровск), ПГТУ (г.Мариуполь), ТГТУ (г.Тверь,) и других вузах.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: УИ Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию СЧебоксечы, 1985) ; У Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" (Москва, 1988) ; Всесоюзной научно-технической конференции "Обобщение опыта эксплуатации высокомощных дуговых сталеплавильных печей" (Челябинск, 1989) ; Всесоюзном научно-техническом совещании "Интенсификация тепловых, массообменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах" (Свердловск, 198-9) ; Всесоюзной научно-технической конференции "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии" (Свердловск, 1990) ; Российской научной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1994), Всесоюзном научно-техничеоком семинаре "Экономия электроэнергии и газа в термических установках" (Москва, las')) ; Московской городской конференции по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического и электротехнического оборудования (Москва, 1980) ; научном семинаре кафедры АЭТУС Московского энергетического института (Москва, 1982) ; научно-техни-

- б -

часком семинара отдела дуговых печей ВНИИЭТО (Москва, 1982) ; научно-техническом семинаре СКБ ПО Сибэлектротерм (Новосибирск,1989) ; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Тверского политехнического института (Тверь, 1978-93 гг.).

Материалы диссертации были представлены на Всероссийский конкурс грантов 1993 г. по фундаментальным проблемам металлургии. За выполненную работу автору присужден грант-приз конкурса.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе монография "Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей" (М.,Энергоатомизаат, 1992 г.), 3 учебных пособия (ТвеПИ, 1991 г., МЭИ,1992 г., ТЕеПИ,1993 г.), 2 методических пособия (ТвеПИ, 1987 г., 1989 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 227 наименований, приложения. Основная часть работы изложена на 255 страницах машинописного текста. Работа содержит 104 рисунка, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено общей характеристике проблемы, описанию структуры диссертации. Процесс выплавки электростали является весьма энергоемким процессом, мощности отдельных электропечей достигли уровня ТОО МЗА, а в некоторых случаях и превысили этот предел. Поэтому улучшение работы таких печей, повышение их технико-экономических и энергетических показателей и параметров, в первую очередь повышение их производительности и снижение удельного расхода электроэнергии является важн«й научно-технической задачей.

В области оптимизации электрических режимов электропечей для плавки стали за последние годы выполнено довольно много работ и были выявлены существенные резервы в области интенсификации технологии выплавки электростали. Длительное время оптимизация касалась только электрических режимов работы дуговых электропечей для плавки стали, (^переходом в последние два десятилетия на сверхвысокие мощности, вводимые в печь, возникла острая необходимость оптимизировать не только электрические, но,и тепловне режимы работы олектропечей, рассмотреть режимы работы электропечей в комплексе

как электротепловые режимы. Исследования и разработка методов расчета электрических режимов электропечей для плавки стали начались в 10-20-х годах нынешнего столетия,, а исследование тепловых режимов началось на 30-40 лет позже. Это привело'к тому, что в последние Ю-20 лет остро стояла проблема не только в получении количественных данных по электротепловому преобразованию и распределению энергии в рабочем пространстве электропечей, но и получении качественной картины теплообмена, объяснении физических явлений, происходящих в электропечах.

Разработка теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали стала возможной в результате накопленных научных знаний, полученных в фундаментальных исследованиях отечественных ученых В;И.Бортничука, А.С.Васильева, А.В.Донского, Ю.Е.Ефроймовича, А.В.Егорова, И.Т.Кердева, М.ФДукова, И.И.Игнатова, Л.С.Кацевича, А.М.Кручинина, В.А.Кудрина, Л.Н.Кузнецова, А.Н.Макарова, Ю.М.Миронова, Н.А.Маркова, Л.Е.Никольского, Н.В.Окорокова, Н.А.Пирогова,

A.Н.Попова, В.Е.Пирожникова, В.П.Рубцова, А.Д.Свенчанского, А.Н. Соколова, В.Д.Смоляренко, Г.А.Сисояна, 0.М.Сосонкина, С.И.Тельного,

B.С.Чередниченко, а также зарубежных ученых Л.Вернер, Г.Меккер, Е.Матула, З.Пашкис, Д.Самервилл, К.Тимм, Л.Томичек, Е.Хорошко, В.1£вабе, Я.Шиффарт, М.Штеенбек, В.Эленбаас и других.

Первая глава посвящена анализу исторического развития дуговых электропечей для плавки стали, анализу методов расчета электрических и тепловых режимов электропечей, постановке задач по разрабатываемое: проблеме.

Из исторического анализа следует, что с начала нынешнего века дуговые сталеплавильные печи представляли собой трехфазные потребители с нелинейной нагрузкой, круглым цилиндрическим кожухом. В устройство дуговых сталеплавильных печей трехфазного тока в последние 90 лет вводились многочисленные усовершенствования, однако основы конструкции остались неизменными до настоящего времени. Совершенствовались электродержатели, механизм наклона,, дожух, огнеупорные материалы, электрооборудование, автоматические регуляторы электрического jeawia электропечей. Возросла емкость ДСПТТ с 5 т в Г» 50 г. лп \Г> 'Т в 59 г. и 200 т в 1972г., а в США до 400 т. 3 нзет^ялр:кя данный показатель ДСПТТ не меняется. Удельные «опности гозросли за данный период с 220-360 кВА/т до 600-800 кВА/т. ПоследниЛ потзагчль относится к ДСПТТ свервысокэй мощности, основным прнч'.лю: когоргх ягсптптся необычно высокая концентрация мощности В црчстр Ш«ТР9.

С переводом на свервысокие мощности ДСПТТ резко проявилось отставание реиения теплотехнических задач, стоящих при развитии этих печей. Увеличилась неравномерность износа огнеупоров, появились так называемые "горячие пятна", упал срок службы футеровки стен и сводов. Неизученность закономерностей теплообмена излучением в ДСПТТ не позволяла найти первопричины появления "горячих пятен" и способы ликвидации данного явления. Стойкость стен в ДСПТТ сверхвысокой мощности была очень мала и составляла до 90-120 плавок. Для повышения срока службы футеровки в высокомощных ДСПТТ стены стали выполнять водоохлаждаемыми, что позволило повысить их стойкость в 10-15 раз, пзчи снабжают водоохлакдаемым сводом.

В начале 70-х годов в промышленности появляются принципиально новые электропечные агрегаты - плазменно-дуговке сталеплавильные печи. По сравнению с плавкой стали в ¿СПТТ плазменно-дуговые сталеплавильные печи постоянного тока'имеют ряд преимуществ: стабильнее электрический режим, в них получают более чистый металл, меньше угар металла и легирующих элементов, лучше санитарно-гигиенические условия работы персонала. Первая отечественная промышленная ЦДСППТ с керамическим тиглем емкостью 5 т была введена в эксплуатацию в 1970 г., а в 1973 г. введена ГЩСППТ емкостью 12 т.

В Российской Федерации созданы и прошли опытную эксплуатацию дуговые сталеплавильные печи постоянного тока, а также дуговые сталеплавильные печи постоянного тока с полым электродом и газом, вдуваемым через полость для стабилизации горения дуги.' ДСППТ и Д(<ППТПЭГ выгодно отличаются о.т ЛСПТТ меньшим удельным расходом электроэнергии, электродов, более низким уровнем шума и пылегазо-вых выбросов, меньшим влиянием на сеть, большей производительно-■ стью. В перспективе в РФ намечено создание ЦДСППТ, ДСППТ и ДСППТПЭГ емкостью 50 т и более.

Шведская фирма АСЕА переоборудует ДСПТТ на печи ДСППТПЭГ, ДСППТ; плазменно-дуговые сталеплавильные печи трехфазного тока создает за рубежом Германская фирма "Крупп Штааль А1". Разработана и эксплуатируется ДДСГ^Т емкостью 3 т, проектируется ПДСПТТ емкостью 50 т. В странах СНГ разработкой ВДСПТТ занимается институт электросварки .Украины.

Методика расчета оптимальных электрических режимов совершенствовалась, развивалась вместе с дуговыми сталеплавильными"печами с 20-х годов и к настоящему времени приняла законченный вид. Однако, как показывает практика-эксплуатации внсоконочных ЛСПТТ, оптималь-

'ннй электрический режим не,всегда является оптимальным тепловым режимом, поэтому следует рассчитывать не оптимальные электрические режимы, а комплексные оптимальные электротепловы° режимы.

Научное исследование тепловых режимов началось на 30-40 лет позже, чем исследование электрических режимов. ПерЕые форгули Н.З.Окорокова для качественной оценки распределения излучения дуг в электропечах для плавки стали появились в 40-50-х годах. 3 основе выражений Н.В.Окорокова для качественной оценки распределения излучения дуг лежала формула Кеплера. Эти выражения были основаны на представлении о дуге как о точечном источнике шарообразной формы, что не соответствует реальности. В формулу Н.В.Окорокова в 70-х годах ввели коэффициент экранирования дуги, но и после этого она не получила распространения. В середине 63-х годов американский ученый В.Швабе выводит экспериментальную формулу для оценки влияния электрического режима на износ футеровки, ныне известную как индекс износа футеровки В.Швабе. Однако формула З.Ивабе не учитывает экранирование излучения дуг и изменение тепловых нагрузок по высоте стан и образующей свода,то есть является весьма приближенной .

Определенным вкладом в разработку тепловых режимов ДСП явились в 1980-90 г.г. работы Россисиого ученого И.К.Игнатова. На основании интегральных и дифференциальных уравнений теплообмена им разработаны численные методы анализа теплообмена в дуговых сталеплавильных печах. Однако численные методы анализа теплообмена И.И.Игнатова не нашли широкого применения по следующим причинам. Время многократного решения дифференциальных уравнений при расчете одной программы на ЭВМ типа БЭСМ составляет несколько часов. В системе дифференциальных и интегральных уравнений напрямую не просматривается связь между электрическими, геометрическими и лучистыми параметрами дуг и поверхностями теплообмена. Дуга моделируется кольцевой зоной, что не соответствует действительности.

Известно, что дифференциальные и интегральные уравнения не являются формулами, а являются промежуточным звеном при отыскании функций, промежуточным связующим звеном между исследуемым процессом и его математической моделью в виде формул и математических выражений. В настоящее время язык инженера это язык формул, аналитических выражений, подставив в которые параметры субъектов, участвующих в процессе, можно получить все характеристики процесса. Получить формулы, аналитические выражения, связывающие электрические,

геометрические, тепловые параметры дуг и поверхностей теплообмена - такую цель ставил перед собой автор диссертационной работы в конце 70-х, начале 80-х годов при разработке методики расчета процессов теплообмена в" дуговых электропечах для плавки стали.

Итак, р настоящее время находятся в промышленной эксплуатации, осваиваются и разрабатываются следующие типы дуговых печей для плавки стали: ДСПТТ, ДСППТ, ДСППТПЭГ, ЦДСППТ, ЦЯСПТТ. Несмотря на многообразие электропечей их объединяют следующие общие признаки: общность технологических процессов, осуществляемых в печах; у всех печей один тип электротеплового преобразователя, электрическая энер-оия преобразуется в тепловую в электрическом разряде в газе ; распределение тепловой энергии в рабочем пространстве печей подчиняется одним и тем же законам; базовой конструкцией для всех типов элбктропечей служит дуговая сталеплавильная печь трехфазного тока. Как видно из истории развития дуговых электропечей для плавки стали электротепловому преобразованию энергии и распределению ее в рабочем пространстве, теплообмену в электропечах, уделялось очень мало внимания. И только в последние 20 лег в связи с внедрением ДСПТТ высокой мощности, когда неизученность процессов теплообмена стала препятствием в дальнейшем развитии электропечей, исследователи, в их числе и автор работы, обратились к изучению этих вопросов. Исследования, проведенные автором работы более чем за пятнадцатилетний период, и исторический опыт разработки и эксплуатации дуговых сталеплавильных печей синтезированы автором Ь теорию теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали.

Вторая глава" посвящена результатам анализа и синтеза моделей электричеоких дуг и теплопередачи в ДСПТТ, ДСППТ, ГШСППТ,ДСППТПЭГ, ЦДСПТТ, В дуговых печах для плавки стали доминирует теплообмен излучением по исследованиям ВНИИЭТО: суммарные тепловые потоки, падающие на поверхности теплообмена на 85-95$ состоят из потоков излучения' и на 5-15$ из конвективных потоков. Из результатов более 'ранних исследований В.Пашкис и Н.В.Окороков делают вывод, что 90,? мощности дуги**выделяется в столбе дуги и излучается его поверхностью по всем направлениям, остальные 10% мощности дуги выделяются в приэлектродных областях на графитовом электроде и в металле. Такое же допущение принимаем в своих расчетах.

Характерной особенностью дуги, горящей в ДСПТТ, является непрерывное иЗме'нение ее формы, размеров, параметров излучения. При ра-

боте на переменном токе электрические параметры дуги - ток, напряжение, мощность - постоянно изменяются. В соответствии с изменением электрических параметров изменяется «параметры излучения дуги: поток, температура, интенсивность, поверхностная плотность излучения. Непрерывно изменяются форма, геометрические размеры и положение дуги. Так как первопричиной появления переменных параметров излучения, геометрических параметров дуги являются переменные электрические параметры приходим к Еыводу о необходимости использования средних геометрических, тепловых параметров дуги.

Проанализировали взаимосвязь между средней яркостью, поверхностной плотностью и температурой Т дуги и получили выражение для определения среднего диаметра дуги: а 0,0 Р,

9 с3 (г//оо)*я % >

где Рд, - соответственно мощность и длина дуги.

Провели анализ электродинамических явлений в дугах ДСПТТ в результате чего получили выражения для определения геометрического положения дуги и углубления в металле:

где 5к -'радиус круга, лежащего в основании шарового сегмента -углубления в металле ; <?с - радиус шаровой поверхности сегмента ; г3 - радиус электрода; 0 - угол наклона столба дуги к оси электрода; ^ - расстояние, характеризующее положение дуги в углублении; - длина образующей сегмента.

Далее во второй главе рассмотрена работа электрических дуг, дано обоснование электрических дуг ДСППТ, ДСППТПЗГ, ДСППТ, ЦДСПТТ как излучающих цилиндров. На'основании проведенного анализа работы электрических дуг ДСПТТ,-ДСППТ, ДСППТПЗГ, ПДСППТ, ПДСПТТ сделан следующий вывод. Вследствие того, что условия работы электрических дуг в ДСПТТ, ДСППТ. ДСППТПЗГ, Ш.СППТ, П1СПТТ адекватны: горение дуг в парах металлов, обжатие дуг собственным электромагнитным полем или плазмообразующим газом, сила тока в дугах составляет от нескольких кА до Десятков кА, что приводит к повышению плотности тока и излучател

ьной способности дуги, в печах поддерживается давление, близкое к атмосферному, электрическая энергия преобразуется, в тзпловув, преимущественно энергию излучения в газовом объеме ци-

л;п-:дрлч9скоГ: 1ормы высотой от 30 до 1500 мм, а также учитывая, что

длина дуги основной геометрический параметр, влияющий на теплооб-мешше процессы в рабочем пространстве печей, модели электрических дуг печей и сами печи для плавки стали синтезированы в две: электрические печи для плавки стали с короткими дугами и электрические печи для плавки стали с длинными дугами.

В диссертации дано обоснование длиьных и коротких дуг печей для плавки стали. Короткими принято считать такие дуги, расстояние от которых до расчетных точек на поверхностях печей превосходит длину дуги в 5 и более раз, остальные дуги отнесены к длинным дугам.

Третья глава посвяаена созданию математической модели распределения мощностей излучения дуг в электропечах для плавки стали с короткими дугами и расчету тепловых параметров плавок электропечей с короткими дугами, разработке графоаналитического метода расчета средних угловых коэффициентов излучения дуг.

Для расчета распределения излучения дуг по поверхностям необходимо знать электрические параметры плавки стали, которые находят из схемы замещения или по измерительным приборам на действующих печах. Автором диссертационной работы в Е80-81 г г. доказано, что в измерительных механизмах приборов электромагнитной системы, установленных на ДСПТТ, возникают незатухающие колебания, поэтому в период расплавления (а это 75-85;? времени плавки) точных данных об электрических параметрах получить невозможно. Гля измерения токов и напряжений ДСПТТ автором диссертационной работы было предложено увеличить постоянные времени приборов, используя фильтры низкочастотных колебаний и приборы магнитоэлектрической системы. Измерительный комплекс был испытан в 1981 г., материал по статистическому исследованию электрических параметров и измерительному комплексу 'был передан НПО Электротерм. В настоящее время все ДСПТТ средней и большой емкости снабжаются приборами с фильтрами, позволяющими получать устойчивые показания токов и напряжений электропечей.

После определения электрических и геометрических параметров дуг переходят к расчету распределения мощности излучения дуг по поверхностям теплообмена. Для этой цели автором диссертационной работы был получен ряд выражений, связывающих электрические, геометрические, тепловые параметры дуг и поверхностей теплообмена. Рассмотрим случай расчета потока излучения, падающего от ьуги нэ поверхность Футеровки, произвольно ориентированной в пространстве \,*1ис .3 Л ) .

Угловая плотность излучения дуги в норка.-.Ы'чк наг.цамонлп I, и

направлении сС . Поток излучения (¿& дуги в преде-

лах телесного угла а£а), под которым видна площадка , определим следующим образом: . ■■

о1.&—1созсС ^ со^оСЫо)=(.1е сШ со^ЗМ)/?] О Л)

где /> - площадь поверхности цилиндра, излучающей на площадку

- сила излучения дуги; ^ - угол между нормалью //2 к площадке направлением излучения.

Рис .ЭЛ. К расчету плотности потока излучения, падающего от дуги на площадку (¿6

Поток излучения в пределах пространственного телесного угла аш^

¿вп =7^ =2Я1га( сМеС ¿оС , (3.2)

где 1е<< - сила излучения дуги в направлении площадки <23" .

Полный поток излучения столба дуги 6> определяется интегрированием выражения (3.2) в пределах от ч-й" /2 до - <£/2:

6-0,9Р9-2% / соММ- ¿Г^.

Подставив 1е из (3.3) в (3.1) и разделив на , получим выражение для определения плотности потока излучения дуги в любую точку поверхности стен и свода без учета экранирования излучения

£пс - (0,9 ^ созоС соз/)/Я2гг . (3.4)

Аналогичным'образом получилквыражение для определения плотности потока излучения дуги с учетом экранирования ее электродом, шлаком и металлом: , г . , л .

где Ротк ~ °ткРитая часть дуги, ограниченная лучами плоского угла р , под которым видна дуга их расчетной точки.

При выводе выражения для определения плотности потока излучения дуги на металл разбиваем дугу на бесконечно малые элементы высотой с1А и интегрируем излучение данных элементов по углу оС , в пределах которого дуга излучает в расчетную точку на металле: / 0,9 Ро , . , 0,9Рд . ,,

По разработанной методике на ЭВМ ЕС-1030 произведен расчет распределения плотностей излучений дуг по поверхностям стен, овода, гСлнны металла в печах различной емкости. Результаты расчета распределения плотности излучения дуг по высоте стен печей различной емкости представлены, на рис.3.2.

на 80 120 ИЗ в к±г а)

а о ш но , о КЁ1 В) Гй'»1

Иск,"

Нет,.К

" \ N \ - \

- \ ',2 - л ,

- \ 0,1 //

0,* 1 ж , - // 1 1 1 1 1

О НО !В Ш 1$о С О НО &0 НО 160 о „ кйс

МС| —э . /не, , о

Мг г) М

Рис .3.2, Распределение плотности излучения дуг по высоте стен первой (I), второй (2) и третьей (3) зон в ' " печах: а)Ш1-3 ; б)ДСП-2Ь ; лХССП-Ь^ ; г^СП-ТО'Л

По результатам расчетов построены изорады плотностей потоков излучений дуг по поверхностям ванны электропечей для плавки стали. Из картины распределения изорад по. поверхности ванны печи ДСП-133-НЗА видно, что расплавление шихты на переферии осуществляется за счет переотражения излучения дуг, излучения футеровки и теплвпро-водности металла. Распределение изорад поясняет природу задержки расплавления шихты на откосах футерованной печи и .'СПТТ с водоох-лаждаемыми панелями,

В третьей главе изложен также графоаналитический метод расчета средних угловых коэффициентов излучения дуг. Метод на стадии проектирования печей позголяет оценить изменения, в процентах или в долях, теплового потока, падающего от дуг па степы, свод, металл при изменении геометрических размеров печи или диаметра распада электродов.

Четвертая глава посвящена созданию математической модели распределения мощности излучения дуг в электропечах для плавки стали с длинными дугами и расчету тепловых параметров плавок электропечей с длинны::;] лугами.

Пусть треОу;тся определить плотность п >тока излучения, падающего от столба г/г и длиной на поверхность стен'электропечи (футе-

ро? .иных или водоохла.ъдавмкх) в точку А , расположенную на вертикальном участке стен на уровне ванны металла (рис.4Л). Выделим на дуге элементарный цилиндр (¿С , расстояние от до точки А равно , угол между поверхностью ванны металла и лучом равен у?

Плотность излучения дуги в точку А (г.А) от элементарного излу-чачлог» цилиндра определяется по зырахенич

где /.щ - коэффициент теплоотдачи дуги излучением.

Платность потока излучения дуги в т.А определяется интегрирова-

(4.1)

/

(4.2)

При расположении т.Ац- на произвольной высоте вертикальных стен изменяется пределы интегрирования в выражении (4.2):

В случаях когда электрод или плазмотрон заглублен в плавильное пространство печи, то выражение для расчета принимает следующий вид:

А / _ - / г, Л .

(4.4)

т

о

Рис.4.1. Излучение дуги на вертикальные стены электропечей

В настоящее время конструкция стен (водоохлажда-емых или огнеупорных) отличается многообразием, имеются печи с цилиндрическим, бочкообразным кожухом. Поэтому рассмотрим расчет потоков излучений, падавших от дуг на конические участки стен.

Выражение для определения плотности потока излучения, падающего от дуги в т.А конического участка стен получим интегрированном, после тригонометрических преобразований и полета-

(4.5)

новок, выражения (4.1) по углу В :

о^Г р?А соЖли +-Г^^А'созоС. * О Я'ге^ 1 о %!г £>£

При расположении расчетной точки в средних поясах стен уравнение (4.1) с тремя переменными после подстановки фор!.:,, л приведения к уравнению с одним переменным принимает вид:

+- С01сСс-2 (СО?УСОЗсСсг+ и/1 У МП (¿¿2 ) а£еСг ] .

Плотность потока излучения, падающего в т^ определяется интегрированием выражения (4.б) в пределах изменения угла , после интегрирования получим выражение:

[муУ^С»^)]^^-^^}. С4.7)

В случае, когда плазмотрон или электрод заглублены в рабочее пространство печи, то геометрические построения для расчета потоков излучений дуги на наклонные поверхности в т.А^ изменяются и выражение для.расчета получаем следующим образом:

9-= /-^рТе^^м^ сюУ-я/)с(е-^ р

£ ь

Аналогичным образом были поручены выражения для расчета плотностей потоков излучений дуг на участки стон, наклоненные внутрь печи. Выражение для расчета плотностей потоков излучений' дуг на откоси получили следующим образом:

1 (4.9)

<*</ЗА Рс

2.

¿&гг 6^

\cOjy ш 2/5 у ЛЯ ^ ]

При нахождении расчетных точек на участках напротив столба дуги изменяются углы и пределы интегрирования:

и 10)

А 9 °

+ / СшУ'созгоС.-~лпумы,- ШоС. )аСоС =

О г 12 Ч' 2

■и¿л

$-\шу

У> сы (¿¡,-/г)

н ип У (ял у^ - мп ¿уб^)}

Выражение для расчета плотностей потоков излучений дуг заглубленных плазмотронов (электродов) на участки стен, наклоненные внутрь печи получаем следующим образом:

Л'

н

• ¡/зл Рр

Л

= <^</зл р9 еотк \сшУ

г я* г е*

£ см (уз; +/?,;

(4.И)

+- ¿СП У (лл гуЗ, - зсл )J .

Получены также выражения для расчета плотностей излучений дуг на своды электропечей. Осуществлен впвод аналитических выражений для расчета плотностей потоков излучениГ: дуг на ванну металла, торкула для расчета плотности потока излучения, падаюа.зго от столба дуги плазмотрона, установленного в своде печи, имеет вид:

Ро

мп у.

^ ^шл Рд

у £ Ж* г е9

231* г Л

9

Аналитическое выражение для расчета плотности потока излучения, падающего от дуг;; плазмотрона, установленного в стене печи, на '.••потки ианни с внепнеЯ стороны дуги, имеет вид:

Рс

^гя'г е.

9

зек г(У+^)-мп - 6дУ [у5

(4.т3)

+ соз (2У+уЗ ) л'луЗ

Выражение для расчета плотностей потоков пг.лучо!:;::-, на ванну металла с внутренней сторопк ;.угк, и; :

"¿■ИЗЛ Рр

+ Ц / соэ (/ -2У) } .

+-

С использованием разработанной математической модели осуществлен анализ электротепловых режимов 5 и 12-тонных ПдСППТ. Результаты анализа электротепловых режимов следующие. Увеличение длины дуги при сохранении постоянной мощности влечет за состой увеличение потоков излучения на переф'ерийные кольцевые зоны ванны при одновременном снижении потоков излучения в прианодные зоны. При отклонении плазмотрона от вертикальной оси с ростом угла наклона резко уменьшается плотность потоков излучений на ванну металла с ЕнеынеП стороны дуги одновременно несколько увеличиваясь с внутренней стороны. Максимальные потоки излучения дуги на стенах находятся на высоте равной половине длины дуги. Максимальная относительная облученность вертикальных стен дугой различной длины, но постоянной мощности, увеличивается с уменьшением длины дуги. Местонахождение максимума относительной облученности с уменьшением длины дуги перемещается по высоте стен вниз, к откосам.

Выведенные в четвертой главз гира^ения позволяют анализировать все реально возможнее электротеплокые режимы электропечей Ш.СППТ, ДСППТ, ¿СППТПЭГ при любых длинах дуг и всем многообразии пространственного положения поверхностей теплообмена и выбирать оптимальные для данного периода плавки режимы. На стадии конструирования по разработанной математической модели можно рассчитывать распределение удельной мощности в рабочем пространстве печей с различной конфигурацией. По выражениям ('1.2-4.1'»), несмотря на кажущуюся громоздкость некоторых из них, можно за столом конструктора рассчитать распределение удельной мощности по поверхностям печей с помощью персональной ЭВМ или микрокалькулятора.

Пятая глава посвящена разработке методики расчета теплообмена в плавильных печах с короткими и длинными дугами. Поверхностная плотность падающего в с -тую зону потока излучения находится как сумма плотностей падающих потоков излучений: собственного излучения дуг • вызванного многократными отражениями излучения дуг

по ' от нагретых поверхностей от газовой среды

+ • (5Л)

Часть падающего-в ¿'-тую зону потока излучения ^^ поглоцаэт-ся это» зоной, другая часть ¿/^ отражается от поверхности ¿ -топ зоны. Ззлпчику г.огло он"ого и отраженного излучения нпходкй

следующим образом:

^¿пог'Ас - и > (5'2)

где А^ , - коэффициенты, соответственно, поглощения и отражения С -той зоны.

Плотность результирующего потока излучения может быть определена как разность между плотностью эффективного и падающего потоков излучений I -той зоны:

&/» = 1сз~ 9-Сп , 9<С~$сО / (5.3)

где - плотности собственного и отраженного потоков излуче-

ний с -той зоны.

Плотность теплового потока, вызванного многократными отражениями излучения дуг вычисляется по выражению:

где - тепловой поток, вызванный многократными отражениями излучения дуг; - площадь с -той поверхности; Я}^ - разрешающий угловой коэффициент излучения дуг на' I -тую поверхность ; ,&(/( - тепловой поток, падающий на ¿ -тую поверхность от дуг.

Плотность падгзщего на I -тую поверхность потока излучения от других поверхностей определяется по выражению:

= (£ ^ ^ , (5.5)

где Ос/у - тепловой поток, падающий на ¿' -тую поверхность ; разрешающий угловой коэффициент излучения /77 -ной поверхности на I -тую ; &ч)с- собственное излучение /77 -ной поверхности. Для учета влияния поглощающе-излучающей среды в выражениях (5.4; 5.5) вместо разрешающих угловых коэффициентов излучения

используются обобщенные разрешающие угловые коэффициенты , Пл&тность падающего потока излучения от газовой среды на ¿ -тую поверхность определяется по формуле:

^ [Ф*- , (5-6)

где - тепло, переданного газом с -той поверхности; Г/ , /^ -соответственно, температура газа С -той поверхности; £г( - коэффициент излучения системы газ- с -тая поверхность.

Для окончания периода расплавления произведен расчет теплообмена излучением в электропечи ДСП-100-И5 с учетом поглощения и излучения газовой атмосферы печи,,результаты расчета представлены на рис.5 Л.

Wcm.fi

г,1 1,5 10 О,!

А

1

¿00

иа т

а)

*Вт

4эз ДО

2 И /Л

/ \

/ \

?

14 т

1

1

Рис .5 Л. Распределение плотности потоков излучений по высоте стен (а) и образующей свода (б) электропеч'и ДСП-100-И6, рассчитанное для поглощающе-излучающей (I) и диатермической (2) среды

Следует иметь ввиду, что в процессе плавки атмосфера печи изменяется от максимальной запыленности до просветвленной и диапазон изменения потоков излучений на свод и стены лежит меткду кривыми I и 2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных теплообмена в ДСП-ЮО-Иб позволяет констатировать удовлетворительное совпадение результатов: расчетом и измерениями получены близкие по величине (различие на 10-20!) тепловые' нагрузки на водоохлаждаемый свод и стены печи.

Автором диссертационной работы взамен метода итерации разработан графоаналитический метод расчета теплопередачи, позволяющий точнее определять распределение температур в слоях огнеупорной футеровки, перепад температур между внутренней и наружной поверхностью и плотность теплового потока, проходящего через стены или свод,

3 шестой главе описано применение теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали в практике эксплуатации и проектирования электропечей. Проведенные автором диссертационной работы исследования, основанные на теории теплообмена излучением в луговкх пвчах для плавки стали, позволили дать научное объяснение м м о гну. <]:ичлч9спш явлсчшли, происходящим в рабочем пространстве

'•ег/ок".« око л "ОПТТ, основанный на выведенных в диссер-

тации аналитических выражениях, позволил установить причину износа центральной части ф/тэровки сводов электропечей. Произведен расчет плотностей падающих потоков излучений от дуг и электродов на своды печей различной емкости. Для всех типоразмеров печей характерно, что максимумы плотностей падающих потоков излучений от электродов расположены в центральной части сводов вокруг электродных отверстий и превосходят в 5-6 раз плотности падающих на данные участки сводов потоков излучений дуг.

Топография износа свода, полученная на действующей печи, адек- ' ватно повторяет расчетную кривую распределения плотности потоков излучений, падающих на свод печи: максимальным расчетным тепловым нагрузкам около электродных отверстий соответствует максимальный износ огнеупоров эксплуатируемого свода, износ огнеупоров снижается на переферии.'к сводовому кольцу, в соответствии с снижением расчетных тепловых нагрузок на свод. Таким образом установлено, что конфигурация износа сводов электропечей определяется излучением раскаленных электродов, для продления срока службы сводов ДСПТТ, ДСППТ, ДСПЛТПЗГ необходимо применение комбинированных электродов с водоохлаждаемой верхней и графитовой нижней частями.

Проведенными при выполнении диссертационной работы исследованиями установлено, что основной причиной неравномерного износа футеровки стен печей является неравномерность распределения теплового излучения дуг по периметру и высоте стен. Расчетные графики распределения плотностей потоков излучения дуг по высоте стены в печах малой емкости имеют максимум в шлаковом поясе, далее с ростом Нет резко уменьшаются. Максимальный износ стен наблюдается в поясах максимальных тепловых нагрузок в двух нижних рядах стен. С ростом вместимости электропечей увеличивается мощность, длина дуг, их заглубление в металл и, как следствие, расчетные плотности потоков излучений в средние, верхние поясы. В печах 12-25 т износ футеровки наблюдается по всей высоте стен.

В печах 50-100 т снижаются потоки излучения в шлаковый пояс и расчетный графак распределения плотностей потоков излучения по высоте стен-имеет максимум в среднем поясе, здесь же наблюдается наибольший износ огнеупорной футеровки.

Анализ расчетных тепловых нагрузок позволил так*ч понять образование "горячих пятен" на футеровке ДСПТТ как следствие неравномерного распределения излучения дуг по периметру стен.

Произведен расчет плотностей падающих излучений дуг и электродов на стены 5-тонных электропечей ДСПТТ, ДСППТ, ДДСППТ одинако-войо мощности. Плотнос.ти потоков излучений в нижнем поясе стен в ДСПТТ превышают аналогичные в 1,5 раза в ДСППТ и в 2 раза в ГЩСПГГГ. В средних и верхний поясах стен плотности потоков излучений в ПДСППТ в 1,5-2 раза превышает аналогичные в ДСПТТ и ДСППТ. Расчетным нагрузкам соответствует на'практике максимальный износ футеровки стен в ДСППТ и ДСПТТ в нижнем поясе, в ПДСППТ в среднем поясе.

Таким образом, практика эксплуатации электропечей и теория теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали находятся в полном соответствии друг другу. Как видно из сравнения теоретических, расчетных и практических, экспериментальных данных они совпадают. Расчетное тепловые нагрузки в ДСПТТ, ДСППТ, ПДСППТ соответствуют практике эксплуатации стен и сводов электропечей.

В диссертационной работе дано обоснование оптимальных электротепловых режимов дуговых сталеплавильных печей в открытые и закрытые периоды плавки стали. В открытый период существенное требование предъявляется к симметричным режимам«, работы печи и оптимальному заглублению дуг, обеспечивающему максимальное усвоение тепла ванной и снижение тепловых нагрузок на поверхности стен и свода.

Для закрытого периода произведены расчеты потоков излучений дуг по высоте колодцев печей.-Расчетным путем установлено, что для всех типоразмеров печей с короткими дугами характерна цилиндрическая форма колодцев с полусферой, 'лежащей в нижнем основании цилиндра. Такая форма расширения колодцев приводит к обвалам шихты,так как подплавление завалки идет снизу. Высота активной части колодца, на которую падает излучение дуги, зависит от тока дуги.

Проведенными исследованиями установлено, что в высокомощных ТОО-тонных ДСПТТ при увеличении тока дуги в 2 раза при постоянном напряжении, высота активной части колодца возрастает .'•акже приблизительно в 2 раза, что связано с изменением угла @ наклона дуги. Снижается число обвалов, опрокидываний, сползаний шихты, снижается число коротких замыканий.

В результате проведенных исследований сделан еще один вывод. Полностью устранить обвалы шихты в печах о короткими дугами вследствие расплавления ими в шихте цилиндросферических колодцев, практически невозможно. Поиск мер по стабилизации электрического режима в период расплавления в электропечах с короткими дугами беспер-

спективен. Стабильный электротепловой режим достигается в электропечах с длинными дугами, которые, как показали расчеты распределения потоков излучения дуг, образуют в шихте колодцы в виде усеченного конуса. При конической форме колодцев устойчивость шихты не нарушается, сихта равномерно расплавляется с верхнего до нижнего пояса колодцев, отсутствует отрицательное воздействие электрического режима электропечи на сеть. С точки зрения стабилизации электрического режима электропечей и электросетей перспектива принадлежит электропечам с длинными дугами.

Произведен, по разработанной и изложенной в диссертации методике, расчет плотностей результирующих потоков излучения по периметру водоохлаждаемых стен ТОО-тонных высокомощных дуговых сталеплавильных печей трехфазного тока. Сравнение результатов расчета и экспериментальных измерений на печи показывает хорошее совпадение данные, результаты отличаются не более чем на 5-6$, что позволяет констатировать адекватность математических моделей, заложенных в теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали, реальным процессам преобразования электроэнергии в тепловую энергию и ее распределения в электропечах.

В 1988-90 г.г. основные положения теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали переданы Специальному проект-но-конструкторскому и технологическому бюро электротермического оборудования производственного объединения Сибэлектротерм в виде ряда методов и методик расчета, где и используются в настоящее время при проектировании дуговых и руднотернических печей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

' Совокупность основных научных результатов, изложенные в диссертационной работе, являются теоретическим обобщением и решением крупной научной проблемы, ведущим к созданию более совершенных дуговых печей для плавки стали, оптимизации электротеплоЕых режимов •работы действующих печей, позволившим дать научное объяснение многим физическим явлениям, происходящим в рабочем пространстве печей.

Основные результаты и выводы диссертационной работы сводятся к следующему:

I. Произведен анализ электрических дуг и процессов теплообмена в дуговых печах для плавки стали: ДСПТТ, ДСППТ,'ДСППТПЭГ, ГЩСППТ, ВД.СПТТ б результате чего выявлена адекватность физических явлений и общность условий существования электрических дуг в печах, что

позволило синтезировать все многообразие электрических дуг и печей в две теоретические модели: электропечи для плавки стали с короткими дугами, электропечи для плавки стали с длинными дугами,

2. Разработана геометрическая и тепловая модель электрических дуг дуговых печей для плавки стали: она представляет собой равно-яркий цилиндр, геометрические размеры которого зависй^ от тока, напряжения, температуры дуги, состава плазмообразующего газа и паров металлов, температура по высоте и периме.'ру которого одинакова, тепловая мощность равномерно распределена по высоте цилиндра, теплопередача от которого осуществляется преимущественно излучением.

3. Разработаны: геометрическая модель углубления, вызванного воздействием электрической дуги на расплав; графоаналитический метод определения угла, характеризующего электромагнитное выдувание дуги из-под электрода ; графоаналитический метод определения средних угловых коэффициентов излучения дуг на поверхности теплообмена .

4. Разработаны математические модели распределения мощности излучения дуг в электропечах для плавки стали с короткими и длинными дугами, разработана методика расчета теплообмена излучением в печах для плавки стали с короткими и длинными дугами.

5. Выполнен расчет распределения плотностей потоков излучения дуг по поверхностям стен печей, расчетные и экспериментальны? данные находятся в полном соответствии: максимальным тепловым нагрузкам, полученным расчетным путем соответствует максимальный изноо огнеупорной футеровки стен, снятый с реальных электропечей всех типоразмеров. Дано объяснение различной конфигурации износа стен

в печах малой, средней и большой вместимости, выявлены причины образования "горячих пятен" на стенах.

6. На основании проведенных расчетов и анализа тепловых нагрузок на своды электропечей выявлена причина низкой стойкости огнеупорной футеровки сводов, установлено, что конфигурация износа футеровки определяется излучением раскаленных электродов, для увеличения срока службы сводов рекомендовано применение комбинированных электродов о графитовой и водоохлаждаемой частью.

7. Проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что после окончания прорезки колодцев в электропечах с короткими дугами /.пльнетаео расплавление пихты осуществляется

• снизу 'вверх, дуги расплавляют л нижней «'чети пихты полости в виде

полусфер, устойчивость шихты теряется, возникает обралы, приводящие к коротким замыканиям, поломкам электродов, колебаниям напряжения сети. Расчеты подтвержденные практикой эксплуатации, показывают, что в электропечах с длинными дугами расплавление шихты в колодцах осуществляется сверху вниз, колодцы имеют форму усеченного конуса, что обеспечивает устойчивое положение шихты, стабилизацию электрического режима и напряжения сети.

8. Разработаны условия оптимизации электротепловых режимов в закрытые и открытые периоды плавки стали. В закрытый период высота активной части колодца зависит от тока дуги, при увеличении высоты активной части колодца снижается число обвалов, сползаний шихты. В открытый период существенным требованием к оптимизации является собллдение симметричного режима работы печи и оптимальное заглубление дуги, обеспечивающее максимальное усвоение тепла ванной и снижение тепловых нагрузок на футерованные и водоохлаждае-мые поверхности стен и сводов.

9. По разработанной и изложенной в диссертации методике произведен расчет плотностей результирующих потоков излучения по периметру водоохлаждаемых стен 100-тонных высокомощных дуговых сталеплавильных печей трехфазного тока, результаты расчета сравнили с данными экспериментальных измерений на действующих ДСПТТ, сравнение показало хорошую сходимость данных, отличие не превышает 8%. Исследованиями также установлено, что расчетные тепловые нагрузки в ДСП1Т, ДСППТ, ЩСППГ соответствуют практике эксплуатации стен и сводов электропечей для плавки стали с различными дуговыми электротепловыми преобразователями. Анализ расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что математические модели теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали адекватны реальным процессам преобразования и распределения энергии в электропечах .

10. Дано новое решение задачи расчета многослойной огнеупорной футеровки электропечей позволяющее по сравнению с ранее известным методом, на стали проектирования находить оптимальную толщину огнеупорной футеровки, точнее определять темпоратуру кожуха электропечи, улучшить условия труда обслуживающего персонала на действующих электропечах.

11. Математическое моделирование, изложенное в теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки <:тп;'и, позноляот пользователям отказаться от сложного, трудоемкого, ог;."п,,пч! ого I г;-

грешностью, требующего приборной оснастки физического и светового моделирования процессов теплообмена и может быть использовано научными сотрудниками, конструкторами, инженерами, студентами, всеми категориями лиц по роду деятельности связанных с электропечестроени-ем, электрометаллургией. На основании разработанных математических моделей теории теплообмена излучением в дуговых печа» для плавки стали можно осуществлять проектный анализ любого количества вариантов печей различной конфигурации и выбирать оптимальный вариант, анализировать влияние различных электротепловых режимов на распределение тепловой энергии в рабочем пространстве проектируемых электропечей.

12. Теория теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали передана в вида ряда методик и методов расчета АО СКВ Сиб-электротерм. Применение теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали позволило рассчитать рациональную геометрию рабочего пространства печей ДСП-25Н2, ДСП-ЬОИЗ, ДСП-8СИ1. Фактический экономический эффект от внедрения методик расчета теории теплообмена излучением в дуговых печах для плавки стали составляет 53Т тысячу рублей в ценах первого квартала 1953 года.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Книги, учебные пособия и брошюры

1. Макаров А.Н., Свенчанский А.Д. Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей.-М;:Энергоатомиздаг, 1992.-95с.

2. На кароь А.Н. Электротермические и электротехнологические установки. -Тверь:ТвеПИ, 1993.-64с.

3. Макаров B.C., Макаров А.Н. Дуговые печи.-М.: Изд-во МЭИ, 7991 .-92с.

4. Макаров А.Н. Электротехнологические установки.-Тверь:ТвеПИ,

1991.-75с.

5. Макаров А.Н. Электротехнологические промышленные установки.-Калинин:КПЛ, Т987.-26с.

6. Макаров А.Н. Электротехнологические установки.-Калинин:К!Ш,

Т969 .-3?с.

Статьи, тезисы докладов

т. Свенчанский А./.., Макаров А.Н. Определение тепловых потоков цуг в стзлоплавилытх п°чах//?лектротехническая проюгя-леииость.

Con .;;л?!"тр-1термия ,-т ,-гнп .6 .-С ,5-Р .

2. Макаров А.H. Статистическое исследование тока дуговых сталеплавильных печей// Вопросы электроснабжения и электропривода. Межвуз .сб.науч. тр.-Калинин:КПИ,1969 .-С.144-143.

3. Макаров А.Н. Световое моделирование облученности футеровки при несимметричных режимах мощных дуговых сталеплавильных печей// Московская городская конференция ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического оборудования. Тез.докл..Москва, апр. i960 г. -К.:МЭИ, 1980 .-С.47-48.

4. Макаров А.Н. Методы выравниэания температуры поверхности ванны футеровки при несимметричных режимах дуговых сталеплавильных печей// Вопросы электроснабжения и электропривода в горной промышленности. Кежвуз.сб.науч. тр.- Калинин:КПй,1981.-С.131-135.

5. Макаров А.Н., Свенчанский А.Д. Расчет отраженной составляющей облученности футеровки «т дуг в дуговых сталеплавильных печах// Электротехническая промышленность. Сер.Олектротермия.-]983.-Вып.5,--С.1-2.

6. Макаров А.Н. Распределение мощности в дуговых сталеплавильных печах//Вопросы проектирования и эксплуатации электроустановок

в горной промышленности. Межвуз .сб.тр.-Калинин:КПИ, 1982.-С.121-127.

7. Макаров А.Н. Лучистый теплообмен между поверхностями в дуговых сталеплавильных печах//Электрофизические, тепловые и электротехнические процессы в электротермических установках и вопросы управления ими. Межвуз.сб.науч; тр. !:,57б.-14. :М31!, 1982.-С .26-29 .

8. Макаров А.Н., Свенчанский А.Н. Теплообмен в камере дуговой сталеплавильной печи при несимметричном режиме//Вопросы теплообмена в электротермических установках. Сб.науч. тр.-К.:ВКИИЗТ0,1983.-С.57-72

9. Макаров А.Н. Контроль и совершенство1.ание электрических и тепловых- режимов дуговых сталеплавильных пече(,//Электроснабжени*

и автоматизированный электропривод промышленных предприятий.Межвуз. сб.науч: тр.-Калинин:КПИ, 1984.-С.82-85.

10. Макаров А.Н. Определение тепловых потоков на ванну в Еуго-вых и плазменно-дуговых сталеплавильных печах//Восьмое Всесоюзное научно-техническое совещание по электротермии и электротермическому оборудованию. Тез.докл., Чебоксары, июль 1985 г. -М.:Энерго&том-издат, 1985. -С. 5-6.

11. Макаров А.Н. Особенности определения тепловых потоков на ванну в дуговых и плазменно-дуг«вых печах/Аиюктро- и тепло¡>изи-

ческие процессы в электротермических установках и вопросы управления ими. Межвуз.сб.науч'. тр. ТО.-М.:МЭЙ, 1985.-С.108-111.

12. Макаров А.Н., Шаталов В.И. Расчет электрических параметров и теплообмена в дуговых сталеплавильных печах Э—100 тонн//Совер-шенствование электроснабжения и электропривода промышленных предприятий. Межвуз.сб.науч". тр.-Калинин :КПИ, 1986.-С.40-95.

13. Макаров А.Н. Связь электрических и лучистых параметров стабилизированных дуг плавильных печей//С'овершенствоввние электроснабжения и электропривода промышленных предприятий. Межвуз.со.научГ тр.-Калинин:КПИ, 1986.-0.103-107.

14. Макаров А.Н. Математическая модель плазменно-дуговой печи о доминирующим излучением как электротепловог» пре«бразователя//Изв. вузвв. Черная металлургия.-19И9 .-»7.-С. 139-142.

15. Безденежных А.Г., Макаров А.Н. Средние электрические, геометрические и лучистые параметры дуг электросталеплавильных печей// Вопросы электроснабжения и автоматизированноюо электропривода промышленных предприятий. Межвуз.со.науч. тр.-Калинин:КПИ,1У8ь

С.4-9.

16. ивенчанский А.Д., Макаров А.Н. Расчеты теплообмена излучением и прогнозирование износа футеровки в ДСП//Электротермические процессы и установки.Межвуз.сб.'науч тр.-Чебоксары:ЧГУ, 1984.-С.3-7.

17. Свзнчанский А.Д.. Макаров А.Н. Распределение плотности излучения стабилизированных дуг постоянного тока в рабочем пространстве печей//Исследования электротермических установок. Межвуз.сб. науч. тр.-Чебоксары_:ЧГУ, 1986.-С.83-87.

18. Макаров А.И., Николаев А.Н. Расчет радиационного теплообмена в плазменно-цуговых,печах//Пятое Всесоюзное совещание по плаз' менным процессам в металлургии и технологии неорганических материалов. Тез.двкл., Москва, окт.1988 г.-М.:Черметинформация, 1988.-4.1.-С.24.

19. Макаров А.Н., Шаталов В.И. Графоаналитический метод расчета распределения мощности электрических дуг в сталеплавильных печах// Вопросы электроснабжения и автоматизированного элвктроприв»да промученных предприятий. Межвуз.сб.научТтр.-Калинин:КГ!И, 1988.-

-С .33-40.

?0. Макаров А.Н. Влияние излучения электродов на износ оводов цуговых сталеплавильных пвчей//йзв9стия вузов. Черная металлургия.-159 Т.-К.-С .8->-Я2. .

?]. Макаров А.Н. Анализ электрических и тепловых режимов дуп>-р«х сталеплавильных печеЯ различная емкости//Всесоюзиая научно-

техническая конференция по обэОщению опыта эксплуатации дуговых сталеплавильных печей. Тез .докл.,Челябинск, июнь 1989 г. -ЧеляОинск:ЧПИ, '1989 .-С.25-25.

22. Макаров А.Н. Методика расчета теплообмена в дуговых сталеплавильных печах:Информ.листок Г28-90.-Калинин:ЦНТИ, 1990 .-4с.

23. Макаров А.Н. Методика расчета теплообмена излучением в плазменно-дуговых печах и установках:Информ.листок М5-90,-Калинин:ЦНТИ, J990.-4c.

24. Макаров А.Н. Основы теории луговых электротепловых преобразователей плавильных печей//Совершенствование электроснабжения и автоматизированного электропривода промышленных предприятий. Межвуз.со.науч. тр.-Тверь:ТвеПИ, 1990.-0.23-27.

25. Макаров А.Н. Метод повышения точности и равномерности поддержания температуры в электрических печах сопротивления:Информ. листок Ш-У2.-Тверь:ЦНТИ, 1991.-4с.

26. Безденежных А.Г., Макаров А.Н., Шаталов В.Й. Анализ энергетических характеристик дуговых печей постоянного, переменногв тока и плазменно-дуговых печей//Совершенствование электроснабжения и автоматизированного электропривода промышленных предприятий. Межвуз.сб.науч. тр.-Тверь:ТвеПИ, 1990 .-С .39-45.

27. Макаров А.Н., Харченко В.В. Оптимизация электрических и тепловых режимов дуг»вых сталеплавильных пе1ея//Авт»матизация электротвхнвлогических установок. Межвуз.сб.науч тр. Х24Э.-М.: МЭИ, 1990 .-С.43-46.

28. Макаров А.Н., Макаров B.C. Теория и практика лучистого теплообмена в дуговых сталеплавильных печах//Новые направления в электротермии. Межвуз.сб.науч. тр. №534.-М.:МЗИ, 1991.-С.77-87.

29. Макаров А.Н. Расчет потоков излучения на ванну металла при наклонней положении плазмотронов в плазменно-дуговых печах//Извес-тия вузов. Черная металлургия.-199 J .-N8.-С.55-57.

30. Макаров А.Н. Математическая модель зуговых плектротепловых преобразователей для автоматизации плазменно-дуговых сталеплавильных печей//Автоматизация электротехнических комплексов и систем. Межвуз.сб.науч . тр.-Тверь:ТвеПИ, 1992 .-С.64-69 ..

31. Макаров А.Н., Безденежных А.Г., Шаталов В.Й. Соответствие теории и практики дуговых электротепловых преобразователей/Автоматизация электротехнических комплексов и систем. Межвуз.сб. науч'Г.тр.-Тверь :Тве11И, 1992.-С .13-17.

32. Макаров А.Н. Математическая модель топлооомена излучением в плазменно-дуговых сталеплавильных печах переменного и постоин-