Исследование электромагнитной выталкивающей силы в дуговых сталеплавильных печах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тверской государственный технический университет

Исследование электромагнитной выталкивающей силы в дуговых сталеплавильных печах постоянного тока при несоосном расположении электродов дуговой сталеплавильной печи постоянного тока (ДСППТ)

Карпучек А.М., Макаров А.Н.

Электропитание дуговой сталеплавильной печи постоянного тока (ДСППТ) производится от специализированного полупроводникового источника постоянного тока, отрицательный полюс которого соединяется со сводовым электродом (катодом), а положительный полюс соединяется с конструкцией токоподвода к переплавляемому металлу (аноду). При этом катод и анод располагаются на одной оси, что позволяет обеспечивать более равномерный прогрев шихты и футеровки по периметру ванны (без локальных перегревов футеровки напротив электродов и более низкой скорости плавления на откосах в промежутках между электродами).

Рис. 1. Электрическая дуга в ДСП постоянного тока: 1 - электрод; 2 - дуга; 3 - жидкометаллическая ванна

На момент написания данной статьи не были найдены схожие материалы других авторов, содержащие пути исследования данной темы.

Таким образом, в статье ставятся следующие задачи:

- анализ зависимости электромагнитной выталкивающей силы от длины дуги при несоосном расположении электродов;

- анализ зависимости угла отклонения оси дуги от оси электрода от длины дуги при несоосном расположении электродов;

Исследование электромагнитной выталкивающей силы в дуговых сталеплавильных печах проводилось в сравнении с действием электродинамических сил, действующих в электрических аппаратах при протекании в них постоянного тока. Следовательно, метод исследования аналитический. Вследствие того, что в электрической дуге постоянного тока отсутствует осевая электромагнитная сила и ток не меняет направления, дуга не выдувается из-под электрода.

Так же, под воздействием электродинамических сил, возникающих при прохождении постоянного тока через ванну жидкого металла, происходит достаточно эффективное ее перемешивание. Перемешивание ванны ускоряет плавление, позитивно влияет на процессы окисления углерода, угар железа и рафинирование расплава. Изменяя положение катода, анода можно регулировать характеристики движения металла и интенсивность его перемешивания.

Кроме того, при прохождении постоянного тока через проводник отсутствует поверхностный эффект (скин-эффект), т.е. неравномерное распределение плотности электрического тока по сечению проводника. Такая неравномерность присуща только переменному току, причем степень ее растёт с увеличением площади сечения проводника и его электропроводности, следовательно, проводники электрического тока (жесткие шины, гибкие кабели, электроды) ДСППТ могут иметь меньшее сечение при одинаковых тепловых потерях в сравнении с ДСПТТ.

В данной статье рассматривается ДСППТ с двумя электродами. При работе печи между двумя дугами возникает электромагнитная отталкивающая сила, которая отклоняет каждую дугу относительно друг друга. Данные силы направлены в противоположные стороны относительно друг друга.

Рис. 2. Излучение линейного источника на элементарную площадку поверхности металла под острым углом: L_дуг - длина дуги; ? - угол между осью дуги ОО' и осью электрода; ц -угол между вектором F_сум и вектором F_от.

Ток дуги Iд создает собственное магнитное поле. Поэтому в соответствии с законом Ампера на столб дуги действует электромагнитная сила ("амперова сила") взаимодействия между током дуги и собственным магнитным полем, т. е. столб дуги испытывает давление, направленное радиально от внешней поверхности столба радиусом r_д к его оси (сжимающий эффект). Величина давления сжатия f_сж в предположении равномерного распределения тока I_д по сечению столба дуги в точке с радиусом г равна

f_сж = м₀ (I_д/(2рr_д)]² (1 - r²/r² д), (1)

Величина осевой силы Fос равна интегралу выражения (1):

где F_ос - осевая сила, Н; I_д - сила тока дуги, А; fсж - давление сжатия, Па; м₀ - магнитная постоянная;

м₀ = 4р *10⁷ Гн/м

На столб дуги оказывает ЭМГД - воздействие также магнитное поле тока, протекающего между электродами через жидкий металл перпендикулярно току дуги.

, (3)

где l - расстояние между осями электродов, м; l_д - длина дуги, м; Дм - расстояние электрической оси токоведущего слоя ванны жидкого металла от зеркала ванны, равное для условий ДСП (удельное электросопротивление жидкой стали при 1850-1900 К p = 1,2-1,5 мкОм*м; частота переменного тока 50 Гц) 0,032-0,036 м.

Вектор силы выдувания дуги Fвыт и вектор силы осевого давления Fос образовывают вектор суммарной силы Fсум, который по направлению совпадает с осью дуги.

Электромагнитная сила взаимодействия тока, протекающего в металле, с магнитным полем перпендикулярного тока дуги, аналогичная силе выдувания дуги Fвыт, совместно с силой осевого давления Fос, согласно выражениям - (2) и (3), создает движение жидкого металла в вертикальной плоскости, а сжимающий эффект собственного магнитного поля тока в металле вызывает горизонтальное движение из-под дуги в сторону снижения плотности тока в ванне. Этому способствует и аэродинамическое давление паров и газов, образующихся в межэлектродном промежутке.

С увеличением электрической мощности ДСП в результате увеличения силы тока ЭМГД-воздействие дуги на жидкий металл усиливается, происходит деформация зеркала ванны с образованием вогнутого мениска.

Как видно из формулы (3) электромагнитная сила, выталкивающая дугу из-под электрода, зависит от длины дуги, т.е. с ростом длины растет и сила. Расчеты, проводимые с изменением длины дуги и силы тока дуги, показали, что зависимость линейная.

Так, например при постоянной силе тока в 50 кА с изменением длины дуги, выталкивающая силы будет изменятся как показано на рисунке 3

Рисунок 3. Зависимость выталкивающей электромагнитной силы от длины дуги при силе тока 50 кА.

Учитывая, что вектор выталкивающей силы является неотъемлемой составляющей при построении вектора суммарной электромагнитной силы, следует, что с ростом Fвыт будет увеличиваться и Fсум, тем самым отклоняя дугу и увеличивая угол отклонения дуги от оси электрода. При этом исходя из формулы (2) видно, что F oc не оказывает существенного влияния на этот процесс, потому что зависит только от силы тока, а он быть постоянным. Для примера, при том же значении тока в 50 кА значение осевой силы будет 125 Н. сталеплавильный электродинамический шихта футеровка

Вывод по работе: При несоосном расположении электродов в процессе увеличении длины дуги происходит увеличение выталкивающей силы, что приводит к выдуванию дуги из-под электрода и увеличению угла отклонения дуги от оси электрода. Отклонение дуги можно использовать для успешного расплавления металла, соблюдая необходимые для этого значения длины дуги и силуытока.

Библиографический список

1. Патент № 2410444 (RU 2410444С 1). Дуговая сталеплавильная печь постоянного тока/ А.Н. Макаров, Т.К. Запрометова, Ю.А. Луговой// Изобретения, 2011, №3.

2. Макаров, А.Н. Теплообмен в электродуговых и факельных печах и топках паровых котлов/ А.Н. Макаров. Тверь: ТГТУ, 2003, 348 с.

3. Макаров, А.Н. Теория и практика теплообмена в электродуговых и факельных печах и топках, камерах сгорания/ А.Н. Макаров. Тверь: ТГТУ, 2007, 184 с.

4. Егоров А.В. Электроплавильные печи черной металлургии. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1985. 280 с.

Размещено на Allbest.ru