Известно, что прототипом современных дуговых печей ДСП является изобретенная в 1899 г. во Франции инженером П. Эру (P. Heroult) печь прямого действия с двумя электродами. В России первая печь такого типа была установлена в 1910 на Обуховском заводе в Петербурге. Исследованию и разработке способов повышения эффективности процесса производства металла в ДСП посвящено ряд работ зарубежных и отечественных ученых: Морозов А.Н., Поволоцкий Д.Я., Зинуров И.Ю., Стомахин А.Я., Егоров А.В., Малиновский B. C., Фукс Г., Педро А.А., Гелер К. [3]

В настоящее время в дуговых печах производится около 850 млн. тонн металла в год или 33% от всего валового выпуска. При этом, остаются нерешенные проблемы такие как, повышение эффективности дуговых при снижении простоя печей в результате безаварийной работы. [5]

В последние годы из-за существенного сокращения продолжительности плавки и дефицита времени на принятие оперативных технологических решений требования к качеству автоматизации значительно повысились.

Во время производства стали в электродуговых печах существуют высокие потери электроэнергии. В первую очередь они связаны с неудовлетворительным качеством углеграфитовых электродов, и их неправильной эксплуатацией. Также другими причинами, снижающим эффективность работы печной установки являются:

низкое качество отечественных электродов, что приводит к их быстрому разрушению,

изгиб электрода из-за упора о токонепроводящие элементы при его погружении в шихту;

удар электродов о твёрдую поверхности шихты во время зажигания дуги с локальными разрушениями,

обгорание торца электрода и разрушение боковых поверхностей электрода из-за эрозии,

попадание огарков и золы в расплав и обвалка колодцев во время процесса плавления.

В тепловом анализе обычно вычисляют температуры и скорость теплового потока, также можно вычислить удельный тепловой поток. Стационарный тепловой анализ позволяет найти отклик системы на установившуюся температурную нагрузку, через решение уравнения:

[C (T)] {?}+ [K (T)] {T}={Q (t, T) }

где t - время, {T} - температурное поле, [C] - матрица удельной теплоёмкости, [K] - матрица теплопроводности, {Q} - вектор скорости генерации тепла в системе.

В стационарном тепловом анализе исключаются все изменяющиеся во времени параметры допускаются нелинейные эффекты:

[K (T)] {T}={Q (T) }.

Для статического анализа в уравнении движения все зависящие от времени слагаемые равны нулю:

[K] {x}={F}.

Цель линейного статического анализа - найти отклик в конструкции на статическую нагрузку. Вычисляемыми параметрами являются смещение, силы реакции, напряжения и деформации, по уравнению движения:

[M] {?}+ [C] {?}+ [K] {x}={F (t) }

где [M] - матрица масс, [C] - матрица демпфирования, [K] - матрица жесткости, {x} - перемещение, {F} - сила. [2]

Моделирование в ANSYS эрозии электрода. При горении дуги, вследствие разогрева происходит интенсивное эрозионное разрушение графитированного электрода с боковых поверхностей и с торца за счет окисления, сублимации зерен графита, разрушения материала связующего. Повышенная эрозия материала электрода в расплав приводит к чрезмерному науглероживанию расплава. Уменьшение диаметра электродов вследствие эрозии боковых поверхностей приводит к дополнительным потерям мощности. На основании входных данных был смоделирован процесс погружения электродов в шихту в программной среде ANSYS 15.0 (рис.1). [6]

Рис. 1 - Температурное поле в пространстве печи

По мере расплавления шихты электрод опускается вниз, образуя колодцы. В процессе работы печи эти колодцы могут обваливаться, что приводит к короткому замыканию и дополнительным механическим нагрузкам на ниппельное соединение электрода (рис. 2). Обвалы колодцев могут быть двух типов: обвал токонепроводящей шихты, которая не образует короткого замыкания, а только механически воздействует на электрод, и обвал обычной шихты.

Рис. 2 - Обвалка колодцев и упор электрода на электронепроводящую препятствие

Вследствие упора электрода в токонепроводящую шихту из-за наличия явления блуждания дуги происходит ее перемещение в направлении токопроводящей среды с расплавлением этого участка электропроводной шихты. Наблюдается постепенное удлинение дуги и увеличение напряжения. После этого, регулятор дает команду на дальнейшее опускание электрода. Электрод при движении продавливает препятствие, заставляя его смещаться в направлении наименьшего сопротивления. При этом, второй конец электрода жестко закреплен в контактном соединении электрододержателя, поэтому и происходит его изгиб. Вследствие явлений частичного радиального смещения токонепроводящей шихты, а также (либо) проскальзывания электрода относительно ее контактной поверхности, степень изгиба электрода может возрастать. Поскольку площадь поперечного сечения ниппельного соединения электрода существенно меньше его сплошного сечения, то на практике поломка электрода возникает в основном по ниппельному соединению во время процесса плавление верхних слоев шихты.

Построение алгоритма работы печи. В качестве меры предотвращения поломок электродов в результате взаимодействия его с токонепроводящей шихтой предлагается следующее решение: прерывание процесса плавления, поднятие электрода и устранение из печи самой токонепроводящей шихты.

В процессе поднятия электрода, предпринимаемого из-за обрушения токонепроводящей шихты на его боковую поверхность, длина плеча, на котором на электрод действует усилие реакции со стороны шихты, практически не меняется. Условие работы электрода вплоть до его выхода из контакта с шихтой не ухудшаются, а после выхода улучшаются.

Для уменьшения процесса эрозии на боковых поверхностях можно исключить моменты во время процесса плавления, когда мощность на дуге будет выделяться чрезмерно большая, больше чем допустима по технологии. Также предлагается обрабатывать боковые поверхности электрода специальным покрытием, уменьшающим взаимодействие с кислородом. Для уменьшения температуры электрода предлагается сделать его полым на 1/3 или 1/2 его длины и охлаждать изнутри, а другой конец сделать наращиваемым. [4]

Известно, что температурный перепад в теле электрода, т.е. разница между температурой стенки TСТ и центра TЦ электрода, не должен превышать некоторого критического значения, в противном случае из-за термических напряжений возможно образование разного рода трещин, приводящих к обрыву электрода по скоксованой части. Отмеченная зависимость температур стенки и в центре электрода от потребляемой мощности предполагает возможность непрерывного контроля температурного перепада в теле электрода и при работе печи. [1]

дуговая печь свеча электрод

Выводы