Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках

ГЛАВА 2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ, ФИЗИЧЕСКАЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ФАКЕЛА КАК ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЕЧАХ, ТОПКАХ, КАМЕРАХ СГОРАНИЯ

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА В ГАЗЕ И ПАРАХ МЕТАЛЛОВ

Электрическая дуга представляет собой ионизированный газовый объем, состоящий из изотермических коаксиальных слоев, находящихся между электродами катодом К и анодом А (рис. 2.1) [67]. На рисунке приведены изотермы электрической дуги длиной /д = 50 мм, горящей между угольными электродами в атмосфере воздуха. Дуга, горящая в воздухе, характеризуется значительной неравномерностью температуры по ее радиусу. Первый от оси дуги изотермический слой 10 000°С представляет собой цилиндрический газовый объем, следующие за ним изотермические газовые слои 8000-3000°С имеют цилиндрическую у анода и коническую у катода части. Изотермические

К

Рис. 2.1

Изотермы электрической дуги, горящей между угольными электродами в воздухе при силе тока ‘200 А [67]

коаксиальные цилиндрические газовые ионизированные слои можно аппроксимировать цилиндрическими слоями. Такая форма электрической дуги характерна для всех рассматриваемых дуг, горящих в газах, вакууме, парах металлов [67]-[71]. Средняя эффективная температура дуги может быть вычислена как среднеарифметическая температура на оси дуги 10 000°С и температура на поверхности дуги (температура, омывающих дугу газов), равная 2000°С:

Дуговой разряд по длине разделяют на три области: прикатодную с катодным падением напряжения ик, прианодную с анодным падением напряжения иА, столб дуг, падение напряжения на котором С/ст. Приэлектродные области имеют размеры нескольких микрон, размер дуги определяется размером столба. В столбе дуги напряжение пропорционально длине дуги, градиент потенциала постоянен по длине дуги. Для напряжения на дуге Нд можно записать следующие выражения:

• для токов до 200-300 А

• для токов свыше 300 А

где иАК, а — сумма анодно-катодного падения напряжения, В; Ь — градиент напряжения в столбе дуги, В/мм; у, 6 — определяемые экспериментально постоянные, зависящие от состава газа, электродов; 1Я — ток дуги, А.

В дуговом разряде содержатся молекулы, атомы, электроны, ионы. При различных стадиях развития газового разряда эти частицы находятся в различных температурных условиях. Под действием электрического поля электроны и ионы получают ускорение и их кинетическая энергия и температура растут. Заряженные частицы при столкновении с нейтральными частицам передают им часть своей энергии и температура нейтральных частиц повышается. Ускоренные электроны сталкиваются с атомами, в результате чего повышается их температура. Так как масса электронов мала, а подвижность велика, то в начальных стадиях газового разряда температура электронов значительно выше температуры нейтральных частиц.

При установлении устойчивого электрического разряда в газе атмосферного давления по истечении 2-3 с от начала разряда температура отдельных компонентов разрядной среды выравнивается и в электрической дуге температура всех частиц почти одинакова [68], [71]. В дугах, горящих в парах алюминиевых электродов, в дугах переменного тока радиальное распределение температуры выравнивается (рис. 2.2). По особенностям спектра и хода кривой распре-

Рис. 2.2

Радиальное распределение температуры столба дуги с алюминиевыми электродами в аргоне при токе 300 А [68] (а) и изменение температуры дуги переменного тока [71] (б):

1 — температура по закону идеальных газов; 2 — вероятная действительная температура; 3 — температура диссоциации равновесия; 4 — изменение мгновенных значений тока дуги ?д за период.

деления ТА говорят о наличии в столбе двух зон: внутренней (рис. 2.2а слева от штриховой линии), излучающей сплошной и линейчатый спектры, и внешней, спектр которой только линейчатый. В пределах внутренней зоны температура меняется незначительно [68]. В парах коротких сварочных дуг с испаряющимися электродами экспериментально не обнаружено продольных градиентов температуры. На рисунке 2.26 приведены зависимости температуры от силы тока, полученные Энгелем и Штенбеком. Из этих кривых видно, что при максимуме силы тока температура поднимается до 5000 К, а затем снова падает. При прохождении тока через нулевое значение температура снижается до 3700 К. Таким образом, колебания температуры составляют 25-30%, в рассмотренных опытах сила тока менялась синусоидально, ее максимум составляет 2 А, частота 50 Гц [71].

В дуговых сталеплавильных печах дуга горит в парах металлов, температура которых свыше 2000°С, диаметр дуги 50-500 мм, токи 5-70 кА. Благодаря всем этим обстоятельствам дуга сталеплавильной печи обладает значительной тепловой инерцией, и, следовательно, диапазон колебаний температур в течение периода в дуговой сталеплавильной печи меньше, чем в рассматриваемых опытах Энгеля и Штенбека. При работе печи на переменном токе электрические параметры дуги (ток, напряжение, мощность) постоянно изменяются в соответствии с изменением значения и направления тока, металл и электрод попеременно становятся то катодом, то анодом. В цепях переменного тока электрические параметры цепей оцениваются по среднему тепловому (эффективному) действию тока за полный период протекания тока, аналогично периодически меняются тепловые параметры дуги (температура, тепловой поток), которые будем оценивать по среднему значению за период.

Рассмотрим теплообмен дуг с окружающим пространством, телами. Длинные, свободно горящие в атмосфере воздуха и расположенные горизонтально дуги называют конвективными, потому что поднимающиеся конвективные потоки отводят тепло, выделяющееся по радиусу дуги. Под влиянием турбулентности конвективных потоков столб длинной дуги искривляется, главную роль в передаче энергии здесь играет конвекция.

В вакуумных дугах из-за глубокого вакуума число соударений между электронами и частицами газа мало. Потери мощности в столбе дуги малы, мощность дуги в основном выделяется в приэлектродных областях и передается от них преимущественно теплопроводностью аноду и катоду [18]. Длина дуг в вакуумно-дуговых печах (ВДП) 20-40 мм, ток 10-50 кА, в приэлектродных областях выделяется 94-97% мощности дуги, идущей на нагрев и плавление металла.

С ростом давления газа увеличивается число соударений электронов и частиц газа, пара, при которых электроны в атомах переходят из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, при этом возникает излучение в видимой и ультрафиолетовой областях. При горении дуги в атмосфере воздуха и паров металлов давление пара, газа увеличивается по сравнению с глубоким вакуумом вакуумно-дуговых печей, возрастает число соударений электронов с частицами газа, пара, в дуге появляется интенсивное излучение. По данным Г. И. Лескова, изучавшего сварочные дуги «с ростом давления газа увеличивается как интенсивность сплошного излучения, так и приближение его распределения к планковскому, свойственному «черному телу». Особенно ярко этот процесс выражен в дугах, горящих в парах металлов при атмосферном давлении» [68]. По болометрическим измерениям Г. М. Тиходеева, в дуге со стальными электродами при токах /д = 200-1000 А лучевые потери составляют 90% общих потерь столба [19]. В столбе сварочной дуги выделяется 20- 28% мощности и излучается им по всем направлениям. В приэлектродных областях выделяется 72-80% мощности, которая передается главным образом теплопроводностью активным пятнам на электродах и расходуется на их плавление, испарение, теплопередачу в электроды, т. е. является полезной [68]. По данным Н. Н. Рыкалина, наиболее распространенные дуги с плавящимися металлическими электродами имеют КПД 75-81% [17]. Излучение столба дуги передается телам, лежащим за пределами сварочных процессов, и относятся к мощности потерь сварочной дуги.

Мощные сварочные дуги, горящие в парах металлов, как это следует из опытов Е. ван Зомера, Е. Ролласана и Г. М. Тиходеева [19], описываются уравнением, включающим излучение столба дуги как излучение абсолютно черного тела. Г. И. Лесков также приводит столб дуги к «каналовой модели» [68], однородному каналу, в пределах которого температура и ток распределены равномерно, излучение столба осуществляется поверхностью. Это допущение мало отличается от истинной картины лучеиспускания. Опыты по измерению поглощения столба ксеноновой дуги высокого давления и сварочной дуги показали, что столб является практически непрозрачным. Это означает, что фотоны, излучаемые внутренними слоями столба, поглощаются соседними слоями, и излучающими в окружающее пространство можно считать только наружные слои столба толщиной порядка нескольких свободных пробегов атомов [68].

Конвективные потери столба сварочной дуги пренебрежимо малы. Исследования, проведенные В. А. Губенко, К. В. Багрянским [20], в которых сварочные дуги обдувались газами со скоростью естественных конвективных потоков в околодуговом пространстве, практически не повлияли на параметры столба дуги. Делается вывод, что конвективными потоками в балансе энергии столба дуги можно пренебречь. Таким образом, теплообмен столба сварочной дуги с окружающими поверхностями осуществляется излучением, причем столб дуги излучает как абсолютно черное тело, т. е. поверхностью.

Дуги дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и ДСП постоянного тока (ДСППТ) горят в парах металлов при атмосферном давлении. Н. В. Окороков рассматривает дуги в ДСП как источник теплового излучения [70]. В расчетах Н. В. Окороков опирается на исследования теплообмена в электрических дугах ДСП, проведенных в США В. Пашкисом, который установил, что в приэлектродных зонах выделяется 10-15% мощности дуги, а в столбе 85-90% мощности, причем эта мощность излучается в рабочее пространство печей [70]. При изложении процессов теплообмена в рабочем пространстве ДСП А. В. Егоров рассматривает дугу как излучающий цилиндр с теплоотдачей излучением боковой поверхностью цилиндра [86]. Авторы монографии [69] утверждают, «что в отношении печной дуги может быть вполне приемлемо допущение, что ее излучение близко к излучению абсолютно черного тела». Это утверждение основано на экспериментальных исследованиях.

Измерения тепловых потоков в рабочем пространстве ДСП-200 (вместимость 200 т жидкого металла) на заводе «Красный Октябрь», проведенные в конце 1970-х гг. сотрудниками ВНИИЭТО с разделением лучистой и конвективной составляющих тепловых потоков показали, что суммарные тепловые потоки, падающие на тепломер в конце периода расплавления, наиболее теплонапряженного для футеровки периода, на 85-95% состоят из лучистых потоков и на 5-15% из конвективных потоков [69]. Аналогичные измерения и результаты были получены сотрудниками ВНИИЭТО при исследовании теплообмена в 100- тонной ДСП на Челябинском металлургическом заводе и 5-тонной ДСП на заводе «Электросталь». Конвективные потоки возникают в конической части дуги, где повышается плотность тока, электромагнитное сжатие собственным магнитным полем дуги возрастает, создастся продольный градиент давления. Электромагнитная сила воздействует на окружающий газ как электромагнитный насос, прокачивая его вдоль столба дуги в направлении анода, таким образом, часть мощности дуги передается омывающему ее газу конвекцией. По данным В. Пашкиса и Н. В. Окорокова, мощность, выносимая из столба дуги конвекцией и теплопроводностью из приэлектродных зон не превышает 10-15% мощности дуги [70]. Таким образом, еще раз экспериментально подтверждено, что в свободном пространстве ДСП основным видом теплопередачи является радиационный теплообмен.

В плазменно-дуговых сталеплавильных печах (ПДСП) с керамическим тиглем преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется в обжатом газом столбе дуги. По данным [6], [9], [73], в дугах ПДСП, длина которых 0,5-2,0 м, а сила тока 6-10 кА, электроэнергия преобразуется преимущественно в энергию излучения, доля которой составляет 80-90% в общем балансе мощности дуги. Обобщенные данные основных параметров дуг, горящих в парах металлов, приведены в таблице 2.1.

Коэффициент полезного использования тепла дуги, КПД дуги, как отношение полезной мощности дуги, идущей на нагрев, расплавление металла и шлака, к мощности дуги, определяли для дуг ДСП, ДСППТ и дуг ПДСП по следующим выражениям соответственно [8]:

где срдм — средний угловой коэффициент излучения столба дуги на металл, показывающий долю мощности, излучаемую столбом дуги на металл.

Эффективная средняя температура дуги, горящей в парах металлов, определяется по выражению [68]—[71]:

где С/, — потенциал ионизации газа, в котором горит дуга, В.

Потенциалы ионизации некоторых химических элементов, В, следующие: азот 15,8; кислород 12,5; углерод 11,22; железо 7,83; кальций 6,10 [69]. Потенциал ионизации смеси газов определяется тем элементом, входящим в состав смеси, потенциал ионизации которого меньше. А. И. Леушин, исследуя интенсивность излучения спектральных линий столба дуги ДСП, нашел, что для

Таблица 2.1

Основные параметры дуг сварочных, ВДП, ДСП, ДСППТ, ПДСП

Параметры

дуги

Дуги сварочные и печные

ВДП (дуга в парах Ре) [6]

сварочные

[3]

ДСП

[19]

ДСППТ

[19]

ПДСП

[20]

ПДСП

[20]

и,. в

21

25

520

1000

500

500

/д, кА

50

0,5

48,1

75

10

10

Рд, кВт

1050

12,5

25 000

75 000

5000

5000

Аш, мм

250

250

250

0

С/ак, В

19,1

19

20

20

20

20

и„. В

1,9

6

500

980

480

480

А, В/мм

0,19

2

1

1

0,6

0,6

/я, ММ

20

3

500

980

800

800

%.% г д

91

76

4

2

4

4

гя

9

24

96

98

96

96

Пд, %

91

76

54

51

67

48

Примечание. Аш— высота слоя шлака; г]д— КПД дуги (коэффициент полезного использования тепла дуги).

печей вместимостью 0,5-40 т эффективное значение температуры дуги находится в пределах от 5200 до 6100 К [69]. В начале периода расплавления дуга в ДСП горит в парах железа и углерода, при достижении электродом ванны жидкого металла, покрытого слоем шлака, в смесь паров, в которых горит дуга, поступают пары кальция. Расчет эффективной температуры дуги по выражению (2.4) дает результат, что она изменяется от 6260 К при горении дуги на твердую шихту до 4880 К при горении на ванну металла, что близко к значениям температуры дуги, полученным при исследовании спектральных линий излучения дуги. Аналогичные данные об изменении температуры газа в дуге при больших силах тока от 5000 до 6000 К приводит в своих исследованиях Н. А. Капцов [72]. По данным Г. А. Сисояна, в карбидных печах при выплавке карбида кальция, потенциал ионизации которого 6,1 В, температура дуги в печи составляет около 5000 К, в печах для плавки ферросилиция и ферромарганца при потенциале ионизации 7-8 В температура дуги порядка 6000 К [71]. Близкие к вышеперечисленным данным сведения о температуре столба дуг, полученные различными методами, приводят и другие исследователи [67]—[71]:

  • • стальные электроды, ток дуги 420 А, горение в воздухе + пары железа, измерение по интенсивности спектральных линий Гд = 6500 К;
  • • стальные электроды, ток дуги 7 А, горение в воздухе + пары кальция, измерение по интенсивности спектральных линий Гд = 4700 К.

Таким образом, данные о температуре дуги, горящей в парах железа и кальция, полученные различными методами измерения и различными авторами совпадают: эффективная температура дуги при горении в парах железа Та = = 6300-6400 К, при горении в парах железа и кальция Тд = 4800-4900 К.

Отсутствие зависимости температуры дуги в дуговых сталеплавильных печах от мощности дуги не позволяет использовать закон Стефана — Больцмана, основной закон, на котором длительное время была построена вся теория теплообмена излучением в печах, топках, камерах сгорания, для расчета теплообмена в ДСП. Уравнение для определения плотности излучения слоя ионизированного или неионизированного газа на поверхность нагрева, основанное на законе Стефана — Больцмана, имеет вид:

где с8 — коэффициент излучения абсолютно черного тела; ? — приведенный коэффициент излучения; Г,., Тпов — температура соответственно газа и поверхности нагрева; ср12 — угловой коэффициент излучения слоя газа на поверхность нагрева.

При расчете теплообмена в дуговых сталеплавильных печах по формуле (2.5), основанной на законе Стефана — Больцмана, и использовании эффективной температуры дуги, которая не зависит от вместимости и мощности печи, получим одинаковую плотность потока излучения, падающего на расплавляемый металл от дуги, при любой ее мощности, т. е. производительность печи не зависит от вводимой в нее с помощью дуг мощности, что противоречит закону сохранения энергии. Из практики эксплуатации дуговых сталеплавильных печей известно, что чем больше мощность дуг, тем выше производительность печей. При увеличении мощности 100-тонной ДСП с 10 МВА в 1950-х гг. до 80МВАв 1990-х гг. производительность печи возросла соответственно с 85- 95 тыс. т стали в год до 600-800 тыс. т стали в год, т. е. пропорционально вводимой в печь мощности. Следовательно, плотность потоков излучений дуг на металл увеличивается пропорционально мощности дуг при небольшом изменении температуры дуги при переходе от горения дуг на твердую шихту к горению на жидкометаллическую ванну, и формула (2.5) не может быть использована для расчета теплообмена в дуговых сталеплавильных печах. Невозможность использования закона Стефана — Больцмана привела к задержке на 40-50 лет разработки надежной методики расчета теплообмена в дуговых сталеплавильных печах.

Вместимость дуговых сталеплавильных печей увеличилась с 1,5-3 т в 1910 г. до 100-150 т в 1979 г., удельная мощность возросла с 220 до 800 кВА/т стали. Увеличение удельной мощности вызвало в конце 1970-х гг. интенсивное оплавление огнеупоров, резкое уменьшение срока службы футеровки, увеличение простоев печей, связанное с заменой футеровки стен, сводов. Проведенный в те годы автором анализ истории развития ДСП показал опережающее развитие электротехнического и отставание теплотехнического обеспечения элек- тродуговых печей, как материального, так и теоретического. Исследование и разработка методов расчета электрических режимов ДСП начались в 1910- 1920-х гг., исследование тепловых режимов — на 30-40 лет позже. Такая диспропорция вызвана тем, что датчики и приборы контроля электрических параметров работают в благоприятных условиях, имеют значительный срок службы, дают непрерывную информацию, что позволило создать многолетнюю базу для совершенствования практического и теоретического обеспечения электротехнической части дуговых печей, а датчики контроля тепловых параметров работают в условиях высоких температур в парах металлов, срок их службы чрезвычайно мал, информацию передают эпизодически, поэтому за многолетний опыт эксплуатации электродуговых печей была собрана весьма скудная, зачастую локальная информация о тепловых параметрах в рабочем пространстве электродуговых печей.

Сложность экспериментального познания процессов теплообмена в электродуговых печах приводила к сдерживанию дальнейшего прогресса электро- печестроения для плавки стали. В конце 1970-х гг. остро стояла проблема получения не только количественных данных по теплообмену в ДСП, но и качественной картины теплообмена. Было непонятно происхождение и протекание в электродуговых печах ряда физических явлений: образование «горячих пятен» на футеровке стен; максимальный износ сводов в центральной части, где футеровка экранирована электродами от излучения дуг; неравномерность температур по периметру, неравномерное расплавление шихты на откосах; обвалы шихты в ДСП и вызванные ими колебания напряжения сети, сказывающиеся на питании других электроприемников; отсутствие обвалов, стабильный электрический режим в ДСППТ и другие явления. Не зная причин возникновения явления, нельзя на него воздействовать, управлять физическим явлением, устранять его отрицательное влияние.

В 1978-1982 гг. автором были получены аналитические выражения, формулы, связывающие электрические, геометрические и тепловые параметры электрических дуг и поверхностей нагрева, разработана методика расчета теплообмена излучением в дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока, позволившая объяснить физические явления, происходящие в рабочем пространстве ДСП трехфазного тока. В последующие 1982-1992 гг. автором были получены аналитические выражения, формулы для расчета теплообмена излучением в ДСППТ, ПДСП.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы