Влияние внешних магнитных полей на поведение дуги и расплава в дуговой печи постоянного тока

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСПЛАВОВ

УДК 669.187

Ячиков И.М., Портнова И.В., Вдовин К.Н.

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПОВЕДЕНИЕ ДУГИ И РАСПЛАВА В ДУГОВОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Аннтотация Рассмотрены конструкции дуговых печей постоянного тока, которые дают возможность влиять на форму и положение электрической дуги. Предложены конструкции токоподводов к подовым электродам, позволяющие управлять кондукционным перемешиванием металла в жидкой ванне.

Ключевые слова: магнитное поле, кондукционное перемешивание, дуговая печь постоянного тока, токоподвод, электрическая дуга.

В металлургической промышленности достаточно широко распространены технологии с использованием больших электрических токов, протекающих через ванну расплава. Типичными примерами являются электрометаллургия, электрошлаковый и ваку-умно-дуговой переплав, где металлургические расплавы представляют собой высокотемпературные токонесущие жидкости. Их поведение описывается законами магнитной гидродинамики, связанными с явлениями, которые возникают при взаимодействии проходящего через расплав электрического тока с его собственным и внешним магнитными полями.

Внешние магнитные поля могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на технологические процессы, протекающие в ванне дуговой печи постоянного тока (ДППТ). Так, при воздействии магнитного поля на токонесущий расплав, с одной стороны, возникают объемные электромагнитные силы, приводящие к кондукционному перемешиванию, что интенсифицирует протекание тепломассообменных процессов. С другой стороны, внешние магнитные поля могут приводить к возникновению интенсивных течений, вымывающих футеровку, к отклонению электрической дуги от вертикали или характерному ее движению по поверхности жидкого расплава [1]. Отсюда грамотное использование кондукционного перемешивания жидкой ванны позволяет повысить технико-экономические характеристики металлургического процесса, качество получаемого металла и свести к минимуму негативные воздействия.

Одним из возможных простых способов воздействия на расплав и электрическую дугу является внешнее магнитное поле, создаваемое специальными токоподводами к подовым электродам. Исследование поведения расплава в ванне ДППТ и электрической дуги при разной форме токоподвода к подовому электроду пока далеко до завершения. Однако

для теории и промышленной практики решение этой проблемы весьма интересно.

Целью данной работы является выявление способов создания внешних магнитных полей и их влияние на электрическую дугу и расплав в ванне ДППТ.

Для уменьшения воздействия внешних магнитных полей на электрическую дугу из литературы известны специальные конструкции печей.

При существующей наиболее распространенной конструкции подвода тока к подовому электроду в виде прямой жесткой шины электрическая дуга отклоняется в противоположную от токоподвода сторону. Для снижения влияния магнитного поля на электрическую дугу существует ряд конструкций ДППТ.

Авторы [2] предлагают в своде ДППТ установить два графитированных электрода, разнесенных относительно друг друга и смещенных в поперечном направлении относительно средней плоскости плавильной ванны в сторону расположения источника тока. При этом на подине установлены четыре подовых электрода по обе стороны от средней плоскости плавильной ванны, которые располагаются в вершинах правильного симметричного квадрата относительно средней плоскости плавильной ванны. Токо-подводы графитированных электродов параллельны между собой и проложены напрямую к источнику питания. Токоподводы первой пары подовых электродов прокладываются напрямую к источнику питания. Токоподводы второй пары подовых электродов сначала огибают графитированные электроды, а затем направляются к источнику питания. Такое расположение электродов и токоподводов направлено на взаимное уравновешивание возникающих магнитных эффектов при прохождении электрического тока, чтобы компенсировать влияние токоподводов на формирующиеся в плавильной ванне электрические дуговые разряды. В результате - электрические дуги подвергаются минимальным электромагнитным воздействиям.

В работе [3] предлагается конструкция ДППТ с одним сводовым и одним или несколькими подовыми электродами, смещенными от оси печи. По внешнему диаметру корпуса установлены три электромагнита постоянного тока. Они размещены выше максимального уровня металла, а их оси расположены под углом 120 град относительно друг друга. Электромагниты включаются в случае отклонения дуги от центра плавильной камеры. Термопары для контроля температуры расплава установлены выше уровня расплава на расстоянии не более 0,5 м друг от друга таким образом, чтобы их рабочие спаи касались непосредственно нагреваемой поверхности слоя футеровки. В зависимости от перегрева области слоя футеровки, прилежащей к той или иной термопаре, осуществляется регулирование положения дуги. Предлагаемая конструкция направлена на компенсацию воздействия от внешних магнитных полей.

В работе [4] предлагается ДППТ, в которой подина выполняется из электропроводной каменной кладки и соединяется с кольцевым медным токопод-водом, расположенным с внешней стороны подины. Токоподвод выполнен из следующих друг за другом по окружности сегментов с различными электропроводными контактными поверхностями и разными промежутками между сегментами, которые асимметрично распределяют по периферии печи. Для того чтобы электрическая дуга не отклонялась от вертикальной оси, подина выполнена таким образом, чтобы ее электрические свойства менялись в окружном направлении, благодаря чему относительно оси катода возникает асимметричное распределение тока. При этом возникающее отклонение электрической дуги внешними магнитными полями можно компенсировать таким образом, чтобы она находилась на оси катода.

Однако предлагаемые решения не позволяют эффективно воздействовать на процессы движения и перемешивания расплава, протекающие в жидкой ванне ДППТ. Они практически не влияют на электровихревые течения в области подового электрода и не устраняют большие застойные зоны в жидкой ванне и повышенный износ футеровки в области подового электрода.

Один из возможных способов управления процессом кондукционного перемешивания связан с изменением напряженности магнитного поля в разных областях токонесущего расплава ванны от внешних проводников с током. В патентах [5, 6] внешнее магнитное поле предлагается создавать посредством шины токоподвода к подовому электроду различной формы (рис. 1). Токоподводы могут быть выполнены в виде плоской спирали или спирали Архимеда, вертикальной или конической спирали и иметь один или несколько витков одного или разного диаметра (рис. 2). Внутри винтовой линии может находиться сердечник из ферромагнитного материала, перемещая который в вертикальном и горизонтальном

направлениях можно управлять изменением величины напряженности магнитного поля в разных областях токонесущего расплава ванны.

-2

А

Рис. 1. Электродуговая печь постоянного тока: 1 - корпус; 2 - катод; 3 - подина; 4 - подовый электрод;

5 - токоподвод; 6 - ферромагнитный сердечник;

7 - расплав; 8 - источник питания постоянного тока;

9 - электропривод

В работе [7] проведена сравнительная оценка электровихревого и кондукционного силового воздействия на расплав в ванне ДППТ, имеющей один подовый электрод, смещенный относительно оси ванны. Оценка величин напряженности собственного магнитного поля, возникающего в ванне расплава за счет растекания токов, и магнитного поля, создаваемого круглым витком токоподвода, расположенным под подиной печи, показала, что величины полей имеют один порядок и оказывают примерно одинаковое силовое воздействие на расплав. Это говорит о том, что кондукционное перемешивание можно использовать независимо от электровихревого или совместно с ним.

В работах [8, 9] подробно описана математическая модель поведения горизонтальной и вертикальной составляющих магнитного поля в ванне дуговой печи при разных конструкциях токоподвода к подовому электроду. Посредством компьютерного моделирования установлено, что с увеличением количества витков токоподвода в виде пространственной спирали Архимеда наиболее рациональным является то-коподвод из 2-3 витков. Для токоподвода в форме винтовой линии число витков должно быть не более 5-6, так как с их дальнейшим увеличением величина магнитного поля возрастает несущественно. Установлено, что наиболее перспективной является конструкция токоподвода в форме пространственной спирали Архимеда, так как при прочих равных условиях при компактной форме она обеспечивает более высокие значения напряженности магнитного поля в обрабатываемом расплаве.

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ И ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСПЛАВОВ

Ф-

г д

Рис. 2. Токоподводы к подовому электроду в виде: а - одного витка; б - плоской спирали; в - плоской спирали Архимеда; г - цилиндрической спирали; д - пространственной спирали Архимеда; 1 - подовый электрод; 2 - жесткая токоподводящая шина;

3 - направление тока

Таким образом, показаны возможности влияния внешних магнитных полей на электрическую дугу и расплав металла. Рассмотрены конструкции токопод-водов различной формы, позволяющие управлять изменением величины напряженности магнитного поля в разных областях токонесущего расплава ванны, а значит, управлять положением и движением дуги, перемешиванием расплава и его движением в области футеровки вблизи подовых электродов. Кроме того, возможно увеличение стойкости футеровки боковых стенок и свода печи за счет центрирования дуги при ее отклонении от оси ванны ДППТ. Проанализированы токоподводы к подовому электроду и установлено, что наиболее перспективным является токопод-вод в виде пространственной спирали Архимеда с 2-3 витками.

Список литературы

1. Ячиков И.М., Портнова И.В., Харченко О.А. Характер электровихревого течения металла в ванне ДППТ при изменении положения катода // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2009. № 3. С. 18-20.

2. Пат. 2040864 РФ, МПК7 H05B7/20, H05B7/02, H05B7/11. Плавильная электрическая печь постоянного тока / Р.А. Жаньяк, Н. Мейсон. Опубл. 25.07.1995.

Пат. 115453 на ПМ РФ, МПК7 F27B3/08. Электродуговая печь постоянного тока / И.Е. Синицын, А.М. Володин, А.К. Мусо-лин и др. Опубл. 27.04.2012.

Пат. 2070777 РФ, МПК7 H05B7/20, H05B7/11, F27B3/14. Дуговая электропечь постоянного тока / Э. Никс. Опубл. 20.12.1996.

Пат. 119556 на ПМ РФ, МКИ7 H05B 7/20. Электродуговая печь постоянного тока / Портнова И.В., Ячиков И.М., Харченко О.А. Опубл. 20.08.2012. № 23.

Пат. 126810 на ПМ РФ, МКИ7 H05B 7/20. Электродуговая печь постоянного тока / Ячиков И.М., Портнова И.В., Заляут-динов Р.Ю. Опубл. 10.04.2013.

Ячиков И.М., Портнова И.В. Оценка эффективности электровихревого и кондукционного воздействия на расплав в ванне ДППТ // Теория и практика тепловых процессов в металлургии: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. Екатеринбург: УрФУ, 2012. C. 418-423.

Ячиков И.М., Заляутдинов Р.Ю. Исследование магнитного поля в ванне дуговой печи постоянного тока при разной форме токоподводящей шины к подовому электроду // Изв. вузов. Черная металлургия. № 3. 2014. С. 58-63. Ячиков И.М., Портнова И.В, Заляутдинов Р.Ю. Моделирование поведения магнитного поля в ванне ДППТ при разных конструкциях токоподвода к подовому электроду // Математическое и программное обеспечение в промышленной и социальной сферах: междунар. сб. науч. тр. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С.183-190.

б

а

в

3

4

5

6

7

8

9

Сведения об авторах

Ячиков Игорь Михайлович - д-р техн. наук, проф. кафедры вычислительной техники и программирования ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519)29-85-63. E-mail: j achikov@mail.ru

Портнова Ирина Васильевна - инженер кафедры вычислительной техники и программирования ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: iragzt@mai.ru МГТУ.

Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 29-85-30. E-mail: Vdovin@magtu.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

INFLUENCE OF EXTERNAL MAGNETIC FIELDS ON ARC BEHAVIOR AND MELT IN DC ARC FURNACE

Yachikov Igor Mikhailovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519)29-85-63. E-mail: jachikov@mail.ru.

Portnova Irina Vasilevna - engineer, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519)29-85-63. Vdovin Konstantin Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 29-85-30. E-mail: Vdovin@magtu.ru

Abstract. Considered design arc furnaces DC, which give the opportunity to influence the shape and position of the electric arc. The proposed design of the current leads to the bottom electrodes, allowing to control mixing conductive metal in the liquid bath.

Keywords: magnetic field, conductive mixing, arc furnace DC, current lead, electric arc

References

1. Yachicov I.M., Portnova I.V., Harchenko O.A. Character electroturbulence of current of metal in a bath at DC arc furnace at change of a situation of the cathode. KHarakter ehlektrovikhrevogo techeniya metalla v vanne DPPT pri izmenenii polozheniya katoda [Vestnik Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2009. № 3. P. 18-20.

2. Pat. RU 2040864 МПК7 H05B7/20, H05B7/02, H05B7/11

3. Pat. RU 115453 МПК7 F27B3/08

4. Pat. RU 2070777 МПК7 H05B7/20, H05B7/11, F27B3/14

5. Pat. RU 119556 MKI7 H05B 7/20 DC.

6. Pat. RU 126810 МПК7 H05B7/20, H05B7/06, H05B7/11, F27B3/08.

7. Yachikov I.M, Portnova I.V. Evaluation of the effectiveness electrovortex and conductive effect on the melt in the bath DCAF. Teoriya i praktika teplovykh protsessov v metallurgii [Theory and practice of thermal processes in the metallurgical industry]. Ekaterinburg: Ural Federal University, 2012, pp. 418-423.

8. Yachikov IM, Zalyautdinov RY Investigation of the magnetic field in the bath DC arc furnace at different busbars to form the bottom electrode. Izv. vuzov. CHernaya metallurgiya [Proceedings of the universities. Ferrous metallurgy]. 2014, № 3, pp. 58-63.

9. Yachikov I.M, Portnova I.V., Zalyautdinov R.Y. Modeling the behavior of the magnetic field in the bath DCAF at different designs of current feeders to the bottom electrode. Matematicheskoe i programmnoe obespechenie v promyshlennoj i sotsial'noj sferakh [Mathematical and software in the industrial and social spheres: Intern. Sat scientific. tr.] Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2012, pp. 183-190.

♦ ♦ ♦

УДК 621.001.76

Ячиков И.М., Вдовин К.Н., Костылева Е.М.

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКРОМАГНИТНЫХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ДУГУ В ТРЕХФАЗНОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ

Аннтотация Рассмотрена математическая модель для оценки среднеинтегрального действия основных электромагнитных сил на дугу. Показано, что наиболее существенное влияние на поведение электрической дуги и ее форму в ванне трехфазной дуговой печи оказывают силы взаимодействия между токами дуг и электродов, силы взаимодействия с токами, протекающими через жидкий металл, и выпрямляющая сила.