Управление объемными электромагнитными силами в ванне дуговой печи постоянного тока

Для шихты (см. табл. 1) показатель к уравнения (14) равен 0,07167356808327 или 0,072; а уравнение (14) имеет вид

W=

Ґ \ 0,072

' q у '

Вышеприведенным способом удаётся связать и другие основные параметры процесса спекания, кроме показателя степени увлажнения, который, наряду с физико-химическими свойствами руды, оказывает большое влияние на протекание процесса спекания и в значительной мере определяет все показатели агломерации. Влажность шихты на процесс спекания сказывается двояко: с одной стороны, от неё зависит окомкованностъ и соответственно газопроницаемость холодной шихты, а также влага является терморегулятором горения и оказывает влияние на газопроницаемость шихты в процессе спекания; с другой стороны, по мере увеличения влажности шихты до оптимальной качество агломерата улучшается, а затем выход мелочи резко увеличивается.

Оптимальная массовая доля в шихте, обеспечивающая наибольшую газопроницаемость в процессе спекания, зависит от крупности шихтовых материалов

и изменяется в пределах 6,5-8,0%. Подача воды осуществляется путем тонкого распыления в первой трети длины окомкователя. При уменьшении крупности, а также при повышении температуры шихты массовую долю влаги в ней необходимо увеличивать, а при увеличении крупности и снижении температуры ших-ты - уменьшить. Отклонение массовой доли влаги в шихте от оптимальной не должно превышать ±0,3%. При отклонениях массовой доли влаги в шихте от оптимальной величины на ±0,5% снижается газопроницаемость, ухудшается качество агломерата, увеличивается выход возврата и снижается производительность агломашин.

Список литературы

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 6. М.: Госхимиздат, 1955.

2. Седов А.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1972.

Список литературы

1. Kasatkin A.G. Basic Processes and Chemical Engineering Means. Publ. 6. M.: Goschimizdat 1955.

2. Sedov A.I. Methods of Similarity and Dimensionality in Mechanics. M.: Science, 1972.

УДК 621.365.2: 621.187.2.046 Ячиков И.М., Логунова О.С.

УПРАВЛЕНИЕ ОБЪЕМНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ СИЛАМИ В ВАННЕ ДУГОВОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА*

Перемешивание расплава в дуговой печи постоянного тока (ДППГ) применяют для выравнивания химического состава и температуры по объему ванны с целью облегчения скачивания шлака, для транспортировки шлакообразующих и легирующих добавок, для улучшения переработки шихты на откосах печи. При перемешивании улучшаются условия теплообмена в печи, в результате чего уменьшается перепад температуры металла по глубине ванны, а это является одним из важных условий для осуществления автоматического регулирования температурного режима плавки.

Современные ДППГ являются довольно сложными устройствами с точки зрения управления. Наиболее интенсивное перемешивание металла требуется в период плавления шихты и рафинирования расплава. При этом на границе металл-шлак, в области пятна дуги скорость расплава должна быть максимальной, а в области подовых электродов и футеровки - минимальной. В качестве показателей эффективности управления технологическим процессом выплавки металлов в дуговых печах можно указать однород-

* Работа выполнена по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». № гос. контракта П2402 от 18.11.2009 г.

ностъ химического состава расплава и отсутствие очагов его перегрева и охлаждения.

Одной из российских разработок является способ перемешивания расплава в ванне ДППГ путем установки одного осевого графитированного катода, а в подине - не менее двух подовых анодов, смещенных от ее оси симметрии [1]. Электропитание ДППГ осуществляется через два независимых источника постоянного тока, плюсовые провода которых подводятся к подовым электродам, а минусовые подключены к расходуемому графитированному электроду. Это приводит к сложному движению расплава в вертикальной и в горизонтальной плоскостях. Циркуляция расплава в ДППГ с несимметрично расположенными подовыми электродами осуществляется за счет возникновения электровихревых течений (ЭВТ), вызываемых объемными электромагнитными силами (ОЭМС), которые существенно зависят от силы токов, так как обусловлены взаимодействием электрических токов, подводимых к расплаву от сторонних источников ЭДС, с собственными магнитными полями [2].

На основе математических моделей, разработанных в работах [3-6], проведен анализ составляющих ОЭМС в области подового электрода. Имитационное моделирование ОЭМС при одном подовом электроде

показало, что в горизонтальной плоскости над его поверхностью образуются два противоположно вращающихся вихря (рис. 1, б), кроме того, в меридиональной плоскости вблизи подового электрода малого диаметра возникают интенсивные вихри (рис. 1, в-д).

Таким образом, в дуговой печи постоянного тока ЭВТ являются основным фактором, приводящим к «вымыванию» подового электрода и футеровки вокруг него. Они становятся причиной разрушения подины и приводят к частым ремонтам печи.

При наличии в печи только одного анода повлиять на электровихревые течения без отключения тока дуги не предоставляется возможным, однако при двух анодах появляется возможность «сброса» или «размытия» вихрей в районе подины посредством изменения токов, протекающих через подовые электроды.

Целью работы является выявление и обоснование основных принципов управления объемными электромагнитными силами в ванне ДППГ за счет изменения токов, проходящих через два подовых электрода.

В настоящее время на промышленных печах управление токами, протекающими через подовые электроды, реализуется с гомощью тиристорных источников, регулируемых микроконтроллером. Для «размытия» вихрей в районе подовых электродов на большинстве

ДППГ используется периодическое уменьшение тока через каждую ветку до некоторого минимального значения /мин с периодом Т порядка 100 с (рис. 2, а).

В работе [4] установлено, что при размещении подового электрода со смещением относительно оси ванны наблюдается осевая симметрия электрических и магнитных полей относительно оси, проходящей через центры подового электрода и пятна дуги (ось тока). Осевая проекция плотность тока 1г(г) и азимутальная напряженность магнитного поля Нч(г) в цилиндрической системе координат, связанной с осью тока (Ог), определяются по регрессионным зависимостям:

Jz(г) = і1 [а\г|3 + Ьг2 + с|г| + і|;

а 4 Ь і із с 2 і і

Нф (г) = 10/1sgn(r) I— г н— г + — г н— г

где а, Ь, с, й - функции, зависящие от г.

При двух подовых электродах введем две оси тока, которые пересекаются в центре пятна дуги. Результирующие магнитные и электрические поля определяли по принципу суперпозиции, а ОЭМС как

/ =— 1 хН , где Цо - магнитная постоянная; а -

90°

0°

Рис. 1. Характер течения расплава в вертикапьныхплоскостяхпри одном подовом электроде, ось которого не совпадает с осью ванны: схема секущих вертикальных плоскостей; б - характер течения над поверхностью подового электрода вгоризонтапьной плоскости; в -ф=165°; г -ф=180°(координатаоси подового электрода); д -ф=195°

проводимость расплава.

На рис. 3 приведена зависимость ОЭМС в секторе между осями тока от соотношения токов при условии, что их сумма остается постоянной (/1+/2 =сош1). Расчеты проводились для трехтонной сталеплавильной печи, коэффициенты аппроксимации плотности тока при расстоянии между электродами Л=300 мм при г=200 мм выбирались равными а=5,68-10-9;

Ь=9,98-10-6; с=-0,00568; й=1,05.

На рис. 3, а показан случай, когда ток /1 уменьшается от 1 кА до 0, при этом /2 увеличивается соответственно от 1 до 2 кА, а на рис. 3, б, наоборот, /2 уменьшается при увеличении /1. При этом видно, что между токовыми осями (при г/Л=0-1) при изменении соотношения токов 1]_/12 ОЭМС меняют знак.

Таким образом, меняя соотношение токов, проходящих через подовые электроды, можно управлять интенсивностью и направлением ОЭМС, а значит, и ЭВТ расплава.

На основе компьютерных исследований ОЭМС было установлено, что можно существенно усилить подавление вихрей в районе подового электрода, меняя токи по схеме, показанной на рис. 2, б. Дополнительным преимуществом данного управления является то, что сумма токов, проходящих через подовые электроды, а значит, и тепловая мощность дуги остается постоянной.

Для подавления вихрей в районе подового электрода предлагается использование токов, меняющихся по заданному периодическому закону со сдвигом фаз Т. При прохождении через ванну пульсирующих ТОКОВ І = /(X), І2 = /(х-у) (ІІ > 0), подчиняющихся периодическому закону /(х) со сдвигом фаз

у и периодом Т в каждой ее точке, будет наблюдаться периодическое изменение электрического и магнитного поля. Посредством компьютерного моделирования было установлено, что если І2 = 0, то напряженности электрического и магнитных полей меняются ВО времени пропорционально току І1, причем это из -менение происходит одновременно (синфазно) во всех точках жидкого расплава [3-5]. Значение отдельных проекций электрического и магнитного поля в каждой точке ванны: Еп ~ І1, Нп ~ І1.

Выполним оценку мгновенного значения электромагнитной силы в данной точке ванны в зависимости от времени. Считая по принципу суперпозиции, что при изменении обоих токов результирующая напряженность электрического и магнитного полей:

Е П = к1/( т) + к 2 / ( ^-У)5

Н П = к3/СО + к4/(^-у),

получим характер зависимости проекции ОЭМС:

мин

<+-

Д Т

и

\г

и

Рис. 2. Характер изменения токов через два подовых электрода: существующий режим управления; б - предлагаемый режим управления

-И=0,4; І2=1,б

-і 1=0,2; І2=1,6 а

-і1=0; і2=2

-її =1,6; і2=0,4

-її =1,8; і2-0,2 б

-11=2; і2=0

Рис. 3. Зависимость ОЭМС от безразмерного расстояния между электродами при разном соотношении токов

/П (У) = С0/2 (Я> + Ь0/2 (^-^) +

+«о/ со/ (^-у),

где к і, к 2, к з, к 4, ао, Ьо, Со - функции, зависящие от рассматриваемой проекции и координаты точки.

Используя эту оценку мгновенного значения объемной электромагнитной силы в зависимости от протекающих токов через подовые электроды, для произвольной точки ванны определяем проекцию среднеинтегральной ОЭМС как

/ (^)= Т ї /2(т)^1

ь

н—

Т

1 1

І І2

где а, Ь, с - функции, зависящие от рассматриваемой проекции и координаты точки.

Первое и второе слагаемые этого выражения - величины постоянные, поэтому зависимость /(у) обусловливается только третьим членом. Таким образом, в зависимости среднеинтегральной ОЭМС от сдвига фаз между токами основную роль играет функция

л

^ (у) =| і(т _ V Жт №г

В качестве примера рассмотрим Т-периодическую функцию изменения токов

4 *

-і2 ТС п=1

(2 п -1)2

о

о

Рис. 4. Зависимостьтоков от времени при разной начальной фазе Ф: а - для функции

,=100 ^Д-/ = 150 •-••г=200 -/ = 220

Ч'

., =100 -^-г=150-----г=200 -/ = 220

б

Рис. 5. Поведение средней радиальной ОЭМС отсдвигафаз в разных точкахмежду подовыми электродами при пульсирующихтоках: а - по функции

ее график показан на рис. 4, а, причем среднее и действующее значения тока /=1,57 кАи /д=1,81 кА соответственно.

На рис. 5, а приведена зависимость среднеинтегрального значения радиальной проекции ОЭМС в зависимости от сдвига фаз. Видно, что на половинном расстоянии между осями тока (г=Л/2=150 мм) сила равна нулю. При изменении сдвига фаз сила изменяется в 2-3 раза, а ее направление в данной точке ванны остается одним и тем же. Минимум среднеинтегральной силы наблюдается при у=л. Неизменность направления силы/г в данной точке между подовыми электродами можно объяснить тем, что токи пульсирующие, а не знакопеременные.

Однако существуют и такие функции изменения тока (не знакопеременные), при использовании которых Р(у) меняет знак, например

i'(x, у) = — + ^sin (шт-у)-

(

12-ТС n=1

cos

2л:т

~Y

-w

Л

ее график приведен на рис. 4, б, причем среднее и действующее значения тока /=0,25 кА и /д=0,5кА соответственно . Особенностью этой функции является то, что часть периода она имеет нулевое значение. На рис. 5, б для функции изменения токов (5) приведена зависимость среднеинтегрального значения радиальной проекции ОЭМС в зависимости от сдвига фаз. Видно, что в данной точке между подовыми электродами направления силы/г меняется на противоположное. Использование на практике аналогичных функций и наложение на НИХ дополнительного условия /1+/2=С01В1 позволяет управлять не только интенсивностью течения расплава, но и его направлением при неизменной полезной элек-трической мощности печи.

Таким образом, обоснована теоретическая возможность управления течением расплава в ванне ДППГ с двумя подовыми электродами. Установлен качественный характер зависимости объемной электромагнитной силы в произвольной точке ванны

ДППГ от значения токов, протекающих через подовые электроды. Показана возможность управления интенсивностью и направлением течения расплава между подовыми электродами, а значит, и во всей ванне ДППГ за счет изменения соотношения посто-янных токов и сдвига фаз между пульсирующими токами, проходящими через подовые электроды. Даны рекомендации к выбору пульсирующих токов.

Список литературы

1. Результаты первого этапа освоения дугового плавильного агрегата постоянного тока нового поколения в ОАО «Курганмашзавод» / А.В. Афонаскин, И.Д. Андреев, Н.С. Влаоовидр. // Электрометаллургия. 2002. № 4. С. 16-19.

2. Элекгровихревые течения / В.В. Бояревич, Я.Ж. Фрейберг, Е.И. Шилова, Э.В. Щербинин. Рига: Зинатне, 1985. 315 с.

3. Ячиков И. М., Портнова И. В. Электромагнитные процессы в ванне ДППТ при произвольном расположении подового электрода // Электрометаллургия. 2006. № 11. С. 35-39.

4. Моделирование электровихревых течений в ванне дуговой печи постоянного тока / И.М. Ячиков, О.И. Карандаева, Т.П. Ларина. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. 231 с.

5. Ячиков И.М., Манагаров В.Н. Моделирование объемных электромагнитных сил в ванне расплава ДППТ // Вестник Самар. гос. ун-та. 2008. № 6 (65). С. 330-340.

6. Ячиков И.М., Портнова И.В. Характер течения металла в ванне ДППТ с двумя подовыми электродами // Вестник МГТУ. 2008. № 3(23). С. 67-69.

Список литературы

1. The first stage results of the development of a new generation DC arc melting unit at JSC «Kurganmashzavod» / A.V. Afenaskin, I.D. Andreev, N.S. Vlasov and others // Eelectrometallurgy. 2002. № 4. P. 16-19.

2. Electrovortical flows / V.V. Boyarevch, I.J. Freyberg, E J. Shih/a, E.V. Scherbnin. Riga: Zinatne, 1985. 315 p.

3. Yachikov I.M., Portneva I.V. Electromagnetic process in DC arc furnace bath with an arbitrary location of bottom electrode // Eelectrometallurgy. 2006. № 11. P. 35-39.

4. Electrovortical flows simulating in DC arc Hirnace bath / I.M. Yachikov, O.I. Karandaeva, T.P Larina. Magnitogorsk State Educational Institution of Higher Professional Education «MSTU», 2008. 231 p.

5. Yachikov I.M., Managarov V.N. Volumetric electromagnetic forces simulation in DC arc furnace bath // Bulletin of Samara State University. 2008. № 6 (65). P. 330-340.

6. Jachicov I.M., Portnova I.V. Steel flow pattern of liquid melt at DC arc furnace with two bottom electrodes // Vestnik of MSTU. № 3(23). P. 67-69.

УДК 621.746.6

Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н., Лозовский Е.П.

ФОРМИРОВАНИЕ ШЛАКА В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ МНЛЗ

При непрерывной разливке стали в кислородноконвертерном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» в промежуточный ковш МНЛЗ вводят шлакообразующую смесь (ШОС), при расплавлении которой получается жидкий шлак, изолирующий металл от контакта с атмосферой. В процессе разливки химический состав шлака меняется, что оказывает

влияние на его защитные функции. Для изучения изменения состава шлака в процессе разливки стали было проведено специальное исследование, в котором результаты экспериментов анализировались на основе математической модели процесса шлакообразования.

Экспериментальная часть исследования состояла из разливки двух серий опытных плавок. Первая серия