Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Подовый электрод с жидкометаллическим теплоносителем для дуговой печи постоянного тока

П.И. Тищенко, С.Н. Тимошенко, С.Ю. Пасечник, А.П. Тищенко, A.Ю. Пасечник

Проблема и ее связь с научной и технической задачей

Дуговые сталеплавильные печи постоянного тока (ДСППТ) в силу ряда технико-экономических преимуществ [1] перед печами переменного тока получили заметное распространение как в машиностроительном комплексе для производства высококачественных сталей и сплавов, так и в «большой» металлургии [2] при производстве полупродукта. Подовый электрод (ПЭ) является одним из основных узлов ДСППТ. Из четырех типов ПЭ: проводящая подина, игольчатый, пластинчатый и стержневой, последнему чаще отдают предпочтение как наиболее рациональному с точки зрения технологии плавки и обслуживания печи [3].

Анализ исследований и публикаций

Обычно стержневой ПЭ (рис. 1) выполняется биметаллическим и включает контактирующий с металлом стальной стержень и присоединенную к нему нижнюю медную водоохлаждаемую часть.

Схема и механизм износа узла подового электрода в ДСППТ

Рисунок 1 – Схема и механизм износа узла подового электрода в ДСППТ.

В футеровке печи в зависимости от ее вместимости устанавливают от одного до четырех ПЭ. Авторы [5], исследовав механизм износа ПЭ и прилегающего слоя футеровки, пришли к заключению о преобладающей роли МГД-эффекта, который заключается в создании поля скоростей в жидкой стали под действием электромагнитной силы Лоренца. В процессе интенсивного движения металла (до 0,7-1м/с в печах высокой мощности) в несколько раз в сравнении с неподвижной ванной возрастает тепловой поток от ванны к электроду и стальная часть ПЭ частично расплавляется.

Положение линии фазового перехода относительно кожуха подины (h1) определяется проходящим через ПЭ тепловым потоком, интенсивностью охлаждения, теплофизическими и геометрическими параметрами узла электрода. В конечном счете, движение расплава приводит к формированию т.н. анодных ям (рис.1), оказывающих негативное влияние на стойкость футеровки подины ДСППТ.

В традиционной конструкции ПЭ стержневого типа фирмы Клесим [4] водохлаждаемая часть, из соображений безопасности эксплуатации, вынесена за пределы кожуха подины, что приводит в печах высокой мощности к формированию глубоких анодных ям. Предложенное фирмой Даниэли решение [6], в котором медная часть ПЭ приближена к жидкой ванне, наряду с эффективной системой охлаждения, уменьшает глубину анодной ямы, но требует строгого температурного контроля подового электрода в электропечи для предотвращения прожога водного канала. В [7] защита подового электрода и прилегающей футеровки производится путем локального охлаждения за счет эндотермического эффекта реакции крекинга гидрокарбонатов, вдуваемых в ванну через специальные каналы, однако информации о его использовании нет.

Таким образом, проблема повышения эксплуатационных характеристик подового электрода ДСППТ является актуальной.

Постановка задачи

Настоящая работа направлена на разработку подового электрода ДСППТ, в котором эффективный теплоперенос от ванны к воде обеспечивается электровихревым течением промежуточного жидкометаллического теплоносителя.

Изложение материала и результаты

Основным параметром, определяющим тепловое состояние ПЭ, является проходящий тепловой поток. Его величину можно принять, основываясь на расчетах [5] для промышленных ДСППТ высокой мощности, в пределах (2…2,5).106 Вт/м2. Задавшись температурой ванны (tb) и средней температурой охлаждающей воды (tw) соответственно 16200C и 500C, дадим оценку величины коэффициента теплопроводности ПЭ (), который обеспечит эксплуатацию подины промышленной ДСППТ толщиной h = 1м (рис. 1) без формирования анодной ямы, т.е. без расплавления верхней части электрода:

Для этих условий расчетная величина , равная 1200…1600 Вт/(м.K) существенно превышает данный показатель даже для меди – наиболее доступного из высокотеплопроводных металлов (380 Вт/(м.K). Это означает, что избежать образования анодной ямы и повышенного износа футеровки при использовании традиционного ПЭ стержневого типа невозможно.

В связи с этим актуальной проблемой является организация более эффективной, чем теплопроводность, конвективной теплопередачи в подовом электроде. Разработан подовый электрод ДСППТ с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем (рис. 2). Он включает стальной кожух (1) с полостью (2), заполненной теплоносителем. В полости установлен центральный стальной стержень (3) с изменяющимся по продольной оси поперечным сечением. Тепловой поток отводится охлаждающей водой посредством змеевика (4), установленного в полости с промежуточным теплоносителем.

В качестве промежуточного теплоносителя используется алюминий, который находится в жидком состоянии при эксплуатации ПЭ в ДСППТ. Выбор алюминия обусловлен следующими причинами:

  • высокая тепло- и электропроводность, что позволяет обеспечить преобладающее прохождение тока через теплоноситель, а не через стальную оболочку полости, что создает условия для развития конвективного теплопереноса, вызванного электровихревым течением;
  • приемлемые уровни критических температур относительно температуры плавления стали, а именно температура плавления (6600C) существенно ниже, а температура кипения (25200C) существенно выше;
  • взрывобезопасность и отсутствие негативного влияния на качество стали при попадании жидкометаллического теплоносителя в ванну в аварийной ситуации.

Центральный стержень (3) с изменяющимся по продольной оси поперечным сечением обеспечивает электровихревое течение промежуточного теплоносителя при прохождении электрического тока через ПЭ вследствие эффекта Нортрупа [8]. Средняя электромагнитная сила (F, Н), возникающая в объеме жидкого электропроводного теплоносителя, может быть оценена следующим соотношением [8]:

где – магнитная проницаемость промежуточного теплоносителя, Г/м; I- сила тока через теплоноситель, A; a,b – конструктивные параметры токопроводящего пространства (рис.2).

Численные расчеты теплообмена в ПЭ с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем выполнены с помощью пакета прикладных программ ANSYS-CFX с наложением поля электромагнитных сил, полученного в использованием пакета ANSYS-Emag, для условий:

  • температура ванны 1900К;
  • сила тока 2 кА;
  • температура охлаждаемой поверхности 320К;
  • в расчетах реализована k-e модель турбулентности.

Расчетные поля температуры и скорости в промежуточном жидкометаллическом теплоносителе ПЭ представлены на рис.3 и рис.4 соответственно.

Полученные результаты показывают, что жидкий алюминий, как промежуточный теплоноситель, обеспечивает перенос тепла от ме-таллической ванны в охлаждающей подовый электрод воде без существенного оплавления его стальной части. Поле скорости свидетельствует об интенсивном перемешивании жидкого теплоносителя в полости (до 3м/с), что превышает возможности тепловой конвекции с характерной скоростью до 0,2 м/с [5], которая имеет место при отсутствии электровихревого течения.

Расчеты показывают, что электропроводный жидкий промежуточный теплоноситель и центральный стержень переменного сечения создают условия для эффективного конвективного теплопереноса в полости подового электрода.

Испытания подового электрода представленной конструкции с алюминиевым жидкометаллическим промежуточным теплоносителем проведены на лабораторной тигельной ДСППТ. Стальные таблетки (состав соответствует ст.3) плавили под шлаком системы CaО-CaF2 при следующих рабочих параметрах:

  • масса металла 55-60 кг,
  • сила тока 1,8-2,0 кA,
  • напряжение 30-35В,
  • температура металла 1600-1635 0С,
  • диаметр подового электрода 100 мм,
  • внутренний диаметр тигля 320 мм,
  • расход охлаждающей воды 0,65 м3/час,
  • длительность плавки 50 мин.

Вид подового электрода, извлеченного из тигля после плавки, показан на рис. 5.

Эксперимент подтвердил рассмотренные ранее теоретические положения и результаты расчетов. Оплавления стальной части ПЭ не происходило, отмечено наплав-ление корочки расплава на его верхний торец. Это свидетельствует о том, что алюминиевый жидко-металлический теплоноситель обеспечивает достаточный для устойчивой работы ПЭ перенос тепла к воде.

Выводы

Таким образом, согласно расчетам и эксперименту, применение подовых электродов с промежуточным жидкометаллическим алюми-ниевым теплоносителем в ДСППТ позволит повысить эффективность теплопереноса от жидкой ванны к охлаждающей воде за счет электровихревого течения теплоносителя, что на практике будет способствовать минимизации образования анодных ям и повышению стойкости узла подового электрода.

Список литературы

  1. Малиновский В.С. Сравнение характеристик дуговых печей постоянного тока нового поколения и индукционных печей / В.С. Малиновский, В.Д. Малиновский, Л.В. Ярных, А.В. Афонаскин //Литейщик России - 2002, № 1. – С.24-27.
  2. Innovation in Electric Arc Furnaces/ Y.Toulouevski, I.Zinurov. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010, - 258p.
  3. Pavlicevic M. DC-EAF: The Anodes Cooling System / M. Pavlicevic, B. Matijasevic, A. Della Negra, G. Gensini // Danieli news. - 1995. - №1. - Р.18-29.
  4. Janiak, G. Davene. Scrap-melting process and electric furnace for carrying out the process. Patent US 4821284
  5. Liu X. Melting mechanism of water-cooled billet-type bottom electrode of direct cur-rent arc furnace: a numerical approach / X.Liu, J.Zhou, H.Shi et al// Metallurgical and materials transactions B. - October 2008. - №39B. - Р.713-724.
  6. G. Gensini, M. Pavlicevic. Cooled bottom electrode for a direct current electric furnace. Patent US 5651024.
  7. H.Berger, P.Mittag, J.Steins. Bottom electrode for a metallurgical vessel. Patent US 5529598.
  8. Электровихревые течения / В.В.Бояревич, Я.Ж.Фрейберг, Е.И.Шилова, Э.В.Щербинин – Рига: Зинатне, 1985. – 315с.

Рецензент д.т.н., проф. Н.А.Маняк

© П.И. Тищенко, С.Н. Тимошенко, С.Ю. Пасечник, А.П. Тищенко, A.Ю. Пасечник