Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса
Выполнено численное моделирование тепловой работы футеровки и распределения плотности тока в ванне 12-тонной дуговой сталеплавильной печи постоянного тока литейного класса. Установлено, что при простоях печи более 15 часов, установка водоохлаждаемых элементов (ВЭ) с пространственной структурой взаме...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2017
|
| Назва видання: | Металл и литье Украины |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163199 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса / С.Н. Тимошенко, А.А. Филиппи, С.П. Онищенко, П.И. Тищенко // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 12-19. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-163199 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1631992020-01-27T01:25:34Z Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса Тимошенко, С.Н. Филиппи, А.А. Онищенко, С.П. Тищенко, П.И. Выполнено численное моделирование тепловой работы футеровки и распределения плотности тока в ванне 12-тонной дуговой сталеплавильной печи постоянного тока литейного класса. Установлено, что при простоях печи более 15 часов, установка водоохлаждаемых элементов (ВЭ) с пространственной структурой взамен части футеровки снижает потери энергии печи за счет сокращения затрат на аккумуляцию тепла, несмотря на дополнительные потери с водой. ВЭ с пространственной структурой снижают потери тепла с водой на 25–35 % в сравнении с традиционными ВЭ с плотной укладкой труб. Установка подовых электродов (ПЭ) стержневого типа взамен ПЭ пластинчатого типа позволяет сократить энергопотребление печью на 3–9 % за счет интенсификации электровихревых течений в сталеплавильной ванне. Виконано чисельне моделювання теплової роботи футеровки і розподілу щільності струму у ванні 12-тонної дугової сталеплавильної печі постійного струму ливарного класу. Встановлено, що при простоях печі більше 15 годин, установка водоохолоджуваних елементів (ВЕ) з просторовою структурою замість частини футеровки знижує втрати енергії печі за рахунок скорочення витрат на акумуляцію тепла, незважаючи на додаткові втрати з водою. ВЕ з просторовою структурою знижують втрати тепла з водою на 25–35 % в порівнянні з традиційними ВЕ з щільним укладанням труб. Установка подових електродів (ПЕ) стрижневого типу замість ПЕ пластинчастого типу дозволяє скоротити енергоспоживання піччю на 3–9 % за рахунок інтенсифікації електровихрових течій у сталеплавильній ванні. A numerical simulation of the thermal work of the refractory lining and electrical current density distribution in the bath of a 12-ton DC steelmaking arc furnace of the foundry class is performed. It has been established that in the case of furnace downtime over 15 hours, the installation of water-cooled elements (WCE) with a spatial structure rather than a part of the lining reduces the energy loss of the furnace due to reducing the costs of heat accumulation, in spite of additional loss with water. WCE with a spatial structure reduce heat loss with water by 25–35 % compared to traditional WE with dense pipe laying. The installation of billet-type bottom electrodes (BE) instead of pin-type ones allows to reduce the energy consumption of the furnace by 3–9 % due to the intensification of electro-vortex currents in a steel-smelting bath. 2017 Article Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса / С.Н. Тимошенко, А.А. Филиппи, С.П. Онищенко, П.И. Тищенко // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 12-19. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163199 669.187 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Выполнено численное моделирование тепловой работы футеровки и распределения плотности тока в ванне 12-тонной дуговой сталеплавильной печи постоянного тока литейного класса. Установлено, что при простоях печи более 15 часов, установка водоохлаждаемых элементов (ВЭ) с пространственной структурой взамен части футеровки снижает потери энергии печи за счет сокращения затрат на аккумуляцию тепла, несмотря на дополнительные потери с водой. ВЭ с пространственной структурой снижают потери тепла с водой на 25–35 % в сравнении с традиционными ВЭ с плотной укладкой труб. Установка подовых электродов (ПЭ) стержневого типа взамен ПЭ пластинчатого типа позволяет сократить энергопотребление печью на 3–9 % за счет интенсификации электровихревых течений в сталеплавильной ванне. |
| format |
Article |
| author |
Тимошенко, С.Н. Филиппи, А.А. Онищенко, С.П. Тищенко, П.И. |
| spellingShingle |
Тимошенко, С.Н. Филиппи, А.А. Онищенко, С.П. Тищенко, П.И. Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса Металл и литье Украины |
| author_facet |
Тимошенко, С.Н. Филиппи, А.А. Онищенко, С.П. Тищенко, П.И. |
| author_sort |
Тимошенко, С.Н. |
| title |
Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса |
| title_short |
Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса |
| title_full |
Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса |
| title_fullStr |
Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса |
| title_full_unstemmed |
Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса |
| title_sort |
энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2017 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163199 |
| citation_txt |
Энергоэффективные решения при модернизации дуговыхсталеплавильных печей постоянного тока литейного класса / С.Н. Тимошенко, А.А. Филиппи, С.П. Онищенко, П.И. Тищенко // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 12-19. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| series |
Металл и литье Украины |
| work_keys_str_mv |
AT timošenkosn énergoéffektivnyerešeniâprimodernizaciidugovyhstaleplavilʹnyhpečejpostoânnogotokalitejnogoklassa AT filippiaa énergoéffektivnyerešeniâprimodernizaciidugovyhstaleplavilʹnyhpečejpostoânnogotokalitejnogoklassa AT oniŝenkosp énergoéffektivnyerešeniâprimodernizaciidugovyhstaleplavilʹnyhpečejpostoânnogotokalitejnogoklassa AT tiŝenkopi énergoéffektivnyerešeniâprimodernizaciidugovyhstaleplavilʹnyhpečejpostoânnogotokalitejnogoklassa |
| first_indexed |
2025-07-14T15:43:58Z |
| last_indexed |
2025-07-14T15:43:58Z |
| _version_ |
1837637660448915456 |
| fulltext |
12 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
с теоретическим удельным расходом электроэнер-
гии на плавку [5].
Представляет интерес сопоставить потери, в част-
ности на аккумуляцию тепла в дуговой печи литейно-
го класса с кирпичной футеровкой и при наличии ВЭ;
найти решение по модернизации печи, основанное на
компромиссном балансе экономии энергоресурсов и
огнеупоров в конкретных условиях производства.
Важным и критичным узлом ДСППТ является по-
довый электрод (ПЭ), обеспечивающий прохождение
и растекание тока в ванне, при взаимодействии кото-
рого с магнитным полем возникают электровихревые
течения (ЭВТ) [6]. Наибольшее распространение по-
лучили ПЭ стержневого и пластинчатого (или иголь-
чатого) типа [1, 5, 7]. ЭВТ является важным фактором
интенсификации процессов тепло- и массопереноса
в ванне и, соответственно, энергоэффективности пе-
чи. Путем численного моделирования ЭВТ установ-
лено положительное влияние глубины ванны, силы
тока, расхода инертного газа при донной продувке
ванны и негативное воздействие длинной дуги и слоя
шлака на продолжительность нагрева и усреднения
стали по температуре [8]. В работе [9] исследовали
ЭВТ на небольшой физической модели ДСППТ с ис-
пользованием легкоплавких металлов и пришли к
выводу, что при установке двух ПЭ и их смещении
относительно верхнего электрода, наблюдается уве-
личение средней скорости ЭВТ в 1,3−1,4 раза. Со-
гласно [10], переход от цилиндро-конической ванны к
конической ведет к росту скорости ЭВТ, а перемеще-
ние торца ПЭ выше и ниже уровня подины снижает и
увеличивает скорость ЭВТ соответственно.
Актуальной остается задача сопоставительной
оценки используемых в промышленности типов ПЭ
В
ведение. Дуговые сталеплавильные печи посто-
янного тока (ДСППТ) характеризуются устойчи-
вым горением дуги, что способствует снижению
угара шихты, уровня шума и фликер-эффекта в
сравнении с трехфазными аналогами [1–3]. Преиму-
щества ДСППТ наиболее полно реализуются в «ма-
лой» металлургии (литейные цехи) при классической
технологии с относительно длительным периодом
доводки жидкой стали. В дуговых печах литейного
класса, в отличие от агрегатов «большой» металлур-
гии, производительность не является приоритетной
задачей, вводимая удельная электрическая мощ-
ность не превышает 0,5 МВт/т, применение средств
интенсификации плавки и водоохлаждаемых эле-
ментов (ВЭ) весьма ограничено [3, 4].
Анализ последних исследований и публикаций.
Постановка проблемы. ДСППТ и дуговые печи в
целом имеют относительно низкую энергоэффек-
тивность вследствие потерь тепла, главным обра-
зом с пылегазовой средой и с водой, достигающих
даже в ритмично работающих печах 30 % вводимой
энергии и более [2]. В «малой» металлургии про-
блема усугубляется длительными простоями печей
и связанной с ними потерей энергии на аккумуля-
цию тепла футеровкой. На 6-тонной дуговой печи
литейного класса экспериментально установлено
наличие динамического слоя футеровки толщиной
115–120 мм с переменными по ходу плавки тем-
пературным полем и энтальпией, и внешнего ква-
зистационарного слоя с практически однородным
температурным полем. Суточный простой печи
ведет к снижению средней температуры футеров-
ки до 150–200 °С, и для компенсации потери ее
энтальпии требуется ввод энергии, соизмеримый
УДК 669.187
С. Н. Тимошенко, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., докторант, e-mail: stimoshenko155@gmail.com
А. А. Филиппи*, гл. инженер
С. П. Онищенко**, директор
П. И. Тищенко**, канд. техн. наук, гл. специалист
Донецкий национальный технический университет, Покровск
*ООО «Днепропресс Сталь», Днепр
**ЧП «Фирма РОУД», Киев
Энергоэффективные решения при модернизации дуговых
сталеплавильных печей постоянного тока литейного класса
Выполнено численное моделирование тепловой работы футеровки и распределения плотности тока в ванне
12-тонной дуговой сталеплавильной печи постоянного тока литейного класса. Установлено, что при простоях
печи более 15 часов, установка водоохлаждаемых элементов (ВЭ) с пространственной структурой взамен
части футеровки снижает потери энергии печи за счет сокращения затрат на аккумуляцию тепла, несмотря на
дополнительные потери с водой. ВЭ с пространственной структурой снижают потери тепла с водой на 25–35 % в
сравнении с традиционными ВЭ с плотной укладкой труб. Установка подовых электродов (ПЭ) стержневого типа
взамен ПЭ пластинчатого типа позволяет сократить энергопотребление печью на 3–9 % за счет интенсификации
электровихревых течений в сталеплавильной ванне.
Ключевые слова: дуговая печь постоянного тока, аккумуляция тепла, водоохлаждаемые элементы, подовый
электрод, энергоэффективность.
13ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
145−160 °С, что приводит к затратам энергии на акку-
муляцию тепла в последующей серии плавок, оценка
которых для данных условий составляет 252 кВт·ч/т.
В альтернативном варианте с ВЭ статья аккуму-
ляции тепла включает, помимо энтальпии остаточ-
ной футеровки (ВЭ заменяют 70 % футеровки стен
и 90 % футеровки свода), энтальпию гарнисажа, об-
разующегося на ВЭ, металлоконструкций панелей и
сток теплоты с водой. Оценка энергозатрат выпол-
нена для следующих условий и допущений, осно-
ванных на практике применения ВЭ в дуговых печах
литейного класса: скорость воды – 1,8 м/с; диаметр
трубы панели внутренний – 60 мм, общее (свод и сте-
ны) число контуров охлаждения – 8; нагрев воды в
контуре – 15 °С; средняя толщина гарнисажа – 10 мм;
продолжительность активной фазы тепловой работы
ВЭ – 40 % от tпл. Оценка разности потерь энергии для
базового и альтернативного вариантов, при условии
неизменности потерь тепла из печи с пылегазовой
средой, представлена на рис. 2.
При увеличении продолжительности простоев
12-тонной ДСППТ более 15 часов, появляется воз-
можность эффективно использовать ВЭ в качестве
элементов ограждения взамен части футеровки. По-
мимо экономии энергии это обеспечивает сокраще-
ние потребления огнеупоров и весьма существенный
дополнительный экономический эффект.
Традиционные ВЭ дуговых печей «большой»
металлургии выполнены с плотной укладкой труб
(рис. 3, а), при которой затруднено образование
и их расположения в ванне для достижения макси-
мальной металлургической эффективности ЭВТ.
Цель и задачи исследований. Целью работы яв-
ляется повышение энергоэффективности ДСППТ.
Задачи исследований состоят в численном модели-
ровании аккумуляции тепла в печи с кирпичной футе-
ровкой и ВЭ и распределении плотности тока в жид-
ком расплаве для обоснования решений по ВЭ, ПЭ,
снижению потерь тепла, повышению интенсивности
ЭВТ, сокращению расхода огнеупоров.
Материал исследований. Исследования выполне-
ны применительно к 12-тонной ДСППТ, работающей
в режиме: 2 плавки продолжительностью по tпл = 4
часа с последующим простоем длительностью tпр =
16 часов. Основные параметры печи: масса плавки
– 12 т; мощность трансформатора – 6 МВА; рабочий
ток – до 20 кА; ПЭ – пластинчатого типа.
Моделирование тепловой работы футеровки
и ВЭ. Оценка энергозатрат на компенсацию потерь
тепла, связанных с аккумуляцией тепла футеровкой,
выполнена для вариантов без ВЭ (базовый) и с ВЭ
(альтернативный) при следующих условиях и допу-
щениях. В период простоя скрап в печь не загружают;
отдача тепла происходит на наружной поверхности F
кожуха и свода свободной конвекцией и излучением
в окружающую среду с температурой t0; теплофизи-
ческие параметры не зависят от температуры; исход-
ная перед простоем энтальпия футеровки опреде-
ляется средневзвешенной рабочей температурой tp
(1580 °С для стен и 1610 °С для свода) и наружной tпов
(200 °С для стен и 270 °С для свода) поверхностей.
Динамика снижения энтальпии футеровкой dQф/dt в
период простоя печи описывается уравнением:
где aпов – коэффициент теплоотдачи поверхности фу-
теровки в окружающую среду, s – константа Стефа-
на-Больцмана; eпов – степень черноты поверхности.
Параметр aпов определяется уравнением, в кото-
ром выражение под знаком логарифма представляет
собой эмпирическую зависимость tпов от tпр, получен-
ную путем обработки опытных данных [5]:
Оценка изменения средней температуры футе-
ровки (входит в выражение для энтальпии Q) от tпр,
на основании решения (1) с учетом (2), выполненного
численно с шагом 1 час в пакете MathcadV14, при-
ведена на рис. 1. Теплофизические параметры футе-
ровки: масса стен и свода 11,9 и 9,8 т соответствен-
но, теплоемкость 0,36 кВт·ч/(т·К), eпов = 0,7.
Согласно расчетам, за 16 часов простоя пе-
чи футеровка в базовом варианте охлаждается до
×
×
(1)
(2)
,
Зависимость средней температуры футеровки tф от
продолжительности простоя печи tпр
Расхождение потерь энергии между базовым и
альтернативным вариантами ΔQ от продолжительности
простоя печи tпр
Рис. 1.
Рис. 2.
ф
пр
пр
∆
14 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
устойчивого теплоизолирующего и теплоаккумули-
рующего шлакового гарнисажа – важного фактора
снижения потерь тепла с водой, особенно для печей
литейного класса [11].
Новые решения ВЭ (рис. 3, б, в) характеризуют-
ся пространственной структурой, способствующей
образованию возобновляемого равновесного слоя
гарнисажа [12]. Вариант (б) рационально применить
в качестве элемента самонесущей конструкции сво-
да, а вариант (в) – для стен печи с использованием
существующего кожуха.
Задача стационарного теплообмена в системе ис-
точники излучения – трубчатая панель ВЭ, покрытая
слоем гарнисажа, описывается уравнением [12]:
где s – постоянная Стефана-Больцмана; q – падающий
тепловой поток; e – степень черноты ВЭ; a – коэффи-
циент теплоотдачи от внутренней поверхности трубы к
воде; h1, l1, h2, l2 – толщины и теплопроводности гар-
нисажа и трубы соответственно; Tв, Tохл – температура
поверхности излучения и воды соответственно.
Решение (3) выполнено в пакете ELCUT 6.2 [14]
для граничных условий и параметров, приведенных
в табл. 1. Температурные поля в ВЭ, выполненные по
вариантам а, б, в (см. рис. 3), приведены на рис. 4, а
относительные потери тепла с водой – на рис. 5.
Согласно расчетам, существует оптимальное зна-
чение межтрубного расстояния f, которое для вари-
анта б составляет 1,5–1,8 наружного диаметра трубы
d, а для варианта в (2,0−2,2) . d и ограничено ростом
температуры кожуха между трубами (точка К) до ве-
личины, нормируемой техникой безопасности (не бо-
лее 200°С). При оптимальном значении f/d следует
ожидать снижение потерь тепла с водой на 25−28 %
для варианта б и на 30−35 % для варианта в по срав-
нению с традиционными ВЭ (вариант а).
Моделирование электродинамики ванны ДСППТ.
Параметром, характеризующим металлургическую
эффективность ЭВТ в ванне ДСППТ, является удель-
ная на единицу массы металла М мощность переме-
шивания при ЭВТ Nэвт, которая определяется произ-
ведением объемной электромагнитной силы (ОЭМС)
Fэм, активного объема ванны Vа и характерной скоро-
сти ЭВТ расплава u0:
Понятие «активный объем» применяется к части
ванны, через которую преимущественно проходят
силовые линии электрического тока между верхним
и подовым электродами и, таким образом, возника-
ет ОЭМС. Принято, что в пределах активного объ-
ема плотность электрического тока уменьшается не
более чем в e (основание натурального логарифма)
раз относительно максимального значения. ОЭМС
является векторным произведением средней плот-
ности электрического тока jср в сечении активного
объема ванны радиусом Rа и индукции магнитно-
го поля
0= ⋅µB H , где m0 – магнитная постоянная,
2
ñð a a/ 2= ⋅ ⋅ ⋅π πH j R R – напряженность магнитного
поля по периметру сечения активного объема. Урав-
нение для абсолютной величины ОЭМС с учетом гео-
метрических параметров ванны ДСППТ в скалярной
форме приобретает вид:
Характерная скорость ЭВТ в активном объеме
ванны определяется зависимостью, полученной в
предположении равномерного движения жидкости на
основе баланса сил инерции и ОЭМС [6]:
где r – плотность жидкой стали; h – характерный раз-
мер, равный для данного случая глубине ванны Hв.
ВЭ, применяемые в дуговой печи: 1 – труба; 2 –
гарнисаж; 3 – кожух печи; f – расчетный параметр панели,;
q – направление падающего теплового потока
Рис. 3.
(3)
(4)
(5)
,
.
.
ср
Таблица 1
Исходные данные и граничные условия численного моделирования
Блок (Б) / грань (Г) и порядко-
вый номер на рис. 4.
Теплопроводность (λ) для блока. Температура (Т) коэффици-
ент теплоотдачи (σ, α), степень черноты (ε) для грани Размеры, мм
Труба, ребра, кожух (Б1) l = 45 Вт(м.К) Сталь 20 d = 76;
b = 10.Гарнисаж (Б2) l = 2,5 Вт(м.К) [13]
Рабочая поверхность (Г1) s = 5,67.10-8 Вт/(м2.К4); Т = 1900 К; e = 0,7.
Внешняя поверхность (Г2) a = 20 Вт/(м2.К); s =5,67.10-8 Вт/(м2.К4);
Т = 470 К; e = 0,8
Поверхность охлаждения (Г3) a = 6000 Вт/(м2.К); Т = 320 К.
(6),
1
2
3
15ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
С учетом (4−6), мощность перемешивания при
ЭВТ определяется из выражения:
Как следует из (4), существенное влияние на мощ-
ность перемешивания оказывают плотность тока, ра-
диус активного объема и глубина сталеплавильной
ванны. Для расчета мощности перемешивания при
ЭВТ разработана методика, которая заключается в
численном моделировании двумерной стационарной
задачи электропроводности в пакете прикладных
программ ELCUT 6.2 и обработке
результатов в виде полей плотно-
сти электрического тока в ванне
для оценки интегральных показа-
телей ЭВТ: ОЭМС, активного объ-
ема, характерной скорости, мощ-
ности перемешивания.
Моделировали растекание то-
ка в ванне промышленной ДСППТ
вместимостью 12 т в реальном ли-
нейном масштабе. Решение задачи
выполняется методом конечных эле-
ментов. Электромагнитные явления
в жидкой ванне при протекании элек-
трического тока описываются урав-
нениями Максвелла (8, 9), обобщен-
ным законом Ома для движущейся
среды (10) и законом сохранения
электрического заряда (11):
где
j – плотность тока, eρ – плотность заряда;
B –
индукция магнитного поля;
E – напряженность элек-
трического поля, σ – удельная электропроводность,
0µ – магнитная постоянная, 0ε – электрическая по-
стоянная,
u – скорость жидкости.
Форма сталеплавильной ванны принята цилиндро-
сферическая с отношением элементов по высоте 1 к 1.
В модели варьировали тип ПЭ (стержневой, пластин-
чатый), количество стержневых ПЭ (один или два), шаг
между двумя ПЭ или смещение продольной оси ПЭ
относительно оси симметрии печи. Верхний электрод
расположен осесимметрично, что является условием
энергоэффективности при плавления шихты электри-
ческой дугой. Все размеры приведены в табл. 2.
Модель включает расчетные блоки и грани, ука-
занные на рис. 6, а, характеристики которых даны в
табл. 2. Для оставшихся граней в модели граничным
условием является электрическая изоляция.
В полученное поле плотности тока на среднем по
глубине горизонте ванны вводили контур (рис. 6, а),
на котором анализировали распределение параме-
тра по радиальной координате. Определяли радиус
активного объема и среднюю величину плотности то-
Температурное поле в традиционном ВЭ (а) и ВЭ с пространственной
структурой (б, в). Стрелки указывают распределение теплового потока. Обозна-
чения приведены в тексте и на рис. 3.
Рис. 4.
Потери тепла на 1 м2 ВЭ (Потн) в зависимости от
параметра f/d для вариантов б (1) и в (2) относительно ва-
рианта а. Температура кожуха (tк) в точке К (рис. 4) для ВЭ
по варианту в (3).
Рис. 5.
Потн 1
2
3
к
(7).
(8)
(9)
(10)
(11)
→
→ →
→
→ → →→
→
Таблица 2
Исходные данные и граничные условия численного моделирования
Блок (Б) / грань (Г) и порядковый
номер на рис. 6.
Электропроводность для
блока. Потенциал для грани.
Размеры, м (см. рис. 6)
Dв = 2,30; Hв = 0,60;
L = (0 − 0,75).Dв; B = L/2
Электрод верхний (Б1) / Катод (Г1) 105000 См/м [15]
(–)150 В dг = 0,4
Электрическая дуга (Б2) 5600 См/м [16] Диаметр – 0,08; длина – 0,15 [8]
Жидкий шлак (Б3) 7,3.105 См/м [18] Толщина слоя – 0,10 м
Жидкая сталь (Б4) 110 См/м [17] В соответствии с размерами ванны
Стальная часть ПЭ (Б5) / Анод (Г2) 1,2.106 См/м
(+) 150 В [19]
dпс = 0,20 для ПЭ стержневого типа. dпп =
(0,5−0,75) Dв для ПЭ пластинчатого типа
16 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
ка jср, как полусумму максимального jmax и условного
jmax/e значений, входящих в выражение для искомой
мощности перемешивания при ЭВТ (7). Электроди-
намическое давление дуги на поверхность расплава
не учитывали ввиду сопоставительного характера
анализа.
Результаты моделирования в виде полей плотно-
сти тока приведены на рис. 6 для вариантов: а – осе-
симметрично расположенный ПЭ стержневого типа,
б – два симметрично установленных ПЭ стержневого
типа; в – смещенный от оси симметрии ПЭ стержне-
вого типа; г – ПЭ пластинчатого типа (базовый ва-
риант). Интегральные показатели, характеризующие
ЭВТ для рассмотренных вариантов, приведены в
табл. 3.
Согласно приведенным данным, максимальная
плотность тока наблюдается в дуге, катодном пят-
не и ПЭ (рис. 6). Расчетные значения характерной
скорости ЭВТ от 0,27 до 0,86 м/с (табл. 3) согласу-
ются с данными численного и физического модели-
рования [8–10]. Мощность перемешивания при ЭВТ,
оцененная для рассмотренных вариантов геометрии
системы ванна – ПЭ, находится в пределах от 11 до
84 Вт/т (табл. 3) и по порядку величины соответствует
мощности пневматического перемешивания при про-
дувке сталеплавильной ванны инертным газом через
донную пористую пробку [20].
При смещении ПЭ стержневого типа от оси сим-
метрии печи (рис. 6, в) растет роль межэлектродного
расстояния как фактора, определяющего основные
характеристики ЭВТ.
ПЭ стержневого типа могут обеспечить более вы-
сокую мощность перемешивания при ЭВТ, чем ПЭ
пластинчатого типа (табл. 3).
Характер влияния установки второго ПЭ и смеще-
ния ПЭ стержневого типа соответствуют данным [9].
При установке двух ПЭ стержневого типа (рис. 6, б)
возрастают активный объем и мощность перемеши-
вания, несмотря на некоторое снижение плотности
тока в ванне и характерной скорости ЭВТ (табл. 3).
Смещение ПЭ также позволяет увеличить мощность
перемешивания в сравнении с базовым вариантом
(табл. 3) за счет высокой плотности тока в ванне и
увеличения расстояния между ПЭ и катодом. Одна-
ко при этом следует ожидать усиления негативного
воздействия ЭВТ на футеровку вследствие прибли-
жения ПЭ к стенам ванны и повышения вероятности
возникновения проблем, связанных с электрическим
контактом между ПЭ и шихтой.
Продолжительность усреднения (tmix, с) жидкой
стали по температуре и химическому составу (с точ-
ностью 5 % от теоретического значения, принятой
Поле плотности тока в 12-т ДСППТ. Обозначения – в тексте и табл. 2.Рис. 6.
Таблица 3
Расчетные средние показатели ЭВТ в ванне 12-т
ДСППТ
Показатель, размер-
ность
Значение для вариантов
ПЭ (рис. 6)
а б в г
Плотность тока в ванне,
кА/м2 79 52 121 67
Относительный активный
объем ванны, % 10,2 84,1 29,7 28,6
Объемная электромаг-
нитная сила, Н 208 1472 1592 643
Характерная скорость
ЭВТ в ванне, м/с 0,63 0,27 0,64 0,48
Мощность перемешива-
ния, Вт/т 11 35 84 22
а
в г
б
17ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
в промышленности) связана с мощностью перемеши-
вания (N, Вт/т) эмпирической зависимостью вида [21]:
где k – эмпирический коэффициент, равный 800 для
условий внепечной обработки стали.
Основываясь на данных численного моделирова-
ния, в ДСППТ с ПЭ стержневого типа, мощность пере-
мешивания ЭВТ увеличивается в 1,6−3,7 раза в срав-
нении с базовым вариантом. При этом, согласно (12),
следует ожидать сокращения периода доводки стали,
которая лимитируется процессами усреднения ван-
ны по температуре и химическому составу в 1,2−1,7
раза. Учитывая долю энергозатрат периода доводки в
общем балансе плавки 20−25 %, ожидаемое сокраще-
ние расхода электроэнергии составит 3−9 %.
Выводы
Выполнено численное моделирование энергоэф-
фективных решений водоохлаждаемых элементов
футеровки и подового электрода 12-тонной ДСППТ.
(12),
Оценка потерь энергии, связанных с аккумуляцией
тепла футеровкой при простоях печи длительностью
16 часов, составляет 252 кВт.ч/т. Эти потери можно
компенсировать применением менее энергоемкого
ограждения рабочего пространства печи с использо-
ванием энергосберегающих ВЭ с пространственной
структурой при существенном сокращении удельного
расхода огнеупоров.
ВЭ с пространственной структурой позволяют сни-
зить потери тепла с водой на 25−35 % в сравнении с
традиционными ВЭ с плотной укладкой труб за счет
эффективного использования теплоизолирующих и
теплоаккумулирующих свойств гарнисажа.
В ДСППТ малой вместимости, работающей по
классической технологии без оставления «болота»,
ПЭ стержневого типа представляется более энерго-
эффективным и обеспечивающим надежный контакт
с шихтой, чем ПЭ пластинчатого типа. Применение
ПЭ стержневого типа позволяет увеличить мощность
перемешивания ЭВТ и сократить длительность до-
водки стали и, соответственно, расход электроэнер-
гии на плавку на 3−9 %.
1. Lupi S. Fundamentals of Electroheat: Electrical Technologies for Process Heating // Springer International Publishing
Switzerland, 2017. – 620 p.
2. Toulouevski Yu. N., Zinurov I. Y. Innovation in Electric Arc Furnaces. Scientific Basis for Selection. – Berlin: Springer-Verlag,
2010. – 258 p.
3. Малиновский В. С., Власова И. Б., Малиновский В. Д. Технико-экономические результаты промышленного освоения
дуговых печей постоянного тока нового поколения // Черная металлургия: Бюллетень ЦНТИ (РФ). – 2010. – № 2. –
С. 26–40.
4. Тищенко П. И., Тищенко А. П., Тимошенко С. Н., Фридман М. А. Подовый электрод дуговой печи постоянного тока //
Металлургическая и горнорудная промышленность. – Украина. – 2012. – № 7. – С. 282–284.
5. Петров В. Г. Исследование закономерностей тепловых режимов дуговых сталеплавильных печей литейного класса:
автореф. дис. к. т. н. – Чебоксары (РФ), 2005. – 24 с.
6. Бояревич В. В., Фрейберг Я. Ж., Шилова Е. И., Щербинин Э. В. Электровихревые течения. – Рига: Зинатне, 1985. –
315 с.
7. SIMETAL EAF – solutions for electric arc furnaces. URL: http://www.congnghesx.com/upload /files/SIMETAL-EAF-en.pdf
(aссessed 11.10. 2017).
8. Ramirez M. Modeling of a DC Electric Arc Furnace Mixing in the Bath // ISIJ International. – 2001. – vol. 41. – № 10. –
pp. 1146–1155.
9. Ячиков И. М., Портнова И. В. Характер электровихревого течения металла в ванне дуговой печи постоянного тока //
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований (РФ). – 2015. – № 6. – pp. 422–426.
10. Kazak O. Modeling of vortex flows in direct current electric arc furnace with different bottom electrode Positions // Metallurgical
and Materials Transactions B. – 2013. – vol. 44. – № 5. – pp. 1243–1250.
11. Тищенко П. И., Нихамин С. М., Тимошенко С. Н., Дунь Н. Б. Водоохлаждаемый свод и стеновые панели дуговых ста-
леплавильных печей малой металлургии // XIII Международная конф. «Современные проблемы электрометаллургии
стали». – Челябинск, изд-во ЮУрГУ. – 2007. – Часть 2. – С. 159−161.
12. Timoshenko S. N. Analysis of energy efficient solutions of a small capacity electric arc furnace and their synthesis in a new
generation 15-ton unit // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. № 20. – Дніпро: НМетАУ – ІВК Системні технології,
2017. – С. 78–87.
13. Kruger K., Ehrbar A., Timm K. Schlackenanbackungen und thermische Verluste eines Drehstrofens // Stahl und Eisen. –
1998. – № 9 (118). – P. 63–67.
14. ООО «Тор», СПб. ELCUT ®. Моделирование электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элемен-
тов. Версия 6.3. Руководство пользователя. URL: https://elcut.ru/demo/manual.pdf (aссessed 01.09.2017).
15. Properties and characteristics of graphite. © Poco Graphite Inc., 2015. 42 p. URL: https://www.entegris.com /content/dam/
web/resources/manuals-and-guides/manual-properties-and-characteristics-of-graphite-109441.pdf (aссessed 01.08.2017).
16. Panoiu M., Panoiu C., Sora I. Modeling of three phase electric arc furnace // Acta Electrotehnica (Romania). – 2007. –
vol. 48. – № 2. – P. 124–132.
ЛИТЕРАТУРА
18 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
1. Lupi S. (2017). [Fundamentals of Electroheat: Electrical Technologies for Process Heating]. Springer International Publishing
Switzerland, 620 p. [in English].
2. Toulouevski Yu. N., Zinurov I. Y. (2010). [Innovation in Electric Arc Furnaces. Scientific Basis for Selection]. Berlin: Springer-
Verlag, 258 p. [in English].
3. Malinovskiy V. S., Vlasova I. B., Malinovskiy V. D. (2010). Tekhniko-ekonomicheskiye rezul’taty promyshlennogo osvoeniia
dugovykh pechei postoiannogo toka novogo pokolenia [Technical and economic results of industrial development of DC new
generation arc furnaces]. Chernaia metallurgiia: Biulleten’ TSNTI (Russia), no. 2, pp. 26–40 [in Russian].
4. Tishchenko P. I., Tishchenko A. P., Timoshenko S. N., Fridman M. A. (2012). Podovyi elektrod dugovoi pechi postoiannogo
toka [The bottom electrode of a DC arc furnace]. Metallurgicheskaia i gornorudnaia promyshlennost’ (Ukraine), no. 7,
pp. 282–284 [in Russian].
5. Petrov V. G. (2005). Issledovanie zakonomernostei teplovykh rezhimov dugovykh staleplavilnykh pechei liteinogo klassa
[Study of patterns of heat regimes of the foundry class EAF]. Extended abstract of candidate’s thesis, Cheboksary (Russia),
24 p. [in Russian].
6. Boiarevich V. V., Freiberg Ya. Z., Shilova E. I., Shcherbinin E. V. (1985). Elektrovikhrevye techeniia [Electro-vortex flows].
Riga: Zinatne, 315 p. [in Russian].
7. SIMETAL EAF – solutions for electric arc furnaces. URL: http://www.congnghesx.com/upload /files/SIMETAL-EAF-en.pdf
(accessed 11.10. 2017) [in English].
8. Ramirez M. (2001). [Modeling of a DC Electric Arc Furnace Mixing in the Bath]. ISIJ International, vol. 41, no. 10,
pp. 1146–1155 [in English].
9. Yachikov I. M., Portnova I. V. (2015). Kharakter elektrovikhrevogo techeniia metalla v vanne dugovoi pechi postoiannogo toka
[The nature of the vortex flow of metal in the bath of a DC arc furnace]. Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamental’nykh
issledovanii (Russia), no. 6, pp. 422–426 [in Russian].
10. Kazak O. (2013). [Modeling of vortex flows in direct current electric arc furnace with different bottom electrode positions].
Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 44, no. 5, pp. 1243–1250 [in English].
11. Tishchenko P. I., Nikhamin S. M., Timoshenko S. N., Dun’ N. B. (2007). Vodookhlazhdaemyi svod i stenovye paneli dugovykh
staleplavil’nykh pechei maloi metalurgii [Water-cooled roof and wall panels of arc steel-smelting furnaces of small metallurgy].
Mezhdunarodnaia konf. «Sovremennye problemy elektrometallurgii stali», Cheliabinsk (Russia), Vol. 2. pp. 159−161
[in Russian].
12. Timoshenko S. N. (2017). [Analysis of energy efficient solutions of a small capacity electric arc furnace and their synthesis in a
new generation 15-ton unit]. Suchasnі problemi metalurgії. Naukovі vіstі, no. 20, Dnipro: NMetAU– ІВК Systemni tekhnologii,
pp. 78–87 [in English].
13. Kruger K., Ehrbar A., Timm K. (1998). [Schlackenanbackungen und thermische Verluste eines Drehstrofens]. Stahl und Eisen,
no. 9 (118), рp. 63–67 [in German].
14. OOO “Tor”, St. Petersburg. ELCUT®. Modelirovanie elektromagnitnykh, teplovykh i uprugikh polei metodom konechnykh
elementov. Versiia 6.3. Rukovodstvo pol’zovatelia. [Modeling of electromagnetic, thermal and elastic fields by the finite element
method. Version 6.3. User guide]. URL: https://elcut.ru/demo/manual.pdf. (accessed 01.09.2017) [in Russian].
15. Properties and characteristics of graphite. © Poco Graphite Inc. (2015), 42 p. URL: https://www.entegris.com /content/dam/
web/resources/manuals-and-guides/manual-properties-and-characteristics-of-graphite-109441.pdf. (accessed 01.08.2017)
[in English].
16. Panoiu M., Panoiu C., Sora I. (2007). [Modeling of three phase electric arc furnace]. Acta Electrotehnica (Romania), vol. 48,
no. 2, pp. 124–132 [in English].
17. Sorek A., Popielska-Ostrowska P., Niesler M. (2012). [Research of electrical conductivity of synthetic powders]. Archives of
Materials Science and Engineering (Poland), vol. 57, Iss. 2, pp. 53–56 [in English].
18. Van Zytveld J. (1980). [Electrical resistivity of liquid transition metals]. Jornal de physique (USA), vol. 41, no. 8, pp. 503–506
[in English].
19. Shishkov M. M. (2002). Marochnik stalei i splavov. Spravochnik [Steels and alloys. Reference book]. Donetsk: Yugo-Vostok,
456 p. [in Russian].
20. Ghosh A. (2000). [Secondary Steelmaking. Principles and Applications]. Boca Raton – London – New York –Washington DC:
CRC Press, 344 p. [in English].
21. Nakanishi К., Fujii T., Szekely J. (1975). [Possible relationship between energy dissipation and agitation in steel processing
operations]. Ironmaking & Steelmaking, no. 3, pp.193–194 [in English].
REFERENCES
17. Sorek A., Popielska-Ostrowska P., Niesler M. Research of electrical conductivity of synthetic powders // Archives of Materials
Science and Engineering (Poland). – 2012. – vol. 57. – Iss. 2, P. 53–56.
18. Van Zytveld J. Electrical resistivity of liquid transition metals // Jornal de physique (USA). – 1980. – vol. 41. – № 8. –
P. 503–506.
19. Шишков М. М. Марочник сталей и сплавов. Справочник. – Донецк: Юго-Восток, 2002. – 456 с.
20. Ghosh A. Secondary Steelmaking. Principles and Applications. – Boca Raton – London – New York –Washington DC: CRC
Press, 2000. – 344 p.
21. Nakanishi К., Fujii T., Szekely J. Possible relationship between energy dissipation and agitation in steel processing operations //
Ironmaking & Steelmaking. – 1975. – № 3. – P. 193–194.
19ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293)
Виконано чисельне моделювання теплової роботи футеровки і розподілу щільності струму у ванні 12-тонної дугової
сталеплавильної печі постійного струму ливарного класу. Встановлено, що при простоях печі більше 15 годин,
установка водоохолоджуваних елементів (ВЕ) з просторовою структурою замість частини футеровки знижує
втрати енергії печі за рахунок скорочення витрат на акумуляцію тепла, незважаючи на додаткові втрати з водою. ВЕ
з просторовою структурою знижують втрати тепла з водою на 25–35 % в порівнянні з традиційними ВЕ з щільним
укладанням труб. Установка подових електродів (ПЕ) стрижневого типу замість ПЕ пластинчастого типу дозволяє
скоротити енергоспоживання піччю на 3–9 % за рахунок інтенсифікації електровихрових течій у сталеплавильній ванні.
Тимошенко С. М., Філіппі О. О., Онищенко С. П., Тищенко П. І.
Енергоефективні рішення при модернізації дугових сталеплавильних
печей постійного струму ливарного класу
Анотація
Ключові слова
Дугова піч постійного струму, акумуляція тепла, водоохолоджувані елементи, подовий
електрод, енергоефективність.
Timoshenko S., Filippi A., Onishchenko S., Tishchenko P.
Energy-efficient solutions for the modernization of DC steelmaking arc
furnaces of the foundry class
Summary
A numerical simulation of the thermal work of the refractory lining and electrical current density distribution in the bath of a 12-
ton DC steelmaking arc furnace of the foundry class is performed. It has been established that in the case of furnace downtime
over 15 hours, the installation of water-cooled elements (WCE) with a spatial structure rather than a part of the lining reduces
the energy loss of the furnace due to reducing the costs of heat accumulation, in spite of additional loss with water. WCE with a
spatial structure reduce heat loss with water by 25–35 % compared to traditional WE with dense pipe laying. The installation of
billet-type bottom electrodes (BE) instead of pin-type ones allows to reduce the energy consumption of the furnace by 3–9 %
due to the intensification of electro-vortex currents in a steel-smelting bath.
DC steelmaking arc furnace, heat accumulation, water cooled elements, bottom electrode, en-
ergy efficiency.Keywords
Поступила 13.11.17
|