60. 2.4 Рабочее пространство дуговых печей.
Теплообмен в рабочем пространстве. Основные размеры рабочего пространства. Влияние геометрии рабочего пространств на стойкость футеровки.
2.4.1 Теплообмен в рабочем пространстве
В теплотехническом отношении дуговые электропечи относят к печам с внешним источником нагрева, т. е. к печам, в которых тепло передается металлу из вне, а внутри него распределяется теплопроводностью или конвекцией. Скорость нагрева металла определяется условиями внешнего и внутреннего теплообмена, и может лимитироваться теми или другими из них. Условия внешнего теплообмена определяют количество тепла, попадающего на тепловоспринимающую поверхность металла, а условия внутреннего теплообмена – скорость выравнивания температуры металла. В процессах теплообмена – получении и отдачи тепла – кроме дуги и металла, принимает участие и огнеупорная футеровка.
Дуговым сталеплавильным печам свойственен периодический характер работы, при котором плавку можно разбить на три периода, отличающиеся мощностью и направленностью тепловых потоков, и тепловым напряжением внутренней поверхности кладки стен и свода:
1. Вспомогательный, в течение, которого выполняются вспомогательные операции (выпуск металла, очистка, заправка и загрузка), когда мощность к печи не подводится. В этот период печь теряет тепло, аккумулированное футеровкой. Длительность вспомогательного периода определяется организацией работ.
2. Энергетический или теплотехнический, в течение, которого осуществляются нагрев и плавление металла. Длительность этого периода непосредственно определяется полезной мощностью, поступающей в печь.
3. Технологический, складывающийся из окислительного и восстановительного периодов плавки. Продолжительность технологического периода и потребляемая в этот период мощность, определяются требованиями технологии.
В первый период установленная мощность трансформатора не используется, а в третий период используется лишь частично, но в эти периоды происходят значительные потери тепла футеровкой. Если исходить с позиций улучшения тепловой работы печи, продолжительность этих периодов целесообразно сократить до минимума. Для достижения высоких технико-экономических показателей работы агрегата на всем протяжении второго периода в печь необходимо подводить максимально возможную (в рациональных пределах) мощность. При применяемой технологии выплавки легированной стали это требование справедливо и для отдельных моментов третьего периода, например, после присадки крупной порции легирующих ферросплавов. Максимум подводимой в печь мощности ограничивается возможностями электрического оборудования, или условиями теплообмена в рабочем пространстве и экономическими соображениями.
Наиболее благоприятные условия для нагрева металла существуют в течение первой части периода плавления. При правильно выполненной завалке, дуги очень быстро прожигают под электродами колодцы и погружаются ниже уровня нерасплавившейся шихты. Температура металла в это время ниже температуры кладки стен и свода, поэтому часть аккумулированного футеровкой тепла от предыдущей плавки расходуется на подогрев металла. Тепловые потоки в этот промежуток времени направлены от дуги и от огнеупорной футеровки к металлу. Хорошее тепловосприятие холодной шихты и экранирование огнеупорной футеровки от излучения дуг нерасплавившейся шихтой позволяют работать в этот период на максимальной мощности, обеспечиваемой электрооборудованием установки.
На современных электропечах, установленное электрооборудование обеспечивает мощность до (500–1000) кВ•А/т, что позволяет расплавлять завалку за (1,0–1,5) ч.
После расплавления основной части шихты излучение дуг воспринимается не только металлом, но и футеровкой. Если принять дугу за точечный источник излучения, то интенсивность облучения единицы поверхности дугой прямо пропорционально мощности дуги и углу луча к облучаемой поверхности, и обратно пропорционально расстоянию от источника излучения до центра облучаемой площади. Излучение дуги в печи происходит в разные стороны неодинаково.
Неодинаковое излучение объясняется тем, что дуга сверху закрыта электродом, а с боков шлаком (после расплавления шихты).
Распределение излучения дуги зависит от:
– степени выдувания дуги из-под электрода в сторону стен;
– соотношения диаметра электрода и длины дуги (Dэ / lд );
– толщины шлакового покрова и длины дуги (dш / lд );
– напряжения столба дуги и анодно-катодного падения потенциала (Uс /Uа- к);
– состава шлака.
Два последних фактора определяют длину дуги.
В зависимости от степени экранирования дуги в системе дуга – ванна – кладка после расплавления шихты возможны две схемы теплообмена:
1. При сильном экранировании дуги (большая величина Dэ / lд и толстый слой шлака) основное количество тепла дуги поглощается ограниченным объемом, расположенным под электродами. Диаметр «горячей зоны», в которой тепло от дуги передается металлу непосредственно теплопроводностью, и на которую приходится около 90 % всего излучения, примерно равен двум диаметрам электродов. При такой схеме теплообмена металл нагревается теплопроводностью от горячих зон под дугами, а шлак, находящийся за пределами горячих зон, и кладка нагреваются в основном от металла (рис. 6, а). В этом случае температура шлака на значительном расстоянии от дуг меньше температуры металла, а температура кладки меньше температуры и шлака, и металла.
Рис. 6. Схемы теплообмена в дуговых электропечах:
а – при сильном экранировании дуги; б – слабом экранировании дуги
2. При незначительном экранировании дуг ванна нагревается теплом, поступающим от горячих зон и отражаемым кладкой на шлак, от которого нагревается металл (рис. 6, б). При такой схеме тепловых потоков температура кладки выше температуры шлака, а температура шлака выше температуры металла.
Количество тепла, передаваемого излучением, пропорционально разности температур нагреваемого тела и источника тепла в четвертой степени. При такой схеме тепловых потоков температура кладки выше температуры шлака, а температура шлака выше температуры металла.
Поэтому в начале плавки, когда температура кладки значительно превышает температуру шихты, величина теплового потока от кладки на шихту достигает больших значений и резко уменьшается к концу плавки по мере выравнивания температуры металла и кладки.
В то же время разность температур в четвертой степени дуги и кладки остается очень большой, и уменьшается к концу плавки незначительно (примерно на 10 %). В связи с этим в дуговых печах практически отсутствует саморегулирование интенсивности облучения футеровки, характерное для пламенных печей, у которых температуры источника нагрева (факела) и футеровки сопоставимы.
Изменяющаяся во времени излучательная способность футеровки на шихту и независимая от ее температуры интенсивность облучения кладки дугами служат причиной очень резких колебаний температуры внутренней поверхности футеровки. Скорость изменения температуры составляет (3000–4000) °С/ч и может достигать в некоторых случаях 10000 °С/ч. При этом отдельные участки футеровки получают тепла больше, чем теряют теплопроводностью и излучением, этот избыток тепла кладкой аккумулируется, в результате температура таких участков резко повышается, что может превысить допустимый предел и вызвать разрушение футеровки.
Первая схема теплообмена исключает опасность перегрева футеровки, но менее благоприятна для протекания физико-химических процессов между шлаком и металлом. При такой схеме теплообмена отдельные участки поверхности раздела металл – шлак неравноценны для процессов рафинирования: условия рафинирования благоприятны в горячей зоне (шлак – горячее металла) и неблагоприятны на периферии (шлак – холоднее металла).
Вторая схема обеспечивает более благоприятные условия рафинирования металла шлаком по всей поверхности ванны, но создает опасность перегрева отдельных участков футеровки. Учитывая низкую стойкость футеровки мощных сталеплавильных печей, более целесообразной следует считать первую схему теплообмена. При этом использование даже такого простого приема, как перемешивание металла (механическое, электромагнитное и др.), вызывает значительное увеличение коэффициента теплопередачи, что приводит к заметному увеличению скорости нагрева и рафинирования.