Техничні науки / металургія

Крючков Є.М., Іванов В.І., Каюков Ю.М., Болюк С.В.

ПЕРЕНЕСЕННЯ ТЕПЛОТИ У ПОРОЖНИСТОМУ ВОДООХОЛОДЖУВАНОМУ ЕЛЕКТРОДІ

ДУГОВОЇ ЕЛЕКТРОПЕЧІ

Запорізька державна інженерна академія

Застосування методу електродугового виробництва якісних сталей одержало широке розповсюдження через його явні переваги, що полягають у простоті конструкції печі, легкого управління технологічним процесом, а також об'єднанні декількох операцій в одному агрегаті. Проте даний метод має і ряд недоліків, таких як складність застосування постійного струму, використання графітових електродів, що характеризуються недостатньою стійкістю, а також необхідність реалізації нових технологічних операції для позапічної обробки рідкої сталі.

Відомо, що працездатність електроду визначається стійкістю за високої температури та здатністю відводити значні теплові потоки від його найбільш термонапружених ділянок, зокрема із області контакту електричної дуги з поверхнею електроду. Його тривала робота забезпечується, як правило, тільки за швидким переміщенням дугової «плями» поверхнею контакту та наявності інтенсивного охолоджування.

Під час застосування порожнистих водоохолоджуваних електродів слід вирішувати питання, пов’язані як з раціональною швидкістю переміщення дугової «плями» поверхнею контакту, так і оптимальною витратою охолоджуючого середовища, які забезпечують мінімальне зношення електроду, тобто необхідним є знання динаміки поля температури в охолоджуваному електроді за стаціонарним режимом роботи дугової електропечі.

При вирішенні задачі про нагрівання порожнистого мідного циліндра висотою Н і зовнішнім радіусом R, закритого з нижнього торця, приймали наступні умови теплообміну:

- на зовнішній бічній поверхні циліндра – нагрівання природною конвекцією від продуктів згорання шихти та випромінюванням від матеріалу, що плавлять;

- на внутрішній бічній поверхні циліндра – охолоджування вимушеною конвекцією від рідкого теплоносія;

- на нижній торцевій поверхні – нагрівання випромінюванням від розплаву шихти та рухомої електричної дуги.

Під час розривання кола між шихтою та циліндром на його нижньому торці з’являється рухома електрична дуга. Дія джерела теплоти, що спричинено електричною дугою, вважали постійними за часом, але послідовним за координатою його переміщення, а теплофізичні характеристики даної системи – постійними та не залежними від температури.

Після прийняття початкових припущень і використання методу інверсії розподіл температури в порожнистому ізотропному циліндрі кінцевих розмірів описується диференційним рівнянням теплопровідності вигляду

(1)

у області

за початкової умови

, (2)

де Т₀, Т – початкове та поточне значення температури на поверхні електроду відпо відно; r, z, j, t – просторові і тимчасова координата, відповідно; V – швидкість переміщення дугової плями на торцевій поверхні електроду; q_V – потужність джерела теплоти, спричиненого електричною дугою; d - товщина стінки електроду; r - щільність матеріалу електроду; а, C_V – коефіцієнти температуропроводности та питомій теплоємності матеріалу електроду відповідно.

Поставлену задачу вирішували чисельно методом кінцевих різниць. Для цього рівняння (1) і (2), а також відповідні межові умови замінювали (шляхом застосування монотонної консервативної апроксимації) різницевими аналогами та на кожному часовому інтервалі з використанням методу прогону (подовжньо-поперечна схема) вирішували систему одержаних алгебраїчних рівнянь. По досягнення збіжності ітераційного циклу здійснював перехід до наступного часового інтервалу. Описану методику реалізували на алгоритмічній мові «ТУРБО-ПАСКАЛЬ» для ПЕОМ.

Результати проведених досліджень було використано під час розробки раціональних режимів охолоджування порожнистих електродів дугових електропечей.