ТРЕХМЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЦИРКУЛЯЦИИ МЕТАЛЛА В МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электромагнитные воздействия играют все возрастающую роль в процессах производства стали. Одним из важнейших примеров этого является улучшение перемешивания ванны металла в электродуговой печи постоянного тока. Результаты изучения потоков металла под воздействием электромагнитных сил на трехмерной модели показали, что схема циркуляции более сложна по сравнению с полученной на двумерной модели. В дополнение к кольцевому вращению жикой стали возникает /также спиральное движение в верхней части ванны. Было найдено, что схема трехмерной циркуляции зависит от глубины ванны металла, является радиальной в донной части печи и кольцевой на уровне раздела шлак—металлХорошо известно, что электромагнитные силы в ванне металла электродуговых печей постоянного тока могут вызвать различное перемешивание. Величина вихревого потока, возникающего под действием электромагнитных сил, зависит от различных геометрических и электрических параметров.
Когда электрический ток подается в электропроводную ванну металла, величины плотности тока и электромагнитного поля быстро уменьшаются по мере удаления от точки ввода. Взаимодействие магнитного поля и тока приводит к возникновению внутренних сил внутри жидкого сердечника, приводящих к рециркуляции и электровихревым потокам [1, 2[, причем принципиальный характер этих явлений не связан с масштабным фактором. Таким образом, в электродуговой печи постоянного тока зона активного электромагнитного воздействия локализована в малом объеме в непосредственной близости к дуге.
Анализ проблемы требует решения уравнений электромагнитного поля и гидродинамики. Уравнения в частных производных, требуемые для анализа потоков в ванне металла, приведены в работе [3]. Эти уравнения являются комплексными и нелинейными, что не позволяет надеяться на их использование для аналитического исследования в применении к электродуговой печи. Выбранный метод численного анализа основан на методе конечных элементов [4].
Результаты, полученные при силе тока в дуге 118 кА в применении к расчетной схеме, приведенной на рис. 1, показаны в двумерных сечениях на рис. 2, 3.
Схема потока в продольном сечении по линии 1 приведена на рис. 2 (а). Общая схема потока схожа с ранее опубликованными; при этом максимальная скорость составляет 68 см/с. Схемы расположения скоростей по поперечным сечениям (см. рис.' 2, б—г) показывают:
а) общая величина скоростей намного ниже по сравнению с активной центральной зоной. Максимальная скорость по ширине печи составляет 36,2 см/с, что дает среднюю скорость стали намного ниже, чем несколько см/с;б) вблизи от стенок существует неподвижная (мертвая) зона. Хотя анализ распределения температур внутри печи не приведен в данной работе, результаты расчетов предполагают наличие условий, которые приведут к относительно плохой теплопередаче в зонах рядом со стенками печи;
в) распределение скоростей несимметрично по отношению к центру печи.
При рассмотрении схем распределения ско-ростей по сечениям 5, б и 7 еще более открывается сложность потоков. Направление векторов скорости на рис. 3, а свидетельствует о том, что опускающийся под дугой поток быстро распространяется в радиальном направлении. Распределение скоростей является симметричным, и величины скоростей в зоне непосредственно рядом с донной частью примерно одинаковы. Основываясь на этих результатах, можно отметить, что не существует предпочтительного направления потока, и износ огнеупоров в зоне подвода электрода должен быть единообразным. Это подтверждается при осмотрах центральной донной зоны мощных электродуговых печей постоянного тока.
Как показано на рис. 3, б, значительно более сложное распределение потока наблюдается в сечении 6. Хотя поток симметричен по отношению к продольной оси печи, определяющим является образование вихревого ядра в районе действия электромагнитных сил. Причиной образования подобного движения является передача момента от вращающегося потока, приводящегося в движение электромагнитными силами и воронкой металла.
При изучении верхнего слоя ванны металла становится очевидным образование воронки (см. рис. 3, в). Для более ясной иллюстрации этого эффекта в различные точки поверхности ванны металла были опущены твердые частицы. Траектории их движения зафиксированы линиями, которые соответствуют вихревому движению в направлении центра электромагнитного силового поля.
Трехмерные аналитические исследования движения потоков в ванне металла показали, что схема циркуляции потоков значительно более сложна, чем ранее описывалось в литературе. Печи обычной конструкции имеют явно выраженную центральную зону циркуляции по центру основания дуги на поверхности ванны металла. В районе рядом со стенами печи потоки металла не так развиты,* и образуются застойные зоны. Экцентрично расположенное выпускное отверстие находится в зоне застойного движения и, соответственно, плохой теплопередачи.
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994
