Разработка основ теории, исследование и создание рудовосстановительных электропечей

Содержание

Актуальность проблемы. В 70 — е годы у нас в стране и в высокоразвитых зарубежных странах возникла необходимость создания нового поколения оборудования для осуществления рудовосстановительных и руднотермических процессов широкого назначения, включая термохимические и сплавные процессы.

В этот период в нашей стране уже существовали открытые ферросплавные электропечи, рудовосстановительные (термохимические) для производства фосфора, карбида кальция и др. материалов с единичной мощностью до 24 000 кВА. Особенности развития этого направления техники, относящейся к самым мощным преобразователям электрической энергии в тепловую с последующей реализацией различных термохимических реакций с получением готового продукта через расплавы, определялся во многом эмпирическим характером создания промышленного оборудования. Отсутствие общего теоретического подхода к анализу электротехнологических процессов, ярко выраженная многофакторность и нелинейность электрических и технологических режимов, отсутствие методов расчетной оценки тепловых полей, неоднозначность понимания принципов оптимизации рабочих условий осуществления технологий не позволяли однозначно перенести опыт создания и эксплуатации старой серии рудовосстановительного оборудования на проектирование новых высокопроизводительных и мощных агрегатов.

Очевидное, на первый взгляд, разнообразие технологических процессов и вызванные этим классификационные признаки каждого отдельного процесса, не позволяли сформировать общий взгляд на этот класс электротехнологического оборудования. Такое состояние научного обобщения вступало в противоречие с накопленным практическим опытом, вызывало необходимость разработки новых концептуальных подходов и решений, которые позволили бы перейти на принципиально новый уровень техники как по производительности, так и по электротехнологическим параметрам оборудования. Это и определило, в основном, актуальность, необходимость выполнения работы и направленность ее содержания.

Следует особо подчеркнуть настоятельную необходимость, важность и глобальность развития рассматриваемого технического направления для промышленности любой страны, в том числе и нашей. Крупномасштабное ру’дэвосстановительное производство определяет уровень индустриализации ¦тяйственной деятельности в целом, является прямым и косвенным показа--м развития отечественной техники и ее потенциальных возможностей. нический уровень и масштабность этого производства во многом определяет и развитие последующих технологических процессов и оборудования для получения материалов и продукции химических производств.

В излагаемом научном докладе приводятся в обобщенном виде результаты научной и практической деятельности автора в области создания отечественного рудовосстановительного оборудования, включая новое поколение открытых и закрытых электропечей для производства ферросплавов, фосфора, силикомарганца, карбида кальция, силикокальция, нормального электрокорунда, медноникелевого штейна и др.

Целью работы является разработка теории и создание высокоэффективных рудовосстановительных электропечей — аппаратурно-технологических комплексов, состоящих из технически сопряженных рабочих зон и отдельных узлов, связанных энергетическими и материальными потоками и предназначенными для производства широкого класса продуктов. В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача: в теоретическом плане — создание обобщенной теории протекания электротехнологических процессов, выявление влияния интегральных и отдельных составляющих энергетических потоков на формирование температурных и технологических зон, принципов оптимизации рабочих режимов и поддержания их в квазистационарном состоянии- в экспериментальном плане -разработка, исследование и реализация электротехнологического оборудования нового поколения- обеспечение его работоспособности- разработка мощных и сверхмощных рудовосстановительных промышленных электропечей широкого назначения мощностью до 125 ООО кВА.

Главные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы разработки технических решений и электротехнологических схем рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих увеличение единичной мощности печных установок- результаты определения возможных границ предельных мощностей для различных типов электропечей.

2. Основы теории, комплекс электротехнологических моделей рабочих процессов в рудовосстановительных электропечах- теория и практика обеспечения стабильности энергетических потокораспределений.

3. Совокупность теоретических и экспериментальных исследований выбора исходных параметров систем электропитания рудовосстановительных комплексов, обеспечивающих совместно с системами оптимального управления процессом плавки возможность осуществления рабочих процессов при высоких и сверхвысоких мощностях в квазистационарных режимах.

4. Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований, обеспечивающих выбор исходных технических требований и принципов конструктивного исполнения узлов ввода электрической энергии в рабочее пространство электропечей — систем самоспекающихся электродов.

5. Результаты создания и промышленного освоения электротехнологических комплексов — рудовосстановительных электропечей для производства ферросплавов, силикоалюминия, фосфора и др.

Научная значимость и новизна результатов работы состоит в том, что выполнен комплекс научных и прикладных работ, обеспечивающих создание и развитие мощных (до 125 000 кВА) рудовосстановительных комплексов и систем, включая формирование основных концепций выбора исходных параметров электропечей, режимов работы оборудования и принципов обеспечения квазистационарности тепловых и технологических условий в рабочем пространстве, поддержание этих режимов при оптимальных соотношениях энергораспределения в рабочих зонах многофазных систем преобразования энергии. При этом впервые показано, что масштабирование процессов и создание мощных и сверхмощных рудовосстановительных комплексов прежде всего возможно при наличии стабильной закрытой теплоизолированной дуги, обеспечивающей создание и поддержание квазистационарного электротехнологического пространства — реакционного электропроводящего тигля. Установлено, что за счет организации оптимальных соотношений материальных и энергетических потоков возможно обеспечить необходимое сочетание электросопротивлений стенок реакционного тигля и близлежащего пространства, включая процессы энерговыделения в промежутке между электродами отдельных фаз, между электродами и расплавом, а также между электродами и токопроводящей стенкой футеровки.

На основе физических и математических моделей выявлены качественные и количественные особенности и закономерности одновременно протекающих процессов энергораспределения, тепло-мас.сопереноса и локализации химико — термических процессов в конкретных областях рабочего пространства- предложен метод вычисления энергораспределений в сложной электротехнологической системе с учетом нелинейности электрической и тепловой проводимостей шихты и, следовательно, изменения токораспределе-ний между различными областями рабочих зон при больших температурных градиентах. Установлены причинные связи изменения эксплуатационных характеристик различных типов рудовосстановительных электропечей от значений исходных параметров, заглублений электродов и конструктивных особенностей электропечей. Полученные результаты позволяют сформулировать технологам исходные требования к гранулометрическим параметрам шихты, ее электропроводности и составу.

Теоретически и экспериментально показана эффективность и техническая возможность увеличения вводимой мощности в рабочее пространство за счет увеличения рабочего напряжения. Впервые предложены, обоснованы и реализованы в промышленных масштабах конструктивно — технологические принципы создания мощных и сверхмощных электротехнологических рудовосстановительных комплексов. При этом выявлены и реализованы на промышленном оборудовании способы выведения электротехнологических многофазных рудовосстановительных систем в квазистационарные режимы работы, обеспечивающие эффективную и оптимальную производительность с необходимым качеством получаемых продуктов- получены математические модели, связывающие входные (рабочий ток и напряжение) и выходные параметры рудовосстановительных систем (энергораспределение по отдельным зонам) при увеличении вводимой мощности и рабочего тока. Доказано, что основное увеличение доли вводимой мощности наблюдается в стенках тигля и эта зона совпадает с областью интенсивного протекания химико — технологических процессов. Впервые показана физическая сущность полуэмпирических критериев подобия рассматриваемых систем нагрева, на основании которых проводились расчеты рудовосстановительных электропечей- это позволило провести обобщение существовавших расчетных методик, выявить их общность и различия за счет дифференциации отдельных определяющих факторов и степени их влияния на протекающие электротехнологические процессы. При этом впервые установлено, что различные по своему технологическому назначению и режимным параметрам рудовосстановительные процессы могут быть обобщены на основе единого подхода к анализу энергопотоков в рабочей зоне многофазных систем введения электроэнергии электродными группами. Теоретически и экспериментально доказана прямая связь режимных параметров различных электротехнологических рудовосстановительных систем (зависимость энергораспределения от интегрального рабочего тока) и выявлен характер этой связи с установившимся режимом оптимальной работы, обеспечивающей эффективность химико — технологических реакций. Разработан инженерный метод расчета конструктивно — режимных параметров оборудования, на основе которого создана серия отечественных рудовосстановительных электротехнологических комплексов различного назначения.

За счет комплексности научной постановки с положительным результатом решена одна из центральных задач по созданию конструкций мощных и сверхмощных систем нагрева рассматриваемого типа — исследованы электротехнические и теплотехнические режимы работы самоспекающихся электродов, обеспечивающих введение мощности в рабочую зону- на основании комплекса полученных научных результатов и обобщения опыта эксплуатации ранее созданных конструкций разработаны концепции выбора количества электродов (трехэлектродная. шестиэлектродная или многоэлектродная системы электропечей), созданы методы расчетной оценки конкретного самоспекающегося электрода с учетом особенностей токораспределения и критерия термостойкости- определены пути развития различных конструкций рудовосстановительных электропечей для различных химико-технологических процессов и уровня мощности (производительности), для которых необходимо создание нового типоразмера оборудования.

Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования новой серии отечественных рудовосстанови-тельных комплексов, принципов их запуска в рабочие режимы и технико-технологических требований для устойчивой эксплуатации.

Методика проведения исследований. Основные результаты выполненной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчетов рудовосстановительных электропечей, физического моделирования, теории подобия, современных экспериментальных методов диагностики электротехнических, теплофизических и химико-термических процессов. Достоверность методов и результатов работы проверялась путем параллельного расчета научно-инженерными методами и экспериментальной проверкой на физических моделях и промышленных электропечах.

Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила решить крупную научно-техническую задачу по созданию нового поколения высокоэффективного промышленного электротехнологического оборудования для получения различных продуктов методами рудовосстано-вительной электротермии- предложить ряд новых технических способов и устройств, направленных на дальнейшее совершенствование и развитие рудовосстановительных комплексов и систем- разработать принципиально новые конструкции химико-технологических промышленных агрегатов, находящихся на уровне лучших мировых образцов современной техники- создать инженерные методы расчетов разработанных электротермических установок.

Реализация результатов работы в промышленности осуществлялась в рамках государственных программ развития рудовосста-новительной электротермии силами ВНИИЭТО в содружестве с рядом технологических организаций, заводов — изготовителей и предприятий, на которых устанавливалось новое оборудование. Созданные типы промышленных рудовосстановительных комплексов находятся на уровне лучших мировых образцов современной техники. На новые технологические решения и возможные пути развития рудовосстановительных электропечей получено 90 авторских свидетельств и 9 патентов в заинтересованных странах — США, ФРГ, Норвегии, Италии, Великобритании, Швеции. Высокий технический уровень разработок подтверждается поставкой шести электропечей на экспорт в Индию (4 электропечи РКЗ-16,5 для производства силикомарганца, карбида кальция и ферросилиция, 2 электропечи РКЗ-24 для производства ферросилиция),

По заключению специалистов фирм, эксплуатирующих оборудование, электропечи обеспечивают успешную работу в диапазонах рабочих режимов, предусмотренных паспортными характеристиками.

Разработанные рудовосстановительные электропечи успешно работают на Челябинском металлургическом комбинате (РКЗ-7,5- РКЗ-16,5- РКЗ-24), Никопольском заводе ферросплавов (РПЗ-48, РПЗ-бЗ), Запорожском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Стахановском заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Кузнецком заводе ферросплавов (РКЗ-16,5), Ермаковском заводе ферросплавов (РКЗ-48), Чимкентском заводе фосфорных солей (РКЗ-48Ф), Джамбульском фосфорном заводе (РКЗ-48Ф), Новоджамбуль-ском фосфорном заводе (РКЗ-72Ф), Побужском никелевом заводе (ОКБ-767). Созданное рудовосстаяовителыюе оборудование в основном определило развитие отечественной черной металлургии и отдельных отраслей химических производств.

Результаты настоящих исследований в полной мере вошли в учебник для вузов «Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева», М.: Энергоиздат, 1981 г.,.который используется для подготовки инженерных кадров по специальности «Электротехнологические установки и системы» в Московском энергетическом институте, Санкт-Петербургском электротехническом университете, Новосибирском государственном техническом университете, Чувашском государственном университете, Алма-Атинском электротехническом институте и других 'вузах России и СНГ. Полученные результаты получили развитие в шести диссертациях на соискание ученой степени кандидатов технических наук, подготовленных под руководством автора диссертации.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 18 научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в том числе на 9 международных и 8 Всесоюзных: VIII Международном конгрессе по электротермии (Бельгия, 1976 г.) — Международном конгрессе по металлургии (Австрия, 1980 г.) — IX Международном конгрессе по электротермии (Англия, 1981 г.) — X Международном конгрессе по электротермии (Швеция, 1984 г.) — XI Международном конгрессе по электротермии (Испания, 1988 г.) — Международном конгрессе по рудовосстано-вительным и переплавным процессам СРНК — 90 (Южная Корея, 1990 г.) — VI Международном конгрессе по чугуну и стали (Япония, 1990 г.) — Международном конгрессе «Черная металлургия России и СНГ в XXI веке» (г. Москва, 1994 г.) — Всесоюзном научно-техническом симпозиуме «Схемы и системы электроснабжения электротермического оборудования (г. Москва, 1975 г.) — Всесоюзном научно-техническом совещании «Основные направления научно-исследовательских работ по аппаратурному оформлению электротермических и высокотемпературных процессов химических производств в десятой пятилетке» (Термия-75, г. Ленинград, 1975 г.) — VII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (г. Новосибирск, 1979 г.) — III Всесоюзном научно-техническом симпозиуме «Параметры рудовосстановильных электропечей и совершенствование конструктивных элементов» (г. Тбилиси, 1982 г.) — VIII Всесоюзном научно-техническом совещании по электротермии и электротермическому оборудованию (г. Чебоксары, 1985 г.) — VI Всесоюзном научно-техническом симпозиуме «Параметры рудовосставительных электропечей, совершенствование конструктивных элементов и проблемы управления процессами» (г. Никополь, 1987 г.) — Всесоюзном научно-техническом симпозиуме «Электроснабжение и электрооборудование дуговых электропечей» (г. Тбилиси, 1988 г.), а так же на ряде других конференций, научно-технических семинаров и совещаний.

Публикации. Диссертация включает обзор печатных работ автора, в числе которых специализированные главы в справочнике по электротермическому оборудованию и учебнике для вузов, 9 патентов и 90 авторских свидетельств на изобретения. Всего по проблемам теории и практики рудо-восстановительных дуговых электропечей, общим вопросам развития электротехнологии опубликовано 195 печатных работ, в том числе получено 99 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Содержание работы

1. Исследование электротехнолошческих процессов рудовосстановительных комплексов широкого назначения.

1.1. Разработка основных концепций создания теории мощных и сверхмощных рудовосстановительных комплексов

В 70-е годы была поставлена задача создания новых типоразмеров мощных и сверхмощных электропечей. В этот период не существовало теоретических положений или методов расчета рудовосстановительных электропечей (РВП), в которых бы строго устанавливались соотношения между номинальными мощностями, токами и напряжениями трансформатора, а также между электрическими и конструктивно-геометрическими параметрами электропечей. Мало того, отсутствовало общепризнанное единодушие в качественном анализе электроэнергетических процессов, протекающих в рабочем пространстве РВП. К примеру можно указать, что подвергалось сомнению существование самого лугового разряда для ряда процессов.

ГО СУ

РОССИЙСКАЯ

QV.U. бй&яйотш".

В этих условиях необходимо было получить конкретные результаты и исходную информацию для принятия решений о конкретных путях создания новых типоразмеров электропечей. Трудности получения такой информации объяснялись тем, что совокупность протекания энергетических, физических, химических, гидродинамических процессов внутри ванны очень сложна, а экспериментальные исследования не позволяли установить действующие закономерности для создания строгой и обоснованной теории. Отдельные методы расчетов, применявшиеся для расчетной оценки электротехнических и геометрических параметров РВП, базировались на сочетании статистических экспериментальных данных и общих физических закономерностей. Такое положение развития теории вызывало необходимость разработки новых оценочных и аналитических подходов к РВП.

Как известно, к рудовосстановительным электропечам относятся электротехнологические установки с большим разнообразием технологических процессов, но объединенных основной конечной целью — за счет прямого нагрева электрическим током в этих печах производится восстановление из руд минералов основного и сопутствующих элементов углеродом шихты или расплавление руд с целью гомогенизации или сегрегации их составляющих. Большая обобщенность приведенной характеристики требует некоторой конкретизации, так как подходы к созданию оборудования, например, для крупномасштабного производства, во многом принципиально могут отличаться от маломасштабного производства. Поэтому в начале постановки рассматриваемых работ была поставлена задача разработки основных концепций создания оборудования с производительностью в десятки и сотни тысяч тонн в год для производства ферросилиция, феррохрома, кристаллического кремния, силикокальция, ферромарганца, фосфора, силикомарганца, медного и медно-никелевого штейна, синтетического и сварочного флюсов и т. д. Такое объединение процессов позволило при выполнении поставленной научно-технической задачи найти обобщенные решения для определения мощности электропечей и типа электротехнологических агрегатов под каждый процесс.

Из всего многообразия крупномасштабных процессов на основании потребностей в промышленности и принятых решений правительством была определена очередность создания головных образцов оборудования, которая, в свою очередь, определила ориентацию экспериментальных исследований, решение общих и частных задач и опережающую проверку принятых решений последовательно по времени.

Рассматривая организационно-технические проблемы, следует особо подчеркнуть, что задача создания уникальных электротехнологических комплексов могла быть решена только в содружестве со специалистами головных ферросплавных заводов страны и ведущих технологических институтов

— Гипростали, Ленниигипрохима, ЦНИИЧерМета, Укрнииспецстали, ГИ-МЕТА и др. Разработка промышленного оборудования, принятие решений по техническим характеристикам и их обеспечение в эксплуатационных промышленных условиях осуществлялось ВНИИЭТО при непосредственном участии соискателя. Совершенно очевидно, что перед принятием окончательных решений по реализации концепций создания уникального оборудования отдельные предложения, научные результаты и технические предложения проходили экспертную оценку широкого круга специалистов, выполнявших исследования по комплексным планам разработки технологий и создания оборудования.

Поставив задачу существенного изменения типоразмера электропечей как по мощности, так и по производительности, т. е. задачу создания мощных и сверхмощных электротехнологических рудовосстановительных комплексов, внимание прежде всего было обращено к основным теоретическим положениям, на основании которых создавались первые РВП. Исторически сложилось положение, при котором качественный анализ эффективности протекания рабочих процессов в РВП проводился по интегральным характеристикам так называемого полезного напряжения — падения потенциала в межэлектродном промежутке (электрод — расплав). Методики расчета полезного напряжения изучались и разрабатывались многими советскими и зарубежными специалистами. Из-за многообразия подходов к рассматриваемому сложному и многофункциональному рабочему процессу была проведена структурная классификация этих методик и одновременно оценка потенциальных возможностей анализа одновременно протекающих физических процессов в ваннах электропечей.

На основании рассмотрения большинства известных методов были выделены три основных группы формул расчета полезного напряжения.

К «первой группе были отнесены формулы вида: Uполез = С Р? ол, где С и п — постоянные коэффициенты, а Рпад- полезная электрическая мощность печи. Приоритет применения этой формулы принадлежит A.C. Микулинскому, который обосновал ее на основании критерия подобия рудовосстановительных печей. К этой же группе расчетных выражений относятся формулы Ф. Андреа, Г. Кургиса, М. Моркрамера, П. Пашкиса, Б. В. Семеновича, С. И. Денисова, В. Л. Розенберга, В. Г. Бабенко, С. А. Моргулева, В. П. Киселева. В сущности этого подхода лежит уточнение основной формулы A.C. Микулинского путем введения различных полуэмпирических коэффициентов. Показатель степени «п» в этих формулах используется в диапазоне от 0,25 для многошлаковых процессов до 0,33 для бесшлаковых, а коэффициент «С» имеет различные значения и, в некоторых случаях, является переменной величиной.

Вторая группа формул, типичной для которой является формула-М.Гро: г г 10.6) «-0,33 0,67 ,-1 » ?, 0, где ]", — плотность тока в электроде, ру — объемная удельная мощность. Этот подход характеризуется стремлением ввести коэффициенты, учитывающие объемное или поверхностное распределение мощности в ванне. К этой группе можно отнести формулы А. Е. Романи, Г. Ф. Платонова, Н. И. Граня, К. И. Мосиондза, Б. П. Онищина, Г. С. Нуса и Б. С. Струнского. К третьей группе формул относится формула В. Келли: тг /к 'Рпол и формула Л. Стази тт 1000 п г л п

У полез у эо ' С т 'Чт ' < где с1э — диаметр электрода, к — коэффициент периферийного сопротивления,^эб ~ 1л ьк' «сопРотивление боковой поверхности электрода. Эта группа формул характеризуется стремлением авторов произвести расчет полезного напряжения по сопротивлению электрода, отдельных участков ванны, т. е. приближением к расчету реальных физических явлений. К этой группе методик можно отнести работы Я. Б. Данциса.

Обобщенный анализ имеющихся в литературе подходов показал, что существующие расчетные выражения в определенной мере позволяют провести оценочные расчеты конкретных процессов и электропечей, но только эмпирически связывают вопросы выбора конкретной мощности или удельных параметров с принципами конструирования и принятия конкретных решений по выбору геометрических параметров рабочей ванны, электродов, изменения высоты расплава или шлака, шихты в подсводовом пространстве и, самое главное — не позволяют оценить влияния каждого из этих параметров на рабочий процесс в условиях высокой и сверхвысокой мощности. Еще большая неопределенность появилась при создании электропечей с герметичным сводом, когда приходилось учитывать существенное изменение температуры шихты в верхней части ванны электропечи — на колошнике.

Для получения обобщенных результатов и выявления конкретных взаимосвязей определяющих параметров электро- и теплофизических процессов был проведен качественный анализ пространственно-распределенной трехфазной системы преобразования электрической энергии в тепловую, которая реализуется в обобщенной РВП. Принципиальной особенностью такой системы является фактическое формирование электрических и магнитных полей в рабочем пространстве в зависимости от соотношения фазных и линейных объемно-распределенных активных и реактивных электрических сопротивлений. Полное описание такой системы электрической схемой замещения с сосредоточенными параметрами практически невозможно из-за относительной неопределенности ряда сопротивлений, резко выраясенных не-линейностей других сопротивлений, их взаимосвязей и т. д. Однако качественный анализ такой системы позволил впервые сформулировать ряд научных положений и технических требований, которые целесообразно выполнять при конструировании рабочего пространства, определении состава шихтового материала по исходной электропроводности с учетом ее зависимости от рабочей температуры, выбора соотношений диаметра распада электродов и внутреннего диаметра футеровки ванны электропечи и т. д. Несмотря на многообразие технологических процессов, объединенных общими признаками (многошлаковости или бесшлаковости), при создании новых типоразмеров электропечей в качестве исходной концепции необходимо было обеспечить снижение прямого преобразования электрической энергии в тепловую во всех областях рабочего пространства электропечей, лежащих за пределами диаметра распада электродов. Было доказано, что температурный режим в этой части рабочего пространства должен в основном обеспечиваться за счет оптимизации кондуктивного и конвективного теплообмена между центральными (подэлектродной и межэлектродной) областями рабочего пространства и периферийными. Уровень температур в этих зонах целесообразно оптимизировать с учетом снижения величины протекающих электрических токов на стены футеровки. Это позволяет концентрировать зоны преобразования электрической энергии в тепловую непосредственно под электродом (фазное напряжение) и между электродами (линейное напряжение). При рассмотрении РВП как электротехнологического агрегата было показано, что для создания оптимальных рабочих условий необходимо, чтобы исходная шихта имела максимальное усредненное электрическое сопротивление при температурах, свойственных температурам областей рабочего пространства, лежащих за пределами диаметра распада электродов. Это положение позволило оптимизировать рабочий процесс и обеспечить приоритетное протекание электрического тока, а следовательно, и выделение вводимой мощности, в подэлектродном пространстве. Такое представление рабочего процесса позволило заформализовать качественную схему замещения РВП как электротехнологического агрегата с выделением обобщенных четырех областей преобразования вводимой в рабочее пространство электрической энергии в тепловую — электрическая дуга в. подэлектродном пространстве (фазное сопротивление Ид), протекание тока в стенках реакционного тигля (фазное сопротивление 1^), протекание тока через шихту между электродами (линейное сопротивление и протекание тока от каждого электрода через шихту на стены футеровки с последующим замыканием на фазное или линейное напряжение (обобщенное сопротивление Яст). В связи с тем, что токи, протекающие через указанные сопротивления, определяются различными напряжениями трехфазной цепи (фазное и линейное), практически невозможно изобразить схему замещения одной фазы (или одного электрода). Это замечание оказывается существенным, так как при компоновке электропечей различной конструкции (прямоугольных, круглых, кольцевых или овальных) необходимо принимать во внимание этот факт. Это теоретическое положение оказывается важным при пересчете моделирующих факторов с одной конструктивной схемы на другую.

Соотношение тока дуги и тока шихтовой проводимости зависит от организации технологического процесса. В этом состоит особенность РВП как электротехнологического комплекса, для которого технологические факторы являются составляющими параметрами режимов работы. В какой-то мере эти особенности рабочих процессов нашли отражение в классификационных признаках электропечей. Для бесшлаковых и малошлаковых процессов характерна, как правило, необходимость организовывать процесс с наличием концентрированного источника энергии. В этом случае основное преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется в зоне газового дугового промежутка. Это обеспечивает наличие под электродами плазменного объема относительно большого размера, а ток шихтовой проводимости оказывается минимальным. Если эти соотношения не выдерживать, то наблюдается преждевременный прогрев шихты, ее спекание и расстройство хода технологического процесса из-за снижения газопроницаемости колошника.

Для малошлаковых процессов, которые являются основными для рассмотрения в настоящей работе, характерным является необходимость выделения тепла в подэлектродном пространстве, при этом ток дуги может составлять относительно большую долю, и тигель может быть относительно небольших размеров по толщине в радиальном направлении. Однако при этом оказывалось, что для рассматриваемых процессов совершенно необходимо обеспечивать конкретные тепловые, условия в областях рабочего пространства, непосредственно прилегающих к внутренней поверхности тигля, так как именно эти области являются реакционными и определяющими производительность печи.

Чаще всего в литературе электроэнергетические режимы рассматриваются на основании однофазных схем замещения. Однако, как было уже указано, при составлении схемы замещения для одного электрода вносятся существенные неточности, искажающие сущность протекающих процессов, так как ток шихтовой проводимости в значительной мере обеспечивается линейным напряжением трехфазной системы, а ток в дуге и тигле — фазным напряжением. Поэтому мы считаем целесообразным использовать традиционные методы анализа процессов, но с учетом указанного замечания.

Следует прежде всего констатировать, что с энергетической точки зрения особенности технологического процесса должны характеризоваться соотношениями сопротивлений возможных путей протекания тока, а, следовательно, соотношениями тепловых энергий (мощностей), выделяющихся в шихте (шлаке, расплаве) и в дуге, тигле или контакте «электрод-расплав», т. е. в подэлектродном пространстве. Именно этот методологический подход использовался в излагаемой работе при создании мощных и сверхмощных РВП.

Для дальнейшего изложения полученных теоретических результатов укажем, что основоположник отечественной электротермии М.С.Максимен-ко ввел в теорию руднотермических электропечей понятия долей выделения энергии в подэлектродном пространстве — «р», и в керне — «ц». На основе этих положений все процессы в РВП принято делить на две группы: процессы, в которых, р > q, и процессы, в которых р < д. Как известно, эта классификация не получила широкого распространения среди специалистов из-за сложности интерпретации понятий р и q, а в 70-е годы — невозможности расчетного или экспериментального определения соотношения мощностей. Следует сказать, что нам не удалось принципиально развить работы М. С. Максименко. В целом эта задача и не ставилась. Однако привлечение в качестве определяющих величин понятия сравнения выделяющихся мощностей позволило получить значимое обобщение — вывод о том, что создание мощных и сверхмощных электротехнологических комплексов возможно на основе реализации технологических процессов с концентрацией энергии в реакционной зоне, образованной закрытыми дугами и горячим тиглем. При этом необходимо обеспечивать относительно холодный колошник.

Детальный анализ многочисленных рудовосстановительных процессов показал, что именно по этому пути развития РВП могут идти электротехнологические комплексы непрерывных шлаковых процессов (фосфора, углеродистых ферромарганца и феррохрома, силикомарганца) и практически все малошлаковые непрерывные процессы — производство ферросилиция всех марок, силикокальция, силикоалюминия и т. д.

1.2. Анализ взаимосвязи параметров рабочих режимов РВП

В соответствии с выработанной концепцией направления решения поставленных задач по созданию мощных и сверхмощных РВП был проведен общий анализ специфических условий горения электрической дуги и распределения выделяющейся энергии в рабочем пространстве электропечей. Для рассмотрения прежде всего были приняты электропечи, в которых технологические процессы протекают при наличии электрической дуги, находящейся под слоем шихты и шлака и горящей в замкнутом объеме тигля. Обобщенная схема строения подэлектродного пространства приведена на рис. 1. Как видно, структуру рабочего пространства, прилегающего к электроду, можно подразделить на тигель (газоплазменную полость), прилегающую область полутвердой шихты (магма) и область электропроводной шихты, имеющей значительный градиент температуры и, следовательно, изменение плотности протекающего тока по радиальной координате. Именно в такой последовательности расположения областей рабочего пространства был проведен анализ процессов.

Рис. 1. Общая схема строения подэлектродного пространства