В сталеплавильном производстве этап плавки в дуговой печи является периодом наибольшей концентрации энергии. Он играет решающую роль в эффективности плавки, энергопотреблении и общей производительности печи. Характеристики теплопередачи на этом этапе тесно связаны с состоянием шихты, площадью покрытия дугой и температурой огнеупора.
1. Начальная стадия: дуга покрыта ломом
При загрузке стального лома в печь электроды зажигают дугу над шихтой и вблизи свода печи, выделяя интенсивное тепло. При правильном размещении и распределении лома электроды быстро проникают в шихту, покрывая дугу ломом.
На этом этапе шихта непосредственно поглощает энергию излучения дуги, обеспечивая минимальный теплообмен с футеровкой печи. Это позволяет печи работать с максимальным напряжением и мощностью дуги, при этом вспомогательные горелки работают на полную мощность, ускоряя нагрев и плавление.
2. Средняя и заключительная стадии: воздействие дуги и вовлечение подкладки
По мере плавления лома дуга контактирует с расплавленной ванной, и футеровка печи начинает участвовать в теплообмене. Зоны расплавленной ванны с более низкой температурой нагреваются в основном за счёт излучения от футеровки.
Поскольку угол между стенкой печи и ванной составляет чуть больше 90°, а свод печи практически параллелен поверхности ванны, он играет определяющую роль в её нагреве.
Распределение мощности дуги можно выразить как:
P_arc = P_useful + P_loss + P_storage
P_useful – энергия, нагревающая шлак и расплавленную сталь, включая прямое излучение дуги и отраженное излучение от футеровки;
P_loss – потери тепла через футеровку и другие пути;
P_storage – энергия, поглощаемая подкладкой, что повышает ее температуру.
3. Влияние изменений температуры на теплопередачу
В начале плавки большая разница температур между ванной расплава и футеровкой обеспечивает значительный лучистый теплообмен. Однако по мере повышения температуры ванны:
P_useful уменьшается;
P_loss и P_storage увеличиваются;
Потребление электроэнергии растёт, а температура футеровки повышается.
Когда температура футеровки приближается к предельной, возникают повреждения, особенно в области свода печи.
4. Стратегии энергосбережения и защиты футеровки
Для снижения тепловых потерь, снижения расхода электроэнергии и продления срока службы футеровки и свода печи мощность дуги следует постепенно снижать по мере повышения температуры расплавленной ванны.
При реальном производстве стали слабые места в футеровке часто появляются, когда расплавляется около 70% лома, что приводит к «прожогам», вызванным вышеуказанными факторами теплопередачи.
