Введение

Одним из перспективных направлений совершенствования технологии электрошлакового переплава (ЭШП), как и других промышленных электрометаллургических технологий, является улучшение технико-экономических показателей плавки печей. Наиболее распространенным исполнением установок ЭШП являются печи на переменном токе промышленной частоты [1]. Согласно принципам электротехники, постоянный ток имеет преимущество перед переменным в части сокращения энергетических потерь из-за отсутствия индуктивного сопротивления в основной токоведущей цепи. Используя данную особенность электрического тока, рационально осуществлять переплав с использованием постоянного тока, который, кроме сокращения энергетических потерь, позволяет организовывать поляризацию в шлаковой ванне. Это непосредственно влияет не только на локализацию источника выделения теплоты по закону Джоуля-Ленца или так называемого Джоулева тепла, но и позволяет осуществлять электролизные реакции [2; 3]. Наличие электролиза является важной особенностью использования постоянного тока, которая эффективно применяется в печах вакуумно-дугового переплава (ВДП) для выведения водорода из химического состава переплавляемых сталей и сплавов. Известно, что постоянный ток имеет значительный негативный эффект, явно проявляющий себя в сплошных средах жидкостей и газов, называющийся магнитным дутьем [4]. В технике наиболее часто осуществляется борьба с негативными последствиями магнитного дутья при сварке постоянным током, для чего разработано множество методов контроля поведения электрической дуги, особенно при ручной электросварке [5]. При ЭШП на постоянном токе магнитное дутье искажает кристаллическую структуру слитка, полностью лишая его изотропности физико-механических свойств. Существуют методы для уменьшения влияния магнитного дутья на металл при ЭШП на постоянном токе, которые предусматривают использование симметричного токопровода к поддону и расходуемому электроду. Однако полностью устранить негативный эффект магнитного дутья не удается из-за наличия токопроводящего кристаллизатора, что вызывает магнитное дутье при использовании токопроводов с взаимным расположением «штырь – трубка». В результате переплав с помощью ЭШП на постоянном токе осуществляется исключительно на предельно возможном коэффициенте заполняемости с применением обратной полярности, способствующей наилучшей рафинирующей способности переплава и использованию теплоты, центр выделения которой располагается на торце расходуемого электрода [6].

В данной работе предлагается применение технологии ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электрода как эффективной меры интенсификации переплава металла с обеспечением изотропности физико-механических свойств получаемых слитков без ухудшения рафинирующей способности технологии ЭШП. Под обеспечением изотропности физико-механических свойств понимается сохранение качественной кристаллической структуры, обладающей единой направленностью осей дендритов соосно геометрической оси слитка и повышенной плотностью расположения кристаллов. Химические свойства металла характеризуются обеспечением гомогенности химического состава в части основного металла, а также вредных примесей и газов. Под гомогенностью понимается равномерное взаимное распределение основного металла и частиц вредных примесей и газов в теле закристаллизовавшегося слитка без допущения его дополнительного загрязнения в ходе переплава.

Целью настоящей работы является получение сведений о протекании электротермических процессов в шлаковой ванне печи ЭШП А-550 путем создания цифрового двойника с последующим обеспечением возможности его валидации.

Задачи исследования:

– разработка численной модели кинетики тока в шлаковой ванне печи ЭШП;

– получение поля распределения плотности тока и температуры в объеме шлаковой ванны и проведение их анализа;

– разработка принципиальной схемы модернизации печи ЭШП А-550 для осуществления возможности вращения расходуемого электрода с применением постоянного тока и последующая ее реализация.

Методы исследования

Эффект вращения расходуемого электрода на металл принципиально схож с эффектом, возникающим при наложении внешнего магнитного поля с помощью катушки, расположенной вокруг водоохлаждаемого кристаллизатора. В обоих случаях возникает активное вращение шлаковой и металлической ванн. Однако при воздействии внешнего магнитного поля на границе раздела фаз между шлаковой ванной и металлической пленкой на торце расходуемого электрода жидкий шлак начинает увлекать за собой жидкую металлическую пленку под действием силы межфазного поверхностного натяжения [7]. При использовании вращения расходуемого электрода его тело захватывает шлаковую ванну и передает ей сонаправленное вращательное движение, которое постепенно затихает от центра к периферии [8]. Внешнее магнитное поле, создаваемое катушкой, способно лишь измельчать капли металла на периферии торца расходуемого электрода под действием поверхностного натяжения и не оказывает значительного эффекта на капли в его центральной части. Вращение расходуемого электрода имеет непосредственное воздействие на весь жидкий металл, формируемый на его торце вплоть до его отрыва в виде капель из-за создания поля гравитационных сил. Подавлять эффект магнитного дутья можно при использовании обоих этих способов. Однако технология с вращением расходуемого электрода позволяет обеспечить не только эффективное подавление сил Ампера, воздействующих на металлическую пленку на торце расходуемого электрода и непосредственно на капли металла при каплепереносе сквозь шлаковую ванну, но и управление их траекторией движения в шлаковой ванне и падения на поверхность металлической ванны. На рис. 1 представлена схема с ориентировочными траекториями падения капель металла при стационарном (или вращающимся с недостаточной скоростью расходуемым электродом) и вращающемся расходуемым электродом на оптимальной скорости.

Из рис. 1 видно, что с помощью воздействия вращения расходуемого электрода можно эффективно подавлять эффект магнитного дутья при любых условиях и управлять траекторией падения капель металла за счет величины центробежной силы, зависящей напрямую как от скорости вращения расходуемого электрода, так и от его диаметра.

Вопрос о повышении энергоэффективности печи ЭШП на постоянном токе решается при управлении расположением теплового центра и количеством выделяемой в нем теплоты по закону Джоуля-Ленца. Постоянный ток позволяет обеспечить поляризацию зарядов в шлаковой ванне, что непосредственно влияет на расположение теплового центра. Интенсивность выделения Джоулева тепла зависит напрямую от удельной плотности тока. В объеме шлаковой ванны работающей печи ЭШП удельная электропроводность примерно одинакова, но изменяется прямопропорционально удельной температуре в ней. Капли металла, движущиеся сквозь шлаковую ванну, выступают местами с повышенной электропроводностью и создают кратковременные ответвления движения тока сквозь них. Измельчение капель и их учащенное образование является предпосылкой к увеличению удельной плотности тока в шлаковой ванне. На рис. 2 изображена схема с распределением теплоты в шлаковой ванне при стационарном и вращающемся расходуемых электродах.

Из рис. 2 видно, что при использовании постоянного тока прямой полярности тепловой центр в шлаковой ванне располагается на границе ее раздела с металлической ванной. Данное смещение формирует глубокий мениск в получаемом слитке, вертикальная протяженность которого увеличивается в результате осевого капельного переноса металла. Следует сделать замечание, что здесь не учтен эффект магнитного дутья для обеспечения сравнительной наглядности с технологией, предусматривающей вращение расходуемого электрода. При вращении расходуемого электрода наблюдается активное движение шлаковой ванны и конвективных потоков внутри нее, которые обращены в обратном направлении по сравнению со стационарной технологией. Капельный перенос смещается из центра на периферию шлаковой ванны, что в совокупности с измененной направленностью конвективных потоков изменяет форму фронта кристаллизации, делая металлическую ванну более пологой. Это благоприятно влияет на кристаллическую структуру слитка. По мере увеличения скорости вращения расходуемого электрода увеличивается интенсивность капельного переноса и скорость конвективных потоков, которые теперь омывают торец расходуемого электрода снизу-вверх вдоль его оси. В совокупности с прямой полярностью тока можно добиться эффекта смещения теплового центра вдоль оси расходуемого электрода и слитка. При превышении критических значений может возникнуть образование вогнутого торца расходуемого электрода, что снижает интенсивность капельного переноса, увеличивает размер капли, и, соответственно, является недопустимым условием плавки. Также может возникнуть образование периферийного мениска в металлической ванне. Сведения об исследовании данной проблемы с помощью физического моделирования приведены в работе [9].

Определение эффективного токового режима с соответствующим режимом вращения расходуемого электрода возможно получить в результате построения численной модели процесса, работающей по принципам вычислительной гидродинамики. Данный подход эффективно применялся для исследования ЭШП, начиная с самых первых стационарных задач [10; 11] до нестационарных магнитогидродинамических с многофазным течением [12; 13]. Проводилось численное моделирование с целью исследования распределения тока [14; 15], влияния внешнего воздействия, в том числе вращения расходуемого электрода на скорость плавки [16; 17], были сформированы электрохимические концепции моделирования для определения химической гомогенности получаемого металла [18 – 20].

Задача об определении количества выделяемого Джоулева тепла и локализации теплового центра требует совмещенного решения трех подзадач: электротермической, гидродинамической и конвективной. Электротермическая задача моделирует процесс кинетики постоянного тока, а ее основной закон движения имеет вид:

где j – вектор удельной плотности тока, А/м2; τ – временной шаг, с; \(\nabla\)φ – градиент разности электрических потенциалов, В; σ – удельная электропроводность среды, См.

Гидродинамическая задача описывается транспортным уравнением Навье-Стокса, которое имеет вид:

где v – вектор удельной скорости, м/с; p – удельное гидростатическое давление, Па; μ – кинематическая вязкость среды, Па·с; Sb – Архимедова сила, Н; Ssj – исток явления кристаллизации/плавления.

Задача о конвективном распространении и распределении тепла решается с помощью транспортного уравнения энергии, которое имеет вид:

где H – удельная энтальпия, Дж; λ – удельная теплопроводность, Дж/кг·К; qJH – удельное количество теплоты, выделившееся по закону Джоуля-Ленца, Дж.

Результаты работы и их обсуждение

Итерационные вычисления проводились на расчетной сетке, представляющей собой двухмерное отображение шлаковой ванны в продольном сечении. Для осуществления последующей операции валидации на действующей печи ЭШП брались геометрические размеры, соответствующие расходуемому электроду и водоохлаждаемому кристаллизатору. Диаметр наружной поверхности расходуемого электрода составляет 60 мм, внутренний диаметр кристаллизатора – 90 мм, высота подэлектродной зоны – 10 мм для лучшей наглядности результатов. Ввиду того, что моделируемая область является малой по длине относительно всей длины водоохлаждаемого кристаллизатора, составляющей 590 мм, конусностью внутренней поверхности кристаллизатора, равной 1,2°, было решено пренебречь. Токовый режим при моделировании: сила тока 800 А, напряжение 46 В. Электропроводность среды зафиксирована на значении 120 См.

После проведения итерационных вычислений на созданной численной модели получены выходные данные, а после их визуальной обработки – сведения о кинетике тока в шлаковой ванне и температурном поле. Диаграммы числовых полей кинетики постоянного тока представлены на рис. 3.

Видно, что при осуществлении плавки на постоянном токе прямой полярности наибольшая плотность электрического тока наблюдается над поверхностью металлической ванны и имеет градиент, спадающий от центра к периферии и от поверхности металлической ванны к поверхности расходуемого электрода. Обратную же картину можно увидеть на изображении с обратной полярностью, где наибольшая плотность тока наблюдается на торце расходуемого электрода. Ввиду того, что Джоулево тепло выделяется в местах наибольшей плотности тока, то по ее распределению можно судить о картине распределения Джоулева тепла. Его силуэт будет повторять картину распределения плотности тока, так как формула определения количества Джоулева тепла в результате дает скалярное значение, формируемое модулем абсолютной величины вектора плотности тока. Разница будет наблюдаться лишь в абсолютных величинах числовых полей.

На рис. 4 представлена диаграмма распределения температуры в объеме шлаковой ванны.

При использовании тока прямой полярности наблюдается постепенное снижение градиента температуры от центра поверхности металлической ванны в направлении периферии. При этом наиболее горячая зона наблюдается в виде небольшого пятна в центре поверхности металлической ванны. Общий вид градиента имеет выгнутую форму, сужающуюся в направлении торца расходуемого электрода. Однако в его окрестности температурное поле вновь несколько расширяется, образуя своеобразную форму песочных часов с удлиненной нижней и укороченной верхней частями. Спад температуры наблюдается при приближении к периферии в верхней части стенки кристаллизатора и поверхности раздела «атмосфера – шлак». Наличие повышенной температуры на границе «шлак – металл» вблизи стенки кристаллизатора обуславливается наличием повышенной плотности тока, вызванной использованием прямой полярности. При рассмотрении температурного числового поля с обратной полярностью тока видно, что градиент температур также распределяется от центральной части к периферии, однако не наблюдается явной локализации очагов повышенной плотности тока по аналогии с прямой полярностью. Вероятно, ввиду того, что диаметр расходуемого электрода меньше диаметра металлической ванны, количество выделяемой теплоты меньше на обратной полярности, чем на прямой. Данный факт может быть объяснен меньшим количеством тока, проходящего через сечение более малого диаметра, что снижает его удельную плотность. Продольная форма температурного градиента имеет вогнутый вид, который сходится в направлении поверхности металлической ванны, однако в окрестности ее практически не увеличивается, оставаясь прямолинейным. Падение температуры наблюдается в направлении к стенке кристаллизатора. В этом случае эффективность поглощения тепла стенкой кристаллизатора вокруг поверхности раздела «шлак – металл» выше по причине изменения направленности тока. Окрестность вокруг поверхности расходуемого электрода является источником повышенного тепла, поэтому тепло на границе «атмосфера – шлак» отводится хуже, по сравнению с прямой полярностью тока.

Количественные сведения о плотности тока и температуре характеризуют тепловую картину внутри объема шлаковой ванны, позволяя прогнозировать границы режима работы печи, в которых обеспечивается исключительно капельный перенос металла между его полным отсутствием и возникновением струйного переноса металла. С учетом того, что предельная температура при прямой полярности может достигать 2200 °С над поверхностью металлической ванны, необходимо использовать вращение расходуемого электрода диаметром 60 мм в диапазоне скоростей 80 – 120 об/мин. Этот выбор сделан с учетом эмпирических результатов опытных плавок, описанных в работе [3]. На данном режиме вращения с заданной мощностью работы печи ЭШП должны обеспечиваться условия повышения ее КПД с предельно возможной скоростью плавки без перехода на струйный перенос металла.

Для дальнейшей разработки технологии и валидации численной модели требуется проведение экспериментальных плавок. В ходе работ осуществлена модернизация действующей печи ЭШП А-550 в части автоматизации механической и электрической части, а также переоборудование на работу на постоянном токе. Функциональная схема модернизированной печи представлена на рис. 5.

Система электропитания печи содержит в себе следующие компоненты: регулятор тока с однофазным трансформатором (Т), управляемым выпрямителем (УВ), блоком фазоимпульсного управления (БФИУ), сглаживающим фильтром (СФ), обратной связью по току Iо.с , снимаемой с резистивного шунта Rш , установленного в цепи питания печи, управляющим программируемым логическим контроллером (ПЛК) и сенсорной панелью оператора (ПО). Согласно функциональной схеме автоматизированная система управления печи включает в себя: регулятор напряжения шлаковой ванны, построенный на базе привода подачи электрода, содержащего передаточный механизм (М), асинхронный короткозамкнутый двигатель (АД), транзисторный преобразователь частоты (ПЧ), управляющий программируемый логический контроллер (ПЛК), на вход которого поступает сигнал обратной связи Uо.с , и сенсорную панель оператора (ПО).

Выводы

Спроектирована численная модель действующей полупромышленной печи ЭШП на постоянном токе прямой и обратной полярности. Данная модель включает в себя расчетную сетку, математический аппарат, алгоритм реализации на ЭВМ и программный код.

Проведено итерационное моделирование и получены результаты в виде числовых полей, подвергнутые пост-обработке с целью визуализации. Результаты наглядно демонстрируют характер распределения электрического тока и температуры в шлаковой ванне, не противоречат ранее проведенным исследованиям в этой области и не нарушают законов природы, что делает их валидными для дальнейшего применения.

Полученные сведения о распределении температуры и плотности тока в шлаковой ванне дают качественное и количественное представление об электротермических процессах в ее объеме. Данная модель требует дальнейшей проработки в части одновременного наложения магнитной составляющей постоянного тока в виде силы Лоренца с применением вращения расходуемого электрода. Моделирование с учетом магнитной составляющей тока требует перехода к волновому представлению движения электрического тока в сочетании электрического и магнитного полей через их потенциалы.

Осуществлена модернизация печи ЭШП А-550 в части автоматизации электрической и механической частей и перевода на постоянный ток для ведения экспериментальных валидационных плавок.