Сравнение эффективности радиаторов воздушного охлаждения для подовых электродов дуговой печи постоянного тока

Abstract

Одним из основных элементов дуговых печей постоянного тока является подовый электрод, расположенный на оси подины и позволяющий подводить электрический ток к шихте или к жидкому металлу. Используются также конструкции печей, в которых для повышения эффективности перемешивания расплава в подине устанавливаются два подовых электрода, смещенных от ее оси. При своей работе подовые электроды охлаждаются водой. Одним из существенных недостатков дуговых печей постоянного тока является опасность взрыва при контакте расплавленного металла с водой при аварийной ситуации ухода металла через подину. В качестве альтернативы водяному охлаждению электрода стержневого типа предлагается принудительное охлаждение электрода с размещением на его медной части воздушного радиатора в виде оребренной поверхности. Рассмотрены варианты конструктивных исполнений, когда для охлаждения подового электрода используются кольцевые ребра, прямые ребра и ребра охлаждения в виде шипов. При этом поперечное сечение ребер может иметь различные профили: прямоугольный, трапециевидный, гиперболический, треугольный и т. п. Посредством компьютерного моделирования для каждого из исследуемых радиаторов получены распределение температуры по высоте ребра, тепловая мощность, отводимая ребром (или шипом), коэффициент эффективности ребра и его масса в зависимости от его геометрии. В результате анализа подтверждена принципиальная возможность изменения конструкции подового электрода стержневого типа путем перехода с водяного на воздушное охлаждение, прежде всего для дуговых печей постоянного тока емкостью до 10 т. В результате сравнения радиаторов воздушного охлаждения разных конструкций показано, что с точки зрения эффективности отвода тепла и материалоемкости, преимуществом обладают теплообменники, имеющие ребра охлаждения в виде шипов и кольцевых ребер. Bottom electrode is a basic component of a DC arc furnace; located on the bottom axis, it supplies electric current to the charge or to the liquid metal. Some designs feature dual bottom electrodes displaced from the bottom axis to improve the efficiency of mixing the melt at the bottom. Bottom electrodes are water-cooled. One of the significant drawbacks of DC arc furnaces is the risk of explosions that may be caused by the interaction of molten metal and water in case of emergency, when metal exits the furnace via the bottom. An alternative option for rod electrodes consists in forced electrode cooling by placing an air-cooled heat exchanger on the copper portion of the electrode; such heat exchanger is a finned surface. The paper dwells upon such designs where bottom electrodes are cooled by ring fins, straight fins, or pin fins. The fin cross-section may be of different profiles: rectangular, trapezoid, hyperbolic, triangular, etc. Computer simulation for each heatexchanger type has produced temperature distribution over the fin vertical, thermal power dissipated by the fin (or pin), fin efficiency and mass as a function of its geometry. Analysis confirms the possibility of altering the design of rod electrodes by switching from water-based cooling to air cooling, which is especially applicable to DC arc furnaces under 10 tons. Comparison of different air-cooled heat-exchanger designs that pin fins and ring fins are advantageous in terms of heat dissipation and material intensity.