Расчет характеристик дуги плазменно-дуговых печей на основе модифицированной модели дуги Меккера

摘要

Представлен метод расчета характеристик теплообмена электрической дуги со струей газа в плавильном пространстве плазменно-дуговой печи в процессе плавки на основе модифицированной модели столба дуги Г. Меккера. До настоящего времени нет пригодных для практики проектирования методов моделирования и расчета электрических и тепловых характеристик дуги плавильного плазмотрона как источника нагрева и нелинейной электрической нагрузки. Положения современной теории нагрева электрической дугой позволяют на основе известной конвективной модели электрической дуги Г. Меккера с привлечением методов теплообменной модели дуги и математического метода универсальных характеристик дуги предложить удобную для практики проектирования методологию расчета теплообменных характеристик и связанных с ними внешних электрических и тепловых характеристик дуги плавильного плазмотрона плазменно-дуговой печи. Разработанный для расчета электрических и тепловых характеристик цилиндрической части столба модели Меккера метод универсальных характеристик дуги позволяет простыми алгебраическими методами выполнить расчет характеристик столба дуги в отдалении от катода и, тем самым, конкретизировать математическую модель Меккера. Доказанная консервативность дуги в результате образования на поверхности столба пространственного слоя с повышенной объемной вязкостью разрешают, в соответствии с положениями теории пограничного слоя, применить для поверхности цилиндрической части столба дуги граничное условие третьего рода. Метод универсальных характеристик дуги также помогает связать граничное значение линейной плотности теплового потока на поверхности цилиндрической части столба с температурным профилем столба и, тем самым, конкретизировать зависимость электрических, геометрических и тепловых характеристик плазмы столба от условий теплообмена дуги в рабочем пространстве установки с нагревом электрической дугой. Предложенный метод позволяет на основе только внешних вольтамперных характеристик дуги идентифицировать теплообменную модель Меккера и рассчитать простым алгебраическим методом структуру и значения тепловых потоков, создаваемых дугой в процессе теплообмена со струей газа плазмотрона в плавильном пространстве плазменно-дуговой печи. Приведены примеры характеристик дуги при работе на различных газах для разных стадий плавки - в начале плавки и при расплавлении шихты.