Characteristics of Three-Phase Current Arcs, Burning on a Horizontal Surface, with Their Electromagnetic Interaction
DOI:
https://doi.org/10.14529/ctcr200212Keywords:
electric arc, arc steel furnace, three-phase alternating current, magnetic field strength, principle of electromagnetic fields superposition, electromagnetic interaction, form of the arc post axis, heat flow, thermal perception of the walAbstract
Introduction. Multi-electrode arc furnaces using three-phase alternating current are widely used in metallurgy. The presence of several electric arcs creates a system with specific properties that are absent with a single burning arc. These properties are associated with the behavior of the magnetic field near three arcs, with the appearance of additional electromagnetic forces that change the shape and size of the arcs, and hence their thermal radiation. The intensity of electromagnetic interactions, the shape of the arc and its dynamic behavior, which in turn significantly affects the thermal work of the furnace, depend on the geometry of the arcs and the current strength. Knowing the nature of the forces acting on the arc, its position and behavior is important in the design and operation of furnaces, increasing the efficiency of management and automation of their work. The aim of the research is to study the behavior of the main characteristics of free electric arcs of a three-phase current burning on a horizontal surface, by creating the appropriate mathematical, algorithmic and software. Materials and methods. When performing the work, methods of computational mathematics and theory of algorithms were used. The created software using the Matlab application development tools and the MathCAD package was based on well-known methods: numerical integration and finding the minimum functions of many variables. Results. Issues related to the study of a system of three simultaneously burning arcs are considered. The analysis of the behavior of the magnetic field near three arcs is carried out. The electromagnetic forces that change the shape and size of arcs, and therefore their thermal radiation on a horizontal surface have been investigated. The simulation results were indirectly confirmed by experimental data conducted on an industrial furnace. Conclusion. Algorithms and programs have been created that allow to: evaluate the effect of electromagnetic fields on devices and humans located near arc furnaces; to study the behavior of the average integral electromagnetic forces acting on electric arcs; calculate and visualize the heat flux incident on a horizontal surface, depending on the geometry of the arcs and their parameters. Based on the created algorithms, special software can be created that is built into the system of automated regulation and prediction of the thermal operation of multi-electrode arc units to increase the reliability of evaluating the heat perception of a charge and water-cooled panels, wear of the furnace lining under different technological modes of arc burning.
References
Миронов, Ю.М. Электрическая дуга в электротехнологических установках: моногр. / Ю.М. Миронов. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2013. – 290 с.
Кручинин, А.М. Физические основы теплообменной модели электрической дуги в электротехнологии / А.М. Кручинин // Электротехнологии в первом десятилетии XXI века. – М.: ИД МЭИ, 2013. – С. 55–77.
Mõlder, H.; Järvik, J.; Vaimann, T.; Gordon, R. (2012). Multi-Electrode Arc Furnace Technology with Improved Metal Processing Capability Using Current Driven Mixing // Conference Proceedings: 2012 11th International Conference on Environment and Electrical Engineering, Venice, May 18–25. IEEE, P. 313−316.
Brusa, E.G.M. Design and Structural Optimization of the Electric Arc Furnace Through a Mechatronic-Integrated Modeling Activity / E.G.M. Brusa, S.Morsut // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. – 2015. – Vol. 20. – P. 1099–1107. DOI: 10.1109/TMECH.2014.2364392
Three dimensional analysis of an AC electric arc furnace / A. Kiyoumarsi, A. Nazari, M. Ataei, H.K. Beheshti, H. Karimi // 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics (IECON 2009). – Porto, Portugal, 2009. – P. 3697–3702. DOI: 10.1109/IECON.2009.5415134
Бортничук, Н.И. Плазменно-дуговые плавильные печи / Н.И. Бортничук, М.М. Крутянский – М.: Энергоиздат, 1981. – 120 с.
Кувалдин А.Б. Компьютерное моделирование при изучении и расчете индукционных установок / А.Б. Кувалдин // Электрометаллургия. – 2011. –№ 1. – С. 37–45.
Елизаров, В.А. Разработка тепловой модели рудно-термической печи и закрытой дугой / В.А. Елизаров // Электрометаллургия. – 2011. – № 10. – С. 32–40.
Рогожина, И.Д. Конструкции и проектирование дуговых печей / И.Д. Рогожина, О.И. Нохрина: учеб пособие. – Новокузнецк,: Изд. центр СибГИУ. – 2011. – 311 с.
Макаров, А.Н. Законы теплообмена электрической дуги и факела в металлургических печах и энергетических установках / А.Н. Макаров. – Тверь: ТвГТУ, 2012. – 164 с.
Ячиков, И.М. Анализ поведения магнитного поля вблизи электродов дуговых печей посредством математического моделирования / И.М. Ячиков, Е.М. Зарецкая // Известия вузов. Черная металлургия. – 2011. – № 1. – С. 18–21.
Леушин, А.И. Дуга горения / А.И. Леушин. – М.: Металлургия, 1973. – 240 с.
Yachikov I. M., Kostyleva E. M. Electromagnetic Forces on the Arc in a Three_Phase Arc Furnace // Steel in Translation. – 2015. – Vol. 45. – No. 7. – P. 467–472. DOI: 10.3103/S0967091215070141
Ячиков, И.М. Анализ основных электромагнитных сил, действующих на дугу в трехфазной дуговой печи / И.М. Ячиков, К.Н. Вдовин, Е.М. Костылева // Теория и технология металлургического производства. – 2014. – № 2 (15). – C. 70–76.
Расчет электромагнитных сил, действующих на дуги в трехфазной дуговой печи: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / И.М. Ячиков, Е.М. Костылева, В.Р. Храмшин. – № 2016618499.
Ячиков, И.М. Математическая модель и алгоритмы расчета положения трех электрических дуг, горящих между параллельными электродами и токоподводящей поверхностью / И.М. Ячиков, Е.М. Костылева // Информационные технологии и системы: материалы Третьей междунар. конф. – Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2014. – С. 52–55.
Взаимодействие дуг: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / И.М. Ячиков, Е.М. Костылева. – № 2013619388. – БПБТ. – 2013. – № 4. – С. 324.
Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи / Г.А. Сисоян. – М.: Металлургия, 1971. – 304 с.
Спелицин Р.И. Влияние электрических режимов работы высокомощных ДСП на заглубление дуги в жидкую ванну / Р.И. Спелицин, Н.А. Пирогов, В.Д. Смоляренко // Производство электростали: сб.тр. / НИИМ. – 1977. – С. 46–50.
Yachikov I.M., Zaretskaya E.M. Radiant heat flux from an electric arc inclined to the plane of the receiving surface Steel in Translation. – 2011. – Т. 41. – № 7. – P. 550-554. DOI: 10.3103/S0967091211070151
Ячиков, И.М. Модель теплового потока, падающего на поверхность металла от дуг в ДСП / И.М. Ячиков, Е.М. Зарецкая// Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах: Междунар. сб. науч. трудов. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. – Ч. 1. – С. 161–166.
