книги из ГПНТБ / Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи

энергии дуги и энергии шихтовой проводимости, т. е. параметров р и q.

Кроме того, классификация по этим двум параметрам не отражает различия между прямой и косвенной трансформацией электроэнер­ гии в тепло.

Одна и та же продукция может быть получена в печах различных типов и классов.

Поэтому не следует искать однозначного решения проблемы и полагать, что для данного руднотермического процесса применим только один определенный вид трансформации электроэнергии и неприменимы другие.

Скажем больше: в некоторых случаях на различных стадиях технологического процесса требуются различною типа трансформа­ ции электроэнергии. В качестве иллюстрации yi ажем на производ­ ство муллита.

Муллитовые печи являются печами периодического действия. В начале запуска печи необходимо расплавить новую порцию шихты. Так как температура плавления шихтовых материалов относительно велика (выше 1800° С), то для форсированного хода печи необходима большая мощность при ее высоких объемных плотностях. После же того, как плавление в основном закончено, необходимо некоторое время выдержать расплав для его рафинирования.

Конечно, в первый период желательно, чтобы печь работала при мощном дуговом разряде, а во второй период лучше уменьшить мощность дуги и увеличить мощность, выделяющуюся в рас­ плаве.

Как видим, в первом периоде печь будет работать в дуговом ре­ жиме, а во втором — в смешанном.

Рассмотрим еще получение рафинированного ферромарганца. В начальный период производственного цикла печь работает по принципу смешанных печей, так как шихта характеризуется до­ статочно высокой электропроводностью и значительная доля тока течет от электрода к поду через шихту. Но и в этот период дуга в печи явно выражена.

Во второй период после расплавления всей шихты печь работает только в дуговом режиме.

Из сказанного можно сделать вывод, что режим работы рудно­ термических печей может меняться в широком диапазоне.

На практике мы встречаемся и с дуговым режимом, и с режимом сопротивления, и со смешанным режимом. Наконец, для одного и того же процесса в различных стадиях могут требоваться различ­ ные режимы.

Поэтому при решении вопроса об оптимальном режиме для того

жимов.

В целом вопрос следует решать для каждого процесса в отдель­ ности.

п

Так как режим печи в Значительной степени зависшг от ее разме­ ров и мощности, то при анализе работы печи должны быть учтены и эти факторы.

3« Энергетические параметры ванны электрических печей

Энергетические параметры ванны печи установим, следуя идеям М. С. Максименко. Однако дополнительно будем учитывать прямую и косвенную трансформацию энергии и объемную плотность мощно­ сти.

Энергетические параметры ванны выразим в относительных еди­ ницах. За единицу примем всю электроэнергию, трансформирую­

то к символу, обозначающему энергию, добавляется индекс «п», если же энергия выделяется в специальном проводнике, а потом передается перерабатываемому материалу, т. е. если происходит процесс косвенного действия, то к символу добавляется индекс «к».

Введем следующие обозначения:

1)долю электрической мощности, выделяющуюся в электроде, обозначим через О. Эта величина мала и, как справедливо указывает М. С. Максименко, в приближенных расчетах ею можно пренебречь;

2)долю электрической мощности, выделяющуюся в газовой среде, обозначим через р.

Так как газовый разряд может быть и прямого и косвенного дей­ ствия, то в общем случае эти доли соответственно обозначим через

Ра и рк\ 3) долю электрической мощности, выделяющуюся в твердом

воднике, обозначим через t\ и здесь, в общем случае, запишем /п

и tK.

Таким образом, всю электрическую мощность, трансформиру­ ющуюся в ванне печи, можно выразить уравнением

Этим уравнением можно выразить баланс преобразования элек­ троэнергии в любой электрической печи.

Но для всякого руднотермического процесса в конечном счете существенно важен не способ преобразования электроэнергии, а объемная плотность получаемой тепловой энергии и уровень темпе­ ратуры, при котором она выделяется.

Поэтому основными параметрами любого руднотермического про­ цесса являются объемная плотность энергии и ее мощность w, т. е.

U

энергия, выделяющаяся в единице объема в единицу времени, и

имеют различное значение и в то же время зависят от распределения электрического поля и плотности тока в ванне печи.

Таким образом, задача определения оптимальных режимов про­ цессов плавки в целом сводится к изучению электрического и тепло­ вого полей ванны.

В некоторых случаях однородной среды при наличии только параметра q или только параметра t оба эти поля совпадают и тогда речь идет о теплоэлектрическом поле. Но при неоднородной среде удельная теплопроводность и электрическая проводимость различ­ ных зон материала в ванне печи различны. Вследствие этого электри­ ческое и тепловое поля уже не подобны друг другу и должны рас­ сматриваться раздельно.

Иначе обстоит дело при наличии только параметра р, т. е. га­ зового разряда. В этом случае нельзя ограничиваться рассмотре­ нием одной теплопроводности среды, а приходится учитывать излу­ чение и конвекцию, в результате которых основная часть тепловой энергии передается перерабатываемому материалу.

Еще сложнее обстоит дело, когда одновременно известны два или три параметра.

Оптимальные величины необходимой температуры Ф и объемной мощности w определяются, конечно, технологией процесса. Но, чтобы достичь этих величин, необходимо знать их зависимость от р, q и t. Основная задача правильного расчета печи все же заключается в определении зависимости этих параметров печи от распределения напряжения и тока. Распределение последних в значительной сте­ пени зависит от геометрических размеров и конфигурации ванны. Отметим, однако, что у двух печей, даже при наличии геометриче­ ского подобия, электрические и тепловые поля не всегда будут подобными.

Глава 11

Теория электрической дуги (дугового разряда)

1, Открытие электрической дуги (исторический обзор)

Приоритет открытия электрической дуги принадлежит русскому ученому акад. Василию Владимировичу Петрову (1761—1834).

Результаты знаменитых опытов с лягушкой Гальвани опубликовал в 1791 г., а через восемь лет, в конце 1799 г., Вольта построил свой «вольтов» столб. Первые сообщения об открытии Вольта в печати появились в 1800 г. При помощи воль­ това столба ученому удалось воспроизвести электрические явления, уже известные до его открытия, но новые свойства гальванического электричества им найдены не были.

В апреле 1800 г. Никольсон построил вольтов столб из 17 пар пластинок и по­ вторил эксперименты Вольта.

13

Электрической дуге посвящены статьи VI, VII, VIII «Известия» В. Петрова. Электрическую дугу Петров классифицирует как «светоносные явления, происходя­ щие от гальвани-вольтовской жидкости».

В статье VII описано явление дуги в атмосфере при нормальном давлении. «Если на стеклянную пластинку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металличе­ скими изолированными направителями (directores), сообщенными с обоими полю­ сами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются, и от которого покой до­ вольно ясно освещен быть может». Затем описываются опыты с расплавлением ме­ таллов. Если в электрическую дугу между электродами внести листы металла («куски листового олова, серебра, золота, цинка»), то от пламени дуги «сии металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают также с пламенем какого-нибудь цвета и пре­ вращаются в оксид. . . Если же металлы будут сжигаемы в стеклянном шаре, то можно собрать большее или меньшее количество оксида, свойственного каждому металлу цвета».

салом и выжатыми маслами, при сгорании. . . принимали настоящий металличе­ ский вид. . .».

Вевропейской литературе первые сведения об электрической дуге появились только в 1812 г.

Виюле 1810 г. английский ученый Дэви в Лондонском королевском институте создал вольтов столб, состоящий из 2000 пар пластинок.

Эта батарея в то время считалась самой мощной в Европе. Пользуясь этой бата­ реей, Дэви провел ряд экспериментов, с помощью которых установил световые и теп­

ловые действия тока. Результаты своих опытов Дэви опубликовал в 1812 г. Вот как он описывает полученную им электрическую дугу: «Когда два куска

древесного угля в 1 дюйм длины и !/„ дюйма в поперечнике были сближены между собою на расстоянии 1/зд или 1/40 дюйма (будучи включены в цепь), то получилась яркая искра и угли больше чем на половину накалились добела. Когда же затем концы углей начали раздвигаться, то между ними происходил постоянный разряд через накаленный воздух на расстоянии, по крайней мере, 4 дюймов в виде не­ обыкновенно блестящей световой дуги конической формы, обращенной выпукло стью кверху. Любое вещество, введенное в дугу, тотчас же накалялось; платина расплавилась в этом пламени также легко, как воск в пламени обыкновенной свечи. . . Когда полюсы батареи были соединены в разреженном воздухе, то рас­ стояние, при котором получились разряды, могло быть увеличено соразмерно сте­ пени разрежения. Когда последнее достигало 1/4 дюйма ртутного давления, искры перескакивали на расстояние до 1/2 дюйма, а при удалении полюсов на 6—7 дюй­ мов разряды происходили в виде необычайно красивой пурпуровой струи света».

Как видим, опыты Дэви представляют повторение опытов, проведенных за 9—10 лет до него В. В. Петровым.

В заключительной части своего «Известия» Петров пишет: «Я надеюсь, что про­ свещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда 1 согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслужи­ вает».

Действительно, признание пришло «некогда». Только через 100 лет после его смерти, при советской власти, было отдано должное его трудам. Постановлением ЦИК СССР от 8 июня 1935 г. восстановлен приоритет В. В. Петрова — «первого русского электротехника, открывшего в 1802 г., за несколько лет до Дэви, явление вольтовой дуги и предсказавшего применение этого явления в технике».

Советская власть приняла соответствующие меры для увековечения памяти В. В. Петрова.

В первые годы после открытия электрическая дуга вызвала большой интерес, однако в дальнейшем внимание ученых к этому явлению значительно ослабело. Только по истечении 60—70 лет интерес к дуговому разряду возрос в связи с исполь­

1 Курсив В. В. Петрова.

15

зованием его для искусственного освещения. Особенно большой интерес вызвал ду­ говой разряд в связи с изобретением «свечи» Яблочкова.

Однако и в этот период изучался только внешний эффект дугового разряда как источника света.

Переломным моментом в области изучения электрической дуги следует при­ знать исследования Г. Айртон, в результате которых в 1902 г. появилась ее моно­ графия об электрической дуге, содержащая описание всех основных явлений, свя­ занных с внешним эффектом дугового разряда, и первые попытки его математиче­ ской интерпретации.

Первые по времени исследования, посвященные физическим процессам, проте­ кающим в дуговом разряде, были проведены В. Ф. Миткевичем. В 1905 г. им опубли­ кована диссертация о природе явлений, протекающих в столбе и пограничных обла­ стях дуги. Выводы В. Ф. Миткевича легли в основу современной теории дугового разряда.

Дальнейшее развитие теории электрической дуги связано с бурным развитием электрической сварки, электрических печей, выпрямительных устройств и ком­ мутационной аппаратуры.

Несмотря на такое глубокое проникновение электрической дуги в технологию ряда промышленных производств, теория горения дуги изучена недостаточно и сведе­ ния о физических процессах горения дуги иногда излагаются бессистемно или в отрыве от производственных процессов. Вследствие этого возможности такого мощного технологического фактора, как электрическая дуга, далеко не исчерпаны. Поэтому ниже излагаются основные теоретические вопросы горения дуги и пер­ спективы его применения в электрометаллургии.

2« Виды электрических разрядов в газах

Электрическая дуга, или дуговой разряд, представляет собой один из видов электрических разрядов в газах. По своему характеру и внешним признакам раз­ ряды в газах весьма разнообразны и к ним относится обширная область физических явлений.

Для того чтобы показать, какое место среди электрических разрядов в газах занимает дуговой разряд, здесь приведена их краткая характеристика.

Все электрические разряды в газах обычно делят на две группы: несамостоятель­ ные и самостоятельные.

Электрический разряд называется несамостоятельным, если для его поддержа­ ния требуется образование в разрядном промежутке заряженных частиц под дей­ ствием внешних факторов—ионизаторов.

Все виды электрических разрядов, существование которых не обусловлено внешними ионизаторами, называют самостоятельными.

По характеру физических процессов, протекающих в разрядном промежутке, обычно различают следующие виды разрядов: электронный, темный (таунсендов-

ский, или тихий), тлеющий и дуговой.

Электронным называется разряд, в котором в качестве заряженных частиц участвуют в основном электроны. Электронные разряды происходят в трубках при весьма высоком вакууме.

Темным называется разряд, при котором электрическое поле в разрядном про­ межутке определяется в основном потенциалами пограничных поверхностей и пре­ небрежимо мало искажается объемными зарядами.

Темный самостоятельный разряд характеризуется малым разрядным током и малой интенсивностью свечения. Плотность тока в таком разряде обычно не превы­ шает 10'6 А/см2.

В тлеющем разряде электрическое поле разрядного промежутка в основном определяется величиной и расположением объемного заряда, кроме того, тлеющий разряд характеризуется катодным падением потенциала, значительно превосходя­ щим потенциал ионизации газа, и испусканием электронов катодом под действием удара о него тяжелых частиц.

Характерной особенностью тлеющего разряда является существование в нем ряда областей с различной степенью свечения газов. Плотность тока тлеющего раз­ ряда значительно больше, чем тихого разряда, и достигает 10'4—1 0 '2 А/см2.

16

Первичное явление

ряд /Дуговой 'азряд

tТлеющий'^

разряд

Рис. 2. Классификация^разрядов в пустоте и газах

/ - : r;yBpJi4FWI-----

свойств (как например, высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, которые протекают в замкнутом газовом объеме в высокочастотных электромагнитных по­ лях без участия в разряде электродов).

В литературе встречаются различные классификации электрических разрядов. Наиболее полную классификацию газовых разрядов дает Н. А. Капцов [12]. В ос­ нову его классификации положены электрические процессы в объеме разрядного газа. По этому признаку определяют тип и область разряда. Для каждого типа дана характеристика элементарных процессов в пограничной области разряда и объяс­ нена роль объемного заряда в процессе его протекания.

На рис. 2 приведена более краткая классификация электрических разрядов. В этой классификации разряды различают по роду среды, в которой протекает раз­ ряд, по явлениям на катоде и по стадиям развития разряда.

Вопрос о виде (или типе) разряда, устанавливающегося при определенных условиях газовой среды и определенных параметрах электрического контура, в ко­ тором протекает разряд, имеет большое значение для практики. Зависимость типа разряда от указанных внешних условий очень сложна и к тому же не однозначна. Дело в том, что форма разряда зависит еще и от его предыстории, т. е. от последова­ тельности пройденных газом энергетических и электрических состояний. Тем не менее, внимательное ознакомление с вопросом показывает, что действует ряд фак­ торов, обусловливающих появление того или другого вида разряда.

При изменении этих факторов разряд переходит из одной формы в другую. Решающими факторами являются плотность разрядного тока и давление газа. На рис. 3 представлены области различных видов разрядов в зависимости от этих двух факторов.

Как видно из этого рисунка, тлеющие разряды могут существовать при малых давлениях и высоких плотностях тока, и, наоборот, тихие разряды возникают при больших давлениях.

Дуговой разряд характеризуется как высокими плотностями токов, так и вы­ сокими давлениями.

Из рис. 3 также следует, что при одной и той же плотности тока могут существо­ вать в зависимости от давления разряды всех трех видов, но при снижении плот­ ности тока ниже предельной величины существование или возникновение дуги ста­ новится невозможным.

Обычно дуговой разряд развивается из тлеющего разряда, но может возникнуть

и независимо от него.

Так как самостоятельные разряды характеризуются величиной катодного па­ дения потенциала и величиной тока, проследим, как меняются эти величины при переходе от тлеющего разряда к дуговому.

Пусть между двумя тугоплавкими электродами в инертной газовой среде проте­ кает тлеющий разряд. Станем увеличивать разрядный ток, меняя внешнее сопро­ тивление разрядного контура. По мере увеличения тока напряжение сначала будет

18

оставаться постоянным, а занятая разрядом часть поверхности катода расти. После заполнения разрядом всей поверхности катода напряжение между электродами

говому.

На рис. 4 показан ход изменения катодного падения напряжения в зависимости от тока для одного из видов такого переходного режима.

Критическое (максимальное) напряжение наступает при токе порядка 0,01 А. Переходу тлеющего разряда в дуговой дан ряд объяснений. Все они сводятся к тому, что при переходе тока через критическое значение в области катода появ­

в дуговой, так как происхождение дуги в электропечах, с которой мы имеем дело, иное.

Если привести в соприкосновение два электрода, а потом раздвинуть их, то между ними образуется дуговой разряд. При раздвижении электродов сопротивле­ ние в точках контакта растет, повышается мощность, выделяющаяся в контакте, и температура в нем достигает такой большой величины, что в месте контакта воз­ никает дуга.

Таков обычно характер возникновения электрической дуги во всех выключаю­ щих устройствах электрических цепей.

Так же возникает электрическая дуга в электропечах. При первоначальном пуске печи обычно под электрод подкладывают куски кокса или электродного лома и замыкают цепь. По мере нагревания и обгорания кокса и конца электрода в от­ дельных точках возникают маленькие дуги, которые затем развиваются в общую дугу под электродом.

При повторных включениях печи, находящейся уже в эксплуатации, дуга воз­ никает по-разному. Если печь была отключена на небольшой промежуток времени

Рис. 4. Зависимость катодного падения напряжения от тока при переходе от тлеющего разряда к дуговому