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

Ив Тигле ванны Сохранилась достаточно высокая температура, то с пуском печи,

суглублением электрода в тигель появляются токи проводимости, стенки тигля быстро разогреваются и создаются благоприятные условия для горения дуги.

Если же печь простояла долго, то обычно снижают напряжение и длигельнб

держат печь под током шихтовой проводимости для постепенного разогрева ваннЫ и установления благоприятных условий горения мощной дуги. Подробнее эти во­ просы будут рассмотрены ниже.

3. Классификация дуговых разрядов

Понятие «дуговой разряд» охватывает все виды электрических разрядов, которые характеризуются большой плотностью тока и малым катодным падением потенциала, не превосходящим несколь­ ких десятков вольт.

Дуговые разряды настолько разнообразны, что их трудно вклю­ чить в одну общую классификацию. Их классифицируют обычно по различным признакам.

По явлениям на катоде дуговые разряды делят на дуги с холодным катодом и горячим катодом.

При холодном катоде дуга поддерживается электростатической (автоэлектронной) эмиссией, поэтому ее иногда называют автоэлек-

тронной дугой.

При разряде с горячим катодом дуга поддерживается термоэлек­ тронной эмиссией, поэтому ее иногда называют термоэлектронной,

или термической дугой.

По роду среды, в которой происходит дуговой разряд, разли­ чают дуги в вакууме, газах и парах.

Дуга в газах возникает в тех случаях, когда электроды туго­ плавки и не принимают участия в образовании газообразной среды, в которой протекает разряд.

Если же в процессе горения дуги сами электроды испаряются и создают атмосферу разрядного промежутка, то разряд называется

дугой в парах.

По внешнему признаку дуги делят на длинные и короткие. Если катод и анод настолько удалены друг от друга, что тепловой

режим одного из них не влияет на тепловой режим другого, дуга на­ зывается длинной. Если же электроды настолько сближены, что они находятся в тесном тепловом взаимодействии друг с другом, дуга называется короткой.

Существует также деление дуг по явлениям на аноде, по кон­ струкции катода и т. д.

Дуга в электропечах в большинстве случаев относится к дугам с горячим катодом, так как все процессы в электропечи протекают при весьма высоких температурах не только электродов, но и всего объема тигля, в котором возникают газовые разряды. Следовательно, в печной дуге должна обязательно происходить термоэлектронная эмиссия. Но, как увидим далее, специфическая структура столба отличает печную дугу от других дуг с горячим катодом.

Электрическая дуга в печи горит между угольным или металли­ ческим электродом и поверхностью сплава. Электрод принимает

20

Пассивное участие в создании разрядной атмосферы. Совершенно по-другому ведет себя другой электрод—сплав. Температура плавле­ ния и испарения всех элементов, входящих в сплавы (кальция, марганца, кремния и т. д.), ниже температуры дуги, поэтому атмо­ сферу дуги создают пары элементов сплава. Следовательно, печные дуги должны быть отнесены к разряду дуг в парах, а не в газах.

Наконец, длина дуги в печах настолько велика, что тепловые режимы непосредственно в областях катода и анода почти незави­ симы один от другого. Значит, печная дуга должна быть отнесена к типу длинных дуг.

Итак, печная дуга может быть охарактеризована как длинная термическая дуга в парах со специфическим строением столба.

Дуга может возникнуть между электродами и при высоком ваку­ уме. После своего возникновения такая дуга горит в парах, воз­ никающих в результате горения дуги. Поэтому основной проблемой вакуумной дуги является процесс ее зажигания.

4. Общее описание дугового промежутка

На рис. 5 приведена электрическая схема, при помощи которой можно получить электрическую дугу постоянного тока. Она состоит из источника постоянной э. д. с. £ ц, регулируемого сопротивления контура гк и двух электродов — катода, присоединенного к отри­ цательному полюсу источника, и анода, присоединенного к его по­ ложительному полюсу. Когда электроды находятся в соприкоснове­ нии друг с другом («замкнуты накоротко»), в цепи протекает ток /, определяемый величинами сопротивления гк и э. д. с. цепи £ ц. Пусть величины Ец и гк подобраны так, что при атмосферном давлении сила тока в цепи / превышает 0,5 А.

Если раздвигать электроды, то при нарушении контакта между ними возникает проводящий слой, состоящий из раскаленных ча­ стиц воздуха и паров оплавившихся частиц электродов. Этот прово­

будет включено сопротивление проводящей дуги гд.

При математическом описании процесса формальной разницы между гк и гд нет. Цепь, содержащую дугу, можно заменить экви­ валентной схемой, приведенной на рис. 6, и силу тока в цепи опре­

Как известно, почти любое электрическое сопротивление в опре­ деленной степени зависит от тока и напряжения и, следовательно, является нелинейным элементом. Вопрос этот подробно будет рас­ смотрен ниже. Здесь же заметим, что сопротивление электрической дуги характеризуется весьма высокой степенью нелинейности и в зависимости от характера разряда очень быстро может меняться по величине от долей ома до бесконечно большой величины.

21

На рис. 7 приведена дуга в мощной сталеплавильной печи, а на рис. 8 — общеизвестная фотография дуги, горящей между уголь­ ными электродами.

Дуговой разряд состоит из ионизированной газовой среды, по которой протекает ток — разрядного промежутка, и ограничива­ ющих поверхностей. У основания разрядного промежутка ограни­ чивающими поверхностями являются электроды — катод у отри­ цательного основания и анод у положительного.

Боковую поверхность разрядного промежутка представляют раскаленные газы («ореол»), не принимающие участия в прохожде­ нии тока.

За «ореолом» следует нейтральная ограничивающая среда (газо­ вая, жидкая или твердая).

Наблюдения показывают, что при длительном горении дуги катод срабатывается под конус, а у анода в центральной его части образуется углубление. На рис. 9 изображено строение дугового разряда.

Строение разрядного промежутка довольно сложное. Непосред­ ственно к катоду прилегает катодная область разрядного проме­ жутка. Длина этой области очень мала (порядка 10"8 см) и не за­ висит от общей длины разрядного промежутка. В катодной области протекают процессы электризации элементарных частиц.

В центре катодной области расположено катодное пятно. Оно представляет собой яркий светящийся участок, через который ток проникает в катод. Плотность тока в катодном пятне значительно больше, чем в окружающих областях поверхности катода.

Непосредственно к катодной области примыкает столб разряда. Это — самая длинная часть разрядного промежутка. Столб разряда состоит из газовой среды, содержащей заряженные частицы, осуще­ ствляющие прохождение тока через дугу. В столбе разряда проис­ ходит трансформация основной части электрической энергии в теп­ ловую.

промежутка.

Теперь кратко опишем сравнительно лучше изученные дуги при малых токах и одновременно приведем соображения о печных дугах, в которых токи достигают нескольких десятков и даже сотен кА.

На поверхности катода дуга обычно сосредоточивается на опре­ деленной, довольно резко очерченной площадке — катодном пятне. На угольном электроде катодное пятно при устойчивом горении дуги находится почти в неподвижном состоянии, в то время как на металлических электродах оно все время перемещается. Плот­ ность тока на катоде меняется в весьма широких пределах и зависит от материала электродов, среды, в которой горит дуга, давления

ит. д.

Втабл. 1 приведены плотности токов для разных электродов и

среды при малых значениях токов.

23

Как же обстоит дело с катодным пятном в печной дуге? В боль­ шинстве руднотермических печей дуга горит под шихтой, что исклю­ чает визуальные наблюдения. Но в сталеплавильных печах, где условия горения примерно такие же, как и в руднотермических, можно наблюдать за дугой. Эти наблюдения показывают, что дуга в печи горит не по всему торцу электрода, а сосредоточивается в опре­

пятна в сталеплавильных печах представляет большие эксперимен­ тальные трудности. Ниже приведены некоторые данные о такой дуге

идана их оценка.

Врассматриваемых печах катодом поочередно являются уголь­ ный электрод и сплав или металл в жидком виде; горение дуги происходит примерно при атмосферном давлении, и катод не под­ вергается резкому охлаждению. Благодаря этому термоэлектронная эмиссия должна распространиться на большую площадь основания дуги и, следовательно, плотности тока на катоде должны быть срав­ нительно невелики. Если и для мощных электропечей принять плот­ ность тока по аналогии с маломощной дугой ~ 500 A/см2, то для катодных пятен получаем необычно большие размеры. Так, для стале­

плавильной печи емкостью 3 т при силе тока 4 кА получаем катодное пятно площадью до 8 см2. Для мощной руднотермической печи при силе тока 30 000—40 000 А площадь катодного пятна должна со­ ставить — 60—80 см2. Диаметр катодного пятна получается при этом равным ~ 9— 10 см.

Если для расчета катодных пятен принять плотности тока по опытам К. К. Хренова, площади катодных пятен уменьшатся

25

зом, можно сделать вывод, что столб мощной печной дуги должен опираться, по крайней мере одним своим концом, на значительную площадь.

Для иллюстрации этого положения на рис. 12 приведены резуль­ таты экспериментального исследования пятна дуги 1441.

Очень важным фактором для суждения о строении дуги в рудно­ термической электропечи является конфигурация огарков электрода. Горец электрода обычно обгорает довольно равномерно, а диаметр торца всего на 10— 15% меньше расчетного диаметра электрода. На поверхности торца в определенном закономерном порядке рас­ положены углубления. Обычно число углублений соответствует числу ребер кожуха электрода. На ферросплавных печах мощностью 7500 кВА, например, на кожухе предусмотрено десять ребер и на торце наблюдается по десяти углублений, расположенных под сле­ дами обгоревших ребер на расстоянии 10— 15 см от периферии элек­ трода. Диаметр углублений равен — 10 см. Образование этих углуб­ лений понятно. В верхней зоне электрода, где кожух и ребра целы, ток течет по железу кожуха. Вблизи же торца, вследствие высокой температуры, ребра оплавляются, и ток, переходя в тело электрода или в дугу, создает эти глубокие очаги. Естественно, что эти очаги и являются началами дуги на электроде.

Простой расчет показывает, что все эти пятна расположены в не­ посредственной близости друг к другу и почти сливаются, однако между отдельными очагами все же существуют зазоры.

В рассматриваемом примере диаметр всего пространства, заня­ того дугой, составляет 50—60 см. Как мы увидим ниже, примерно к такому же размеру диаметра дуги приводят и энергетические рас­ четы.

Расположению всех катодных пятен в непосредственной близости друг к другу способствует и явление сжатия.

На рис. 13 показан снимок конца электрода, обрубленного после его обрыва. На снимке ясно видны углубления, образовавшиеся в результате оплавления ребер кожуха печи и последующего горения

дуг.

Непосредственно к поверхности катода прилегает область ка­ тодного падения напряжения. Как было отмечено, протяженность этой области составляет величину порядка 10~5 см. При абсолютной величине катодного падения напряжения, не превосходящего 8— 10 В, в этой области создаются градиенты напряжения, достига­ ющие 106 В/см.

Видимо, по строению этой области дуга в электропечи ничем не отличается от дуговых разрядов других типов.

«пламена». Все пространство между электродами занято ярко све­ тящимися газами, в которых протекают различные химические реак­ ции. Пламена у электродов и ореол представляют собой раскаленные массы газов, в которых также происходят различные химические реакции между составными частями газов.

26

Анодное и катодное падения потенциалов не зависят ни от дли­ ны дуги, ни от величины общего напряжения, приложенного к раз­ рядному промежутку. Статистичес­ кие материалы показывают, что сумма обоих этих потенциалов приблизительно равна потенциалу ионизации газа или пара, в ко­ тором происходит разряд. Таким образом, разность потенциалов

в столбе — величина постоянная, что указывает на отсутствие объем­ ных зарядов в столбе.

На рис. 14 даны три кривые распределения потенциалов в дуго­ вом промежутке при различном давлении. Как показывают эти кри­ вые, с увеличением давления общий уровень напряжения дуги ра­ стет, но характер распределения потенциала между отдельными участками дуги сохраняется.

6« Прохождение тока через дугу

Характер прохождения тока в области катода у дуг с холодным и горячим катодом различен. Рассмотрим каждую из этих дуг в от­ дельности.

В дуге с горячим катодом выход электронов с катода объясняется термоэлектронной эмиссией. Электроны, вылетая из катода, уско­ ряются сильным электрическим полем в области катодного падения потенциала и начинают ионизировать атомы газа, окружающего катод. Ионизация происходит в слое газа, находящемся от поверх­ ности катода на расстоянии, равном примерно одному свободному пробегу электрона.

Образующиеся при этом положительные ионы под действием электрического поля устремляются к катоду. Полученную в электри­ ческом поле энергию ионы при столкновении отдают катоду и тем самым поддерживают его температуру на уровне, необходимом для термической ионизации.

Ионизация слоя газа непосредственно за областью катодного падения потенциала приводит к образованию такого количества свободных электронов, что они могут осуществлять перенос тока. Отсюда и начинается столб дуги. Так как в столбе градиент потен­ циала постоянен, то заряды в нем должны быть скомпенсированы. Следовательно, число ионов в столбе должно приблизительно рав­ няться числу движущихся по нему электронов. Но при равном числе положительных ионов и электронов плотности токов, пере­

29