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

Рис. 49. Графики приемника переменного тока:

I — статическая вольтамперная характеристика; II — осциллограмма тока и напряжения; III — динамическая вольтамперная характеристика

синусоидальной форме напряжения кривая силы тока также сину­ соидальна.

На рис. 49, б изображен случай с возрастающей статической ха­ рактеристикой. Здесь динамическая характеристика может отли­ чаться от статической, так как сопротивление приемника зависит не только от величины силы тока, протекающего через приемник в дан­ ный момент, но и от его предшествующего состояния. Когда частота тока достаточно мала, то при спаде тока рассеяние тепла, выделя­ ющегося в приемнике, поспевает за спадом тока. Сопротивление этого приемника также падает и соответствует величине, определяемой статической характеристикой. Аналогично, при увеличении силы тока изменение сопротивления следует за изменением силы тока. В этом случае динамическая характеристика совпадает со статической. Если же частота тока велика, то явление протекает иначе. Скорость рассеяния тепла, выделяющегося в приемнике, меньше скорости из­ менения силы тока и температуры, а следовательно, и величина со­ противления приемника соответствует предшествующему, а не дан­ ному значению времени. В этом случае кривая динамической харак­ теристики (см. рис. 49, б) отличается от статической. Так как с повы­ шением частоты диапазон колебаний температуры и, вместе с тем

80

сопротивления, уменьшается, то динамическая характеристика от­ ступает от прямой меньше, чем статическая.

Аналогичная картина наблюдается и у приемника с падающей статической характеристикой.

Если процесс изменения силы тока происходит медленно и ско­ рость изменения температуры соответствует скорости изменения силы тока, то статическая и динамическая характеристики будут совпадать; в противном случае динамическая характеристика будет ближе к линейной зависимости между током и напряжением, чем статическая.

3.Характеристики дуги переменного тока

Влитературе опубликовано большое число осциллограмм дуги переменного тока. При большом разнообразии материалов электро­ дов и среды почти все осциллограммы относятся к маломощным Дугам.

На рис. 50, а, б приведены две типичные осциллограммы дуг пере­ менного тока. Характерная их особенность— искажение кривых силы тока и напряжения. Как известно, в электрической цепи, не содержащей дуги, при синусоидальной форме кривой напряжения кривая силы тока также имеет синусоидальную форму и проходит через нулевые точки без паузы; на приведенных выше осциллограм­ мах кривые силы тока имеют более или менее длительные паузы. После паузы сила тока нарастает, достигает максимума и опять на­ чинает падать. До конца полупериода ток снова обрывается и начи­ нается новая пауза. Кривая напряжения имеет иной характер. В период паузы напряжение на электродах разрядного промежутка нарастает. Когда это напряжение достигает определенной для дан­ ной дуги величины (напряжение возникновения ивоз или напряжение зажигания), разрядный промежуток пробивается, и в цепи начинает протекать ток. С момента пробоя дугового промежутка напряжение на зажимах дуги снова падает до определенной для данной дуги6

а кривая напряжения дуги — тремя величинами: напряжением возникновения, горения и исчез­ новения разряда.

Приведенные выше типы осциллограмм, конечно, не являются единственно возможными. Часто и в кривых тока, и в кривых напря­ жения появляются повторные, более или менее ясно выраженные пики (рис. 51).

Пользуясь понятием сопротивления разрядного промежутка, все явления в цепи дуги можно охарактеризовать следующим обра­ зом. В течение паузы тока сопротивление цепи равно или близко к бесконечности, дуговой промежуток представляет собой диэлек­ трик и ток через него не проходит (или проходит исчезающе малый ток). При напряжении возникновения разряда сопротивление дуги резко падает и начинает протекать ток. В дальнейшем сопротивление дуги продолжает снижаться, но с меньшим темпом. После прохожде­ ния тока через максимум сопротивление дуги начинает нарастать в том же медленном темпе, и ток уменьшается. При приближении тока к нулю (напряжение исчезания разряда) сопротивление снова резко возрастает до бесконечности и дуга гаснет.

По осциллограммам силы тока и напряжения можно построить и вольтамперные характеристики дуги. Из кривых, приведенных на рис. 50, а, б и 51 видно, что для поддержания дуги в период нарастания тока требуется большее напряжение, чем в период убывания.

По одним только осциллограммам нельзя создать общую теорию дуги. Однако на основании осциллограмм можно сделать два весьма важных вывода:

1) с увеличением длины дуги растут все три напряжения (возник­ новения, горения и исчезновения);

2) с увеличением максимального значения силы тока все три на­ пряжения уменьшаются.

Рассмотрим теперь процесс горения дуги переменного тока в свете современной электронной теории.

Разница между металлическим проводником и дугой с точки зре­ ния электропроводности заключается в следующем.

82

В металлическом прободнике всегда имеется Громадное числб свободных электронов (электронный газ). С появлением внутри ме­ талла электрического поля эти электроны приходят в ориен­ тированное движение и создают электрический ток в провод­ нике. В определенных, довольно узких пределах температуры, сила тока в точности соответствует разности потенциалов и со­ противление металла, представляющее собой коэффициент про­ порциональности между силой тока и напряжением, остается постоянным.

В нормальных температурных условиях в разрядном промежутке нет свободных заряженных частиц, они создаются ионизацией. На ка­ тоде происходит термоэлектронная или электростатическая эмиссия, а в столбе дуги — ионизация газов. Параллельно с этими явлениями происходят рекомбинация и диффузия заряженных частиц из раз­ рядного промежутка. Этими факторами и обусловливается сила раз­ рядного тока.

Если градиент потенциала, приложенного к столбу дуги, доста­ точно высок и обеспечивает настолько высокую ионизацию разрядного промежутка, что компенсируются потери заряженных частиц в столбе, то проводимость дуги остается неизменной и дуга будет гореть при постоянной величине тока.

Если по какой-либо причине уменьшится градиент потенциала, то уменьшится и ионизация столба дуги; число новых заряженных частиц, появляющихся в единицу времени, будет меньше числа ча­ стиц, исчезающих вследствие деионизации; проводимость дуги будет уменьшаться и она будет гаснуть. Если же, наоборот, градиент по­ тенциала столба дуги возрастет, то вместе с ним увеличится и иони­ зация. Благодаря этому возрастает проводимость, а следовательно, и сила тока дуги. Процесс этот будет длиться до тех пор, пока в столбе Дуги не установится новое равновесное состояние. Таким образом,

Дуге постоянного тока существует динамическое равновесие заря-

ток НЫХ частицСколько частиц исчезает из столба дуги благодаря У и Деионизации, столько же примерно появляется благодаря

низации. Число заряженных частиц остается постоянным и сооттствует данным условиям горения дуги, так как процесс ионизации

зичЛбЭ ДУГИ зависит не только от градиента потенциала, но и от фиГяческ?Го состояния и степени ионизации самого столба и свойств

овои среды, в которой горит дуга.

°ры, обусловливающие деионизацию дугового промежутка, про­ должают действовать, и число заряженных частиц начинает умень­ шаться. При этом очень быстро возрастает сопротивление столба и т°п падает. В зависимости от скорости обратного нарастания гра­ диента потенциала в дальнейшем ток в дуге либо будет поддержи­ ваться, либо она погаснет. Если градиент потенциала после прохо­ ждения через нуль нарастает достаточно быстро и газовый промежу­ ток снова ионизируется с такой интенсивностью, что убыль заряжен­ ных частиц покрывается, то ток в цепи будет поддерживаться и дальше

й возникнет устойчиво горя­ щая дуга. В противном слу­ чае дуга погаснет.

то можно с достаточным приближением принять этот фактор постоян­ ным и рассматривать изменение ионизации и деионизации в зави­ симости от свойств газовой среды и температуры.

На рис. 52 приведены кривые зависимости пробивной прочности водорода и азота от температуры. Как видно, при нормальной тем­ пературе их прочность измеряется десятками киловольт на санти­ метр, а при 6000—7000 К она составляет < 1 кВ/см.

По теплопроводности эти два газа занимают крайние положения. У водорода наибольшая теплопроводность и теплоемкость, а у азота — наименьшая. Значения теплопроводности остальных газов распола­ гаются между ними. Поэтому можно сказать, что и для печных газов, составляющих атмосферу дуги, электропроводность с повыше­ нием температуры повышается.

В период существования тока температура всех частиц разрядной среды почти одинакова, и уровень температуры также довольно вы­ сок. Степень же ионизации, как показывает уравнение Саха, сильно зависит от температуры. Поэтому в период прохождения тока газо­ вый столб дуги имеет высокую температуру и сильно ионизирован. В печи для выплавки ферросилиция, например при 7000 К, иониза­ ция железа достигает 5,4, а кремния — 4,4%. Но при снижении температуры до 5000 К ионизация для обоих этих элементов падает почти в 10 раз. Следовательно, для дуги ферросилициевой печи тем­ пературные пределы 5000— 7000 К являются оптимальными.

Совершенно иначе ведет себя карбидная печь. Основным элемен­ том газовой сферы печи является кальций. Известно, что при 5000 К ионизировано 2% газа, а при 4000 К — 0,25%. При 7000 К кальций ионизируется уже на 21,8%. Следовательно, для карбидной печи критическими пределами являются 4000— 5000 К.

Рассмотрим вопрос о скорости исчезновения объемной ионизации и снижения температуры в период паузы тока в печной дуге.

Заряженные частицы исчезают из разрядного промежутка, как указано выше, вследствие рекомбинации и диффузии.

84

Анализ этих процессов показал, что с понижением температуры рекомбинация растет, объемные заряды быстро исчезают из разряд­ ного промежутка и газ быстро деэлектризуется. И, наоборот, при повышении температуры газ электризуется. Таким образом, для процессов электризации и деэлектризации температура играет ре­ шающую роль.

Выше было показано, что температура в печной дуге находится на весьма высоком уровне. Можно предположить, что в периоды паузы тока она не опускается ниже 5000 К- На рис. 35 было приве­ дено температурное поле дуги. Из этого рисунка видно, что даже при

Отсюда можно сделать вывод, что рекомбинация в печной дуге протекает значительно медленнее, чем в малоамперных открытых дугах.

Вернемся еще раз к экспериментальным данным. На рис. 38 были приведены кривые зависимости падения температуры от паузы тока при условии, что дуга охлаждается только вследствие теплопровод­ ности. Из этих кривых видно, что для дуги, диаметр которой равен 1 мм, спад температуры начинается только через 1 мкс от начала паузы тока. Для дуги в азоте при диаметре 6 мм на падение темпе­ ратуры от 6500 до 5000 К требуется ~ 1 мс, а при диаметре в 1 мм

~ 0 ,1 мс.

Для кремния при 6500 К степень ионизации равна 0,22%, а при 5000 К она составляет 0,024%. Значит в дуге, атмосферу которой составляют пары кремния, ионизация уменьшается с 0,22 до 0,024% в течение 0,1 мс, если диаметр дуги равен 1 мм.

При диаметре дуги в 6 мм для такой же степени деионизации потребуется 1 мс, т. е. в 10 раз больше времени.

Еще более благоприятные результаты получаются для кальция. При 6500 К ионизация кальция составляет 14, а при 5000 К —-2%.

Так как диаметр столба дуги руднотермической печи значительно больше, чем в приведенных выше примерах, то деионизация реком­ бинацией в этом случае должна протекать значительно медленнее.

В руднотермических печах при стандартной частоте 50 Гц дли­ тельность промежутка времени от перехода напряжения через нуль до его максимума составляет 5 мс. Половины же амплитудного зна­ чения напряжение достигает через 1,66 мс. В нормальных условиях работы печи наличие тока в печи при напряжении, равном половине максимума, не подлежит никакому сомнению. Это хорошо подтвер­ ждается осциллограммами печей. Следовательно, если существуют более или менее длительные паузы тока около точки перехода через нуль, то они должны заканчиваться в течение, примерно, первой Десятой доли периода, т. е. в течение 1 мс. А между тем приведенные выше расчеты показывают, что даже через 10 мс концентрация за­ ряженных частиц не может упасть ниже той критической величины,

85