4.2. Особенности дуги постоянного и переменного тока

Современные дуговые электропечные установки работают с источниками как постоянного, так и переменного токов. Род тока во многом определяет особенности дуги, и условия горения дуги переменного тока несколько отличаются от условий горения дуги постоянного тока.

Свободно горящая дуга постоянного тока имеет падающую статическую вольтамперную характеристику (ВАХ). Из физики известно, что дуговой разряд является разновидностью самостоятельного электрического разряда в газах или парах (рис. 4.2). Падение напряжения в столбе дуги по мере роста силы тока происходит из-за усиления ионизации. При дальнейшем увеличении силы тока в дуге напряжение U_д практически остается постоянным.

Устойчивое горение дуги постоянного тока может быть обеспечено согласованием вольтамперной характеристики самой дуги с так называемой внешней вольтамперной характеристикой источника питания. Для этого необходимо, чтобы напряжение, подведенное к электродам, было равно U_д для заданной силы тока.

Рис. 4.2. Вольтамперная xapaктеристика разрядов:

1— несамостоятельный разряд; 2 — переход к тлеющему разряду; 3 — начало (самостоятельного тлеющего разряда; 4- начальный тлеющий разряд; 5 — аномальный тлеющий разряд; 6 — искровой разряд, 7 — начало дугового разряда

5.3. Электрическая дуга как источник тепловой энергии

Любой источник теплоты характеризуется прежде всего теп­ловой мощностью, т. е. количеством теплоты, выделяющейся в единицу времени, и температурой, которая обеспечивается в зо­не теплогенерации. А так как процесс преобразования электри­ческой энергии в тепловую в дуговом разряде происходит вслед­ствие ионизации микрочастиц и их ускорения в электрическом поле, то одной из важнейших характеристик дуги является ста­бильность ее горения.

Мощность, выделяющаяся в дуге (Р_д), характеризуется произведением силы тока дугового разряда (J_д) на падение напряжения в дуге (U_д)

.

Поскольку основное падение напряжения приходится на столб дуги, то и преобразование электрической энергии в тепловую, также происходит в основном в столбе. Вследствие очень малой протяженности катодной и анодной областей длину столба (l_с) можно считать равной общей длине дуги (l_д). Тогда

. (4.16)

Из выражения (4.16) следует, что тепловую мощность дуго­вого разряда можно регулировать в широких пределах за счет изменения силы тока, напряжения дуги и ее длины, т. е. межэле­ктродного расстояния при перемещении электродов.

Основным источником тепловой энергии является теплогенерация за счет электрического тока, протекающего через столб, поэтому grad U_c должен быть таким, чтобы энергия, вы­деляющаяся в единице длины дуги, обеспечивала компенсацию энергозатрат на термическую ионизацию и тепловых потерь столба вследствие теплопроводности, излучения и конвенции. Величина grad U_c зависит от:

1) теплового состояния газовой атмосферы в межэлектрод­ном пространстве. Чем выше температура, тем больше потенци­ал ионизации газа. Средняя температура дуги (Т_д) связана с по­тенциалом ионизации (U_и) выражением

. (5.17)

Эта формула не учитывает влияния на температуру дуги си­лы тока, давления газа, способа охлаждения и других факторов и поэтому является приближенной. Она позволяет оценить примерные границы температуры дуги;

2. электрофизических свойств ионизируемых газов или паров. Состав атмосферы, в которой происходит разряд, определяется конструктивными особенностями установки и технологическими условиями процесса. Возможности изменения состава атмосферы на работающей установке по ходу плавки очень ограничены;

3. давления, причем с понижением давления в рабочей зоне печи величина градиента уменьшается;

4. силы тока дуги I_д, причем характер этой зависимости меняется от условий энерговыделения в столбе и теплообмена с окружающей средой;

5) поперечного сечения столба. При сжатии дуги градиент напряжения в столбе возрастает.

В дуговых печах для выплавки стали градиент напряжения в столбе дуги изменяется в широких пределах.

Изменение градиента напряжения по длине дуги не является постоянным. В соответствии с выражением (4.16), неравномернoe падение потенциала должно вызвать неравномерное распре­деление температур в дуге, так как зоны с наибольшим градиентом напряжения будут иметь более высокую температуру.

Если условно представить горящую дугу в виде излучающего цилиндра, имеющего диаметр, равный диаметру электрода D_э, и высоту, равную длине дуги l_д, то можно рассчитать распределе­ние теплового излучения дуги между ванной и футеровкой плавильной печи в функции отношения l_д/D_э.

Однако следует помнить, что прямой теплообмен менее бла­гоприятен для технологического процесса, так как создает не­равномерное температурное поле по зеркалу ванны. Слишком низкая температура футеровки Т_ф может стать причиной замед­ления расплавления шихты на откосах ванны, снижения эффек­тивности нагрева металлa.

При косвенном теплообмене обеспечивается технологически благоприятное равномерное температурное поле шлака по площади зеркала ванны. Однако передача теплоты жидкому металлу может лимитироваться тепловым сопротивлением шлака.

В дуговых сталеплавильных печах прямого нагрева дуга горит между электродом и поверхностью металла. И если тепловое состояние электрода достаточно стабильно, то температура металла в процессе плавки изменяется в значительных пределах, сначала это холодная металлическая шихта, затем достаточно хорошо прогретый, местами оплавившийся и заметно уплотнившийся материал и, наконец, имеющая высокую температуру жидкая ванна.

На поверхности холодной шихты дуга переменного тока горит очень неустойчиво, особенно в тот полупериод, когда шихта является катодом. Холодная шихта хорошо поглощает тепло и, благодаря довольно высокой теплопроводности, быстро отводит ее от зоны горения дуги. Из-за низкой температуры эмиссия электронов оказывается недостаточной для получения необходимой степени ионизации газов в разрядном промежутке, поэтому требуется более высокое напряжение источника питания. Оно сильно колеблется даже в течение полупериода. По мере разогрева шихты горение дуги становится более устойчив уменьшается напряжение зажигания, сокращается продолжительность "бездуговых" пауз. После полного расплавления металла горение дуги полностью стабилизируется, паузы практически отсутствуют.

Повысить устойчивость горения дуги можно в результате изменения условий ионизации газа в межэлектродном промежутке. Обычно дуга горит в газах, имеющих довольно высокий потенциал ионизации. Если под электроды поместить материал содержащий легкоионизируемый элемент, то в разрядном промежутке появятся пары этого элемента, суммарная степень ионизации газа при прочих равных условиях увеличится и дуга станет более устойчивой. Наиболее распространенным в металлургии элементом со сравнительно низким потенциалом ионизации является кальций, потенциал ионизации которого в два с лишним раза меньше, чем у основных компонентов воздуха. Присадка под электроды кальцийсодержащих материалов, например извести или силикокальция, оказывает на дугу стабилизирующее действие.