Электрофизические процессы в шлаковой ванне

Расплавленный шлак представляет собой электролит, т.е. проводник второго класса, в котором носителями тока служат ионы. При протекании тока через шлаковую ванну электронный ток в электродах замыкается ионным током шлака. При этом у анода происходит нейтрализация анионов с отдачей электронов электроду; у катода – нейтрализация катионов с получением электронов от электрода. Нейтрализация ионов сопровождается вторичными химическими реакциями с возникновением соответствующих электрохимических потенциалов и ЭДС поляризации (если нейтрализующийся ион отличается от материала электрода). Поэтому в отличие от других печей сопротивления напряжение на шлаковой ванне печи ЭШП складывается из падения напряжения на активном сопротивлении шлака R_шл согласно закону Ома и приэлектродных падений напряжения.

Активное сопротивление R_шл связано с силами взаимодействия между ионами, препятствующими направленному движению ионов к электродам, и зависит от числа и подвижности ионов, вязкости среды. По этой причине УЭС ρ_шл шлаков, применяемых для ЭШП, уменьшается с повышением температуры (в отличие от проводников первого класса) и зависит от химического состава шлаков.

Приэлектродные падения напряжения при ЭШП могут возникать по двум причинам:

1) электролиз компонентов шлака (в случае протекания постоянного или несимметричного переменного тока). Для условий ЭШП приэлектродное падение напряжения составляет 2,25...2,35 В;

2) дуговой разряд между электродом и ванной.

При определенных условиях наблюдаются микродуговые разряды между горячим шлаком и холодной медной стенкой кристаллизатора, что свидетельствует о прохождении тока от электрода через шлаковый промежуток Δ (см. рис. 62, а) к кристаллизатору. При этом происходит частичное выпрямление тока за счет «вентильного» действия дуги. В цепи питания печи ЭШП появляется постоянная составляющая переменного тока I₀, достигающая 5...10 % силы тока I_шл и вызывающая ряд нежелательных явлений: подмагничивание магнитопровода электропечного трансформатора, анодное растворение медной стенки кристаллизатора (если электрод становится катодом), электролизные процессы в шлаковой ванне. Микродуговые разряды также приводят к эрозии стенки кристаллизатора.

Тепловая энергия, выделяющаяся в жидком шлаке согласно формуле (124), передается к граничным поверхностям шлаковой ванны не только теплопроводностью, но и конвекцией. При ЭШП конвекция может быть естественная («свободная») и электродинамическая, причем последняя возникает под влиянием собственного магнитного поля или в результате наложения внешнего магнитного поля от специального соленоида, наматываемого на кристаллизатор. При естественной конвекции причиной движения является подъемная гравитационная сила F_грав, возникающая вследствие различной плотности нагретого до разных температур шлака. Электродинамическую конвекцию создают ЭМОС F_V согласно (115): горизонтальная составляющая тока вызывает движение шлака сверху вниз, внешнее продольное магнитное поле вращает шлак в горизонтальной плоскости. Совместное действие сил F_грав и F_V обеспечивает необходимую циркуляцию шлака в ванне. Скорость движения шлака под электродом (см. рис. 62, а) достигает 0,1 м/с.