Электрическое поле ванны
Необходимые для данного технологического процесса ФСП температурные и энергетические условия обеспечиваются интенсивностью объемной теплогенерации в ванне qV в результате преобразования электрической энергии в тепловую по тому или иному способу. Значение qV зависит от распределения электрического поля Е и плотности тока в ванне J. В однородной среде (УЭС ρ одинаковое по всему объему) при нагреве по закону Джоуля – Ленца
(118)
тепловое и электрическое поля совпадают.
Однако в реальных условиях работы ФСП электро- и теплофизические свойства различных зон ванны неодинаковы, что нарушает подобие этих полей и делает необходимым их раздельное изучение с целью нахождения закономерностей в функции основных геометрических и электрических параметров ФСП.
При погружении электродов в электропроводную углеродсодержащую шихту в ФСП для карботермических восстановительных процессов в ванне возникает сложное токораспределение: часть тока протекает через торец электрода (торцовый ток), другая часть – через боковую поверхность (боковой ток). В однофазной ФСП боковой ток шунтирует торцовый ток. Таким образом, при работе ФСП в смешанном режиме ток шихтовой проводимости будет шунтировать дуговой разряд.
В трехфазной ФСП по этой причине возможны четыре цепи протекания тока через ванну:
1) торец электрода – дуга (при дуговом или смешанном режиме) – расплав (или шлак) – под, т.е. одна фаза электрической схемы «звезда» (активное сопротивление дуги Rд);
2) боковая поверхность электрода – шихта – под, причем эта цепь шунтирует цепь № 1 (активное сопротивление «тигля» Rтгл);
3) боковая поверхность электрода одной фазы – шихта – боковая поверхность электрода другой фазы, т.е. цепь электрической схемы «треугольник» (активное сопротивление шихты Rш);
4) боковая поверхность электрода – шихта – токопроводящая угольная футеровка (в ФСП с карботермическим восстановительным процессом) – под (активное сопротивление футеровки Rфут).
Такое токораспределение учитывают при составлении эквивалентной схемы замещения ванны ФСП.
В реальных условиях ФСП конфигурация электрического поля и токораспределение зависят от диаметра электрода Dэд, расстояния между электродами p (см. рис. 58), зазора между электродом и ванной, глубины погружения электрода в шихту, высоты слоя шихты, а также электрофизических свойств неоднородной электропроводной среды ванны ФСП.
Трудности теоретического анализа влияния всех факторов определяют необходимость экспериментального исследования электрического поля ФСП как в промышленных условиях на действующих печах, так и в лабораторных условиях на моделях с обеспечением геометрических и физических условий подобия электрических полей (электрическое подобие).
Теоретическое исследование электрического поля показывает, что в трехфазных симметричных печах (с круглой ванной), в которых электроды расположены по вершинам равностороннего треугольника (см. рис. 58, а), на оси симметрии печи возбуждается вращающееся поле постоянной величины. По мере удаления от этой оси частота вращения поля меняется, но внутри треугольника распада электродов поле продолжает оставаться вращающимся. Вне этого треугольника электрическое поле превращается в пульсирующее. В трехфазных ФСП с прямоугольной ванной (см. рис. 58, б), в которых электроды располагают в ряд, электрическое поле в любом сечении ванны имеет пульсирующий характер.
Возникающие в ванне ФСП переменные магнитные и электрические поля определяют как индуктируемые (вихревые) токи (обратить внимание при конструировании металлоконструкций ФСП!), так и токи проводимости.