книги из ГПНТБ / Леушин, А. И. Дуга горения. Свойства мощных дуг современных сталеплавильных печей

Движение электронов связано с вращением ядер. Устой­ чивое электронное состояние молекулы характеризуется равновесной конфигурацией ядер, формой, которая за­ висит от состава и строения химических соединений.

ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В МОЛЕКУЛАХ

Для характеристики электронных молекул ее состояние можно рассматривать либо в целом, либо только элек­ тронную конфигурацию молекулы, ее электронные обо­ лочки [51—56].

При этом большую роль играет возможность прибли­ женного разделения электронов в молекуле на электро­ ны, принадлежащие отдельным атомам, и на электроны, принадлежащие всей молекуле в целом и образующие молекулярные электронные оболочки. Такое разделение весьма существенно при рассмотрении основных типов атомной и химической связи.

Электронная конфигурация молекулы, аналогично элек­

Переход между двумя электронными состояниями моле­ кул сопровождается изменением колебательной и вра­ щательной энергии. Число различных возможных коле­ бательных и вращательных переходов возрастает с уве­ личением числа атомов в молекуле, количество колеба­ тельных уровней растет пропорционально числу колеба­ тельных степеней свободы.

J 20

Для молекул с большим числом атомов колебательные уровни будут располагаться чрезвычайно тесно.

В связи с этим деление молекул по сложности их спек­ тров зависит от температуры: при низких температурах наблюдаются дискретные спектры, а при высоких — ши­ рокие сплошные полосы.

ТЕМПЕРАТУРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ КАК НЕОДНОРОДНОГО ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Хотя температура дуги является функцией ее положе­ ния на оси и расстояния от оси, но обычно при опреде­ лении температуры электрической дуги находят ее эф­ фективное значение, получаемое усреднением распреде­ ления интенсивности спектральных линий в дуге или потенциалов ионизации.

Если принять за мгновенное изменение потенциала ионизации во времени каждой спектральной линии сину­ соидальную функцию, т. е.:

е = -Emax sin at, Е = EmJ V 2 , £ с р = 0,637.En m и

^СР = -^11011!

то эффективное значение температуры составит

где k— переводной коэффициент для выражения шка­ лы размерности (принят равным 800).

Электрические дуги в сталеплавильных печах горят в атмосфере воздуха (смесь азота и кислорода).

о

В диапазоне длин волн от 4480 до 5862 А азот имеет дву­ кратную ионизацию с потенциалом £/2 =29,606 эв (по­ тенциал однократной ионизации СУi = 14,545 эв). Интен­ сивность его искры от 25 до 500 единиц и потенциал возбуждения до 27,95 эв. Если перевести потенциал ионизации в шкалу температур, то будем иметь

r N , = / г £ ,ю„ = 8 0 0 -29,6 = 23680° К.

В указанном диапазоне волн кислород имеет двукрат­ ную ионизацию с потенциалом U2 = 35,082 эв (Ui=~ = 13,615 эв). Интенсивность искры кислорода от 70 до

.300 единиц и потенциал возбуждения 25,62—31,14 эв.

121

После перевода потенциала ионизации в шкалу темпе­ ратур имеем

TQi = kElvM = 800-35,082 = 28064° К,

или окончательное значение температуры электрической дуги сталеплавильных печей может быть принято как среднее значение температур смеси воздуха и примесей в дуге.

КОЭФФИЦИЕНТ ВАРИАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ДУГИ

Среднее значение любого параметра лишь количествен­ но выражает совокупность свойств исследуемого процес­ са. При одной и той же средней величине отклонения от нее могут быть и положительными, и отрицательными. Так, если для спектра дуги печи определено Т" t то одни спектральные линии будут иметь значение Т°тах, а дру­ гие 7° . . Рассеяние значений температур составит

По спектрограмме и расчетным данным температур для каждой спектральной линии можно определить величи­ ну рассеяния за весь спектр дуги (рис. 16).

Если на рис. 16 нанести среднее значение температур, то величина Wt указывает на качественное использова­ ние дугового разряда. Коэффициент вариации равен

Поскольку температуры ионизации смеси воздуха в дуге постоянны, они не оказывают существенного влияния на температуру дуги в период ее горения. Основное влия­ ние на изменение температуры дуги оказывает измене­ ние температуры примесей в дуге.

Значительные рассеяния значений температуры около средней ее величины указывают на недоиспользование дугового разряда, и иа температурный резерв, который можно реализовать в процессе эксплуатации дуговых печей.

122

w

Рис. 16. Изменение значении тем ­ ператур

При увеличении плотности тока возрастает концентрация электронов. Чем выше температура, тем сильнее прояв­ ляется сгущение уровней энергии, что приводит к уве­ личению числа колебательных степеней свободы и зна­ чительному усложнению колебательного движения мо­ лекул.

Каждому значению температуры соответствует опреде­ ленное физическое содержание плазмы. С повышением ее температуры резко возрастают потери тепла на излу­ чение.

На рис. 16 отложены значения (7"^а х —T^i a ) для печей различной емкости. Данный график наглядно показыва­ ет вариацию значений температур пламени электриче­ ской дуги в дуговых сталеплавильных печах.

По современным представлениям различают два вида ионизации пламени: термическую и химическую. Термическая ионизация обусловлена энергией теплового движения частиц и определяется температурой газа и потенциалами ионизации его составляющих компонен­ тов.

Химическая ионизация обусловлена протеканием специ­ фических реакций между атомами и радикалами и об­

Процессы горения в газах и скорости этих процессов связываются с перестройкой наружных электронных оболочек атомов.

Скорости химических превращений ограничиваются ско­ ростями процессов перемещения атомов или молекул,

123

Для управления гороппем п темпе­ ратурой дуги необходимо использо­ вать покрытие н прокалпванпо эле­ ктродов, изменение концентрации атомов примесей, двойную дугу и надлежащую подготовку шихты

РАЗДЕЛ III ИЗМЕНЕНИЯ

И ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

ГЛАВА х УСТОЙЧИВОСТЬ И САМОРЕГУЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Трехфазная сталеплавильная печь может быть представ­ лена в виде пассивного трехполюсника (рис. 17). К элек­ тродам печи подводится трехфазный ток от специального печного трансформатора, а в электрических дугах проис­ ходит преобразование электрической энергии в тепловую и световую.

Электрические дуги горят между электродами и шихтой или расплавленной ванной металла, образующей естест­ венную нулевую точку трехфазной системы. Такое уст­ ройство, присоединяемое к электрической цепи при помо­ щи трех зажимов, или трех полюсов называется трехполюсником. Работа трехполюсника в электрической цепи определяется шестью величинами: токами 1\—/3 и на­ пряжениями L)\2, U2z, U31. Причем эти величины связаны между собой следующим образом:

Соотношения (Х-1) и (Х-2), выведенные на основании законов Кирхгофа, являютсяодинаковыми для всех трехполюсников. Индивидуальные свойства каждого трехполюсника описываются уравнениями:

(Х-З) (Х-4)

125

Если любые две величины из шести, входящих в уравне­ ния (Х-3) и (Х-4), считать аргументами и с помощью уравнений (Х-1) и (Х-2) исключить из этих уравнений какие-либо ток и напряжение, то получим:

Уравнения (Х-7) и (Х-8), являющиеся упрощенной фор­ мулой уравнений (Х-3) и (Х-4), называют характеристи­ ками трехполюсника.

Конкретная форма характеристик трехполюсника зави­ сит от того, какие величины приняты за аргументы, а ка­ кие исключены из уравнений [60].

На основании уравнений, характеризующих трехфазную дуговую печь, в которые входят аргументы цепи и про­ изводные от них, трехфазная дуговая печь сталеплавиль­ ного типа является нелинейным трехполюсником.

Для нелинейных трехполюсников характеристики зада­ ются графически в виде двух семейств кривых. Зависимость напряжения от тока, протекающего в дуге при медленном изменении последнего, называют статиче­ ской характеристикой дуги.

Кривые изменения напряжения от тока при возрастании тока от момента зажигания до некоторых значений и при последующем его уменьшении до полного погасания дуги

126

Рнс. 19. Осциллограммы напряже ­ ний н токов и динамические харак­ теристики трех фаз (а—в) дуговой сталеплавильной печи емкостью 3 т

не совпадают. Это объясняется различным тепловым со­ стоянием электродов и степенью ионизации газового столба дуги.

При неизменной длине дуги статическая характеристика является однозначной функцией напряжения и тока дуги. Кривые изменения переменного напряжения дуги в дуго­ вых печах при увеличении или уменьшении тока также не совпадают. Причем различие между возрастающей и нис­ ходящей ветвями характеристик тем больше, чем быст­ рее происходит изменение тока.

Характеристика дуги, снятая при быстром изменении то­ ка, когда степень ионизации дугового промежутка не по­ спевает за изменением сопротивления цепи, носит назва­ ние динамической характеристики.

На рис. 18, а представлены осциллограммы напряжения и тока дуги. По этим кривым построена динамическая ха­ рактеристика (рис. 18,6) за один период одной фазы в предположении, что дуга представляет собой переменное активное сопротивление.

Вследствие сильного влияния температуры катода на процессы в дуговом разряде для динамической характе­ ристики дуги характерно явление гистерезиса. Катод, не успевший еще охладиться после разряда в предыдущем

127

Рис. 20. Семейства кривых зависи­ мости:

периоде с самого начала периода изменения тока, когда внешняя э. д. с. проходит через нуль, уже эмиттирует электроны. От точки 0 до точки / динамической характе­ ристики имеет место несамостоятельный разряд, который после точки 1 переходит в самостоятельный. После точ­ ки / ток сильно увеличивается. При наличии сопротивле­ ния во внешней цепи напряжение между электродами па­ дает и разрядный ток начинает уменьшаться, но напря­ жение может и возрасти (участок 23 характеристики). Точка 3 соответствует моменту затухания дуги, ток неса­ мостоятельного разряда уменьшается до нуля вместе с уменьшением напряжения на дуге.

После перехода напряжения через нуль роль катода на­ чинает играть прежний анод.

Динамические характеристики за период изменения то­ ков трех фаз дуговой сталеплавильной печи 1 емкостью 3 т при наличии в цепи активного сопротивления и индук­ тивности представлены на рис. 19.

На вид динамической характеристики влияют все усло­ вия режима горения дуг: расстояние между электродами, величина внешнего сопротивления, самоиндукция цепи, частота тока, проходящего через дугу, и т. д.

С увеличением расстояния между электродами возра­ стает потенциал зажигания дуги и вся динамическая ха-

Исследопание автора.

128

рактеристика вытягивается в вертикальном направлении. Такое же влияние оказывает увеличение внешнего сопро­ тивления. Самоиндукция во внешней цепи уменьшает быстроту изменения тока и приводит к сглаживанию углов динамических характеристик.

Если представить трехфазную дуговую печь некоторым нелинейным омическим трехполюсником (см. рис. 17), то его свойства определятся двумя семействами кривых (рис. 20, а, б):

Совмещая семейства этих кривых, молено получить пол­ ную характеристику нелинейного трехполюсника (рис. 20,s) [60].

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЗОНЫ РАСПАДА ЭЛЕКТРОДОВ

ИПРОХОЖДЕНИЕ ТОКА ЧЕРЕЗ ДУГУ

Втрехфазных дуговых сталеплавильных печах электро­ ды располагаются по вершинам равностороннего тре­ угольника. Если провести окружность через центры элек­ тродов, то область, ограниченную данной окружностью, называют зоной, а треугольник, соединяющий их центры, треугольником распада электродов.

Для определения формы и строения электрического поля трехфазной дуговой печи предположим, что электроды печи представляют собой уединенные провода круглого сечения.

В электродах протекают переменные почти синусоидаль­ ные токи, поэтому картины электрических полей будут все время меняться. Рассматривая отдельные моменты мгновенных значений токов в электродах, можно принять, что образуемые ими электрические поля будут электро­ статическими, или стационарными электрическими для данного момента времени.

Электрическое поле уединенного провода круглого сече­ ния графически можно изобразить линиями напряжен­ ности и потенциала. Если в проводе пройдет ток положи­