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

Поверхности равного потенциала являются поверхностя­ ми круговых цилиндров. Причем радиусы окружностей равного потенциала изменяются в геометрической про­ грессии, знаменатель которой может быть выбран произ­ вольно.

Если же в проводнике будет протекать ток отрицательно­ го направления, то линии напряженности будут входить в начало координат, а линии равного потенциала также будут окружностями [39].

Если в проводах протекают токи разного направления, то поверхности равного потенциала будут являться по­ верхностями круговых цилиндров. Так как поле состоит из трубок равного потока, то густота линий напряженно­ сти поля пропорциональна величине напряженности поля. Если же в двух проводниках будут протекать токи одно­ го направления, то поле для положительно направленных токов [61, 62] будет иметь точку ветвления 0 в середине линии, соединяющей провода. Точка ветвления характе­ ризуется тем, что напряженность в ней равна нулю, а ли­ нии равного потенциала пересекаются.

На основании этих картин электрических полей около проводников с различным направлением токов может быть построена картина электрических полей у электро­ дов трехфазной дуговой печи.

Так как электроды дуговой печи подключаются к сети трехфазного переменного тока, то ток в них будет иметь различное направление. Картина электрического поля зо­ ны распада электродов трехфазной дуговой печи для мо­ мента времени, когда в двух электродах протекают токи одинакового направления, а в одном — противополож­ ного, представлены на рис. 21, а.

Чтобы выявить вертикальный разрез электрического поля

Для определения направления мгновенных значений то­ ков в дуге воспользуемся графиком изменения трехфаз­ ного тока во времени (рис. 22,а), но период изменения токов разобьем на 12 частей (/—12) и рассмотрим про­ хождение тока через дугу за эти части периода.

Определенные таким образом направления токов в дуге представлены на рис. 22,6, на котором А—С— фазы трехфазной цепи. Моменты прохождения тока показаны через 30° периода изменения тока.

По рис. 22 можно установить, что через три (и через две) дуги ток проходит только в шести моментах периода (или в 50% случаев). Так как весь период изменения токов ра­

132

той, то оказывается, что 16 раз электроды являются ка­ тодом, 14 раз анодом и 6 раз не участвуют в процессе прохождения тока через дугу.

В это же время шихта является 14 раз катодом и 16 раз анодом цепи.

Поскольку катод является источником эмиссии электро­ нов, бомбардирующих анод, то поток электронов с элекродов на шихту количественно превышает обратный по­ ток электронов с шихты на электроды. Это также под­ тверждает, что металлическая завалка (шихта) плавит­ ся не только под влиянием высокой температуры, созда­ ваемой дугой, но и в результате тех многочисленных и мощных механических микроударов электронов, которые обрушиваются с катода на шихту, вызывая ее аллотро­ пическое изменение и прохождение химических реакций.

УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРЕНИЯ ДУГИ

Обычно различают дугу устойчиво и непрерывно горя­ щую. Устойчивое горение дуги определяется способно­ стью сохранять горение при изменении (в некоторых пре­ делах) внешних условий прежде всего ее мощности. При непрерывном горении дуга длительное время горит без обрывов.

Непрерывно горящая дуга при небольшой мощности мо­ жет оказаться неустойчивой. При данных условиях дуга непрерывно горящая будет более устойчивой, чем пре­ рывисто горящая.

Падающая вольт-амперная характеристика электриче­ ской дуги является признаком внутренней неустойчиво­ сти, свойственной самостоятельным разрядам в газе. По­ этому дуга может гореть при наличии некоторого сопро­ тивления цепи, иначе ток стремится к бесконечности и dU/dI<0.

Практически, при заданной разности потенциалов на элек­ тродах ток будет возрастать до тех пор, пока не появятся стабилизирующие факторы, уменьшающие разность по­ тенциалов на электродах, или же изменяющие характе­

133

Если сопротивление мало, то ток в дуге может достигать очень больших величин, но все же он не будет возрас­ тать безгранично. Такое же стабилизирующее действие оказывает и внешнее сопротивление в цепи или же уве­ личение напряжения при возрастании тока.

Пусть при отклонении значения тока разность потенциа­ лов изменится на соответствующую величину:

Ш= — 81. dl

Так как в общем случае сШ/с11фД, то закон Кирхгофа для замкнутой цепи может быть соблюден только при условии, что в цепи начинает меняться ток и возникает новая э. д. с. самоиндукции, равная — Ld8I/dx. В новом изменившемся состоянии должно выполняться равенство

E — U — 8U — L — = # ( / + 6/). dx

Вычитая Е—U=RI, получим уравнение

dl dx

которое показывает, как должно изменяться во времени возникшее отклонение б/. Это уравнение имеет интеграл

6/ = 6 / 0 е - г ( « + ^ Ь (Х-Ю)

из которого вытекает условие устойчивости тока. Величина всякого изменения б/о, возникшего в какой-ни­ будь начальный момент, будет или возрастать, если R-\-dU/dI<zO (состояние неустойчивое), или же убывать, приближаясь к нулю при возрастании t, если R-r-dUldI>

ее называют дифференциальным сопротивлением в от­ личие от обычного сопротивления U/I. Дифференциаль­ ное сопротивление может быть как положительным, так и отрицательным. При падающей характеристике тока dUfdKO.

Горение будет устойчивым в том случае, когда сумма обычных положительных сопротивлений и дифференци­ ального сопротивления дуги является положительной ве­ личиной.

134

и

точке Ai и меньше в нижней точке Ао.

Состояние цепи, изображенное точкой А\, является не­ устойчивым и при произвольно малом положительном из­ менении тока дуги б/ система переходит в состояние А% Любое отрицательное значение б/ должно привести к значению тока, равному нулю, т. е. к угасанию дуги.

Для поддержания устойчивого горения дуги при малом значении тока необходимо иметь большое сопротивление и величину э. д. с. значительно большую, чем разность по­ тенциалов U на электрической дуге, т. е. внешнее условие устойчивости дуги имеет вид

R + dU/dl > 0.

При положительном угловом коэффициенте dU/dl дуга всегда горит устойчиво.

Но характеристика дуги представляется совокупностью значений силы тока I и напряжения U.

Если напряжение U и ток I имеют такие значения, кото­ рые расположены в положительной области координат, то сила тока начинает быстро увеличиваться. Возрастание тока вызовет увеличение падения потенциала в цепи и, следовательно, уменьшение напряжения дуги. Это по­ влечет к замедлению роста тока,

№

Точка Л], в которой прямая сопротивления цепи пересе­ кает кривую 2, переходя из отрицательной области в по­ ложительную, соответствует неустойчивому состоянию. Всякое возрастание тока, переводящее разряд в положи­ тельную область, вызовет дальнейшее его увеличение, но падения напряжения на сопротивлении а оказывается не­ достаточным, чтобы вывести разряд нз положительной области. Точка А будет перемещаться вдоль прямой со­ противления до точки А\.

Устойчивой точкой на кривой характеристики дуги явля­ ется такая, в которой система переходит из положитель­ ной области в отрицательную. Это движение должно происходить в сторону возрастания тока.

Пределом допустимого сопротивления для получения устойчивого горения дуги является положение, в котором кривая тока лишь касается кривой / (показана на рис. 23 пунктиром).

НЕПРЕРЫВНОЕ ГОРЕНИЕ ДУГИ

Непрерывное горение дуги является главнейшей харак­ теристикой нормального режима работы дуговой стале­ плавильной печи. Ниже приведены положения и доказа­ тельства по этому вопросу, основанные на работах проф. С. И. Тельного.

Рассмотрим процесс устойчивого горения дуги примени­

Если в цепи, содержащей дугу, отсутствует индуктивное сопротивление и по ранее принятому условию напряже­ ние в течение всего периода ее горения не меняется, то

.136

Выражение для тока дуги будет иметь вид

Величина U/R представляет собой амплитудное значе­ ние тока при замкнутых накоротко электродах, т. е. ам­ плитудное значение тока короткого замыкания

4= 4.з.max (Sin СОТ — Sl'n £0^),

т.е. ток дуги представляет кривую суммы синусоиды

рицательными значениями этой кривой имеются переры­ вы (/ д =0 ) для Ti+тг, величина которых определяется отношением напряжения горения дуги к амплитуде на­ пряжения источника. Чем меньше это отношение, тем ко­ роче время перерывов тока, тем устойчивее будет гореть дуга, и наоборот.

Интегрируя это уравнение, определим значение постоян­

24,8), из которых одна—— cos(coT+cp) является косину­ се!.

соидой, сдвинутой по отношению к напряжению на 90°. Амплитуда ее равна амплитуде тока короткого замыка­ ния. Вторая кривая представляет собой линию, образую­ щую треугольник с опережением тока на 90°.

Другими словами непрерывное горение дуги имеет место при значительных сдвигах фаз, когда отношение UR/U^. ^sincp. Ток дуги будет непрерывным, а напряжение дуги будет представлять ряд треугольников, также пере­ ходящих один в другой без разрыва.

Предельным случаем непрерывного горения дуги являет­ ся состояние, когда напряжение источника при переходе

рение дуги становится непрерывным, кривая тока не тер­ пит разрыва при переходе через нуль.

При наличии в цепи, содержащей дугу, активного и ин­ дуктивного сопротивлений исходное уравнение будет иметь вид

i/sincox = U, + /д R + coL-^ .

dcor

После интегрирования этого дифференциального уравне­ ния, выполненного С. И. Тельным, и определения посто­ янной интегрирования из начальных условий получим

138

/ д = [S inЯ/coLcos(COT0 -Я/CBL) e { m ^ n ) c t g * / m L +

Анализ уравнения (Х-13) показывает, что с уменьшением отношения UR/U увеличивается сдвиг фазы тока дуги по отношению к напряжению источника.

Величина UR/U, соответствующая непрерывному горе­ нию, зависит от соотношений aL/R для контура. Чем по­ следнее меньше, тем ниже должна быть и величина UR/U. Исследование уравнения (Х-13) показало, что увеличе­ ние индуктивного сопротивления при прочих неизменных параметрах приводит к удлинению периода горения дуги за каждый полупериод (рис. 25, а, б).

При достаточно большом индуктивном сопротивлении пе­ рерывы горения исчезают благодаря запаздыванию мо­ мента угасания дуги (рис. 25,в).

Моменту угасания дуги в одном полупериоде соответст­ вует зажигание дуги (с током в обратном направлении) во втором полупериоде, т. е. горение дуги протекает не­ прерывно.