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

Pnc. 2G. Зависимость Up/U от со L/R

На основании уравнения (X-13) оказалось возможным определить условия, при которых получается непрерыв­ ное горение, и построить кривую зависимости основных параметров электрической цепи для случая непрерывно­ го горения. На рис. 26 представлена зависимость 0я/и от отношения (oL/R. Этой кривой обычно пользуются при подборе параметров электротермических установок для обеспечения непрерывности горения дуги. При непре­ рывном горении дуги меньше возможностей ее обрыва благодаря устойчивой температуре кратеров па электро­ дах и отсутствию промежутков времени, соответствую­ щих перерывам горения дуги за каждый полупериод, во времени которых происходит деионизация пространства между электродами печи.

При расчете цепи электрометаллургической установки стремятся так подобрать ее параметры, чтобы было со­ блюдено достижение непрерывного горения дуг.

Для мощных электрических дуг трехфазных печей усло­

Так, для дуговой печи ДСП-0,5 методом коротких замы­

140

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ ДУГИ

В современных трехфазных дуговых сталеплавильных печах принимается схема включения электродов звез­ дой без нулевого провода.

Условия горения дуг для каждой фазы в этом случае не­ сколько отличаются от условий горения однофазной дуги.

На основании работ С. И. Тельного установлено, что в момент угасания одной из дуг, включенных по схеме звезда без нулевого провода, две другие оказываются включенными последовательно на линейное напряжение источника (рис. 27, а).

Нулевая точка 0 звезды дуг при этом оказывается сме­ щенной относительно нулевой точки питающего печь трансформатора. В этом случае иа зажимах угасшей дуги, помимо фазового напряжения, будет действовать еще добавочное напряжение, обусловленное разностью потенциалов между нулевыми точками дуг и трансфор­ матора. Векторная диаграмма напряжений будет иметь вид, представленный на рис. 27, б, напряжение при об­ рыве горения в первой фазе будет достигать U'1 = 3/2U1 . Если в момент обрыва горения дуги мгновенное значе­

му, пока не загорится дуга первой фазы, вектор ее напря-

Рпс. 27. Векторные диаграммы трех­ фазной цепи:

а — п р и симметричном напряжении источника и несимметричных на­

141

жения О'А будет равен 1,5 U и, следовательно, условие зажигания дуги будет иметь вид:

1 ,bU sin coTJ = UR.

Математический анализ явлений в электрической цепи трехфазной дуги, выполненный С. И. Тельным, привел к определению с достаточной для практики точностью мгновенных значений тока трехфазной дуги:

тора.

Физическое представление о трехкратной основной часто­ те напряжения приводит к тому, что за время одного периода мгновенные значения любого фазного напряже­ ния дважды меняют знак. Это соответствует переходу через нулевое значение и, следовательно, имеет место двукратное прекращение (хотя бы и мгновенного) тока дуги. Для всех трех фаз таких перерывов будет шесть. При шести перерывах тока в трехфазной цепи шесть раз будет появляться добавочное напряжение между нуле­ выми точками.

При выводе данного уравнения в расчет принималась только основная третья гармоника напряжения между нулевыми точками.

По сравнению с прежним уравнением в этом уравнении имеется еще добавочный член, появление которого обу­ словлено учетом напряжения, действующего между ну­ левыми точками.

Повышенное напряжение на электродах погасшей дуги ускоряет момент ее зажигания. Действуя подобным же образом, это добавочное напряжение вызывает более позднее по сравнению с однофазной дугой ее угасание. Таким образом, при трехфазной дуге условия для полу­ чения непрерывного горения более благоприятны и

142

непрерывное горение можно получить при меньших вели­ чинах индуктивного сопротивления по сравнению с одно­ фазной дугой.

Последнее уравнение дает возможность подобрать соот­ ношение величин индуктивного X и активного R сопро­ тивлений при заданных напряжениях источника £тах и дуги для случая непрерывного горения дуги.

Результаты выполненных расчетов приведены на рис. 28. Кривая 2, напоминая по форме кривую /, свидетельству­ ет о том, что для непрерывного горения трехфазной дуги требуется индуктивное сопротивление значительно мень­ шей величины, чем для однофазной.

Из кривых 1 и 2 следует также, что непрерывное горение трехфазной дуги возможно при значительно большей длине дуги, чем однофазной.

Вопрос об устойчивости горения дуги имеет большое практическое значение. Поэтому подбор параметров эле­ ктрической цепи производится таким образом, чтобы обеспечить существование устойчивого режима работы печи, который будет и непрерывным для горения дуги. При увеличении индуктивной составляющей в общем сопротивлении получим кривые, показанные на рис. 23 пунктиром. Следовательно, применяя стабилизаторы, со­ ставленные из индуктивного и активного сопротивлений, можно при одном и том же значении тока получать дуги, устойчиво горящие при различных напряжениях.

В связи с этим для мощных дуговых печей приобретает большое значение вопрос о коэффициенте полезного дей­ ствия и мощности.

143

Допустим, что дуга обладает одним активным сопротив­ лением.

Тогда, если г и L — сопротивление н индуктивность внешней цепи дуговой установки, то при максимальной потребляемой дугой мощности коэффициент мощности cos ср и коэффициент полезного действия л установки бу­ дут выражаться соотношениями [32, с. 62]:

(coL)= N1/2

1 + 1

• /

C OS I

(Х-15)

+ )/> - + (ш£)«

Если активное сопротивление цепи равно нулю, а индук­ тивное coL конечно, то cos ср= 1/2 = 0,707 и т] = 1. Если активное сопротивление цепи г конечно, а индук­ тивное со/- равно нулю, то coscp=l и ^ = 0,5.

При питании дуги, горящей в воздухе, переменным то­ ком формы кривых тока н напряжения дуги сильно отли­ чаются от синусоидальных.

Под коэффициентом формы кривых понимают величину, показывающую отношение фактической средней мощно­ сти разряда к мощности, найденной умножением эффек­ тивных значений сил токов и напряжений.

Среднее значение напряжения дуги за половину периода значительно меньше среднего номинального напряжения печного трансформатора.

Отношение первого напряжения ко второму называют коэффициентом использования напряжения у, а следо­ вательно, и мощности трансформатора, используемой дугой. Вследствие значительной разницы напряжений за­ жигания и горения дуги она оказывается весьма малой величиной (20—30%).

Для увеличения коэффициента использования напряже­ ния необходимо увеличить пик зажигания дуги (рис. 29) не путем увеличения напряжения трансформатора, а за счет специального устройства, максимально уменьшаю­ щего сопротивление, ограничивающее ток.

В литературе дано описание различных способов стаби­ лизации горения дуги и повышения коэффициента ис­ пользования напряжения.

144

и, I

= 4 .

PHC. 29. Осциллограмма тока и на­

пряжения дуги с характерным пи­ ком напряжения зажигания

Так, Паулииг [32, с. 65] описывает две схемы включения дуг, которые повышают величину у.

Применение дополнительного источника напряжения тре­ бует увеличения изоляции обмоток рабочего напряжения трансформатора.

Более рациональным и опробованным способом является применение для вспомогательного зажигания тока по­ вышенной частоты. В этом случае цепи тока повышенной и низкой частот легко разделить и тем самым обеспечить защиту основной аппаратуры.

Таким образом, есть реальные перспективы для более полного использования дугового разряда на переменном токе.

Для лабораторных целей и для решения отдельных тех­ нических задач возникает необходимость обеспечить длительное, устойчивое горение маломощной электриче­

145

предложено и применяется несколько критериев устой­ чивости.

Однако существующие критерии устойчивости позволя­ ют определить в первом приближении внешние условия устойчивости при отсутствии «скачков» соответствующих показателей режима горения дуг.

Применение указанных критериев для анализа режима горения дуг за длительный период плавки в дуговых ста­ леплавильных печах при беспрерывных изменениях тока и напряжения дуги значительно усложняет задачу.

Для анализа устойчивого горения дуг за любой период можно воспользоваться статистическими кривыми рас­ пределения интересующих нас величин. Статистически устойчивым считается режим с равномерными и незна­ чительными колебаниями исследуемых величин относи­ тельно требуемой средней величины. Эти колебания, как правило, не должны выходить из определенной зоны ус­ тойчивости.

Выше уже отмечалось, что величины тока и напряжения дуги за весь цикл плавки группируются около средней величины, приближающейся к среднему арифметическо­ му их математических ожиданий. Но центр группирова­ ния значений тока и напряжения за весь период плавки будет являться и центром состояния равновесия измене­

ния / д и £/д .

Действительные же изменения значений тока и напряже­ ния дуги за весь период плавки происходят беспрерывно, с определенным переменным рассеянием их значений. По зоне рассеивания значений тока и напряжения можно дать объективное суждение об устойчивости горения ду­ ги и качестве работы автоматического регулятора печи. Имея кривые изменений тока и напряжения дуги за весь период плавки, можно составить таблицу средних зна­ чений тока и напряжения дуги (как отдельных интер­ вальных значений за отдельные части периода плавки, так и средних значений / д и UR за весь период плавки). Можно нанести эти значения на график характеристик изменения средних арифметических значений, т. е.

146

f

Ш

Сущность статистического анализа устойчивости горения дуги заключается в наблюдении за изменением этой ста­ тистической характеристики. По этой характеристике судят о качестве работы автоматического регулятора, определяют зону рассеивания значений средних величин и выявляют период устойчивого горения дуг.

Для более точного определения зоны устойчивости, кро­ ме наблюдения средних значений интересующих вели­ чин, можно произвести дальнейший анализ обнаружен­ ной неустойчивости во времени, как законов распреде­ ления этих величин, и дисперсий за отдельные периоды плавки.

за данный период плавки, определяется отношением этих двух величин:

ks = Ot/a.

По графику изменения усредненных значений токов за отдельные периоды и за весь цикл плавки найдем цент­ ры группирования дисперсии и ks за отдельные периоды и за весь цикл плавки (рис. 30).

На основании расчетов одной из плавок для условий пе­ чи ДСН-0,5 определено изменение дисперсий значений сил токов за отдельные периоды плавки (от 318 до 568) и коэффициента устойчивости (от 0,522 до 0,932).

Таким образом, статистический способ оценки устойчи-

вого горения дуги может служить надежным средством объективного анализа качества работы автоматического регулятора и устойчивости горения дуг непосредственно в условиях эксплуатации дуговых печей [64].

САМОРЕГУЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Исследуя природу электрической дуги, проф. С. И. Тель­ ный [8] впервые заметил стремление ее поддержать постоянным свое тепловое состояние и координацию дви­ жения образовавшихся ионов электрическим полем. Па­ дение ионов на поверхности электродов поддерживает кратеры их в раскаленном состоянии, т. е. создаются ус­ ловия для дальнейшего существования дуги.

В. Я. Дятлов и И. Ф. Фрумин [57], развивая эти поло­ жения применительно к условиям горения сварочной электрической дуги, указали, что «дуга является разря­ дом в газе, который регулирует сам себя». Они описы­ вают физический процесс саморегулирования электри­ ческой дуги.

Известно, что электрическая дуга обладает некоторыми инерционными свойствами. В самой дуге возникают фак­ торы, способствующие самоиндукции. При быстрых из­ менениях режима дуги напряжение и ток ее зависят от скорости их нарастания, т. е. от величины их произ­ водной.

Причиной инерционности дугового разряда, которая по­ вышает напряжение при возрастании тока и наоборот, является тепловая инерция электронов и газового столба и образование объемного заряда, необходимого для поддержания самостоятельного разряда.

Такой гистерезис в дуге формально схож с явлением са­

Но гистерезис и инерционность при изменении состояния газа могут быть обусловлены еще образованием объем­ ного заряда, необходимого для самостоятельного разря­ да. Образование Ионов, необходимых для создания объ­ емного заряда, происходит значительно быстрее, чем на­ гревание газа, или электронов, но с конечной скоростью. С этой же скоростью происходят обычно и переходы из одной формы разряда в другую.

148

Известно, что самоиндукция трехфазных печей значи­ тельно больше, чем однофазных, что способствует боль­ шей инерционности или замедлению угасания трехфаз­ ной дуги по сравнению с однофазной.

Л. П. Сена предложил автоэлектронную теорию меха­ низма «развития дуги при разрыве цепи». М. Я- Броун [31, с. 26] указывает, что новообразование зарядов в столбе дуги происходит главным образом за счет терми­ ческой ионизации. Постоянство концентраций различных частиц позволяет предполагать для дугового газа состо­ яние так называемого термодинамического равновесия. Необходимо отметить, что эти положения свойств элект­ рической дуги в автоматическом регулировании дуговых печей до настоящего времени не учитываются.

Под саморегулированием электрической дуги условимся понимать внутренние свойства электрической дуги, за­ ключающиеся в стремлении дуги продолжать горение при отсутствии перемещения электродов.

Проведем исследование явления саморегулирования ду­ ги сталеплавильной печи ДСН-0,5 по продолжительности саморегулирования за цикл плавки и изменению элект­ рических характеристик при саморегулировании.

Для этого регистрирующими приборами зафиксируем продолжительность горения и изменение значений тока и напряжения дуги при полностью выключенной автома­ тике печи, т. е. при неподвижных электродах за весь цикл плавки.

На основании данных измерений установлено, что про­

ния изменяется в пределах от 8 до 13 сек, то после двух­ часовой плавки оно достигает 3—7 мин.

Если металл в печи расплавился, то при спокойном го­ рении дуг автоматика перемещения электродов может быть отключена на 20 мин. Горение дуг при этом про­ должается. Как установлено измерением, в это время напряжение держится неизменным (98 е), несмотря на изменение значений тока от 1520 до 1940 а. По данным измерений построен график зависимости напряжения дуги в функции условных средних значений тока за от­ дельные периоды саморегулирования дуги (рис. 31). Кривая а соответствует периоду саморегулирования с

149