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

Для экспериментальной проверки вращающегося маг­ нитного поля в зону распада электродов над сводом ду­ говой сталеплавильной печи можно поместить замкну­ тый проводник, который, как установлено киносъемкой, вращается со скоростью 1000 об/мин. Эта цифра под­ тверждается расчетом

На основании проведенных опытов по установлению вращающегося магнитного поля в зоне распада элек­ тродов можно последние считать «рельсами», или ме­ таллическими проводниками, направляющими магнит­ ное поле сверху печи в зону горения электрических дуг. Если электроды считать статором трехфазного электро­ двигателя, а зону распада электродов — ротором, то в дуговой печи существует как бы естественный асинхрон­ ный плазменный электродвигатель.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ХАРАКТЕРА ГОРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ

Используя знание магнитного поля около проводника в зависимости от направления тока в нем и индукции в трехфазной цепи, можно выявить характер горения дуг в трехфазных цепях в отдельные моменты времени.

Определим мощность потока энергии, отнесенную к еди­ нице поверхности, нормальной к направлению распро­ странения волны. Предположим, что существует только движущаяся в одном направлении волна, тогда мощ­ ность потока электромагнитной энергии (вектор Пойтинга) равна

5 = (Ё, Н],

т. е. представляет собой векторное произведение напряженностей электрического и магнитного полей, запол­ няющих собой пространство, в котором распространяет­ ся волна.

Мгновенные магнитные поля (рис. 43) в шестиэлектродных трехфазных печах свидетельствуют о неустойчи­ вости горения дуг, но их пространственное перемещение меньше, чем в трехэлектродных печах. Так, в моменты

170

1, 2, а также 5, 6, 8—10 дуги почти не перемещаются. Методика совмещения направлений силовых линий маг­ нитного поля и графика изменения индукции в функции времени at дает возможность выявить мгновенные маг­ нитные поля и характер горения электрических дуг в пе­ чах, хотя последний и зависит от ряда факторов.

МАГНИТНЫЙ ШУМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМ

Горение электрических дуг в сталеплавильных печах сопровождается сильным звуковым эффектом, особенно в период сразу после включения печи под напряжение. Шихта представляет собой кусковатую разного разме-

pa металлическую завалку, поэтому в начале процесса дуги горят неспокойно, часто обрываются. Горение дуг сопровождается эксплуатационными короткими замыка­ ниями электрода с завалкой, ослепительным светом с си­ зоватым оттенком пламени дуг.

По мере проплавления завалки звуковые эффекты дуг снижаются, а после расплавления ванны металла дуги горят спокойно, устойчиво, все пламя дуг свободно про­ сматривается визуально и звуковой эффект почти пре­ кращается.

С увеличением мощности дуговых печей возрастают зна­ чения токов, протекающих в дугах, и соответственно ин­ тенсивности звука, напоминающего запуск мотора само­ лета. Звуковые эффекты дуг могут быть объяснены сле­ дующими положениями.

Первоначальное повышение температуры вызывается омическим сопротивлением дуги. Затем для поддержа­ ния горения дуги вводимая энергия расходуется на уве­ личение магнитной энергии, запасенной в электромаг­ нитном поле, окружающем дугу.

Раздражающие слух человека частоты магнитного шума изменяются в пределах от 100 до 4000 гц [71, с. 4]. Ве­ личина уровня интенсивности шума определяется выра­ жением

Интенсивность звука определяется величиной возмуща­ ющих магнитных сил, частотной характеристикой возму­ щающих сил, упругими свойствами держателей электро­ дов и акустическими свойствами среды и печи.

Магнитное поле зоны распада электродов в печи слага­ ется из бесконечного числа гармонических составляющих, прямых и инверсных, создаваемых токами, протекающи­ ми в электродах и дугах печи.

Радиальная сила, создаваемая в зоне распада магнит­ ным полем, пропорциональным квадрату индукции в дан­ ной точке, может быть выражена формулой Максвелла:

172

Выше было показано, что на кривых тока и напряжения дуг сталеплавильных печей имеются не только высшие, но и мультигармонические и даже дробные гармоничес­ кие составляющие. Их частота как больше, так и меньше частот основной волны напряжения сети. Некоторые гар­ моники могут вызвать резонанс токов, напряжений и наиболее общий полигармонический резонанс. Каждая из гармоник имеет свое число полюсов, свою частоту из­ менения и создает в данной точке поля определенную индукцию, являющуюся функцией пространственных и временных координат.

Поскольку электрическая дуга сталеплавильной печи яв­ ляется источником нелинейных колебаний непрерывного спектра частот, то в составе гармонических индукций магнитного поля, вызванных гармониками тока, всегда обнаружится достаточно густой спектр частот возмуща­ ющих магнитных сил, действующих на дуги и вызыва­ ющих резкие и сильные звуковые колебания.

Поэтому естественно, что в данном спектре частот элек­ трических дуг или магнитных полей всегда найдутся ча­ стоты, достаточно близкие и совпадающие с задающими частотами электрической дуги. Вот эти резонансные ча­ стоты и вызывают резкие звуковые эффекты, раздража­ ющие слух человека.

Для защиты органов слуха от раздражающего звука электрических дуг необходимо вблизи печи устраивать специальную кабину со звукопоглощающими стенами. Данную задачу интересно решили инженеры западногер­ манского тракторного завода [72]. Они убедились, что звук в цехе хорошо поглощают подвешенные над го­ ловами огромные «свеклы» — слабо надутые конические баллоны из пластика. Обладая большой активной поверх­ ностью, они хорошо демпфируют звуковые волны, сни­ жая шум в цехе. Подвеска таких баллонов проще, чем обивка стен и потолков специальными звукопоглощаю­ щими панелями. В последнее время на Каунасском за­ воде силикатных изделий «Битукас» изготовлен новый звукопоглощающий материал — силшшор.

173

Сырьем для силикпора служит песок и известь с неболь­ шим добавлением алюминиевой пудры, придающей по­ ристость новому строительному материалу. Его рекомен­ дуется использовать для звукоизоляции производствен­ ных помещений и для отделки стен и потолков рабочего места сталевара.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ КАК ПЛАЗМЫ

Плазма, возникающая вследствие высокой температуры, является изотермической, т. е. представляет собой веще­

Электрическая дуга сталеплавильных печей, рассматри­ ваемая как плазма, является неизотермической, так как не находится в состоянии теплового равновесия. Она все время должна поддерживаться энергией сети.

Основным свойством плазмы является ее электропрово­ димость. Плазма образует специальную группу провод­ никовых веществ. К особенностям плазмы относится внутренняя энергия плазмы, состоящая из кинетической энергии поступательного движения молекул и враща­ тельного и колебательного движения отдельных атомов внутри молекул, а также диссоциации и ионизации мо­ лекул и атомов.

Мерой внутренней энергии любого вещества служит его теплоемкость при постоянном объеме, которая в плазме сильно возрастает при температурах многократной ио­ низации.

С электропроводностью плазмы неразрывно связано ее свечение, которое служит видимым признаком прохож­ дения тока в газе. Свечение дает возможность изучать количественный и качественный составы плазмы.

Наиболее отличительной особенностью плазменного со­ стояния газа является сильное его изменение под дейст­ вием магнитного поля. При этом возникают новые виды движения, которые не наблюдаются у веществ, находя­ щихся в иных состояниях. Так, возникают магнитогидродинамические волны, происходит сжатие плазмы собст­ венным магнитным полем. Волны вызывают смещение

174

одних участков плазмы относительно других пли пере­ мещение этих областей в поперечном направлении.

При прохождении через газ больших электрических то­ ков наблюдается сильное сжатие столба плазмы. Магнитогидравлическое движение плазмы в магнитном поле может быть ламинарным (струйчатым) и турбу­ лентным (вихревым). В последнем случае происходит запутывание магнитных силовых линий, в результате ки­ нетическая энергия движения преобразуется в магнит­ ную, а в проводящей среде в тепловую энергию. Основной количественной характеристикой плазмы яв­

В сильном магнитном поле микрочастицы плазмы вра­ щаются вокруг магнитных силовых линий.

Если вдоль магнитного поля они движутся свободно, то поперечное их движение вызывает деформацию силовых линий. Сочетание свободного движения вдоль силовой линии и вращения вокруг нее приводит к винтовому дви­ жению.

Столкновения и взаимодействия частиц плазмы нару­ шают их правильное движение, вызывают отклонение от их силовых линий. Образующиеся возмущения способст­ вуют неустойчивости плазмы в виде вспышек. Вспышки происходят также от быстрого сжатия плазмы магнит­ ным полем. При этих вспышках извергаются в простран­ ство плазменные потоки. Визуально и с помощью кино­ съемки процесса горения дуг со скоростью до 8000 кад­ ров в секунду в печах установлено, что в отдельные моменты плавки наблюдаются явления вспышек на ду­ ге*. Дуга возникает в самом начале полупериода прохож­ дений' тока около основания электрода. Под влиянием

175

электромагнитных сил она перебрасывается через конец электрода к боковой стенке печи со скоростью порядка 560 км/ч.

Как установлено киносъемкой [102], максимальная мощность дуги соответствует положению, когда дуга горит между крайней точкой электрода и металлом, за­ тем наступают период затухания дуги и последующий период восстановления ее горения в начале следующего полуперпода.

Интересным фактом, обнаруженным киносъемкой, явля­ ется содержание пламени и дыма, связанных с изменени­ ем состояния дуги во время каждого полупериода. Пла­ мя и облака дыма перемещаются по расплаву со значи­ тельно большей скоростью (— 900 км/ч), чем дуга.

Внекоторые моменты периода в пламени и дыме обна­ руживают различные частицы (металлические, шлак, графит электродов), движущиеся к боковой стенке печи со скоростью ~60 км/сек. Некоторые частицы возвра­ щаются в расплав за счет сил гравитации, а некоторые продолжают свое движение.

Вотдельные моменты наблюдают горение трех, иногда двух дуг. При этом в период расплавления шихты дуги горят неспокойно.

Характер горения дуг вызывает изменения параметров

лей, образующихся в вертикальной плоскости зоны рас­ пада электродов трехфазной дуговой сталеплавильной печи, то можно установить, что по осям электродов бу­ дут распространяться волны токов или напряженности электрического поля Е, меняющиеся по синусоидальным формам кривых, п волны напряженности магнитного по­

представляет собой сгусток магнитных жгутов, закру­ ченных вокруг оси трубок магнитных силовых линий. Ядро дуги можно представить как канат, сплетенный из

176

таких жгутов. В промежутках между ними магнитное поле сильно ослаблено или вообще отсутствует.

По полученным спектрограммам пламени душ можно сделать вывод, что в ядре дуги имеют место перемеще­ ния внутренних структурных звеньев и турбулентного движения частиц, участвующих в дуговом разряде.

Для иллюстрации воздействия на плазму магнитного и электрического полей были проведены опыты на лабо­ раторной дуге между угольными электродами.

При атмосферном давлении дуга горит спокойно, пламя дуги имеет определенную форму двух шаровых сегмен­

Затем к пламени дуги был поднесен отрицательный по­ люс магнита. Пламя дуги стало сильно вытянутым, уш­ ло, оттолкнулось от полюса магнита. Если к дуге под­ нести с двух сторон два положительных полюса магни­ тов, то пламя дуги плотно склеивается с концами магнитов. Когда же к дуге с двух сторон приближают два отрицательных полюса магнитов, то пламя дуги вы­ тягивается и поворачивается от полюсов.

Для воздействия на дугу электрического поля были про­ ведены два следующих опыта. Четыре угольных элект­ рода, установленных под углом 90° друг к другу, соеди-

9- -9

Рис. 44. Схема соединения электро­ дов для электродинамического воз­ действия на дугу током последова­ тельно включенной дуги

177

366

дуга почти круглой формы, но несколько увеличенного объема.

В какой-то момент подача тока через вертикально уста­ новленные электроды прекратилась. При этом дуга про­

= 55 а), а к горизонтальным железным электродам под­ ведено повышенное напряжение 500 в (рис. 45). При этом наблюдали разрушение ядра дуги с интенсивными выбросами частиц железа из электродов. Этот опыт на­ поминал эффект электрического взрыва ядра дуги.

178

гллвл хт ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДУГИ НА РЕЖИМ ПЛАВКИ И НАГРЕВ ПЕЧИ

ТЕМПЕРАТУРА ДУГИ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПЕЧИ И ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПЛАВКИ

Технологический режим плавки стали в печи имеет циклический период. Наиболее энергоемким и длитель­ ным является процесс расплавления и окисления ших­ ты, т. е. превращение ее в расплавленную ванну метал­

Период плавления шихты составляет более половины продолжительности всей плавки и при этом расходует­ ся 60—80% электроэнергии, потребляемой за плавку. Если представить изменение электрической мощности за плавку (рис. 46), то полная продолжительность плавки

Т = х1 + т2 + х,

где %i—время плавления шихты;

т2 — время рафинирования;

т—время горячих простоев печи.

Уравнение энергетического баланса дуговой печи будет:

Для упрощения задачи делается допущение, что в пери­ од плавки Wi = const.

Фактически же потери в начале плавки меньше, чем в конце, также тепловые потери снижаются и в момент отключения печи от сети.

179