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

Рис. 46. График потребления элек­ троэнергии печыо за цикл плавки

Передача энергии от дуг к металлу связана с потерями энергии. Количество тепла Q, выделяемого дугами, всег­ да больше на величину потерь

Q = aG + qT.n. (ХШ-З)

Степень использования тепла в печи определяет тепло­ вой коэффициент полезного действия:

при непрерывном и прерывистом ее горении за весь пе­ риод изменения тока.

180

Взяв за основу расчетов осциллограммы изменения то­ ков для печи емкостью 1,5 т, определим мгновенное ко­ личество тепла по формуле:

q = 0,24/2Яс?т = 0,24P8d-r.

Частота / = 5 0 гц, т = 1 / / = 0 , 0 2 сек, о т » Дт=т/60 = = 0,00033 сек. В результате

q = 0,24-0,00033Яа = 7,68- Ю - 5 Р2.

По нашим подсчетам, за некоторый момент времени при непрерывном горении дуг за первый полупериод измене­ ния тока дуга выделяет 111,81 кал, а всего за период (т=0,02 сек) изменения тока выделяется 248,19 кал (при прерывистом режиме горения 79,76 кал).

При непрерывном горении в первый полупериод вносит­ ся 45% от количества тепла, вносимого дугой за весь период, а при прерывистом режиме горения в первый полупериод вносится 69% от количества тепла за весь период.

Большое влияние на распределение тепла по полуперио­ дам оказывает тепловая инерция.

В период прерывистого режима горения дуги вносится 48% от количества тепла, вносимого дугой при ее непре­

весь цикл плавки дуга преобразует в печи -—-3-105 ккал тепловой энергии.

Из уравнения энергетического баланса электрометал­

Ртр - АРэл - Wr

181

пропорционального некоторому физическому коэффи­ циенту с и температуре дуги Т. Таким образом, темпе­ ратура дуги влияет на основные показатели работы пе­ чи: производительность и длительность ее плавки.

ТЕМПЕРАТУРА И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Процесс плавки стали — сложный химический процесс, проходящий под действием высокой температуры элект­ рических дуг. При этом меняется химический состав ме­ талла, энергия, энтропия, происходит аллотропическое изменение шихты из твердого в жидкое и т. д. В процес­ се плавки стали осуществляются реакции равновесных состояний нензотермического процесса.

Вант-Гофф, а затем Аррениус установили, что скорость реакции зависит от температуры по закону

А — постяиная, определяемая типом реакции.

В соответствии со значением энергии активации с повы­ шением температуры увеличивается скорость химиче­

Общее количество выделяющегося тепла находят из уравнения

182

где q— мольная теплота реакции; N—число Авогадро;

со — скорость химической реакции.

Изменение температуры газа связано со скоростью из­ менения тепла по уравнению

электрические дуги трехфазной цепи горят непрерывно, происходит выделение большого количества тепла. При этом стационарное пламя дуги представляет собой сис­ тему, обладающую в целом нейтральным зарядом, одна­ ко в этом пламени заряженные частицы распределены неравномерно и образуют два конуса. Зона реакции, или наружный конус [75], характеризуется преимуществен­ но положительным зарядом, а внутренний конус — отри­ цательным.

Такое разделение разноименных зарядов вызвано не одинаковой подвижностью положительных ионов и отри­ цательных частиц-электронов и косвенно подтверждает, что источником заряженных частиц является химиче­ ская реакция, развивающаяся во фронте пламени.

Образовавшиеся вследствие химической реакции поло­ жительные ионы из-за малой их подвижности создают преимущественно положительный заряд в месте его возникновения, тогда как более подвижные электроны, полученные той же реакцией, быстро покидают фронт пламени и образуют преимущественно отрицательный заряд во внутреннем конусе.

Распределение электронов и ионов в мощной дуге, одна­ ко, несколько отличается от только что описанного, так как оно сильно зависит от электрического поля электро­ дов и целого ряда других факторов.

ТЕМПЕРАТУРА ДУГИ И СТЕПЕНЬ НАГРЕВА КЛАДКИ ПЕЧИ

Основное количество тепла, определяющее весь техноло­ гический режим плавки, выделяется в печи электриче­ скими дугами. Другие источники тепла (экзотермиче­ ские реакции, процесс сгорания электродов) маломощ­ ны, поэтому ими обычно пренебрегают.

183

а

Рнс. 47. Схема излучения тепла ду ­ гами (а) н зоны интенсивного нагре­ ва ванны по д электродами (б) [38]

В электрической дуге мощность сконцентрирована в от­ носительно небольшом объеме при весьма высокой тем­ пературе. Поэтому дуг)', учитывая ее небольшой объем относительно всего объема рабочего пространства печи, в первом приближении принимают как точечный источ­ ник излучения. Расчет излучения единицы поверхности проводят по формуле

от торца электрода, непосредственно излучающего свою

гг— расстояние от торца электрода до зеркала ван­ ны, м.

184

Остальные 90% мощности дуги распространяются по всем направлениям. Излучение на ванну составляет:

«горячая» зона, нагреваемая дугой. Температура в каж­ дой из этих зон значительно выше температуры осталь­ ной поверхности ванны расплавленного металла.

Круг, описываемый вокруг горячих зон, приближенно

на кладку печи. Как приводится в литературе [17], зна­ чительная часть тепла, излучаемого дугой на зеркало ванны, отражается на кладку.

Кладка отражает и излучает получаемое ею от дуги и «горячей» зоны тепло на остальную поверхность ванны. Таким образом, несмотря на непосредственную близость дуг к ванне, последняя на большей своей поверхности нагревается не за счет прямого излучения дуг, а через посредство большой тепловой емкости кладки.

.Передача тепла металлу осуществляется постепенно от

185

которые вызывают в окружающей их среде энергичный тепло- и массообмен. При этом тепло передается путем теплопроводности, конвекции и излучения, а также и в результате рекомбинации разряженных и возбужденных частиц.

Вследствие высокого температурного градиента между дугой п окружающей средой возникает мощный конвек­ тивный поток, под действием которого нагреваются кон­ цы электродов п кладка печи.

Дуга хотя и является источником тепла, но она дейст­ вует кратковременно, возникая пофазно. Нагрев же воздушной среды, окружающей дугу, электродов и клад­ ки печи осуществляется длительно, в течение всего пери­ ода плавки. В результате этого электроды и кладка печи сильно раскаляются до ярко-красного цвета и служат большой тепловой емкостью печи.

О большой тепловой емкости электродов и кладки сви­ детельствует их внешний вид, который они имеют после отключения печи от напряжения сети и даже после пол­ ного выпуска металла из печи. Электроды и кладка печи длительное время находятся в раскаленном до яркожелтого цвета состоянии.

В условиях эксплуатации дуговых сталеплавильных пе­ чей имеют большое значение тепловые измерения по­ верхности стен, свода и пода печи. Для подобных изме­ рений в труднодоступных точках используют контактные термопары, а в других легкодоступных точках спирто­ вые термометры.

Для определения температур максимального нагрева кладки печи наиболее целесообразно проводить измере­ ния температуры за 20—30 мин до выпуска металла из печи. В этот момент все части кладки имеют наивысшие температуры нагрева, т. е. находятся в равновесном со­ стоянии.

На основании измерений по методике [76], проведенных на 3-г дуговой печи, можно заключить, что наименьшую температуру нагрева (~100° С) имеет под печи, темпе­ ратура наружной поверхности стен достигает 100°С на

186

стигает 180° С. Такие высокие температуры свода объ­ ясняются тем, что он омывается мощным тепловым пото­ ком и языками пламени дуг, охватывающих внутреннюю часть свода. Хотя в условиях эксплуатации дуговых пе­ чей чаще и сильнее всего разрушаются отдельные зоны стен печи, но наиболее опасным местом печи по нагреву является свод печи. Последний разрушается в резуль­ тате резких колебаний температуры, поэтому необходи­ мо принимать меры для снижения температуры нагрева свода.

ГОРЕНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ДУГ

В дуговых сталеплавильных печах трехфазного тока го­ рят три электрические дуги. При этом имеет место пере­ распределение мощности с одной фазы на другую. Это явление вызвано неодинаковым расстоянием между токоподводами разных фаз. При их горизонтальном распо­ ложении имеет место неравенство коэффициентов взаи­ моиндукции. Коэффициент взаимоиндукции средней фа­ зы с каждой крайней получается большим, чем коэффи­ циенты взаимоиндукции между крайними фазами.

За счет этого на дуге первой фазы при одинаковых токах получается понижение мощности по сравнению с други­ ми фазами, эту фазу называют «мертвой», или «тихой».

Теоретически установлено, что явление «мертвой» и «ди­ кой» фаз не уменьшает общего количества энергии, вы­ деляющейся в дугах трех фаз.

Явление переноса мощности особенно ярко проявляется при горизонтальном расположении токоподводов и при расположении электродов в ряд, т. е. в печах ферро­ сплавных, в которых наблюдается фактическое умень­ шение количества металла, выпускаемого из-под «мерт­ вой» фазы, и увеличение выпуска из-под «резкой» фазы. Применяют ряд мер для выравнивания нагрузок по фа­ зам за счет раздельного регулирования напряжения по фазам, устройства отдельных трансформаторов, поддер­ жания различных значений токов в отдельных фа­ зах и т. д.

187

Все эти меры, однако, громоздки и не устраняют основ­ ной причины возникновения — асимметрии сопротивле­ ний фаз печи.

В дуговых сталеплавильных печах электроды распола­ гают по вершинам равностороннего треугольника и все фазы находятся в одинаковых условиях, коэффициенты взаимоиндукции между двумя фазами равны между со­ бой и никакого взаимодействия они не оказывают. Нера­ венство расстояний между фазами наблюдается только на участке довольно небольшой длины короткой сети.

Однако явление неодинаковой производительности фаз имеет место и в сталеплавильных печах. В конечном ито­ ге оно приводит к различной степени сгорания электро­

печи выравниваются конструктивным исполнением печи. Поскольку в сталеплавильных печах дуги горят между графитовым электродом и металлом, т. е. между разно­ родными материалами, то всегда имеет место неодина­ ковое за период изменение тока и, следовательно, усло­ вий горения дуги.

Условия для эмиссии лучше, т. е. ток больше в полупери­ од, когда катодом является не металл, а графитовый электрод. В полупериод, когда катодом является графит, ординаты мгновенного изменения тока больше ординат мгновенного изменения тока в полупериод, когда като­ дом является металл. Это колебание значений тока бу­ дет во всех фазах цепи.

ТЕМПЕРАТУРА ПЕЧИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ,

ТОКА ДУГИ И ИНДУКТИВНОСТИ ЦЕПИ

Влияние на напряжение дуги температуры Т рабочего пространства печи, как ранее уже отмечалось, прибли­ женно учитывается формулой

188

го характера процесса электроплавки стали. Из уравне­ ния (XIII-18) можно сделать вывод, что температура ду­ ги вызывает искажение формы кривой напряжения дуги. В отношении влияния тока на температуру дугового раз­ ряда существуют различные предположения. Одни ис­ следователи утверждают, что температура дуги вообще ие зависит от силы или плотности тока дуги. Другие считают, что температура непосредственно зависит от силы тока дуги.

Так, Спитцер [123], предполагая, что существует рав­ новесие между давлением газа и магнитным давлением,

Если принять, что эффективное значение тока для печи равно 3 а, то

Анализ, проведенный автором для печей различной ем­

Исследования С. И. Тельного [15—20] привели к выво­ ду, что в каждый полупериод кривых напряжения и то­ ка дуги существуют промежутки времени, когда напря­ жение недостаточно для горения дуги.

Длительность горения дуги находят из разности сотг— —соть С увеличением индуктивности цепи длительность

189