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

А.Н. Соколова и др.

Впоследние годы в ряде институтов нашей страны про­ водятся большие исследовательские работы по изуче­ нию физических процессов в дуге и по определению ее температуры [18—20]. Так,например, создана [18] спе­

плазмы обсуждались на конференции в Москве [20]. Тщательные исследования физических свойств дугового разряда проведены в ряде зарубежных стран. Среди них видное место занимают работы английских [21, 22] и японских [23] ученых.

РАЗЛИЧНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Толкование термина «электрическая дуга» различными исследователями не одинаково. В. В. Петров, открыв­ ший электрическую дугу, первый выдвинул химическую теорию горения. Он определяет дугу как результат опре­ деленных физико-химических процессов («светоносные явления, происходящие от гальвани-вольтовой жидко­ сти», т. е. электрического тока по современной термино­ логии). Определение дуги, данное В. В. Петровым, од­ нако, не привилось.

рической дуги: «При раздвигании углей между ними происходил постоянный разряд через накаленный воз­ дух в виде необыкновенной блестящей широкой свето­ вой дуги конической формы, обращенной выпуклостью кверху».

Г. Дэви определил дугу как разряд через накаленный воздух, дал описание геометрической формы дуги. Хотя Г. Дэви и не раскрывал самого понятия разряда и тех внутренних процессов, которыми он сопровожда­ ется, но определение дуги как разряда через воздух стало в дальнейшем наиболее распространенным. Весьма любопытно определение электрической искры, данное Фарадеем, приведено Ф. Энгельсом [25]. «Искра

10

это разряд, или ослабление поляризованного индукци­ онного состояния многих диэлектрических частиц, бла­ годаря своеобразному действию некоторых из этих час­ тиц, занимающих крайне небольшое и ограниченное пространство.

Фарадей допускает, что те многие частицы, в которых происходит разряд, не только сдвигаются друг относи­ тельно друга, но и принимают временно некоторое осо­ бенное, весьма активное состояние, т. е. что все окру­ жающие их силы одна за другой набрасываются на них п благодаря этому они приходят в состояние, интенсив­ ность которого может быть равновелика интенсивности химически соединяющих атомов, что затем они разря­ жают эти силы, подобно тому как тс атомы разряжают свои силы неизвестным нам до сих пор способом.

Заключительное действие в точности таково, как если бы на месте разрядившейся частицы появилась некото­ рая металлическая частица».

Несмотря на довольно неясное изложение в определе­ нии электрической искры, Фарадей делает попытку сло­ весно описать внутренний механизм образования разря­ да и процессов, в нем происходящих.

Фарадей определяет искру как разряд определенного состояния многих частиц.

Г. И. Покровский [26] пишет, что по существу любая электрическая искра представляет собой микроскопиче­ ски достаточно мощный взрыв, а взрыв — это быстрое выделение большого объема газа и энергии.

В. Л. Грановский [27] указывает, что в электрических дугах, горящих в воздухе при атмосферном давлении, образуется «положительный столб», представляющий собой плазму с температурой порядка 5000° С. В метал­ лургических дуговых печах плазма образуется либо в химически инертном газе, наполняющем печь, либо в парах металла.

При рассмотрении электрических дуг их характеризуют плотностью тока, катодным и анодным падением напря­ жения, иногда уточняют некоторые другие свойства дуг. Обычно под электрической дугой понимают физическое явление, возникающее при разрыве электрической цепи, по которой протекает большой ток, и сопровождающее­ ся интенсивным нагреванием электродов и воздушного промежутка.

11

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ

Электрическая дуга является одним из видов разряда в газовой или паровой среде.

В обычных условиях среда является диэлектриком и то­ ка не проводит, но под действием ряда факторов со­ здаются условия, при которых среда ионизируется, по­ являются свободные электроны, положительно и отри­ цательно заряженные ноны.

Под действием приложенного напряжения электроны и ионы устремляются к электродам, осуществляя прохож­ дение электрического тока через газовую среду.

Если сравнить процессы прохождения электрического тока в металлическом проводнике и в газовой среде, то во втором случае картина будет намного сложнее. Ме­ таллический проводник можно представить как решет­ ку из положительных ионов, сквозь которую перемеща­ ются свободные электроны. Молекулы и атомы газа электронейтральны. Атомы состоят из положительно заряженных ядер, окруженных электронами, сильно свя­ занными с ядром. В газе под действием приложенного к электродам напряжения будут перемещаться не толь­ ко электроны, но и положительные ионы. Перенос элек­ тричества в газе осуществляется двумя потоками, на­ правленными в противоположные стороны.

При обычном рассмотрении принимается следующая приблизительная схема внешнего строения электриче­ ской дуги. Один электрод, имеющий отрицательный по­ тенциал, является источником излучения электронов (катодом /, рис. 1). Другой электрод, который бомбар­ дируется электронами, является положительно заря­ женным (анодом 2). Газы и пары, находящиеся в про­ странстве между электродами, ионизированы и образу­ ют электрическую дугу.

В центре дуги между электродами 1, 2 находится ядро, или столб 3 дуги, затем располагается ярко светящаяся с переходом от желтого к белому цвету, собственно электрическая дуга. Дуга окружена ореолом 4 — обо­ лочкой, в которой происходит сгорание паров и частиц материала электродов.

Области, прилегающие к катоду и аноду, называют со­ ответственно областями катодного и анодного падения напряжения.

12

W"

Рис. 1. Схема строения электриче­ ской дуги

В современной сталеплавильной промышленности наи­ большее применение находят печи с тремя электродами; электрические дуги горят между каждым электродом и металлической ванной, образующей естественную ну­ левую точку трехфазной цепи. Дуги горят при нормаль­ ном атмосферном давлении в закрытом пространстве (рабочей камере печи), поверхности которого поглоща­ ют лучистую энергию дуг.

В зависимости от физико-химических свойств расплав­ ленного металла условия горения дуг за плавку для од­ ной и той же печи сильно меняются, а потому меняются размеры и физические свойства дуг. В таких печах по­ лярность электродов непрерывно меняется в соответст­ вии с частотой переменного тока, поступающего к элек­ тродам печи.

МИКРОПРОЦЕССЫ В ЯДРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Исторически первыми по времени были исследованы явления, наблюдаемые при прохождении электрическо­ го тока через электролиты, и установлена гипотеза, что ток в них переносится от одного электрода к другому положительными и отрицательными ионами — заряжен­ ными составными частями молекул электролита.

На этом основании было предложено, что и обычно не­ проводящий газ становится электропроводным, когда в

13

Теории микропроцессов электрического разряда, осно­ ванные на ионизации газа, ведут свое начало от работ физика Дж. Томсона, который в 1883 г. высказал мысль, что при прохождении тока через газ наблюдается хи­ мическое разложение молекул газа, а в переносе элект­ рических зарядов участвуют электроны и отрицательные ионы. При большой плотности газа отрицательные ионы по своей численности преобладают над электронами и являются единственными носителями отрицательных зарядов. При малой плотности газа главная роль, утвер­ ждал Томсон, принадлежит электронам.

По мере эволюции физических представлений о сущно­ сти микропроцессов в ядре электрической дуги происхо­ дило последовательное их развитие и уточнение.

Для объяснения процессов, имеющих место в электри­ ческой дуге, можно выделить следующие этапы разви­ тия теории дуги: учение о термоэлектронной и автоэлек­ тронной эмиссии; принцип стримера, учение о термиче­ ской ионизации и, наконец, учение о газоразрядной плазме.

Термо- и автоэлектроииая эмиссии

Эдисон в 1881 г., проводя опыты с лампой накаливания, содержащей угольный и металлический электроды, при присоединении последнего к положительному полюсу батареи обнаружил прохождение электрического тока через вакуум.

Позднее Эльстер и Гейтель установили, что металличе­ ский электрод испускает из себя отрицательные элект­ рические заряды, а воздух, окружающий раскаленную проволоку, заряжается отрицательно.

Явление испускания электронов раскаленными металла­ ми в вакууме или в газе получило название термоэлект­ ронной эмиссии, а теория, объясняющая эти явления — термоэлектронной.

Зависимость плотности тока термоэлектронной эмиссии от-- температуры установлена Ричардсоном [15, с. 77].

14

Формулу (1-2) принято называть первой формулой Ри­

На основе термодинамики и квантовой теории была вы­

При учете отражения электронов от поверхности метал­ лов формула (1-3) принимает вид:

В результате проведенных измерений установлено неко­ торое изменение значения коэффициента А, что объяс­ няется наличием на поверхности металла пленки по­ сторонних веществ и пятнистым строением поверхности металла.

Фактически это доказывает, что в настоящее время тео­ рия термоэлектронной эмиссии не может объяснить де­ тали процесса даже для чистых металлов.

Кроме этого, необходимо учесть, что при выводе форму­ лы (1-3) термоэлектронная эмиссия рассматривалась как испарение электронного газа, т. е. в соответствии со статистикой Ферми коэффициент А должен увеличить­ ся в два раза.

При изучении процессов, происходящих в газовом раз­ ряде, установлено, что носителями отрицательного за­ ряда являются не только свободные электроны, но й частицы с молекулярной или атомной массой.

В разрядах при большой плотности газа или в воздухе при атмосферном давлении наблюдаются тяжелые отри­ цательные ионы. При встрече положительного и отрица­ тельного ионов происходит рекомбинация их,- приводя­ щая к образованию двух нейтральных частиц газа. -

15

При прохождении тока разряда через газ происходит упругое столкновение электронов со свободными атома­ ми газа, приводящее к возбуждению, ионизации, обра­ зованию отрицательных ионов. Столкновения сопровож­ даются излучением, образованием возбужденных атомов и ионов. Положительные иоиы могут выбивать электро­ ны из катода, а с атомами могут образовывать нейт­ ральные атомы. Все эти процессы сопровождаются пе­ рераспределением энергии. Часть энергии электронов, ионов и атомов вызывает нагревание газа и электронов, а часть энергии уходит в окружающую среду в виде из­ лучения [28, с. 20].

Сложность процесса разряда объясняется тем, что в га­ зах атомы молекул не связаны друг с другом, поэтому при прохождении тока через газ возможно протекание большого количества разнообразных элементарных мик­ ропроцессов.

При рассмотрении физического процесса прохождения электрического тока через газ необходимо учитывать влияние электрического поля, созданного всей совокуп­ ностью заряженных частиц, находящихся в разрядном промежутке.

Количество электричества, приходящее на 1 см3, отож­ дествляют с плотностью пространственного заряда и при расчете исходят из основного уравнения электростати­ ки — уравнения Пуассона:

Однако при сильном электрическом поле концентрация положительных ионов превосходит концентрацию элек­ тронов, так как электроны движутся в поле быстрее по­ ложительных ионов и скорее выходят из разрядного промежутка. Поэтому результирующий пространствен­ ный заряд в разряде оказывается положительным и он обусловливает распределение напряженности поля, ха­ рактер и условия протекания разряда.

По современным представлениям столб, или ядро дуги в целом является квазинейтральным, а внутри столба имеются зоны, обладающие положительными и отрица­ тельными зарядами.

Уравнение (1-5), приведенное при рассмотрении термо­ электронной эмиссии, применимо лишь для электроста-

16

тистики. В дуге переменного тока происходят непрерыв­ ные электродинамические процессы.

Основным фактором, вызывающим эмиссию электронов с поверхности катода, считается наличие высоких тем­ ператур, не меньших температуры испарения металла катода. Для эмиссии электрона с катода в окружающее пространство скорость движения электрона должна быть велика настолько, чтобы преодолеть силы притя­ жения со стороны положительных ионов. Работа на пре­ одоление этих сил называется работой выхода, обычно ее выражают в электрон-вольтах (эв).

В металлах с низкой температурой испарения излуче­ ние электронов с поверхности катода объясняется авто­ электронной эмиссией, проходящей под действием силь­ ного электрического поля между анодом и катодом. При наличии такого поля электрон удаляется с поверх­ ности металла и становится электроном эмиссии.

Л. А. Сена предложил [29] автоэлектрониую теорию механизма развития дуги при разрыве цепи. Место раз­ рыва цепи рассматривается как конденсатор перемен­ ной емкости. В начальный момент, при электродах, на­ ходящихся в соприкосновении, емкость равна бесконеч­ ности, а затем по мере раздвигания электродов она убывает. Через сопротивление цепи конденсатор заря­ жается и напряжение на нем с увеличением расстояния постепенно растет от 0 до U0.

Высокая напряженность поля вполне достаточна для интенсивной эмиссии и возбуждения дуги.

В условиях дуговых печей в первый период плавления шихты дуга начинает загораться в момент размыкания электродов. В начальный момент образования проме­ жутка между электродами величина его мала, а прило­ женное напряжение конечно, т. е. в этих условиях горе­ ние дуги между электродами создает автоэлектронная эмиссия из катода.

При малых величинах контактных поверхностей элект­ родов и значительных плотностях тока в них развивает­ ся большая температура, доходящая до температуры плавления материала электродов, а между ними обра­ зуется капля жидкого металла. При дальнейшем разве­ дении электродов капля металла вытягивается, образу­ ется жидкий мостик, соединяющий оба электрода. При последующем увеличении температуры мостика до тем-

Г „

I

i

пературы кипения металла происходит его испарение и образование дуги между контактами электродов. Так как нагрев мостика происходит очень быстро, то испа­ рение металла под действием электродинамических сил имеет характер взрыва. Разрыв моста сопровождается сильным звуковым эффектом и разбрызгиванием ме­ талла.

Для случая одновременного проявления термоэлектрон­ ной и автоэлектронной эмиссии была предложена эм­ пирическая формула [30], позволяющая определить

& = 1,16-10* ф.

Коэффициент а в этой формуле плотности тока для же­ леза равен 0,1 [30]. Если температура испарения желе­ за равна 2723° К, то для плотности тока 6 = 7200 а/см2 напряженность поля в области катодного падения на­ пряжения равна £ « 2 , 4 5 - 1 0 5 в/см. Допуская, что в этой области поле равномерное, а протяженность ее прибли­ женно равна длине свободного пробега электрона, мож­ но принять, что плотность тока б определяется только плотностью электронов. Это допущение верно, так как скорость движения электронов в области катодного па­ дения много больше скорости движения положительных ионов.

Наличие паров железа снижает свободный путь элект­ рона в момент горения дуги, а загрязнение поверхности металла вызывает усиленную автоэлектронную эмиссию.

Стримерами пробой

Если учение о термо- и автоэлектронной эмиссии рас­ сматривает физические процессы, протекающие в элект­ рической дуге, как совокупность микропроцессов отдель­ ных элементарных частиц, то стримерная теория дает описание процессов прохождения через газовую среду больших токов.

18

Электрическая дуга возникает вследствие непрерывного пли скачкообразного перехода из устойчивого маломощ­ ного разряда. Она может развиваться и при неустойчи­ вом переходе искрового разряда.

В самостоятельном разряде наблюдается неравномер­ ное распределение электрического поля в межэлектрод­ ном пространстве, сопровождаемое большой плотностью тока и высокой температурой.

Образующаяся под действием электрического поля элек­ тронная лавина по достижении анода оставляет после себя ионизированный «след» — область со своим полем пространственного заряда.

Под действием существующих и вновь возникающих электронов создаются новые лавины, удлиняющие иони­ зированный участок вплоть до анода.

Возникший стример — незаконченный пробой воздуха, является тем проводником, по которому развивается искровой разряд. В процессе развития искрового разря­ да стример расширяется, возникает большой перепад давления. Между электродами в газе образуется токопроводящий канал, в который усиленно начинает посту­ пать энергия и проходящий по нему ток быстро нара­ стает. Канал при этом сильно разогревается и расширя­ ется, причем расширение происходит с такой, скоростью, что в первом приближении этот процесс рассматривают как распространение ударной волны.

Прохождение тока в канале обусловлено тем, что в не­ го вводятся извне или генерируются внутри него заря­ женные частицы. Обычно в проводящем канале носите­ лями зарядов являются электроны, а также положи­ тельные и отрицательные ионы.

Если в каждом кубическом сантиметре токопроводящего канала имеется пе электронов и tii ионов, несущих заряды ±е, и под действием приложенного к электро­ дам напряжения электроны и ионы движутся вдоль по­

19