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

горения дуги возрастает и при некотором соотношений между напряжением дуги, напряжением трансформато­ ра и сопротивлением цепи прерывистый характер дуги переменного тока исчезает, процесс ее горения обраща­

Ток в цепи в момент, когда напряжение дуги еще недо­ статочно для ее горения, обусловлен остаточной прово­ димостью газов, заполняющих пространство между элек­ тродами, и ничтожно мал по сравнению со значением тока при нормальном горении дуги.

Во время перерывов горения кратеры электродов ох­ лаждаются, в результате между длительностью периода горения (сотг—COTI) и устойчивостью дуги существует определенная зависимость.

Под длительностью горения дуги понимают период ее непрерывного горения. Индуктивность цепи позволяет увеличить именно длительность горения дуги, а это обе­ спечит более длительный разогрев электродов и увели­ чит температуру металла печи.

Удлинение периода горения до значения, равного я, поз­ воляет обеспечить более равномерную температуру в печи.

ГЛАВА xiv ТЕМПЕРАТУРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Температура электрической дуги в общем случае зави­ сит от длительности горения, или времени жизни дуги ит, вращения или перемещения дуги я, состава пламе­ ни дуги С

Т => F(m, я, С,...).

Для возможности управления температурой дуги необ­ ходимо воздействовать на некоторые исходные пара­ метры.

Рассмотрим возможные способы воздействия на измене­ ние температуры дуги.

190

ИЗМЕНЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ГОРЕНИЯ ДУГИ

Под длительностью горения, или временем жизни дуги, понимают продолжительность горения дуги за полупе­

Чтобы увеличить длительность горения дуги, можно уменьшить частоту тока дуги с помощью специального преобразователя. Регулирование частоты является наи­ более эффективным способом управления процессом го­ рения дуги. Оптимальная частота регулирования может быть определена в каждом конкретном случае в зави­ симости от емкости печи, режима плавки и материала завалки.

По ходу плавки можно регулировать частоту в зависи­ мости от требований технологического режима расплав­ ления шихты и условий ведения плавки. Но создание магнитных полей низкой частоты связано с большими трудностями выбора источников питания. Использова­ ние для этой цели низкочастотных генераторов нецеле­ сообразно, так как они не могут обеспечить плавной ре­ гулировки частоты в указанном диапазоне. Механичес­ кие же преобразователи громоздки и малонадежны. Поэтому способ регулирования температуры с помощью изменения частоты в условиях действующих дуговых ус­ тановок трудно осуществим.

Для увеличения продолжительности горения можно ис­ пользовать явление саморегулирования и инерционные свойства электрической дуги, хотя практически реализо­ вать эти возможности трудно.

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ДУГИ

Сповышением температуры резко падает электрическое сопротивление дуги. Для получения высоких температур используют высокочастотный разряд, или сжатие «маг­ нитным поршнем».

Сповышением температуры увеличивается движение микрочастиц, участвующих в создании тока и в меха­ низме образования плазмы.

При движении частиц поперек магнитного поля они бу­ дут вращаться до тех пор, пока они не столкнутся с дру­ гими частицами.

191

Плазменный цилиндр, образующийся в рабочем прост­ ранстве зоны распада электродов, будет, как и магнит­ ное поле, вращаться со скоростью п, пропорциональной частоте приложенного к электродам напряжения сети. Образующееся вращающееся магнитное поле может вы­ звать перемещение дуг по направлению вращения поля в соответствии с порядком следования фаз и горением дуг отдельных фаз. Однако в практике эксплуатации сталеплавильных печей перемещения дуг по направле­ нию вращения поля не наблюдают. Имеет место лишь выдувание дуг из-под электродов под влиянием собст­ венных и внешних магнитных полей.

Одним из важнейших свойств плазмы является боль­ шая ее чувствительность к сильным магнитным полям. Это дает возможность воздействовать на нее магнитным полем и ограничить ее движение и движение частиц, ее образующих.

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ, ПОКРЫТИЯ И СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПЕЧИ

Электроды, предназначенные для подвода электрического тока в рабочее пространство печи, являются одной из важнейших частей конструкции дуговой сталеплавиль­ ной печи. От физических свойств, конструкции и качест­ ва изготовления электродов в значительной степени за­ висят производительность установки, качество выплав­ ляемого металла и устойчивость горения дуг в печах.

Во всех установленных в настоящее время дуговых ста­ леплавильных печах применяют графитизированные или угольные цилиндрические электроды круглого попереч­ ного сечения.

Физические свойства электродов зависят от их диамет­ ра, ухудшаясь с увеличением последнего,. Обычно опре­ деление диаметра электрода производится по силе тока, протекающего через электрод, и удельному сопротивле­ нию материала электрода.

При прохождении переменного тока по проводнику на­ блюдается явление поверхностного эффекта, при кото­ ром основная часть тока проходит в поверхностном слое проводника, а остальная, внутренняя часть его сечения в передаче электрической энергии практически не уча­ ствует.

192

Для проводников круглого сечения глубина проникнове­ ния тока зависит от кривизны поверхности. Как установ­ лено рядом исследований, для больших сечений провод­ ников по глубине проникновения тока прямоугольная форма сечения проводника более выгодна, чем круглая. Отсюда можно сделать вывод, что существующая в на­ стоящее время конструкция электродов круглого попе­ речного сечения не является рациональной и ее необхо­ димо заменить. Вариантом замены может явиться элек­ трод трубчатого, квадратного или прямоугольного се­ чения.

В практике эксплуатации дуговых печей СССР электро­ ды обычно ничем не покрывают. Это сплошные графитизированные цилиндры (из нефтяного кокса) с глад­ кой внешней поверхностью и цилиндрическим ниппелем для их наращивания по мере обгорания.

Графитизированные электроды лучше, чем электроды из других материалов (угольные, железоугольные). Но гра­ фитизированные электроды быстро сгорают (за одну плавку до 10—20 кг для печи 1,5 т, до 30—45 кг для 3-т печи), окисляются. Кроме того, они имеют высокую стоимость.

Физические свойства электродов влияют на производи­ тельность печей, качество и себестоимость выплавки ме­ талла.

Передача электрического тока от токоподводящих шин к электроду осуществляется через электрододержатель, который, помимо механической прочности, должен обес­ печивать минимальные потери электроэнергии и хоро­ ший контакт электрод — электрододержатель, обусловли­ ваемый величиной контактного сопротивления.

По литературным данным [78], известно, что как в на­ шей стране, так и за рубежом иногда применяют по­ крытие внешней поверхности электродов. Так, одна из японских фирм для уменьшения расхода электродов, обусловленных их окислением, предлагает защитное по­ крытие, состоящее из кремния, хрома и железа.

Если обычно при выплавке стали в дуговых печах с гра­

Интересные данные приведены в работе [79],_в которой указывается, что для технически чистого угольного элек-

трода наиболее эффективным способом повышения то­ ка, или снижения контактного сопротивления, является электролитическое покрытие поверхности электрода медью. Так, угольный электрод диаметром 6 мм, не по­ крытый медью, с трудом выдерживал ток в 25 а, в то время как тот же электрод, покрытый медью, выдержи­ вает ток даже 50 а.

Внешнее покрытие электродов печи, кроме отмеченного положительного фактора устойчивости, способствует спокойному режиму горения дуги.

Для проверки влияния электролитического покрытия электродов на режим горения дуг А. И. Леушин в усло­ виях лаборатории проделал следующие опыты.

На поверхность угольных электродов были нанесены электролитическим путем широкие винтообразные омед­ ненные полосы. При включении таких электродов в сеть переменного тока ((7=34 в, / = 4 0 а) между ними горе­ ла дуга, которая в одни моменты времени отклонялась, как бы выдувалась от центра расположения электродов, а в другие моменты горела спокойно, ровно.

Затем вся поверхность угольных электродов была элек­ тролитическим путем омеднена, покрыта тонким слоем меди. При включении таких электродов в сеть перемен­ ного тока ((7=34 в, 7=40 а) образующаяся между ни­ ми дуга горела исключительно спокойно, ровно, даже без характерного шипения и потрескивания.

Опыты были проведены с лабораторными дугами не­ большой мощности, но они подтверждают, что нанесе­ ние покрытий на поверхность электродов создает устой­ чивое горение дуги.

Нанесение покрытий на электроды в условиях действу­ ющих дуговых печей вряд ли выполнимо, но это можно легко осуществить на электродных заводах, занятых из­ готовлением электродов для дуговых печей.

В состав угля электродов входит бор, наличие которого нежелательно.

Для удаления бора электроды обычно прокаливают, а иногда применяют очистку поверхности электродов по­ стоянным током. Электрод прокаливают электрической дугой, которая образуется между данным электродом и дополнительным электродом [46].

Пейе, однако, указал, что подобный способ очистки не обеспечивает удаления загрязнений с боковой поверхно-

194

сти электродов. Он рекомендует очищаемый электрод делать катодом. Другой угольный электрод (анод) дол­ жен перемещаться во время прокаливания так, чтобы катодное пятно, двигаясь по спирали, обеспечивало про­ грев электрода и удаление загрязнений с его поверхно­ сти.

Эти рекомендации будут полезны производственникам, занятым изготовлением электродов.

Для соединения при наращивании электродов, кроме обычного резьбового соединения ниппелем, необходимо применять токопроводящий клей. Он не только обеспе­ чивает прочное механическое соединение двух концов электродов, но позволяет осуществить переход тока с од­ ного электрода на другой без дополнительных потерь энергии.

СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ПРИМЕСЕЙ В ПЛАМЕНИ ДУГИ

Как было установлено, значительное снижение темпера­ туры электрической дуги приводит к загрязнению пла­ мени дуги различными примесями.

Заполнение пламени дуги значительным количеством атомов железа (потенциал ионизации равен 7,9 эв) вы­ зывает снижение температуры дуги и ухудшает условия возбуждения кислорода. Чтобы кислород поступал в пламя дуги, необходимо возможными способами умень­ шить поступление в дугу примесей. Потенциалы иониза* ции газов выше потенциалов ионизации металлических примесей.

В дуговом разряде при высокой температуре образуют­ ся возбужденные атомы и ионы, весьма активно взаимо­ действующие с металлическими примесями. Результатом этих взаимодействий является изменение состава газо­ вой смеси во время горения дуги. При этом может быть как уменьшение, так и увеличение отдельных компонент

всмеси.

Вобычных условиях в положительном столбе, или яд­ ре дугового разряда электронная температура опреде­ ляется количеством электронов в единице объема дуги. Для уменьшения примесей в дуге можно принудительно подавать в пламя дуги струю кислорода, он увеличит по­ тенциал ионизации легко возбудимых примесей и, есте-

а дополнительное повышение температуры дуги вызовет дополнительный нагрев свода, стен рабочего простран­ ства печи.

Подача кислорода в рабочее пространство печи может быть осуществлена воздушным дутьем в зону разряда под электроды.

Для регулирования температуры дуги в рабочей камере печи можно вводить в пламя, дуги различные примеси через электроды.

В литературе сообщалось [80, 81] о проведенных испы­ таниях по применению трубчатых полых электродов. Опыты показали, что на полых электродах можно рабо­ тать при более высоком напряжении, чем на сплошных. При этом тепловая нагрузка стен и свода не увеличива­ ется.

Наибольшая напряженность электрической дуги на ван­ ну обеспечивается при соотношении внутреннего и на­ ружного диаметров 0,2—0,3. При этом уменьшается ин­ тенсивность прямого излучения от дуги на свод и стен­ ки, в связи с этим увеличивается стойкость футеровки. Применение полых электродов позволяет через образу­ ющие отверстия внутри электродов подавать непосред­ ственно в рабочее пространство горения дуг кислород, или элементы с более высоким потенциалом ионизации. Для снижения температуры дуги можно через электро­ ды вводить в пламя дуг примеси, обладающие более низким потенциалом ионизации (например, соли калия или других щелочных металлов).

Искусственное изменение концентрации атомов различ­ ных примесей плазмы дуги позволяет регулировать ее температуру и осуществлять управление процессом воз­ буждения дуги.

Поскольку в сталеплавильных печах электрические ду­ ги горят под действием переменного тока, это вызывает неравномерный нагрев и в различные моменты времени в плазму разряда попадают различные компоненты ших­ ты. Свечения различных элементов, а также химические реакции между компонентами шихты при наличии раз­ личных температур в пламени дуги происходят в раз­ ное время.

196

Для ускорения перевода компонентов шихты в жидкое и частично в газообразное состояние можно воспользо­ ваться увеличением силы электрического тока дуг (под­ няв напряжение на дугах или увеличив мощность печ­ ного трансформатора). Но при этом неизбежно увели­ чится и мощность излучения дуги.

Существуют способы увеличения интенсивности испа­ рения компонентов шихты без изменения режима излу­ чающего столба. Одним из таких способов является ме­ тод образования двойной дуги, которая получается, ес­ ли между электродами одной фазы поместить еще дополнительный электрод.

При разделении электродов образуются сразу две ду­ ги между шихтой и дополнительным электродом и меж­ ду дополнительным электродом и концом основного электрода.

Введение дополнительного электрода в существующую конструкцию дуговой печи весьма сложно и может быть, по-видимому, осуществлено в проектируемых печах.

В существующих печах главными источниками парооб­ разных веществ в дуге являются компоненты металла и шлака, но для очищения дуги от различных посторон­ них примесей наиболее радикальный путь заключается в соответствующей подготовке шихты.

Необходимо отметить, что в условиях эксплуатации ду­ говых печей на чистоту шихтовых материалов практи­ чески не обращают внимания. Шихту непосредственно с железнодорожной платформы или из соответствующе­ го склада загружают в мульды или бадью вместе с пылью и окалиной. Затем после взвешивания ее выгру­ жают в рабочее пространство печи. При этом предпола­ гается, что все посторонние примеси в шихте выгорят в условиях высокой температуры дуги.

Для очищения дуги необходимо принять эффективные меры для тщательного удаления нежелательных приме­ сей из шихтовых материалов.

Необходимо изменить технологический процесс подго­ товки шихты, ввести стадию очистки шихты путем обду­ ва сжатым воздухом или водой. После взвешивания, не­ посредственно перед загрузкой в печь, всю бадью с за­ валкой целесообразно погружать на некоторое время в топочное пространство газовой печи с целью предвари­ тельного прокаливания шихты.

197

Главным источником примесей в дуге являются основ­ ные компоненты загружаемой в печь шихты и шлака. Однако указанные простейшие способы подготовки ших­ ты и шлакообразующих могут оказаться весьма эффек­ тивными, так как очистка шихты позволит снизить ко­ личество посторонних примесей в пламени дуги и дос­ тичь повышения температуры пламени дуги.

ОХЛАЖДЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СВОДА ПЕЧИ

Наиболее опасным по нагреву местом в конструкции пе­ чи является свод печи. Снижение температуры его на­ грева приводит к увеличению срока службы печи и к экономии материальных затрат.

Необходимо отметить, что для охлаждения свода печи была попытка применять проточную воду. Такая систе­ ма охлаждения обеспечила значительное удлинение сро­ ка эксплуатации свода и кладки печи (до 600 плавок) по сравнению с обычной работой свода без охлаждения. Тем не менее внедрение этого метода приводит к рекон­ струкции свода печи, к усложнению условий эксплуата­ ции дуговых печей. Поэтому система водяного охлаж­ дения свода дуговой электропечи на практике не нашла применения.

Для охлаждения свода печи автор предлагает исполь­ зовать самообдув поверхности свода с помощью венти­ лятора, работающего от вращающегося магнитного по­ ля зоны распада электродов.

В центре печи, в зоне распада электродов скорость вра­ щения магнитного поля 1000 об/мин. Поместив в это поле замкнутый металлический проводник с закреплен­ ными лопастями вентилятора, можно довольно просто осуществить весьма эффективный самообдув внешней поверхности свода печи.

Данный способ вращения проверен автором на дуговой сталеплавильной печи ДСП-1,5. В зону распада электро­ дов был помещен замкнутый железный обод диаметром 300 мм, укрепленный на изолированных опорах.

При большой скорости вращения и значительных уси­ лиях, развиваемых при этом, мощность для работы вен­ тилятора самообдува будет достаточна.

Простота и эффективность устройства позволяют ис­ пользовать этот способ охлаждения свода печи в прак-

198

тике эксплуатации существующих дуговых установок, в которых электроды расположены в вершинах равно­ стороннего треугольника.

ГЛАВА xv ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ ГОРЕНИЯ

ОСЦИЛЛОГРАММЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ДУГИ

Осциллограммы тока и напряжения дуги для различ­ ных условий горения и различных мощностей электро­ термических установок являются точными данными для количественного анализа режима горения [124—134]. На осциллограммах обычно записываются кривые на­ пряжения (через измерительный трансформатор напря­ жений или непосредственно без трансформатора напря­ жений) и тока (через измерительный трансформатор то­ ка или падение напряжения на некотором участке короткой сети).

Однако необходимо отметить, что осциллограммы тока и напряжения дуги снимались многими исследователя­ ми, но пользовались ими лишь как экспериментальным материалом, качественно подтверждающим их гипотезу. При этом широко применяют приблизительное описание осциллограмм, предполагаемые зависимости и влияние различных факторов на характер кривых осциллограмм. Количественного анализа заснятых осциллограмм, их численной расшифровки и выявления необходимых па­ раметров непосредственно из опытного материала прак­ тически не производилось.

Тем не менее осциллограммы исследуемого процесса яв­ ляются наиболее точным экспериментальным материа­ лом, который может быть использован для количествен­ ных аналитических исследований.

Основная трудность использования осциллограмм для количественных расчетов заключается в том, что при за­ писи процесса получается очень большое число кривых, анализировать которые представляет определенные трудности.

199