книги из ГПНТБ / Леушин, А. И. Дуга горения. Свойства мощных дуг современных сталеплавильных печей
.pdfПри определенной длине дуги принимается, что свойст ва канала по его длине не меняются, а в поперечном сечении он однороден. Проводящий канал при этом бу дет электрически квазинейтрален, т. е. иметь равные объемные плотности положительных и отрицательных зарядов.
Так как канал имеет конечные размеры, то допускает ся диффузия ионов и электронов. Медленно диффунди рующие ионы будут препятствовать движению быстрых электронов и способствовать удержанию электронов внутри канала. За счет внешнего источника тока в ре зультате столкновений с электронами или с другими ато мами газа в канале наступает ионизация.
Электроны внутри канала должны находиться в терми ческом равновесии с молекулами газа по уравнению Саха:
^ = 3,16 • 10"7 Г-5 ехр ( - ^ ) , (1-7)
где х— степень ионизации газа, находящегося в тер мическом равновесии при температуре 7"°К, с потенциалом ионизации Ui и давлением р.
В дуговых установках передача энергии электрического поля проводящему столбу вызывает уход энергии из столба за счет его разогрева и выхода энергии в окру жающее пространство в виде излучения.
Стример объясняет преимущественно переходный про цесс образования (зажигания) дугового разряда, а не явления в устойчиво горячей дуге.
Термическая ионизация
Основным положением учения о термической ионизации является допущение, что в начальный период короткого замыкания электродов через образующийся контакт проходит большой ток и выделившееся тепло
г
Q = c^RnPdx |
(1-8) |
о |
|
сильно разогревает место |
контакта. |
Площадь катодного пятна меняется прямо пропорцио нально току, проходящему через дугу.
20
Авторы данного учения произвели подсчет плотности термоэлектронного тока и установили, что его роль в общем балансе тока дуги очень незначительна.
Термическая ионизация не является специфическим яв лением для электрических дуг большой мощности, тем не менее она помогает объяснить тот факт, что плот ность тока в столбе дуги значительно выше, чем следо вало бы ожидать, исходя из соотношений для термо электронной эмиссии. Термическая ионизация оказыва ет заметное влияние на проводимость столба дуги.
Под термической ионизацией понимают явление распа да молекул газа на ионы и электроны под действием высокой температуры газа за счет кинетической энер гии от их взаимных столкновений и за счет энергии всех частиц, являющихся непосредственно ионизирующими (нейтральные атомы, электроны, ионы или кванты све та, испускаемые возбужденными атомами).
Ионизированный газ представляет собой как бы смесь трех газов нейтрального, или основного газа, электрон ного и ионного газов. В этой смеси происходит непре рывная ионизация и рекомбинация. При установившем ся состоянии газа имеет место динамическое равнове сие между числом частиц разного вида и скоростями ионизации и рекомбинации.
Термическая ионизация имеет большое значение при температурах порядка нескольких тысяч градусов и дав лении порядка атмосферного. Вывод уравнения термо ионизационного равновесия основан на формуле энтро пии идеального газа:
S=nk(±\nT-\n-± |
+ C), |
(1-9) |
в которую, кроме температуры Т, объема V и числа частиц п входит постоянная энтропии электронного газа
с , |
2(2пшЦ)3'2 |
|
Л3 |
Уравнение для степени ионизации х одноатомного газа |
|
с ионизационным потенциалом |
[/; при давлении р и аб |
солютной температуре Т имеет вид |
|
^ i - p = 2 , 4 . 1 0 - " T 5 / 2 e - e ^ r . |
(1-Ю) |
1 -|-.v2 |
|
21
Для небольших значений степени ионизации можно пре небречь величиной .V2 в знаменателе. Тогда
* 2 р = |
2 , 4 . |
1 0 - 1 Г 5 / а е - в У < / А г . |
(1-11) |
В таком |
виде |
уравнение термононнзацпониого |
равнове |
сия обычно применяют при расчете концентрации сво бодных электронов.
Если ионизация атомов газа душ обусловлена высокой температурой, то число ионов М0 какого-либо компонен та газа определяется уравнением термоионизацноиного
равновесия. Зная величину М0, можно найти по |
анало |
||
гии с |
уравнением (1-10) |
концентрацию возбужденных |
|
ионов |
Ми, обладающих |
энергией возбуждения |
£ „, из |
следующего выражения: |
|
|
|
Ми=М0^е-Еи/кт. |
|
(1-12) |
|
В данной теории основным фактором образования и устойчивого горения дуги является температура. Имен но температура определяет все физико-химические про цессы в столбе дуги и влияет на электропроводящие свойства дугового промежутка.
Придавая большое значение температуре дуги, авторы учения о термической ионизации [31], однако, отмеча ют, что проблема определения температуры столба ду ги сложна как с теоретической, так и с практической стороны.
Газоразрядная плазма
Под плазмой обычно понимают определенное состояние электрического разряда в газе, в котором плотности по ложительных ионов и электронов равны между собой. Плазма — это смесь нескольких газов. Совокупность ча стиц каждого рода (нейтральных молекул, электронов, ионов, фотонов) образует свой газ, в смеси называемый плазмой. Компоненты смеси могут различаться своими физическими характеристиками. Все образующие их частицы находятся в непрерывном беспорядочном теп ловом движении. При этом средние кинетические энер гии и соответствующие им температуры могут быть ли бо равны, либо не равны.
Если температуры всех компонентов плазмы равны между собой, то плазму называют изотермической, если
22
не равны, то иеизотермической. Изотермическая плаз ма — это вещество в состоянии теплового равновесия, как правило, при высокой температуре. Неизотермиче ская плазма никогда не находится в состоянии тепло вого равновесия и должна все время поддерживаться извне, например, электрическим полем и постоянным притоком энергии от источника.
Плазма образуется в результате всех тех физических процессов, которые приводят к ионизации молекул газа. Основным свойством плазмы является ее электропрово димость. Как установлено рядом исследований, элект ропроводность некоторых видов плазм приближается к электропроводности полупроводников. Весьма харак терны особенности внутренней энергии плазмы. Она складывается не только из кинетической энергии посту пательного движения молекул, но и из вращательного и колебательного движений отдельных атомов внутри молекул, а также из энергии диссоциированных и иони зированных компонентов.
Эта энергия увеличивается с повышением температуры плазмы. Мерой внутренней энергии вещества служит его теплоемкость при постоянном объеме. Теплоемкость плазмы сильно возрастает при температурах, когда на чинается многократная ионизация.
С электропроводностью плазмы связано ее свечение, которое служит видимым признаком прохождения тока в газе. Основными причинами свечения плазмы явля ются возбуждение молекул газа и рекомбинационное излучение. Электрические и световые процессы, прохо дящие в плазме, дают возможность изучать ее внутрен нюю структуру и выявить микрочастицы, участвующие в создании плазмы.
К другим особенностям плазмы относятся такие виды движений, свойственные только плазмам, как: плазмен ные колебания и волны, движения плазмы в магнитном поле.
Внешнее магнитное поле многообразно действует на плазму, изменяя ее движение; под действием собствен ного магнитного поля тока наблюдается сжатие плазмы. Увеличение тока и связанное с этим усиление магнит ного поля тока вызывает сжатие положительного стол ба дуги в узкий шнур. Это явление объясняется резуль татом взаимного притяжения параллельных токовых ли
та
ний, на которые можно разбить положительный столб дуги.
Магнитное поле может вызвать деформацию столба — спиральное скручивание его, в результате чего наблю даются вздутия и перетяжки. Поперечное сжатие и расширение плазменного шнура могут вызвать видимый распад столба дуги на отдельные светящиеся области. При этом деформированный столб душ не стоит на ме сте и постоянно перемещается.
ОБОБЩЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГОРЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
Каждая из приведенных выше теорий объясняет лишь отдельные моменты горения или какое-то одно свойство дуги.
Электрическая дуга — явление сложное. Она имеет на чальный период зажигания, затем наступает горение и, наконец, период угасания.
Дуга в условиях сталеплавильных печей горит непре рывно, длительно, устойчиво, но этот процесс сопровож дается обрывами и эксплуатационными короткими замыканиями. Характер горения дуг в печах в значитель ной степени зависит от периода плавки. В период рас плавления холодной завалки горение дуги протекает не устойчиво, выделяется много копоти, газа. Горение при этом сопровождается сизоватым светом и сильными зву ковыми эффектами. По мере плавления шихты и нагре ва стен печи характер горения дуг улучшается; они го рят без обрывов. При полном расплавлении шихты и образовании зеркала расплавленной ванны дуги горят спокойно, ярко светят, их пламя полностью освобож дается от дыма и копоти.
Другими словами, для периода зажигания дуги от мо мента соприкосновения электрода с шихтой, проскакивания первых искр и затем образования начальной фа зы горения дуг можно применять понятия термо- и ав тоэлектронной эмиссии. Под действием высокой темпе ратуры катода начинается испускание с него потока электронов, ионизация среды. Образующаяся при этом лавина электронов, быстро несущихся на анод, образу ет проводящий канал. В этом случае применимы стримериая теория и теория термической ионизации.
24
По мере дальнейшего развития горения дуги образуется плазма, которую можно изучать при помощи теории га зоразрядной плазмы.
В электрических дугах сталеплавильных печей образу ется столб дуги, представляющий собой плазму с высо кой температурой. Плазма образуется в парах, заполня ющих внутреннее рабочее пространство дуговой печи. Само горение дуги при этом сопровождается выделени ем большого количества тепловой энергии и газов, ко торое можно рассматривать как совокупность микро взрывов.
Акад. Н. Н. Семенов, разрабатывая теорию цепных реак ций, пришел к выводу о наличии теплового воспламене ния. На основании химической кинетики он развил тео рию горения и взрывов. Химические реакции в большин стве случаев являются неравновесными, т. е. состав, энергия и энтропия системы в ходе процесса непрерывно меняются. Процессы, происходящие в электрической ду ге, обычно рассматриваются с точки зрения термодина мики, применяемой только к равновесным, неменяющим ся во времени процессам и позволяющей определять взаимосвязь равновесного состояния и таких параметров, как давление, объем, концентрация вещества и т. д.
Вопрос о скорости реакции с помощью термодинамики вообще не рассматривается. Еще Вант-Гоффом, а затем Аррениусом установлено, что в молекулах могут проис ходить колебания их составляющих атомов, вращение целой молекулы или отдельных атомных групп.
Вант-Гофф сформулировал основной принцип кинетики следующим образом: ход химических превращений ха рактеризуется исключительно числом молекул, при
взаимодействии |
которых происходят |
эти превращения. |
В горючем газе |
химическая реакция |
идет по тому или |
иному кинетическому механизму, совершаются различ ного рода химические реакции, в ходе которых выделя ется тепло, пропорциональное скорости реакции. Если начальная температура вещества достаточно высока и выделяющееся тепло не успевает отводиться во внешнюю среду, то происходит лавинообразный процесс быстрого повышения температуры, воспринимаемый как самовос пламенение или тепловой взрыв.
Н. Н. Семенов сделал вывод, что тепловые взрывы, для которых характерна большая энергия активации, идут,
25
как правило, при высоких температурах. При низких температурах наблюдаются атомные ядерные взрывы. Процессы горения в газах относятся к быстропротекающим процессам, так как длительность возникающих в этих процессах реакций и скорости химических превра щений, связанные с перестройкой наружных электрон ных оболочек атомов, составляют менее миллисекунды. В последние годы начинает усиленно развиваться хи мическая теория горения, первоначально выдвинутая В. В. Петровым. Это получило развитие в газовой элект рохимии [32].
Электрический разряд, приводящий к образованию в газе значительного числа возбужденных и ионизирован ных частиц, оказывает большое влияние на протекание химических реакций в газах.
В разряде происходят такие реакции, которых обычно не наблюдают при одном только повышении темпера туры реагирующих веществ. Большое влияние здесь оказывает непосредственное воздействие свободных
электронов разряда |
на атомы и |
молекулы этих веществ. |
В настоящее время |
проводятся |
тщательные исследова |
ния по использованию разряда в газах для химических реакций, по управлению элементарными процессами разряда и определению оптимального режима протека ния химических реакций.
Дуга — высокая температура, тер мическое равновесие микрочастиц, квантовые процессы излучения, не однородное п неравновесное состо яние вещества
РАЗДЕЛ II СВОЙСТВА
И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
ГЛАВА п ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
ВПРИМЕНЕНИИ
КДУГОВЫМ ПЕЧАМ
В1905 г. в своих исследованиях В. Ф. Миткевич [7] показал, что ионизация газов в электрической дуге про исходит в основном за счет излучения электронов с рас каленного кратера катода. Под влиянием электрическо
го поля электроны приобретают большую скорость, и, соударяясь с молекулами газа, разбивают его моле кулы на положительные и отрицательные ионы. В элек трическом поле происходит координация движения об разовавшихся ионов, положительные ионы направляют ся к катоду, а отрицательные — к аноду.
Падение ионов на поверхности электродов поддержива ет кратеры их в раскаленном состоянии, т. е. таким об разом создаются условия для дальнейшего сущест вования дуги.
С. И. Тельный, развивая в своих работах [8—13] основ-, ные положения теории дуги В. Ф. Миткевича, отмечает, что электрическая дуга представляет собой сложный комплекс различных, явлений: электрических, тепловых и химических и поэтому весьма трудно поддается ис следованию. Электрический ток в дуге проводится не только светящимися раскаленными частями газораз рядного столба дуги, но и окружающими их на до вольно большом расстоянии слоями газа.
27
Форма и степень развития различных частей электриче ской дуги зависят от материала электродов, длины и мощности дуги, окружающей среды и т. д. С. И. Тель ный отмечает, что температура кратеров дуги не зави сит от величины тока и длины дуги, а определяется главным образом материалом электродов. В случае
угольных |
электродов температура кратера |
катода 3140, |
|
а кратера |
анода |
3700° К. Предполагается, |
что темпера |
тура столба дуги |
составляет порядка 4000—6000° К. |
||
По исследованиям Томсона, падение напряжения дуги
распределяется |
по |
графику, |
приведенному |
на рис. 2. |
Полное падение напряжения |
равно |
|
||
и = иа + ик |
+ ия. |
|
|
(II-1) |
Величины Ua и UK от длины дуги не зависят, |
а значение |
|||
UR увеличивается прямо пропорционально |
длине дуги |
|||
и уменьшается с увеличением |
тока. |
|
||
Формула Штейнметца для полного напряжения дуги |
||||
U = U0 + Un=a+ |
k { l + _ c ) |
|
(Н-2) |
|
не согласуется с практическими данными для больших значений токов. Так, по уравнению (П-2) при больших величинах тока напряжение дуги почти ие зависит от ее длины. Между тем регулирование режима горения электрических дуг в электропечах с помощью автомати ческих регуляторов основано именно на этой зависи мости.
С учетом температуры падение напряжения состоит из двух слагаемых:
и |
= иг |
+ х, |
(И-З) |
где |
Us = |
p— |
I ; |
|
|
Я |
|
х — поправочный член, зависящий от температуры.
Величина Ui = ^l не зависит от тока и прямо пропор циональна длине дуги.
Показатель х определяется многими параметрами: мощ ностью, длиной и сечением дуги, условиями теплопере
дачи и т.д., т.е. x=f(I, |
I, |
q...). |
Полное напряжение дуги равно |
||
t / = а + р 7 + / ( / , / , |
?...), |
(II-4) |
28
1
Рис. 2. |
Падение |
напряжения в дуге: |
К |
|
а, |
б — на аноде; |
б, в — в столбе ду |
|
|
ги; |
а, |
г — на катоде |
|
|
или |
U=a4-RL. |
(II-5) |
||
|
|
|
|
|
Из уравнения (П-4), или (II-5) |
следует, что напряжение |
|||
дуги не зависит от величины тока и прямо пропорцио нально длине дуги.
Для неподвижной дуги С. И. Тельный вывел |
формулу |
зависимости между напряжением дуги U, ее |
длиной |
и температурой в печи |
|
£/ = а + ( р _ 0 , 4 5 - 1 ( Г 3 Г ) L. |
(П-6) |
Несмотря на то, что формула (П-6) приближенная, по рядок величин соответствует действительным значениям напряжения в печах.
В электрической дуге переменного тока подводимое к дуге напряжение источника можно рассчитать по фор муле
и = t / m a x sin сот.
На основании статической характеристики выведено, что дуга переменного тока начинает гореть только в тот момент, когда ее напряжение достигнет определенной величины (рис. 3), т. е. дуга переменного тока горит с перерывами и ее напряжение изменяется по кривым, значительно отличающимся от синусоид, а потому ко эффициент мощности дуги переменного тока всегда меньше единицы:
(II-7)
29