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

Для удобства пользования схемами со счетчиками целе­ сообразно проградуировать их показания непосредствен­ но в значениях тока дуги.

Построение же статистических кривых распределения значения токов душ как за отдельные периоды, так и за весь цикл плавки по данным, зафиксированным электро­ счетчиками, ие представляет большой сложности.

В табл. 4 приведены результаты определения реактивно­ го сопротивления одной фазы цепи печи ДСН-0,5 по ам­ перметру и вольтметру, включенным с первичной сторо­ ны печного трансформатора в качестве счетчиков ампер- и вольтчасов, и средней мощности (по счетчику активной энергии).

Реактивное сопротивление цепи приведено к первичной обмотке трансформатора.

Способ определения величин / и / по электросчетчикам, значительно облегчая и ускоряя анализ кривых сложных форм, определение параметров режима печи и горения

Таблица 4

Определение параметра ХцПО электросчетчикам при рабочем

режиме печи ДСП-0,5

П р и м е ч а н и е . Печной трансформатор соединения Д / Д ; А т р = 9 1 . И з м е ­ рительный трансформатор тока 75/5 а. Измерительный трансформатор напряже ­

ния 10000/100 а.

" 2 = и л / / 3 / . « Х = 2 з 1 п ф , ом. * ] Х ц = Х//%}

60

дуг на основе математической статистики, является про­ стым и надежным средством. Он позволяет эксплуатаци­ онникам определять основные внешние параметры электрической дуги и качественно оценить как электри­ ческий режим печи, так и работу автоматического регу­ лятора.

ГЛАВА iv ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ И НЕКОТОРЫЕ ДАННЫЕ

ВНУТРЕННЕГО СОСТАВА ЯДРА ДУГИ

Характерной особенностью горения электрических дуг является непрерывность изменения их формы и цвета в соответствии с протекающими токами. В зависимости от фаз горения меняется геометрический размер, объем и, следовательно, степень концентрации энергии в ядрах дуг.

Выявление формы пламени и объема в зависимости от фаз горения представляет одну из важнейших задач ис­ следования физических свойств электрических дуг.

В дуговых сталеплавильных печах используется трех­ фазных ток, подводимый через угольные электроды в ра­ бочее пространство печи, т.е. образуются три электри­ ческие дуги. В рабочем пространстве печи создается высокая температура, дуги излучают большое количе­ ство света, электроды и пространство внутри печи рас­ каляются до ярко-красного цвета.

Наблюдение за горением дуг возможно через небольшое загрузочное окно. В результате фотографирование дуг затруднено, чем и объясняется тот факт, что в литерату­ ре по электрическим дугам приведено очень мало сним­ ков отдельных фаз горения дуг переменного тока [16, 36,37].

Дж. Самервилл [1] приводит фотографию формы стол­ ба дуги, горящей в узкой трубке. Как и при свободном горении дуги в воздухе, конвекция воздушных потоков нарушает радиальную симметрию и вынуждает дугу принимать различные изогнутые формы.

61

О. Б. Брон [36] с помощью специального устройства по­ лучил довольно отчетливые снимки дуги постоянного тока в плоскостном изображении. Дуги образуются при разрыве плавких вставок предохранителей, ножей ру­ бильников п контактов контакторов.

Г.А. Сисоян [16], кроме снимков, полученных О. Б. Броном, привел фотографии дуги [15], горящей между угольными электродами, и дуги в мощной сталеплавиль­ ной печи.

Г.Ф. Платонов [37] фотографировал электрическую ду­ гу в сталеплавильной печи, используя затемненные стек­ ла между объективом фотоаппарата и дугой. В процессе фотографирования за дугой и пятном велись визуальные наблюдения при помощи затемненного стекла. Размеры пламени дуг и рельеф расплава определялись визу­ ально.

Наиболее достоверные фотографии пламени дуг получе­ ны О. Б. Броном'. Первоначальные попытки автора ис­ пользовать для съемки дуг с целью выявления их дина­ мики и объема обычные кинокамеры (24 кадра в секун­

снимка без выявления формы пламени.

По этой же причине невозможно использовать стереокамеру И. Г. Индиченко, хотя она н позволяет осуще­ ствлять аэрофотосъемку труднодоступных, но неподвиж­ ных объектов с близких расстояний.

Казалось вполне очевидным, что для выявления формы пламени дуг единственно приемлемым методом является фотографический. Сложность использования этого мето­ да заключалась в необходимости производить снимки через слой раскаленной газовой среды. Кроме этого, для получения изображения дуги в желаемом масштабе фо­ токамера должна быть установлена рядом с загрузоч­ ным окном печи. Поэтому для съемки пламени, дуг сталеплавильных печей А. И. Леушиным была смонтиро­

1 Дуги постоянного тока образуются при разрыве коммутацией' ных аппаратов.

62

СКОРОСТНАЯ СТЕРЕОКАМЕРА

Выше было отмечено, что наиболее достоверные фото­ графин пламени дуг были получены О. Б. Бромом. Про­ стота решения сложной задачи позволила воспользова­ ться идеей данного аппарата при фотографировании дуг сталеплавильных печей.

Устройство камеры ССФК существенно отличается от конструкции аппарата О. Б. Брона и В. С. Александро­ ва [36]. Оно состоит из двух фотокамер, передвигаю­ щихся по двум специальным направляющим с 24 объ­ ективами (по 12 в каждой камере), представляющих из себя линзы типа «Монокль», дюралевый диск диаметром 330 мм с 24 отверстиями, выполненными в виде узких щелей-дуг.

Диск приводится во вращение электромотором посто­ янного тока со скоростью 6000 об/мин. Размер фотопла­ стинок 9X12 см, размер отдельного кадра 27X30 мм, выдержка времени 1/24 оборота диска. С помощью дан­

мер и не передвигаются. Дюралевый диск диаметром 500 мм с круглыми 40 отверстиями приводится во вра­ щение однофазным синхронным двигателем переменно го тока, со скоростью 3000 об/мин. Размер фотопласти-

/ 2 3

U

Шп

63

нок 13X18 см, размер отдельного кадра 27X30 мм. Ко­ личество объективов камеры принято из необходимо­ сти фиксации определенных фаз горения дуг в трехфаз­ ных дуговых печах.

1/1000 сек будут фотографироваться моменты горения дуг в трехфазной печи.

В данной камере отверстия в диске расположены так, чтобы одновременно открывать доступ света к двум объ­ ективам. При этом каждая фаза горения дуг фотогра­ фируется из двух точек, что дает возможность получить «стереоскопическую пару» снимков.

Чтобы расстояние между каждой парой отверстий объ­ ективов было одинаковым, их располагают так, что дискам открывается доступ света через крайние левые объективы на. правой и левой камерах одновременно.

Один оборот диска камеры соответствует периоду изме­ нения тока, протекающего через дугу. При частоте 50 гц диск совершает 3000 об/мин, что и обеспечивает син­ хронный электродвигатель.

Отверстия в диске камеры, сдвинутые относительно друг друга на угол 2п/п=18°, образуют замкнутую спираль, что позволяет осуществлять фотографирование отдель­ ных фаз горения дуг за весь период изменения тока и не­ обходимую выдержку времени съемки.

На рис. 10 представлен график изменения трехфазного тока с отметками фотографирования отдельных фаз го­ рения дуг.

64

СЪЕМКА ФАЗ ГОРЕНИЯ ДУГ

Для съемки электрических дуг при помощи стереокаме-

расстояния объективов камеры к расстоянию от камеры до фотографируемых дуг.

Электроды печи расположены по треугольнику, однаиз сторон которого расположена так, что при наблюдении через загрузочное окно дуги как бы совмещаются, поэто­

изменение плотности среды, в которой горят электриче­ ские дуги. Эти колебания обычно фиксируют тремя фо­ тографическими методами: полутеневым, или шлиренметодом Теплера, теневым методом Дворена и интерферрометрическнм методом.

Вместо качественных линз для изображения больших размеров можно использовать вогнутые зеркала. Для съемки дуг автором применялись сферические вогнутые зеркала диаметром 30 и 46 см и высотой сферического сегмента 13,5 см, устанавливаемые на расстоянии 2—Зм от печи. На фотографиях, снятых данным методом, полу­ чены нечеткие изображения дуг очень малых раз­ меров.

Наилучшие снимки дуг получены при непосредственном наведении камеры на пламя при условии, что неоднород­ ность газовой среды устранена с помощью свето­ фильтров.

Съемку дуг производили путем одновременного откры­ тия шторок кассет фотопластин. Для съемки дуг приме­ няли стеклянные фотопластинки или плоские пленки «Изопанхром» размером 13X18 см и чувствительностью не более 65 ед.

Свет от дуг проходил через отверстия в диске, свето­ фильтр, объективы и фиксировался на фотопластинках. Съемку производили в моменты наилучшей видимости всех дуг над поверхностью расплавленного металла, т. е. за несколько минут до выпуска расплавленного металла из печи.

Даже без стереокомпаратора видно, что пламя дуги представляет собой отчетливо выраженное ядро капле­ видной формы. Форма и объем ядра изменяются в связи с изменением тока, протекающего через дугу. Ядро дуги имеет сплошной белый фон, но интенсивность фона ме­ няется с изменением объема дуги.

Наилучшая видимость фаз горения дуг наблюдается при просматривании данных снимков через стереокомпара­ тор, киноаппарат или диапроектор.

Итак, камера ССФК позволяет получать четкие изобра­ жения отдельных фаз горения дуг. На фотографиях вид­ на центральная часть — ядро дуг и очертания раскален­ ных концов электродов. Так как диаметр последних известен, есть возможность, используя его для определе­ ния масштаба съемки, рассчитать реальные размеры пламени и объемы дуг.

ФОРМА ПЛАМЕНИ И ПЛОТНОСТЬ ТОКА В ЯДРЕ ДУГИ

Рассматривая полученные с помощью ССФК фотогра­ фии, можно установить, что горение дуг в трехфазных печах протекает непрерывно. Это подтверждает предпо­ ложение, высказанное в статье [9], что при достаточно большом индуктивном сопротивлении перерывы горения дуги исчезают.

Форму и объем ядра дуги можно определить по стерео­ скопической паре или непосредственно по фотоснимку. Сделав фотоувеличение отдельных кадров снимков дуг, полученных с помощью ССФК, можно детально выявить форму пламени и объем ядра дуги, а также сделать вы­

нашего случая диаметр электрода печи; h — высота ша­ рового сегмента.

Таким образом определение ядра дуги и полной его по­ верхности сводится только к определению высоты сег-

66

мента. Другими словами, по размерам, взятым непосред­ ственно со снимков (с учетом масштаба изображения ци­ линдрического электрода), можно найти геометрические размеры дуги, радиус и диаметр поперечного сечения и объем ее ядра.

Подключив в цепь дуги осциллограф и записав кривые тока, протекающего через дугу, и определив по этим кри­ вым значения токов дуги, протекающих в определенный, зафиксированный ССФК момент фазы пламени дуги, мо­ жно найти значения поверхностной (по площади попереч­ ного сечения) и объемной плотностей тока, зафиксиро­ ванного снимком, в ядре дуги.

£>„=d„md = 4-3,42= 13,68 см, а = 6,84 см.

Высота сегмента h—1,5-3,42 = 5,14 см, тогда объем ядра дуги: V = ~ л5,14(3-6,84г + 5.142) = 442 см3.

Примем, что при данном объеме ядра дуги через нее про­ ходит номинальный ток 4100 а, т. е. 7 т а х = У 27=5800 а. Следовательно, объемная плотность тока в ядре дуги со­

= 5800/376=15 а/см2 при концентрации энергии равной

500 вт-сек/см3.

НЕКОТОРЫЕ ДАННЫЕ ВНУТРЕННЕГО СОСТАВА ЯДРА ДУГИ

По выявленным размерам объема электрической дуги и плотностей тока в нем можно определить некоторые дан­ ные внутреннего состава ядра дуги.

В ядре дуги происходит все многообразие физических процессов микрочастиц, участвующих в создании тока и обусловливающих механизм ее горения.

Зная объемную плотность тока дуги, можно определить, количество электронов, содержащихся в объеме ядра ду­ ги. Один кулон равен заряду в 6,28-1018 электронов. Если в цепи будет протекать ток 5800 а, то в создании тока бу-. дут принимать участие 5800-6,28-1018 = 364,24-1020 элект­ ронов, а объемная плотность электронов в ядре дуги со­ ставит 364,24-1020/442 = 82-1018 смг3.

в плазме. Значения электропроводности дуги для печей различной емкости приведены в табл. 5.

Из данных табл. 5 следует, что такая важнейшая харак­ теристика дуги, как ее электропроводность, не является постоянной и зависит от величины тока и напряжения дуги.

Этот вывод количественного выражения характеристики дуги как плазмы позволяет более детально исследовать ее внутренние свойства. Точную информацию о составе электрической дуги можно получить, используя совре­ менный метод исследования — спектральный анализ све­ та, испускаемого плазмой.

ГЛАВА v ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЛАМЕНИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИЗЛУЧЕНИИ ВЕЩЕСТВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКЕ

Все раскаленные тела испускают и поглощают излуче­ ние. Анализ этого излучения является наиболее доступ­ ным методом исследования раскаленных веществ и опре­ деления их свойств. При этом наблюдение возможно на некотором расстоянии от источника излучения, что нема­ ловажно при исследовании электрических дуг. Анализ мощного потока света видимой части спектра дает воз-

68

можность определить состав дуги, внутренний механизм горения и свойства ядра дуги.

Излучение при дуговом разряде является результатом процессов, происходящих в атомах. Основой классичес­ кой теории излучения считаются уравнения электромаг­ нитного поля Максвелла:

rot Я = б, r o t £ = — — , div 5 = 0, divD = 4пр, dt

D — e0E и В = p,„#.

Для частиц, движущихся в электромагнитном поле, силы Лоренца [39] равны:

f = h + h = qE + q{vB}.

По современным представлениям атом любого вещества состоит из определенного количества трех видов элемен­ тарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Пер­ вые две группы частиц удерживаются силами притяже­ ния, образуя атомное ядро.

Вокруг атомного ядра на относительно больших расстоя­ ниях (10~8 см) находятся отрицательно заряженные электроны, удерживаемые в области атома электромаг­ нитными силами притяжения, действующими на них со стороны положительно заряженного ядра.

Электроны в атомах группируются по оболочкам, каж­ дая из которых содержит определенное число электро­ нов. При этом каждый электрон атома имеет определен­ ную величину энергии и момент количества движения, т. е. каждый атом имеет определенный уровень энергии или терм. В обычных, неядерных превращениях принима­ ют участие электроны, расположенные только на наруж­ ной оболочке.

В нейтральном состоянии атом имеет наименьшее коли­ чество энергии. При поглощении атомом энергии элект­ рон переходит с низшего энергетического уровня на выс­ ший и атом становится возбужденным. При переходе электрона возбужденного атома на более низкий энерге­

Длина электромагнитных волн связана с частотой v со­ отношением %=c/v, где с — скорость света, см/сек.

60