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

При рассмотрении движущихся зарядов исследуют из­ лучение, длина волны которого много больше радиуса

Поле системы точечных зарядов представляет собой сум­ марное поле отдельных зарядов, так как уравнения Максвелла линейны. При изучении диполыюго излуче­ ния и системы зарядов применяется вектор Пойнтинга. Электромагнитные волны сложного излучения, состояще­ го из излучений длин волн, можно разложить на спектр. Спектр изображается в виде узкой горизонтальной по­ лоски, в которой каждая вертикальная линия соответст­ вует одной длине волны, т. е. одному монохроматическо­ му излучению. В спектроскопии процесс испускания мо­ нохроматического излучения с данной длиной волны К называют испусканием спектральной линии X.

Если сложное излучение состоит из конечного числа мо­ нохроматических излучений, то такой спектр называют линейчатым, или дисперсным. Излучение, состоящее из монохроматических излучений всех длин волн, имеет сплошной непрерывный спектр.

При каждом переходе электрона с верхнего уровня на нижний испускается фотон с частотой электромагнитной волны v, т. е. испускается свет только одной длины вол­ ны. Излучение газа содержит электромагнитные волны всех длин, которые соответствуют переходам между все­ ми возможными энергетическими состояниями атомов данного элемента. Спектр такого излучения определяет­ ся совокупностью возможных состояний атомов данного элемента и характеризует этот элемент.

Возбуждение атома (иона) происходит вследствие стол­ кновения его с электроном, кинетическая энергия Wa которого накапливается за счет электрического поля, ускоряющего электрон, и определяется выражением

скорости электрона.

70

Для каждого атома существует определенный потенциал ионизации, являющийся одной из важнейших характери­ стик атома.

Отношение числа столкновений электрона с атомом к об­ щему числу столкновений называется вероятностью воз­ буждения.

Соударения часто характеризуют величиной

которую называют эффективным сечением атома для та­ ких соударений, а зависимость показателя Q от скорости электрона — функцией возбуждения.

В любом источнике света происходит одновременное из­ лучение многих атомов, находящихся во всех возможных энергетических состояниях. Газовое облако источника света имеет сложное излучение — набор квантов, или частот излучения.

Вместо длины волны иногда пользуются шкалой частот, что удобнее, так как частота колебания характеризует внутриатомные процессы и не зависит от свойств среды. Частота однозначно связана с длиной волны:

Для получения спектра излучения применяют различные приборы (спектрографы, стилоскопы И т. д.), использую­ щие отражение, преломление на границе раздела двух сред, дифракцию и интерференцию световых лучей.

Для съемки спектра электрических дуг сталеплавильных печей в данной работе был использован спектрограф ИСП-51, предназначенный для диапазона волн от 4000

о

до 10 000 А. Спектрограф был укомплектован четырьмя сменными камерами и двумя коллиматорами. Диспергирующая система спектрографа состоит из трех призм, общий преломляющий угол призм больше 180°. Спектрограф устанавливали на некотором расстоянии от печи и пламя дуг наблюдали через загрузочное окно пе­ чи. Съемку спектра дуг производили в момент, когда дуги горели спокойно и пламя их не заволакивалось ды­ мом. Чаще всего это были периоды перед выпуском ме­ талла из печи, когда огнеупорная кладка свода, стен и пода печи претерпевала максимальную тепловую на­ грузку,

71

Лучи света от электрических дуг проходили через мик­ рообъектив и направлялись на щель спектрографа. Ши­ рина щели во всех опытах равнялась 0,005 мм, высота ее ограничивалась диафрагмой Горгмана. Призмы устанав­ ливали в таком положении, чтобы на середине экрана и иа фотопластинах была характерная область линий же-

о

леза с А,=4890А. Фокусировку спектрографа производи­ ли по паспортным данным.

Для фотографирования спектра дуг печей применяли ка­ меру с фокусным расстоянием F = 270 мм. и фотопластин­ ки 6X9 см чувствительностью 90 ед. (нормальные) и 3 ед. (спектрографические). Время экспозиции находи­ лось в пределах 2 сек, затвор ручной.

На каждой фотопластинке было заснято 5—7 спектров дуг определенной емкости печи для различных моментов плавки. По-видимому, это исследование является первой работой по изучению оптических спектров дуг промыш­ ленных сталеплавильных печей.

Все печи трехфазные с зависимо горящими дугами. Ду­ ги горят между графитовыми электродами и самим на­ греваемым металлом через шлак, служащий как бы вто­ рым электродом. Электрический ток, образующий дугу, проходит от электрода к металлу.

Футеровка печей основная. Период плавки зависит от емкости печи: от 2 ч для печи 0,5 т до 8 ч для печи 40 т. Во время съемок в печах выплавляли сталь 40, марганцо­ вистую, хромистую (40Х) сталь и т. д.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИИ ДУГ

Обычно для анализа излучения применяют метод обра­ щения спектральных линий. Сущность метода заключает­ ся в следующем. Эталонный источник света со сплошным спектром излучения и известной температурой проекти­ руется с помощью линзы в плазму исследуемой дуги, в которой есть примеси какого-либо элемента, имеющего линейчатый спектр.

Излучение плазмы дуги, просвеченной эталонным источ­ ником, проектируются через лиизу па входную щель спектрографа.

С повышением температуры плазмы в фокальной плоско­ сти спектрографа наблюдается следующее. До тех пор, пока яркостная температура эталонного источника вызде

72

температуры плазмы дуги, на сплошном спектре эталон­ ного источника выделяются липни плазмы. При условии равенства яркостной температуры источника и темпера­ туры плазмы наступает обращение спектральных линий: линии плазмы исчезают на фоне сплошного спектра, а при дальнейшем повышении температуры плазмы на фоне сплошного спектра эталонного источника наблюда­ ются эмиссионные линии плазмы [18, с. 49].

Для съемки оптического спектра дуг сталеплавильных печей метод обращения спектральных линий использо­ вать не представилось возможным.

Нами производилась съемка спектра электрических дуг сталеплавильных печей с помощью спектрографа ИСП-

дуемых дуг сталеплавильных печей различной емкости. В противоположность утверждению ряда авторов [31], что дуги большой мощности испускают сплошной спектр, исследовать который не представляется возможным, в данной работе в исследуемых дугах получены линейча­ тые спектры. Причем на каждой фотопластинке было получено большое число спектральных линий (на длине 6 см) с различной степенью почернения.

Каждый спектр исследуемых дуг с помощью спектропроектора ДСП-1 был увеличен и получен спектр иссле­ дуемых дуг в одном масштабе со спектром атласа ли­ ний. Оказалось, что для печей емкостью 0,5 г спектр име­ ет 273 спектральные линии. Эта цифра для остальных печей равна 134 для печи 1,5 т, 131 для печи 3 т, 242 для печи 10 г и 219 для 40-г печи.

Полученные спектры дуг сопоставляли с атласом линий дугового и искрового спектров железа [40]. Атлас со­ держит снимки-планшеты дугового и искрового спектров

о

железа области от 3718 до 9739 А, выполненные с помо­ щью стеклянного трехпризменного спектрографа ИСП-51 с камерой УФ-84. В этом же атласе имеется таблица интенсивностей приводимых в атласе линий. Сопоставление показало, что линии, выводимые с помощью линз на щель спектрографа ИСП-51, расположены в области от

о

4480 до 5862 А. Для печей различной емкости, а следо­ вательно, и мощности дугового разряда линии спектра располагаются внутри данной области.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЛАМЕНИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ

Определение химического состава электрических дуг имеет большое значение для выявления внутреннего со­ держания ядра дуги и механизма ее горения.

Метод спектрального анализа оптического спектра пла­ мени дуг позволяет выполнить эту задачу.

В сталеплавильных печах, кроме железа, в состав завал­ ки входят (десятые доли процента): марганец, кремний, сера, фосфор, хром, никель и т. д.

Химический состав пламени дуг (табл. 6) определен на основе анализа спектральных линий видимого излучения электрических дуг сталеплавильных печей различной ем­ кости [41].

Спектры дуг снимались перед самым выпуском металла из печи, когда дуги горели между раскаленными конца­ ми электродов и зеркалом расплавленной ванны метал­ ла. Поэтому вполне естественно, что в спектре дуг отсут­ ствуют линии компонентов шлака.

На основании анализа спектров можно сделать вывод, что пламя электрических дуг содержит 70—99% Fe, т.е. вещества одного из электродов дуговой печи. Некоторые линии спектра дуг принадлежат марганцу, хрому, молиб­ дену и т. д., т. е. элементам, входящим в состав металли­ ческой завалки печи. Большинство линий железа иссле­ дуемого спектра имеют однократный потенциал иониза­

^74

При дальнейшей расшифровке исследуемых спектров пламени дуг установлено, что электрические дуги стале­ плавильных печей испускают линейчатый спектр в опре­ деленной области длин волн, а за ними наблюдается не­ прерывный фон — сплошной спектр. Линейчатый спектр был получен путем вывода отдельных участков спектра на фотопластинку путем поворота оптических призм спектрографа.

Но на каждой пластинке снятого спектра имеются участ­ ки без спектральных линий, являющиеся как бы фоном съемки. Этот фон и есть сплошной спектр.

Спектр электрической дуги сталеплавильной печи пред­ ставляет собой совокупность линейчатого и сплошного спектров, что является результатом близкого взаимного расположения областей с сильно различающимися физи­ ческими свойствами.

Так, сплошной спектр принято относить к поверхности ка­ тода, а линейчатый —• к электрической дуге.

Главной особенностью линейчатого спектра дуги являет­ ся то, что он всегда содержит яркие линии металла ка­ тода [2]. Значительное расширение линий спектра при­ нято объяснять влиянием магнитного поля.

Таким образом, спектральный метод позволяет расшиф­ ровать процессы, имеющие место в дуге.

ГЛАВА VI ВНУТРЕННИЕ СВОЙСТВА

ДУГ, ВЫЯВЛЕННЫЕ АНАЛИЗОМ ИХ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА

НЕКОТОРЫЕ СООТНОШЕНИЯ В СПЕКТРАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ

Как уже отмечалось, спектры излучения получаются при высокой температуре источника, при которой происходит испарение вещества, расщепление его молекул на отдель­ ные атомы и возбуждение атомов к свечению.

Из существующих трех видов спектров (линейчатых, по­ лосатых и сплошных) первые испускаются атомами в

процессе их перехода, с одного энергетического уровня на другой. Полосатые спектры, характерные для моле­ кул, являются результатом изменений электронной, ко­ лебательной и вращательной энергии молекулы. Сплош­ ные спектры (или непрерывный фон) появляются в ре­ зультате изменений скорости движения свободных элек­ тронов (присутствующих в нагретом газе), пролетающих мимо ионов и вызывающих излучение световой энергии. Дискретный характер линейчатых спектров объясняется квантовой природой излучения. Положение и число линий в спектре каждого элемента определяются энергети­ ческими уровнями его атомов и правилами отбора, кото­ рые дают все возможные комбинации термов, приводя­ щих к излучению.

В различных источниках и даже в разных участках пла­ мени одного и того же источника, а для источников, пита­ ющихся переменным током, и в разные моменты времени, может наблюдаться тот или иной тип спектра и главную роль играть тот или иной механизм излучения.

Число линий в спектре каждого элемента бесконечно ве­ лико, так как спектральные линии элемента можно раз­ делить на определенные последовательности серий, при­ чем каждая серия охватывает совокупность линий, соот­ ветствующих изменению главного квантового числа верх­ него терма от некоторого значения до бесконечности.

Спектрографы фиксируют информацию излучения, посы­ лаемую источником, и дают возможность по спектру про­ водить анализ свойств и структуру исследуемого веще­ ства.

Как уже отмечалось, длины волн спектральных линий дуг сталеплавильных печей емкостью 0,5—40 т распола-

о

гаются в области от 4480 до 5862 А.

Для анализа экспериментальных данных оптических спектров спектральные линии принято характеризовать не длиной волны, а волновыми числами, т. е. числом волн, укладывающихся на длине в 1 см, или величиной

где Явак — длина волны, отнесенная к вакууму, см.

Для перевода длин волн спектральных линий в воздухе ^возд к длине волны в вакууме Хи&« по формуле

Кш = КоЗЛ+АК (VI-1)

76

пользуются специальной таблицей спектральных линий [41].

Коэффициент преломления среды находят из отношения М- = ^взк^возД-

Для Я,=4400 А, (.1=1,82.

Для области длин волн спектральных линий 4480— 5862 А волновые числа равны v=22312,96-=-17053,206 см-1 . Линии в спектрах располагаются сериями. Длину волны серии водорода, по Больмеру, определяют из выражения [42, 43]

где А — постоянная;

R—постоянная Ридберга, равная 109 678 слН; п—• главные квантовые числа, п = 3, 4, 5.

Ридберг волновые числа или частоты представил в виде разности

Для анализа необходимо найти в исследуемом спектре постоянные разности частот. Разность частот в спектре определяют из выражения

« , = 2 - ^ . (vi-e)

77

Е

Если обозначить энергию атома до испускания света че­ рез W2, а после испускания через Wu то AW=W2—W\ = =hv,

или v = Wojh — WJh.

Последнее уравнение выражает правило частот Бора. Сравнивая правило частот Бора с соотношением Ридберга (v = Tl—Т2), получаем, что термы серии 7\ пропорцио­ нальны энергии атома

Tt = —Wt/h.' (VI-8)

Наименьшей по алгебраическому значению энергии ато­ ма Wi соответствует наибольший по числовому значению терм. Графическое изображение уровней энергии атома представлено на рис. 11.

Процессу испускания света с частотой, соответствующей одной из разностей энергиии Wn—Wi отвечает переход атома с уровня меньшей энергии на уровень большей энергии, т. е. процесс ионизации атома. Соответствующий потенциал IIi носит название потенциала ионизации.

78

ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТЕРМОВ

Для изучения строения электронных оболочек атомов не­ обходимо по энергетическим данным о спектрах опреде­ лить численные значения термов. Численные значения термов находятся из условия, чтобы частоты линий одной серии охватывались формулой

Для нахождения численных значений термов в первом приближении воспользуемся формулой (VI-10), тогда

Составим разности частот v , + i — п о эмпирическим дан­ ным и сравним их с соответствующими табличными зна­ чениями А.

Путем интерполяции и усреднения получаем значения Д, по которому в первом приближении определяем перемен­ ный терм серии Т(/г) по формуле (VI-5).

По вычисленным значениям Т(п) и эмпирическим зна­ чениям частот находим постоянный терм

Кпримеру, значение постоянного терма Т„ —59816 смгх.

Впервом приближении

Для нахождения второго приближения по усредненному значению Too =59816 сиН и эмпирическим значениям ча-

79