книги из ГПНТБ / Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи

зафиксированы ток i' и фазовое напряжение «ф сейчас же после посадки электродов.

В кривой силы тока появились едва заметные следы искажения. Через 42 мин после пуска печи и через 17 мин после начала регу­ лирования электродов были снова записаны значения силы тока и напряжения (рис. 138, з). В момент записи мощность печи составляла

Из дальнейшего будет видно, что искажения силы тока могут быть значительно больше. Это объясняется следующим обстоятельством. Во всех снятых осциллограммах был зафиксирован не ток дуги,

а суммарный ток, состоящий из тока дуги и тока шихтовой прово­ димости. Из осциллограммы, показанной на рис. 138, ж, следует, что ток шихтовой проводимости при мощности 6200 кВт достиг 28 кА. Посадкой электрода ток печи был увеличен до 35 кА, т. е. на 25%. Несомненно, что при посадке электрода изменяется и ток шихтовой проводимости, но если даже пренебречь этим обстоятель­ ством и считать, что при посадке электрода ток растет исключительно вследствие появления дуги, то можно сделать вывод, что ток дуги составляет не более 25% общего тока, зарегистрированного на осциллограмме. Следовательно, если из кривой на осциллограмме вычесть синусоидальную составляющую с эффективным значением 28 кА, то получим ток дуговой проводимости. Естественно, что эта остаточная кривая будет искажена гораздо больше, чем кривая осциллограммы. Суммарная кривая около нулевых точек проходит весьма плавно и мало чем отличается от синусоиды, едва заметные же искажения наблюдаются на осциллограммах в средней части пе­ риода. Это и понятно. В начале появления дуги процесс имеет не­ устойчивый характер и, видимо, дуга горит прерывисто, поэтому она более или менее сильно влияет на кривую суммарного тока в сред­ ней части полупериода. В течение трех часов было сделано еще не­ сколько записей. Чтобы подробнее выявить ход изменения кривой силы тока, вместо вибратора напряжения подключили второй вибра­ тор тока и одновременно записывали ток как методом падения напря­

190

установился ровный температурный режим, обеспечивавший высо­ кую степень ионизации и диссоциации газовой сферы тигля. При таких благоприятных условиях ток в дуге непосредственно следует за ходом напряжения и кривая силы тока имеет такую же форму, как и кривая напряжения дуги. Для проверки результатов этой осциллограммы на той же бумаге была сделана повторная запись через 40 мин. Мощность, ток и рабочий режим печи в целом остались неизменными.

Как видно из осциллограммы, кривые тока Г и напряжения и'ф

ив данном случае оказались синусоидальными.

Вдальнейшем описывается другой вариант работы печи при ином составе шихты и сплава, чтобы показать, что при длительном рабочем режиме кривая силы тока печи может иметь и весьма иска­ женную форму.

4.: Дуга при выплавке силикомарганца

А. Специфические свойства плавки силикомарганца. Теперь рас­ смотрим дугу при выплавке силикомарганца, так как технологиче­ ский процесс производства этого сплава обладает рядом специфиче­ ских свойств, резко влияющих на характер горения дуги, которые описаны ниже.

Силикомарганец содержит ~ 65% марганца, 18— 20% кремния и 15— 17% железа [6].

Следовательно, основным компонентом сплава является марга­

Уже при 400— 500° С идет восстановление М п02 до Мп30 4, а так как температура такого порядка господствует в высоких зонах ванны,

191

Довольно далеко отстоящих от зоны дуги, то, следовательно, часть химических процессов протекает в самой толще шихты.

Вследствие этого на значительном расстоянии от газовой зоны тигля часть шихты плавится и в нижние зоны поступает уже расплав ленная масса.

Наконец, процесс получения силикомарганца характеризуется высокой скоростью схода шихты, достигающей для рассматриваемых печей 4— 5 т/ч.

Эти особенности влияют и на электрические характеристики печи как в период установившегося, так и в период неустановившегося режимов ее работы.

требуется большая длительность вскрытия летки.

Все эти обстоятельства приводят к тому, что температурный режим тигля при выплавке силикомарганца нарушается чаще и дуга горит при менее благоприятных условиях, чем при выплавке ферро­ силиция.

Еще резче меняются условия работы печи при простоях. Во время простоя силикомарганцевой печи жидкая и полужидкая магма с верх­ них горизонтов печи стекает вниз и начинает заполнять газовую

Если электроды оставить глубоко погруженными в ванну, то магма, пристав плотно к электродам, может создать настолько зна­ чительную проводимость от фазы к фазе, что режим работы печи приблизится к короткому замыканию.

Во избежание этого обычно при остановке печи электроды под­ нимают вверх и прикрывают колошник свежей шихтой.

Поэтому при включении после длительного простоя печь обычно забирает значительную мощность по шихтовой проводимости при неподвижных электродах. Но магма, окружающая электрод, на­ чинает быстро проплавляться и на торце электрода возникают пере­ мещающиеся дуги.

Таким образом, синусоидальная кривая силы тока, обуслов­ ленная шихтовой проводимостью, должна очень быстро иска­ зиться.

По мере проплавления магмы и образования тигля ток дуговой проводимости, конечно, нарастает, но все время остается искаженным. Для установления более или менее нормального электрического режима и образования нормального тигля требуется значительно больше времени, чем при выплавке ферросилиция.

192

Б. Исследование дуги при различных режимах. Условия длитель­ ной эксплуатации, предшествовавшей испытаниям, были для этой печи примерно те же, что и для рассмотренной выше ферросилициевой. Ее также часто переводили в режим потребителя-регулятора и отключали на 4— 5 ч в сутки. Поэтому не будем останавливаться на этом вопросе так подробно, как это было сделано в предыдущем случае, но отметим, что испытания, проведенные на этой печи, особенно интересны тем, что им предшествовало исключительное для эксплуатации печей явление.

Электрод первой фазы ниже контактных плит сначала получил трещину, а затем и совсем оборвался. Оборванный торец был удален,

повышена до 22 кА, но через 3 ч после повторного пуска печь как регулятор системы была отключена на 10 ч.

Этот исключительный случай был использован для фиксации ненормального режима работы печи.

Таким образом, описываемым ниже испытаниям предшествовали обрыв электрода первой фазы и длительный простой.

Испытания были начаты с первой поврежденной фазы печи.

В момент включения при неподвижных электродах печь забрала 4200 кВт, затем мощность ее начала быстро нарастать и в течение 1 мин достигла 6000 кВт при фазовых токах 22— 25— 26 кА. При этих испытаниях регистрировали не только силу тока и фазовые напря­ жения печи, но и напряжения дуги и падение напряжения в короткой сети печи. Схема подключения вибраторов осциллографа была пока­ зана на рис. 112. Вибратор 1 регистрирует ток, вибратор 2 — паде­ ние напряжения в короткой сети, а вибратор 3 — падение напряже­ ния в ванне или (если пренебречь падением напряжения на участке электрода от контактной плиты до торца электрода) напряжение самой дуги.

Первая осциллограмма (рис. 141, а) была записана через 5 мин после включения печи при мощности 6000 кВт и токе первой фазы 20 кА (режим нормальный).

Электрод первой фазы, на которой проводили испытание, был погружен в шихту всего на 25— 30 см, тигель почти целиком был заполнен полужидкой магмой и довольно плотно облегал электрод.

С момента пуска печь начала работать как печь сопротивления, так как под электродами не было достаточно газовых промежутков, которые создали бы возможность горения дуги.

По мере прогрева шихты проводимость последней и вместе с тем мощность печи начали возрастать. Но уже через 2—3 мин шихта вокруг электродов начала оплавляться, появились газы и между электродом и шихтой начали проскакивать перемежающиеся дуги.

К моменту записи осциллограммы эти перемежающиеся дуги на первом электроде горели со значительным световым эффектом.

При записи были включены только два вибратора: силы тока и падения напряжения в короткой сети от зажимов трансформатора

г

г

Рис. 141. Осциллограммы, снятые при выплавке силикомарганца:

i — сила тока: «к — напряжение на короткой сети; Мд — напряжение дуги; Ыф — напряже" ние фазы; — напряжение смещения нулевой точки

194

до контактных плит электрода. Силу тока измеряли по принципу падения напряжения.

Обе кривые — и силы тока и напряжения короткой сети — искажены.

Искажение кривой силы тока невелико и объясняется наложе­ нием тока перемещающихся дуг на основную гармонику тока ших­ товой проводимости.

Кривая напряжения короткой сети искажена значительно больше. Это и понятно, так как напряжение короткой сети обуслов­ лено в основном индуктивностью.

Следующая осциллограмма (рис. 141, б) была снята через 15 мин после пуска печи.

К этому времени печь достаточно прогрелась и ее мощность повы­ силась до 6200 кВт при фазовых токах 22— 27— 30 кА.

Электроды в течение всего этого периода оставались неподвиж­ ными.

Форма кривых силы тока и напряжения короткой сети за 10 мин работы печи мало изменилась. Кривые рис. 141, б по своему строению весьма близки к кривым рис. 141, а.

Через 30 мин после пуска (рис. 141, в) приступили к регулирова­ нию печи (режим ненормальный); электроды второй и третьей фаз начали медленно углублять в шихту, посадка же электрода первой фазы была оставлена без изменения. Мощность печи повысилась до 6500 кВт со значительным перекосом фазовых токов: 22—30— 35 кА.

Так как режим работы первой фазы остался без изменения, то и кривые силы тока и напряжения короткой сети сохранили свою форму.

Через 2 ч после пуска (рис. 141, г) снова была проведена реги­ страция падения напряжения в короткой сети. Во время записи мощность печи составляла 6700 кВт при фазовых токах 20—30— 37 кА.

Как видно из рис. 141, г, в этом случае не отмечено существен­ ных изменений в форме кривой по сравнению с первой осциллограм­ мой (см. рис. 141, а).

Таким образом, в течение первых 2 ч первая фаза печи работала при почти постоянной величине тока 22 кА. Все это время электрод был незначительно погружен в шихту. Под электродом не создалось условий для нормального горения дуги: Ток в фазе был обусловлен в основном шихтовой проводимостью. Искажения, наблюдаемые на кривых тока, объясняются теми перемещающимися дугами, которые возникают между телом электрода и кусками оплавляющейся шихты.

В течение последующих 1,5 ч печь проработала без перерывов при средней мощности 7100 кВт и фазовых токах 22—35—35 кА. Фазовые напряжения за этот период также оставались крайне не­ равномерными, средние значения напряжений колебались около

105—60— 110 В.

Через 3 ч 30 мин после пуска резко изменили режим (рис. 141, д). Печь остановили и были перепущены электроды на первой и второй

фазах. Перепуск длился 8 мин. Нагрузка печи после перепуска была снижена до 6200 кВт, на фазах поддерживались токи 20— 30—30 кА и напряжения 100— 70— ПО В.

Запись кривых проводили через 22 мин после повторного вклю­ чения печи (перепуска электродов). Помимо силы тока (i = 22 кА) и напряжения короткой сети, было зарегистрировано также фазовое напряжение (иф = 100 В) (рис. 141, д).

Кривые силы тока и напряжения получили характерную для горения дуги форму. Особенно сильно искажена кривая падения напряжения в короткой сети. Кривая фазового напряжения имеет

50 мин. В течение этого времени печь работала нормально без пере­ рыва, но при пониженной мощности. Вычисленная по показаниям счетчика средняя часовая мощность составила 6400 кВт.

Несмотря на постепенную посадку электродов, мощность печи не давала заметного прироста.

В схему осциллографа было внесено некоторое изменение: контур падения напряжения был отключен и вместо него был подключен контур напряжения дуги. Кривые этой осциллограммы показывают явное улучшение теплового режима печи и вместе с тем режима го­ рения дуги. Кривая тока на рис. 141, е, так же как и на рис. 141, д, имеет два максимума, но они здесь значительно сглажены.

Кривая напряжения дуги по форме весьма близко подходит к кри­ вой силы тока; сдвиг фазы между кривыми силы тока и напряжения составляет всего несколько градусов, что указывает на незначитель­ ную индуктивность части контура от контактных плит до пода печи.

Через 6 ч после пуска печи была снята осциллограмма (рис. 141, ж). В течение всего промежутка времени между двумя последними записями печь работала нормально, без перерывов и ее среднечасо­ вая мощность была доведена до 6800 кВт.

Ввиду того, что электрод первой фазы достаточно закоксовался, ток на ней был повышен до 24 кА при иф = 100 В.

К моменту записи кривых мощность печи составила 7000 кВт при токах 24—35— 35 кА и фазовых напряжениях 100— 60— ПО В.

Соотношения в сдвигах фаз между силой токов и напряжениями

издесь сохранились прежние. Кривые силы тока, напряжения дуги

инапряжения фазы сохранили по две горбинки, но они настолько малы, что участки кривых около максимума без значительных по­

грешностей можно принять за прямые линии; у кривых силы тока и фазового напряжения прямолинейный участок почти параллелен оси абсцисс; у кривой напряжения дуги все еще заметен некоторый наклон, характеризующий изменение сопротивления дуги.

Затем печь была переведена на режим регулятора и простояла около 3 ч.

Повторное охлаждение привело к ухудшению режима работы печи и снижению ее мощности.

196

В течение 17 ч с момента окончания второго цикла испытания печь претерпела значительные тепловые колебания, обусловленные повторным обрывом торца электрода первой фазы. Но к концу этого периода ток первой фазы был доведен до 24— 25 кА и следовало ожидать, что дуга под первой фазой будет гореть с той же характе­ ристикой, какую она имела на рис. 141, ж. Для проверки этого случая была записана осциллограмма, приведенная на рис. 141, з (режим, близкий к нормальному).

В момент записи мощность печи составляла 7000 кВт при токах 25—33—35 кА. К осциллографу были приключены вибраторы тока, напряжения дуги и фазового напряжения.

Как и на осциллограмме 141, ж, кривые имеют почти трапеце­ идальную форму. Отличие состоит только в том, что на осциллограмме рис. 141, ж еще наблюдались небольшие горбинки около углов — моменты повышения сопротивления дуги, здесь эти горбинки ис­ чезли. Максимумы кривых на длительном промежутке почти посто­ янны и почти параллельны оси абсцисс. Только у кривой фазового напряжения заметен некоторый уклон.

Через 15 мин ток на первой фазе был повышен до 27 кА и была сделана новая запись (рис. 141, и). Мощность печи при записи со­ ставляла 7200 кВт при токах 27—35—35 кА. В кривых тока и напря­ жения дуги на этой осциллограмме не только не видно горбинок, которые характеризовали осциллограммы на рис. 141, ж и 141, з, но, наоборот, замечена тенденция появления выпуклости вверх, и

Дальнейшие наблюдения были перенесены с первой фазы на третью.

Так как третья фаза в течение всего предшествующего периода работала с полной нагрузкой, составлявшей 30—35 кА, то режим этой фазы можно рассматривать как нормальный для печи при плавке силикомарганца.

На осциллографе были оставлены те же вибраторы, которые использовали при испытаниях на первой фазе, т. е. силы тока, напряжения дуги и фазового напряжения.

Чтобы приблизиться к дуге, точку измерения от контактных плит

197

несколько искажена вблизи точки перехода через нуль. В целом же кривая, несомненно, ближе к синусоиде, чем на рис. 141, з.

Еще большая разница существует в кривых напряжения. Кривая напряжения дуги — почти чистая синусоида с незначительными искажениями у максимумов.

Для проверки формы кривых предыдущей осциллограммы через 25 мин были повторно записаны те же кривые (рис. 141, л). Во время записей мощность печи составляла 7200 кВт при токах 27—33—35 кА и фазных напряжениях 100— 72—90 В (режим, близкий к нормаль­ ному).

Кривая силы тока, так же как и в предыдущем случае, незначи­ тельно искажена недалеко от точки перехода через нуль, прямо­ линейный же участок здесь меньше. Кривые напряжения тоже меньше искажены, чем кривая силы тока.

Последняя осциллограмма (рис. 141, м) была записана после того, как печь проработала непрерывно в течение 11 ч (режим, близкий к нормальному, i = 35 кА).

Этот срок следует считать достаточным для того, чтобы в тигле печи установился устойчивый тепловой режим. Поэтому режим, наблюдавшийся в это время, можно считать нормальным и типичным для работы печи при выплавке силикомарганца.

Как видно, кривые силы тока и напряжения в этой осциллограмме искажены гораздо'меньше, чем в предыдущем случае.

Значительно позднее на этой же печи (после ее реконструкции) было проведено осциллографирование в процессе снятия материаль­ ных и энергетических балансов. На рис. 141, м приведена осцилло­ грамма, снятая за 10 мин до слива сплава. Перед осциллографированием печь длительно работала в устойчивом тепловом режиме. Кроме силы тока, напряжения фазы и напряжения дуги, была за­ регистрирована третья гармоника смещения нулевой точки. Как видно, кривые тока и напряжения дуги, показанные на рис. 141, м и н, почти идентичны и близки к синусоиде, но наличие третьей гармоники показывает, что в печи дуга существует. Однако по своей величине третья гармоника незначительна; при амплитуде фазо­ вого напряжения 130 В ее амплитуда составляет всего 3 В.

Проследив за ходом кривых тока и напряжения дуги, видим, что с улучшением теплового режима работы печи кривые силы тока и напряжения дуги сглаживаются и приближаются к синусоидальной форме. Наоборот, с ухудшением теплового режима форма кривых искажается и чем хуже тепловое состояние печи, тем сильнее иска­ жение кривых.

При оценке кривых силы тока следует иметь в виду, что приве­ денные осциллограммы характеризуют суммарный ток, состоящий из тока шихтовой проводимости и тока дуги. Но ток шихтовой про­ водимости по форме подобен напряжению дуги. Сравнивая форму кривых i и цд, видим, что они довольно близко подходят друг к другу и, следовательно, кривая силы тока не имеет существенных иска­ жений. При всех опытах дуга горела непрерывно и без значительных пауз.

198

Глава (X

Дуга в карбидных печах

1« Параметры исследованных печей

Исследование дуги при выплавке карбида кальция было прове­ дено на печах трех типов. Номинальная мощность трансформатора одних печей составляет 5000, мощность других 7500 и третьих 40 000 кВА. Номинальное напряжение печей первых двух типов с вы­ сокой стороны равно 6,3 кВ. Ванны печей обоих типов четырех­ угольные, электроды расположены в ряд. Для выпуска карбида в печах предусмотрено по три летки. Печи работают на самоспекающихся электродах. У печей мощностью 7500 кВА диаметр электро­

напряжения, что позволяет регулировать напряжение с низкой сто­ роны печи от 100 до 132 В. Напряжение каждой фазы регулируется независимо от других фаз. Схема соединения трансформатора: тре­ угольник— звезда. В табл. 15 приведены номинальные данные ступеней напряжения трансформаторов.

На трансформаторах малых печей предусматривают восемь сту­

Конструктивно короткие сети печей обоих типов выполнены раз­ лично и их электрические параметры достаточно сильно отличаются Друг от друга (табл. 17, 18).

199