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

5000

т о

Рис. 152. График мощности карбидной печи:

а — при нормальном режиме; б — при ненормальном режиме

Однако при неблагоприятных условиях эксплуатации и на кар­ бидных печах диапазон колебаний мощности может достигать зна­ чительной величины. На рис. 152, б приведена кривая мощности карбидной печи 5000 кВА при ее ненормальном ходе. Как видим, мощность изменяется в довольно широких пределах. Мощность пе­ чей этого типа обычно регулируют перемещением электродов. При резких изменениях мощности торец электрода в ванне совершает колебания вверх и вниз. Вследствие этого систематически меняется длина дуги и ухудшаются условия горения последней.

Но если при колебаниях нагрузки средняя мощность за длитель­ ный период остается постоянной, то в тигле устанавливается благо­ приятный тепловой режим и создаются условия для более или менее устойчивого горения дуги.

Как было отмечено, тепловая инерция тигля ванны настолько велика, что даже после длительных перерывов в подаче энергии печь довольно быстро набирает мощность.

Совершенно иначе действуют на характер горения дуги такие отключения печи или снижения мощности, которые могут вызвать значительные изменения температуры стенок тигля. В этих случаях меняется положение в ванне, снижается температура газовой сферы тигля и условия горения дуги резко ухудшаются.

Таким образом возникает необходимость изучения формы кри­ вых при переходных режимах работы печи.

Ниже приведены результаты двух исследований переходных процессов в печи. В первом случае рассмотрены процессы включения

220

При таком положении электродов печь была включена, но ток вклю­ чения оказался очень высоким, и через 15 периодов, т. е. около 0,3 с, защита отключила печь (рис. 154). Повторная попытка такого же включения печи не дала положительного результата. После этого электроды были подняты выше и печь была включена (рис. 155). Эта осциллограмма показывает, что и по истечении нескольких часов ванна печи сохраняет достаточно высокую проводимость и,

если обеспечен хороший контакт между поверхностью электрода и шихтой, ванна сразу может взять мощность, близкую к номинальной.

В таких случаях печь работает не в дуговом режиме, а в режиме печи сопротивления. Только после углубления торца электрода в тигель и создания соответствующего теплового режима в ванне возникает дуговой режим. Следует иметь в виду, что такую же высокую электропроводность сохраняют после отключения и ферро­ сплавные печи.

На рис. 156 приведена осциллограмма включения печи при выплавке углеродистого силикомарганца. Сразу же после включения на всех трех фазах нагрузка в печи была близкой к номинальной.

На другой печи мощностью 5000 кВа проведены опыты с глубо­ кими изменениями мощности. По параметрам короткой сети эта

f a

Рис. 155. Осциллограмма силы токов при включении карбидной печи (обозначения см. на рис. 145)

222

Рис. 156. Осциллограмма силы токов трех фаз при включении печи при выплавке углеродистого силикомарганца

печь аналогична предыдущей, и электрические характеристики ее приведены выше.

Опыты проводили следующим образом. Мощность печи, работав­ шей при номинальном режиме, вручную снижали на 70—80% и в течение небольшого промежутка времени поддерживали на таком уровне. Затем включали автоматику и последняя доводила режим печи до заданных номинальных величин. Каждый из процессов коммутации занимал около 40—50 с.

Так как одновременно нужно было регистрировать и процесс изменения нагрузки и форму кривых токов и напряжений, в схему испытаний пришлось включить два осциллографа. Один из них при скорости ленты 3 см/с регистрировал процесс коммутации, а второй при скорости 500—600 см/с записывал форму кривых.

Следует отметить, что перед испытаниями печь находилась в не­ устойчивом тепловом режиме, так как происходили частые отклю­ чения. Поэтому даже при номинальной мощности печи кривые силы токов и напряжений были значительно искажены.

К началу испытаний мощность печи была близка к номинальному значению и составляла 3800—3900 кВт при силе тока 22 кА и на­ пряжении фазы 65 В. При таком режиме, согласно нагрузочным

приведены осциллограммы силы токов и напряжений двух фаз печи, записанные в начале испытания. Как видим, кривые силы токов и напряжений значительно отступают от синусоиды. Через 0,5 ч записана осциллограмма (рис. 157, б) напряжения двух фаз и токи трех фаз.

Мощность печи поднялась до 4400 кВт при фазных напряжениях 64—68 В и токах 24— 25 кА. Кривые силы токов и напряжений несколько выровнялись, но все же они еще сильно искажены, так как тепловое состояние ванны все еще осталось неустойчивым.

После записи этой осциллограммы печь в течение 20 ч работала со значительными перебоями, поэтому тепловой режим ванны печи

223

остался почти неизменным. При таком состоянии печи был проведен первый опыт изменения мощности печи.

На рис. 158 приведена огибающая кривая положительной полу­ волны тока для всего процесса изменения нагрузки, согласно записи первого осциллографа.

Сначала мощность печи была снижена с 3900 до 1600 кВт при ручном регулировании печи. При этом ток с низкой стороны с 22 кА снизился до 8,6 кА. Соответственно с этим напряжение на дуге по­ высилось до 61 В, а мощность на каждой фазе дуги снизилась с 1200 до 525 кВт.

Процесс снижения мощности занял всего 6,7 с. При таком глу­ боком спаде тока и мощности дуги смещение (подъем) электродов составило всего около 40—50 мм.

Следует иметь в виду, что испытуемая печь имеет несимметричную подводящую сеть и прямоугольную ванну, и явление «дикой» и «мертвой» фаз у нее выражено довольно ясно. Поэтому мощности отдельных фаз не равны друг другу. Приводимые же здесь данные фазных мощностей относятся к средней фазе печи. Далее, как видно из рис. 158, в течение 16,3 с ток и мощность печи оставались неиз­ менными. Затем была включена автоматика и начался подъем тока и мощности печи. Через 8,4 с регулирование закончилось, и печь получила заданный регулятором режим: ток фазы достиг 22 кА, а мощность была равна 3900 кВт. Смещение электродов вниз соста­ вило опять 40—50 мм.

В течение всего процесса коммутации мощности вторым осцилло­ графом несколько раз была записана форма кривых силы токов и напряжений. На рис. 159, а показана осциллограмма, снятая при номинальной нагрузке перед процессом коммутации. На ней пока­ заны напряжение фазы А и ток фазы С. Осциллограмма записана при мощности печи 4000 кВт и токе 23 кА. По форме кривая тока довольно близко подходит к синусоиде, кривая напряжения иска­ жена сильнее; у нее все еще сохранились два пика.

224

Рис. 160. Осцил­ лограмма измене­ ния нагрузки кар­ бидной печи мощ­ ностью 5000 кВА

Время г, с

Описанный выше процесс коммутации длился всего около 32 с. За это время ток и мощность печи потерпели глубокие изменения. Несмотря на это, форма кривых силы токов и напряжений измени­ лась очень незначительно. Это объясняется тем, что в промежутки времени, измеряемые несколькими десятками секунд, тепловой ре­ жим ванны не претерпевает существенных изменений.

На рис. 160 приведен другой пример такой же коммутации на­ грузки. На осциллограмме записана только часть процесса снижения нагрузки длительностью 6,3 с. При пониженной нагрузке печь ра­ ботала 23,3 с. Затем в течение 9,3 с нагрузка печи автоматическим регулятором была доведена до номинального значения. И во время этого опыта второй осциллограф записывал форму кривых токов и напряжений. На рис. 161, а приведены кривые силы тока в период снижения нагрузки; Зафиксирован момент, когда мощность снизи­ лась до 4000 кВт, а ток до 22 кА. На рис. 161, б показан момент мини­

На всех этих осциллограммах зафиксированы фазные напряжения и токи. Сравнение осциллограмм еще раз показывает, что тигель ванны печи обладает весьма высокой тепловой инерцией и колебания силы тока и мощности в течение долей минуты не оказывают суще­ ственного влияния на форму кривых силы тока и напряжения мощ­ ной печной дуги.

2 2 6

В заключение приведем несколько осциллограмм из разных цик­ лов испытаний, проведенных О. С. Арутюновым на печах средней мощности.

На рис. 162, а приведены кривые напряжения фазы и, напряжения короткой сети мк, напряжения ванны ив и токи двух фаз i u t2 при нормальном режиме работы карбидной печи мощностью 7500 кВа. Кривая ик смещена на полпериода. Все приведенные кривые весьма близки к синусоиде. Наибольшие искажения, как и следует ожидать, имеет кривая и. Но и она близка к синусоиде; как показывает ана­ лиз, проведенный автором, амплитуда третьей гармоники составляет

сливом карбида кальция, а на рис. 162, в — после слива. Мы видим, что при нормальном режиме работы печи кривые тока близки к си­ нусоиде и даже такой существенный фактор деформации тигля, как слив, не оказывает существенного влияния на форму кривых.

Большого внимания заслуживает рис. 162, г. На нем записаны те же кривые и, ик, ив, ix и г2, но при ненормальном режиме печи. Электроды были подняты вверх и печь работала с открытой дугой, которая наблюдалась визуально с колошника. Несмотря на такое резкое нарушение режима, тепловые условия горения дуги оказались

достаточно благоприятными, и в кривых не наблюдается значитель­ ных искажений. Существенные изменения в форме кривой силы тока второй фазы были зарегистрированы только после того, как под эту фазу в реакционное пространство была загружена свежая известь (рис. 162, д). В кривой тока появился характерный изгиб и небольшой повторный пик.

Глава X

Электрическое поле в ванне печи

1. Введение

Почти во всех руднотермических печах протекают токи, ответ­ вляющиеся от одного электрода к другому, и энергия, выделяющаяся в шихте, является частью общей энергии, выделяемой электрическим током в ванне печи.

В однофазной печи вторым электродом обычно служит под и дуга горит между концом подвижного электрода и расплавом (или шла­ ком), находящимся на поду. Так как вокруг дуги находится шихта, характеризуемая определенной электропроводностью, то параллельно дуге между электродом и подом протекает ток при той же суммарной разности потенциалов, которая приходится на дугу. Таким образом, дуга шунтирована некоторым сопротивлением. С учетом этого сопро­ тивления схема замещения контура примет вид, показанный на рис. 163.

Ток стекает в шихту с боковой поверхности подвижного электрода.

Вслучае, если печь работает в бездуговом режиме, ток стекает также

сторца электрода в жидкий расплав или твердую шихту.

Величина силы тока шихтовой проводимости зависит от большого числа факторов. Основными из них являются распределение элек­ трического и теплового полей в шихте, электропроводность и тепло­ проводность шихты. Так как эти величины неоднородны, то и плот­ ность тока в шихте неоднородна. Вследствие этого неоднородна и плотность энергии, выделяющейся в различных областях шихты.

В трехфазных печах токораспределение еще сложнее. Помимо дуговых токов, текущих от электродов на под по схеме «звезда», токи могут течь также через шихту от электрода на под по схеме «звезда» и от электрода к электроду по схеме «треугольник». В этом слу­ чае электрическая цепь трехфазной печи от зажимов трансформатора

'ш

с з

С З

Рис. 163. Эквивалентная схема однофазной шунтированной дуги: rR, *к — па­ раметры подводящей сети; гщ — эквивалентное сопротивление шихты, шун­ тирующей дугу; Гд — сопротивление дуги

228

до пода как нулевой точки может быть изображена

ввиде схемы замещения, приведенной на рис. 164. И здесь электрическое и тепловое поля, плотность тока и плотность энергии

вразличных частях ших­ ты неодинаковы. Поэтому для печей обоих типов основная задача заклю­ чается в определении

дуги и шихты.

Так как аналитическое решение этих вопросов получается весьма сложным и не всегда дает удовлетворительные результаты, то сначала рассмотрим аналитические методы, а потом приведем результаты экспериментальных исследований.

2< Аналитический расчет электрического поля однофазной печи при постоянстве электропроводности шихты

На рис. 165 приведена схема однофазной печи. Подвижному электроду приписываем потенциал и, неподвижному — 0.

Если отобразить это поле в плоскости подового электрода, то получим симметричное поле между двумя цилиндрами с общей

Уравнение Лапласа для потенциальной функции плоскомери­

Решение этого уравнения в общем виде получается сложным и на нем мы остановимся позже. Можно было бы упростить решение, применив функции комплексных переменных, если бы уравнение не содержало члена с производной первого порядка.

229