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

Е. Зависимость силы тока от диаметра электрода

Для определения этой зависимости был проведен ряд экспери­ ментов с электродами различных диаметров и различными зазорами при постоянном диаметре ванны.

Несмотря на широкий диапазон колебаний радиуса электрода, при заданном зазоре сила тока оставалась почти постоянной.

На рис. 174, а и б были приведены кривые зависимости силы тока от величины зазора. Эти же кривые по существу характеризуют зависимость силы тока от диаметра электрода. Из них видно, что если, например, при dM3 = 3 см диаметр электрода меняется от 10

Диаметр электрода печи выбирают, исходя не только из электри­ ческих, но и из технологических соображений. Резкое уменьшение диаметра электрода в мощной печи привело бы к расстройству ее хода. Поэтому на основании полученных результатов можно сделать весьма важный вывод. В пределах, допустимых по технологическим соображениям, изменение диаметра электрода почти не влияет на ток. Следует иметь в виду, что в трехфазных печах дело обстоит совершенно иначе.

4, Экспериментальн'ое исследование электрического поля трехфазной печи

А. Модель трехфазной печи

Электрическое поле в трехфазной печи имеет сложное строение и характер его зависит прежде всего от расположения электродов.

Теоретическое исследование строения поля трехфазной печи освещено в ряде работ. Оно показывает, что в трехфазных симметрич­ ных печах, в которых электроды расположены по вершинам равно­ стороннего треугольника, на оси симметрии печи возбуждается вра­ щающееся поле постоянной величины. По мере удаления от этой оси частота и скорость вращения поля меняются, но внутри треугольника распада оно продолжает оставаться вращающимся. Вне этого тре­ угольника оно превращается в пульсирующее поле.

В прямоугольных печах, в которых электроды расположены в ряд, электрическое поле в любом сечении ванны имеет пульсиру­ ющий характер.

Возникающие в ванне печи электрические и магнитные поля определяют как индукционные токи, так и токи шихтовой проводи­ мости.

При рассмотрении трехфазного поля следует отличать мгновенное распределение поля от эффективного. Первое из них в любой точке

?40

показан момент, когда напряжение и ток второй фазы проходят через максимум, на рис. 176, б — через нуль.

Ниже приведены результаты исследования эффективного распре­ деления поля прямоугольной печи, выполненного на модели.

Модель ванны была построена в виде прямоугольного ящика длиной 72, шириной 30 и высотой 24 см. Электроды были изготов­ лены диаметром в 8, 9 и 10 см. В качестве проводящей среды в одних опытах использован дробленый кокс, а в других — слабый раствор поваренной соли. Модель питали от трехфазного воздушного транс­ форматора мощностью в 10 кВА, напряжением 220/11 В.

Опыты были разделены на несколько серий. В первой серии было определено строение электрического поля вокруг электрода, а в по­ следующих — зависимость токов от различных параметров ванны.

Б. Конфигурация поля трехфазной печи

Для определения конфигурации поля были проведены две серии опытов.

В первой из них в качестве проводящей среды был использован раствор поваренной соли. Ящик, имитирующий ванну, заполняли раствором и в него опускали электроды, к которым подводили на­ пряжение. Таким образом, ток стекал в проводящую среду со всей поверхности, погруженной в жидкость.

Один зажим вольтметра подключали к подовому электроду, представляющему нулевую точку системы, а второй при помощи щупа опускали в жидкость.

Строение полей в различных горизонтальных и вертикальных сечениях ванны разное. Поэтому эквипотенциальные поверхности не являются плоскими и линии тока не совпадают с горизонтальными сечениями ванны. Вследствие этого потребовался комплекс изме­ рений. Прежде всего были проведены измерения под торцами элек­ тродов в направлении к подовому электроду. Как и следовало ожи­ дать, градиент потенциала под торцом остается постоянным, и раз­ ность потенциалов меняется пропорционально расстоянию. Это значит, что эквипотенциальные поверхности под торцами лежат в горизонтальных плоскостях и параллельны одна другой. У краев торца эквипотенциальные поверхности загибаются и идут вверх. Между двумя соседними электродами имеются плоскости нулевого потенциала, параллельные вертикальным сечениям ванны. Наличие этих плоскостей и определяет строение поля трехфазной печи и отличие последнего от полей однофазной печи.

На рис. 177, а—в даны вертикальные разрезы полей при электро­

электрода диаметром 10 см на глубине 3 см от поверхности колош­ ника. Сравнение этих рисунков показывает, что линии тока от элек­ трода к электроду (ток, текущий по схеме «треугольник») идут почти параллельно и при уменьшении диаметра электрода или межэлек­ тродного расстояния почти никаких изменений они не претерпевают.

24?

Рис. 177. Поле трехфазной печи

Рис. 178. Горизонтальный разрез поля трехфазной печи

243

16*

схеме «звезда» не принимает. Это положение непосредственно

деляется расстоянием от электрода до пода. Но таким же нулевым потенциалом обладают и симметричные плоскости, проходящие между электродами, и ток, текущий по схеме «треугольник», можно рассматривать как ток, текущий по схеме «звезда» между данным электродом и этой нулевой плоскостью. Так как расстояние между электродом и этой симметричной плоскостью меньше, чем между электродом и подовой плоскостью, то, естественно, токи, текущие от электрода к электроду, должны быть больше; а для верхних зон электрода токи, текущие на под, уменьшаются до нуля.

Г. Величины токов, замыкающихся по схемам «звезда» и «треугольник»

Для определения величины токов, текущих по схемам «звезда» и «треугольник», был проведен ряд опытов, при различных диаме­ трах электродов и различных межэлектродных расстояниях. В каж­ дом опыте сначала регистрировали общие линейные токи, текущие по электродам. Затем между электродами вдоль нейтральных плокостей ставили изолирующие перегородки и определяли токи, текущие только через под, следовательно, определяли только токи

\ д

Рис. 180. Зависимость токов, протекающих по схемам «треугольник» «звезда», от диаметра электродов и глубины погружения их в ванну

245

межДу электродами, т. е. текущие по схеме «треугольник». Во всех опытах торцы электродов были изолированы.

На рис. 180, а приведена зависимость токов от диаметра электро­ дов, которая показывает, что с увеличением диаметра ток между электродами растет. При увеличении D3 с 8 до 11 см ток увеличивается почти вдвое.

Ток, текущий по схеме «звезда», наоборот, с увеличением диа­ метра электродов уменьшается. Из этого рисунка видно, что ток, текущий по схеме «звезда» от второго электрода, значительно меньше, чем от первого и третьего.

На рис. 180, б приведена зависимость тока от глубины погруже­ ния электродов в ванну. Эта зависимость носит иной характер: с уве­ личением глубины погружения электродов токи обоих видов растут. Ток, текущий по схеме «треугольник», меняется по линейному за­ кону, а кривая тока, текущего по схеме «звезда», по мере увеличе­ ния dM. э приближается к горизонтальной линии. Однако распреде­

ление токов в ванне действительной печи значительно отступает от этих закономерностей, вследствие образования под электродами

в ванне, является ее электропроводность. Главными компонентами шихты, опре­ деляющими состав последней, являются восстановитель, окислы и металлы.

Рассмотрим прежде всего восстановитель, так как во многих случаях общая электропроводность ванны определяется именно им.

А. Электропроводность восстановителей

Вкачестве восстановителя в ферросплавном и карбидном производстве исполь­ зуют антрациты, каменные и древесные угли и коксы (каменноугольный, нефтяной,

торфяной).

Все эти группы материалов сильно отличаются друг от друга по свойствам. Но и внутри каждой группы различие восстановителей в зависимости от месторожде­ ния и способа обработки настолько велико, что трудно характеризовать группу каким-либо определенными цифровыми данными. Поэтому приходится в каждом случае устанавливать пределы, внутри которых меняются те или иные физико­ химические свойства данной группы восстановителей.

Классификации и изучению физико-химических свойств восстановителей по­ священа обширная литература. Рассмотрение вопроса в целом выходит за пределы данной работы. Поэтому в табл. 24 приведена только основные данные физико-хими­ ческих свойств интересующих нас восстановителей.

Однако в этой таблице не учтены такие важные факторы, влияющие на электро­ проводность, как модификация материала и температура. Но если их не учитывать, то сопротивление углеродистых материалов является не менее колеблющейся вели­ чиной, чем сопротивление дуги. Так, сопротивление древесного угля (см. табл. 24, по данным Берля для порошка под давлением 350 ат) в 1000 раз меньше сопротив­ ления нефтяного кокса, а между тем в электропечах при одинаковой кусковатости удельная проводимость этих материалов одна и та же.

Такое резкое различие в физико-химических свойствах углеродистых материа­ лов современная теория объясняет их структурой.

По данным ряда авторов, антрациты состоят из мелких слабоориентированных кристаллов графита, в которых имеются включения органических веществ. Эти включения обусловливают высокое удельное электрическое сопротивление антра­ цита.

246

ТАБЛИЦА 24

СРЕДНИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ

Аналогичную структуру имеют и каменные угли. Различие в величине электро­ проводности, по-видимому, объясняется степенью дисперсности кристаллов и физи­ ческими свойствами углеродистых включений.

При коксовании углей образуются кристаллы значительно большей величины. Одновременно происходит разложение органических веществ, вследствие чего значи­ тельно повышается электропроводность продукта коксования. Чем выше темпера­ тура коксования, тем полнее происходит карбонизация органических включений и тем, следовательно, ниже должно быть удельное сопротивление кокса. Нефтяной кокс, например, образуется при 350—400° С, а литейный при 900—1100° С, поэтому

впоследнем и разложение и удаление органических включений происходит полнее

иего электропроводность выше.

Отказываясь от общих цифровых характеристик, можно сказать, что при низ­ ких температурах порядка 200—300° С удельное сопротивление антрацитов и ка­ менных углей очень высокое, сопротивление древесного угля и нефтяного кокса несколько меньше, каменноугольные же коксы и графиты характеризуются значи­ тельно более высокой проводимостью.

Это различие в удельном сопротивлении между восстановителями отдельных видов сильно влияет на величину тока шихтовой проводимости и распределение мощ­ ности в ванне, но прежде, чем рассмотреть этот вопрос, остановимся на основных

стых материалов уменьшается. Однако его изменение в интервале от 0 до 500—600° С незначительно. В следующем интервале До 1000—1200° С удельное сопротивление

турное изменение материала: органичес­ кие соединения разлагаются и размеры кристаллов углеродистых материалов рас­ тут. При 1000—1200° С заканчивается

первая стадия графитирования материа­ лов.

247

температур от 600 до 1000° С это различие настолько сглаживается, что все три кривые почти сливаются.

Как было указано выше, в диапазоне температур 500—1200° С происходит раз­ ложение органических соединений в углеродистых материалах и в связи с этим раз­ личия между их физико-химическими свойствами почти исчезают. Особенно полно выравнивание удельного сопротивления. Для иллюстрации в табл. 25 приведены результаты опытов графитирования основных углеродистых материалов.

ТАБЛИЦА 25

УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

ИПЛОТНОСТЬ ГРАФИТИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

вания колеблется в Довольно узких пределах — от 4,8 до 10,0 мОм-см, в то время как до графитирования удельное сопротивление даже в пределах одной только группы антрацитов менялось в десятки и сотни раз.

Процесс графитирования углеродистых материалов протекает в любой рудно­ термической печи. Восстановитель вместе с шихтой подается в печь при нормальной температуре, по мере опускания шихты в нижние зоны ванны температура ее повы­ шается, достигая в зоне реакций для разных видов сплавов и режима печи 1500—

2500° С.

В зависимости от скорости схода шихты процесс обжига и графитирования вос­ становителя может происходить в течение большего или меньшего промежутка вре­ мени, но существенно важно, что во всех случаях в зону реакций и вообще в ниж­ ние горизонты ванны восстановитель попадает при температурах второй стадии графитирования. А так как при этих температурах основные физико-химические свойства восстановителей всех видов, в том числе и химическая активность и элек­ тропроводность, нивелируются, то можно сделать вывод, что в нижних зонах вид восстановителя не может оказать существенного влияния на величину тока шихто­ вой проводимости. Скорость протекания реакции и величина тока шихтовой прово­ димости в нижних зонах ванны определяются не только реакционной способностью материала, но и физическими свойствами последнего, т. е. его пористостью и кускова-

тостью.

Совершенно иначе обстоит дело в верхних и средних зонах ванны. Шихта по­ ступает на колошник в холодном состоянии и по мере углубления в ванну начинает нагреваться. К сожалению, мы не располагаем достаточно надежными данными об изменении температуры в ванне. По данным Морозенского и Вайнштейна темпера­ тура отходящих газов на глубине 800 мм от поверхности шихты в печах ферроспла­ вов колебалась от 270 до 960° С. Такая высокая температура обусловливается горе­ нием отходящих газов. Непосредственно под поверхностью шихты температура пони­ жается, так как, во-первых, под поверхностью шихты не происходит сгорание га­ зов, а во-вторых, там интенсивно испаряется влага шихты. По нашим наблюдениям, на глубине до 400—500 мм от поверхности колошника температура не поднимается выше 500—600° С. Следовательно, в этой зоне ванны существенно важное значение для тока шихтовой проводимости имеет не только модификация, но и вид восстанови­ теля.

248

где господствуют температуры от 500 до 1200° С. Здесь протекают самые важные из­ менения свойств углеродистого материала — первая стадия графитирования. В этой стадии резко повышается его электропроводность. Следовательно, в средней зоне печи должны сильно возрасти ток и мощность шихтовой проводимости. Однако температура, при которой происходит резкое повышение электропроводности, угле­ родистых материалов различных видов, различна, и даже такой широкий диапазон (500—1200° С) не всегда выдерживается. На рис. 181, например, было показано, что удельное сопротивление двух сортов антрацита начинает уменьшаться при 600° С и достигает минимума при 900° С, а у третьего сорта оно начинает уменьшаться при 700—800° С и достигает минимума при 1050° С.

Естественно, что чем выше критическая температура, тем ниже расположена зона шихты с повышенной проводимостью и, следовательно, больше концентрация тока и мощности шихтовой проводимости вблизи стенок тигля.

С этой точки зрения представляет большой интерес определение электрических характеристик восстановителей тех сортов, которыми мы пользуемся на руднотерми­ ческих печах.

На рис. 182 приведены четыре кривые для четырех фракций кокса, взятого не­ посредственно из бункера одной ферросилициевой печи. Мы видим, что резкое из­ менение удельного сопротивления для всех четырех кривых наступает при темпера­ туре от 600 до 900° С. Здесь не наблюдается такое многократное падение удельного сопротивления, как для антрацитов. Это объясняется тем, что в коксе в период об­ жига уже частично проходит первая стадия графитирования — удаление летучих.

Фактором, влияющим на электропроводность восстановителя, является его кусковатость.

Если между двумя электродами находится кусковатый материал, то ток от электрода к электроду проходит по нескольким параллельным цепям, состоящим из последовательно соединенных кусков. Сопротивление каждой параллельной цепи состоит из сопротивления самих кусков и переходного сопротивления между ними. Переходное сопротивление контакта для углеродистых материалов, так же как для металлов, значительно больше, чем сопротивление самого материала, поэтому в ос­ новном проблема сводится к изучению контактного сопротивления. С уменьшением размеров кусков одновременно с увеличением числа контактов в каждой цепи растет и число параллельных путей тока, причем увеличение числа цепей значительно

249