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

к стенкам тигля. В дальнейшем температура газов и стенок тигля выравнивается и теплообмен между ними прекращается.

Так как выход газов из тигля через зазор между шихтой и элек­ тродом продолжается, от температура газов продолжает снижаться

истановится ниже температуры стенок тигля. С этого момента теп­ ловой поток меняет направление и стенки тигля отдают тепло газам,

врезультате чего постепенно снижается температура стенок тигля

иблизлежащей магмы. В это же время происходит теплоотдача от

наружной поверхности ванны.

Таким образом, внутри шихтовой массы между стенками тигля и кожухом ванны будет существовать некоторый слой с наивысшей температурой и теплоотдача от этого слоя будет происходить в обе стороны — и в сторону самого тигля, и в сторону кожуха ванны. Слой этот постепенно будет перемещаться от внутренних стенок тигля в сторону кожуха ванны. По мере его перемещения сни­

Так как в ванне печи аккумулируется большое количество тепла и шихтовая магма обладает небольшой теплопроводностью, то про­ цесс охлаждения ванны и выравнивания температуры протекает очень медленно.

1. Классификация тиглей руднотермических печей

Тигли ванн руднотермических печей можно разделить примерно на три типа.

1. Тигли, образующиеся при бесшлаковых процессах с высоким удельным расходом электроэнергии и малой скоростью схода шихты. К таким процессам относится выплавка 75%-ного и 45%-ного ферро­ силиция.

Тигли этого типа характеризуются достаточно высокой механи­ ческой прочностью и устойчивостью. Они достаточно четко ограни­ чены и изолированы в тепловом отношении. При изменении тепловых условий деформация их происходит медленно. Зона реакции в тиглях этого типа имеет небольшую толщину. В таких тиглях имеются условия для интенсивной ионизации и диссоциации газовой сферы. Поэтому дуга в таких тиглях должна гореть устойчиво и форма кри­ вых силы тока и напряжения дуги должна быть весьма близка к си­ нусоиде.

При длительном горячем простое печи форма тиглей сохраняется почти без изменения.

2. Тигли в бесшлаковых сплавах, когда процессы протекают с ма­ лым удельным расходом электроэнергии и большой скоростью схода шихты. К таким сплавам относится карбид кальция. Тигли этого

ваны; поэтому дуга в них должна гореть устойчиво и синусоидаль­ ная форма кривых силы тока и напряжения редко нарушается.

280

При длительных горячих простоях тигли этого типа подвержены определенным деформациям, но все же в основном сохраняют свою форму.

3. Тигли сплавов со значительным количеством шлаков, при про­ текании процессов с малым удельным расходом электроэнергии и большой скоростью схода шихты. К таким сплавам относятся силикомарганец и ферромарганец. Тигли этого типа механически мало устойчивы и подвержены частым деформациям. Температура на внутренних стенках таких тиглей ниже, объем самих тиглей относи­ тельно больше. Зона реакции имеет значительную толщину. Тепло­ вые условия горения дуги в таких тиглях гораздо хуже, чем в тиглях двух первых типов. Поэтому дуга в них чаще подвергается обрыву и кривые силы тока и напряжения дуги в большей или меньшей сте­ пени отклоняются от синусоидальной формы.

Как было указано в гл. I, попытки строгой и единообразной клас­ сификации печей терпят неудачу из-за того, что один и тот же сплав может быть получен при различных режимах работы печи. Это поло­ жение сохраняет силу и при классификации тиглей. В зависимости от теплового состояния печи строение и форма тиглей данного сплава могут меняться в весьма широких пределах; тигли приведенных выше типов характерны для нормальных режимов работы печей.

На с. 274— 276 приведено несколько схем строения ванны печи; одни из них носят чисто умозрительный характер, другие построены по данным исследования ванн печей после их отключения. Ни те, ни другие не могут дать полного представления о строении тигля ванны в его динамическом состоянии. Поэтому исследование ванны в процессе ее работы является весьма важной проблемой.

Глава X II

Шунтирование электрической дуги в печи

1« Принципы шунтирования дуги

Электропроводность шихты, окружающей электроды руднотерми­ ческой печи, в подавляющем большинстве случаев имеет конечную величину. Поэтому через шихту всегда протекает ток шихтовой про­ водимости. Величина этого тока зависит от величины электропровод­ ности.

Объемная плотность мощности, выделяющейся в шихте, зависит от удельного сопротивления шихты и плотности тока

р = 62р, (ХП-1)

где 6 — плотность тока; р — удельное сопротивление.

Если электрическое сопротивление шихтовых материалов очень мало, то невозможно получить высокие объемные мощности в шихте, И печь приходится переводить на дуговой режим. В этом случае

281

шихта газовыми потоками изолируется от электрода и ее случайное: соприкосновение с ним приводит к короткому замыканию печи. Такими печами являются сталеплавильные печи и печи рафинирова­ ния металлов.

Но и при весьма высоких удельных сопротивлениях шихты нельзя достичь высоких объемных плотностей мощности, потому что такая шихта не позволяет получить высокие плотности токов. Поэтому при весьма высоких и весьма низких электропроводностях шихты печь работает в дуговом режиме и только при средних значениях электропроводности шихты возможна эффективная работа печи в режиме сопротивления. Но и при работе печи в режиме сопротив­ ления возможно возникновение дуги. В этом случае печь будет ра­ ботать в смешанном режиме. Часть тока будет проходить через дугу, а часть — через шихту. На рис. 206 приведена схема замещения печи, работающей в смешанном режиме.

Однако, если удельное сопротивление расплава достаточно ве­ лико, то при расчетах нужно учитывать падение напряжения, обус­ ловленное прохождением тока через расплав. Поэтому для однофаз­ ной печи в схему замещения цепи последовательно с дугой надо ввести эквивалентное сопротивление расплава.

Для трехфазных печей схема замещения еще сложнее, так как приходится учитывать токи шихтовой проводимости, замыкающиеся как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник». Эти схемы замещения будут рассмотрены ниже.

Взаключение отметим, что большинство ферросплавных печей работает по смешанному принципу.

Внастоящее время уже не подвергается сомнению смешанный характер работы карбидных печей: часть энергии в них выделяется

вдуге, а часть — в шихте и расплаве. При этом расплав расположен последовательно с дугой, а шихта — параллельно дуге и расплаву.

По некоторым данным, для мощных карбидных печей отношение мощности, выделяющейся в расплаве и шихте, к мощности дуги колеблется около двух. Для маломощных печей это отношение, по приведенным выше данным А. С. Микулинского, несколько меньше.

Иначе обстоит дело в мощных ферросплавных печах. В частности, на печах мощностью 16,5 MBA, по нашим данным и измерениям И. Т. Жердева, в шихтовых материалах шунтирующие токи обна­ руживаются на глубине порядка 800— 900 мм от поверхности колош­ ника. На печах такого же типа при наличии свода (закрытые печи) шунтирующие токи обнаруживаются уже на глубине 200— 300 мм.

--------- (ZD-

р и с . 206. Схема замещения шунтированной дуги

282

При этом плОтнОбтй токов Меняются в довольно широких пределах: от десятых долей до 4— 5 А/см2.

Такие резкие изменения плотности тока объясняются значитель­ ным различием температурных полей открытых и закрытых печей. В открытых печах ответвление шунтирующих токов происходит в более глубоких зонах, по сравнению с закрытыми. Дуга же в от­ крытой печи имеет большую мощность.

2« Влияние шунтирования на форму кривых тока и напряжения дуги

Все приведенные выше кривые токов изображают суммарный ток ванны печи, который слагается из двух составляющих: тока, проте­ кающего через дугу, и тока, протекающего через шихту. Поэтому при анализе осциллограмм надо всегда иметь в виду, что кривая представляет не только ток дуги.

Определение составляющих общего тока ванны печи или выделе­ ние тока дуги представляет большие трудности и в подавляющем большинстве случаев необходимые данные для решения этой задачи отсутствуют. Но все же в литературе встречаются попытки опреде­ ления составляющих тока ванны.

Обычно задаются определенной формой кривой напряжения дуги и, исходя из параметров контура, определяют форму кривой тока. Так, задаваясь постоянством напряжения дуги в период ее горения, определяют составляющие тока дуги С. И. Тельный и И. Т. Жердев и В. П. Никитин.

Действительно, обозначим через гк и LK активное сопротивление и индуктивность короткой сети печи, а через гши гд — сопротивления шихты и дуги (см. рис. 163). Если кривая подведенного к печи напря­ жения синусоидальна, а напряжение дуги в период ее горения по­ стоянно, то для шунтированной дуги можно записать три следующих

кривые как токов дуги и шихты, так и суммарного тока.

На рис. 207 приведены составляющие тока и суммарный ток печи по данным С. И. Тельного и И. Т. Жердева. Как видно, кривая тока дуги несколько искажена, но близка к синусоиде. Кривая суммарного тока также искажена и имеет небольшой перегиб у переднего края.

На рис. 79 была приведена осциллограмма шунтированной дуги, снятая И. Т. Жердевым, который на основе развитой выше теории шунтированной дуги выделяет составляющие полного тока. Однако не всегда можно добиться такого разделения токов для осциллограмм,

283

симости от теплового режима, то кривые силы тока и напряжения дуги получаются очень разнообразными по характеру.

Остановимся еще раз на процессе возникновения и прекращения дуги. В дуговом промежутке образуются электроны и ионы, необ­ ходимые для существования тока в цепи. В разрядном промежутке число свободных заряженных частиц зависит от ряда факторов: напряженности поля, температуры и плотности газов, степени охла­ ждения последних и т. д. Баланс заряженных частиц в каждый данный момент в конечном счете определяется их ионизацией, ре­ комбинацией и диффузией.

В момент прохождения кривой напряжения разрядного проме­ жутка через нуль ионизация соударением резко уменьшается, в то время как убывание числа заряженных частиц вследствие рекомби­ нации и диффузии продолжается. Если при обратном нарастании напряжения в газовой сфере имеется достаточное число заряженных частиц, то ток в разрядном промежутке восстанавливается немед­ ленно. Если же в газовой сфере в период прохождения кривой на­ пряжения через нуль деионизация и диффузия протекают с большой интенсивностью, то число заряженных частиц в разрядном проме­ жутке уменьшается настолько, что дуга обрывается и для повторного зажигания требуется нарастание напряжения до величины, доста­ точной для ионизации среды, соответствующей разрядному режиму («возникновению»).

Дуга может гореть устойчиво, с более или менее длительными паузами тока, но устойчивое горение может протекать и без пауз тока (непрерывное горение дуги).

Для каждого из этих случаев требуются определенные условия не только во внешней части дугового контура, но и в разрядном промежутке. Если электрические и тепловые условия таковы, что в разрядном промежутке создается благоприятный баланс заряжен­ ных частиц, то дуга после прохождения тока через нуль возникает немедленно и, следовательно, горение дуги протекает непрерывно.

После возникновения разряда форма кривой тока также опре­ деляется не только константами внешней части цепи. Если э. д. с. источника значительно превышает напряжение дуги и основная часть этой э. д. с. уравновешивается падением напряжения во внеш­

2 8 4

ванной активным сопротивлением.

Мы видим, как по мере увеличения напряжения возникновения дуги, искажение кривой силы тока увеличивается.

В руднотермической печи падение напряжения от зажимов транс­ форматора до электродов, правда, в основном является реактивным, но составляет всего 10— 15% подводимого напряжения. Следова­ тельно, форма кривой силы тока главным образом определяется явлениями, протекающими в самом разрядном промежутке. Весьма важно то, что падение напряжения в короткой сети сдвинуто по отно­ шению к току почти на 90° и составляет в момент прохождения тока через нуль около 15— 20 В, т. е. примерно равно падению напряже­ ния в катодной и анодной областях дуги.

Следовательно, если в столбе дуги в момент прохождения тока через нуль обеспечена достаточно высокая ионизация, то дуга будет гореть стабильно без пауз тока.

В рассматриваемой группе осциллограмм, как видим, в момент прохождения тока через нуль обеспечено напряжение, равное па­ дению потенциала в катодной и анодной областях. Кривая силы тока проходит через нулевые значения без пауз. Но на осциллограм­ мах зафиксирован суммарный ток (дуги и шихты), поэтому по кри­ вой нельзя еще судить, горела дуга без пауз тока или нет. Суждение об этом можно получить, исходя из кривой напряжения.

Кривая напряжения плавно нарастает от нуля по синусоидаль­ ному закону и искажена всего около одной шестой части полупериода, а потом кривая плавно стремится к нулю опять по синусоиде. Если считать, что дуга горит только в течение той части периода, когда кривая напряжения дуги близка к прямолинейной характеристике, то можно получить кривую тока с весьма длительными паузами, вследствие чего она значительно искажается. Она должна будет иметь явно заметные перегибы в точках, соответствующих токам начала и конца прямолинейной части кривой напряжения, а между тем таких перегибов не наблюдается ни на одной из всей группы ос­ циллограмм. Правда, осциллограммы (см. рис. 169, д, е) имеют небольшие перегибы в конце периода, но если учесть ход изменения кривой напряжения, то эти точки никак нельзя характеризовать как точки возникновения или исчезновения дуги.

Отсюда можно сделать вывод, что если в этих осциллограммах даже есть паузы тока, то они имеют весьма небольшую длитель­ ность и существенно не влияют на ход кривой тока.

285

3. Шунтирование трехфазной дуги

Шунтирующие сопротивления еще больше осложняют картину распределения токов и мощностей в трехфазных печах. Выше была приведена эквивалентная схема трехфазной печи (см. рис. 164). Из нее видно, что токи в печи могут разветвляться и по схеме «звезда», и по схеме «треугольник». В уточненной схеме, кроме сопротивлений, шунтирующих дуги, необходимо учесть и сопротивления, включен­ ные последовательно, с дугами. Особенно важное значение они имеют для расплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением. Но с уточнением схемы замещения печного контура усложняется математическое решение задачи.

В исследовании шунтированной электрической дуги трехфазной печи И. Т. Жердев [10] принимает схему замещения печи, приве­ денную на рис. 209.

В общем случае трехфазной системы параметры различных фаз обычно отличаются друг от друга, а дуги, горящие между подом и фазами, имеют различную форму. Эти обстоятельства сильно ослож­ няют математическое исследование шунтирования трехфазной дуги. Поэтому примем для схемы следующие ограничения. Будем считать, что параметры всех фаз печи равны между собою, а напряжения горения дуги всех трех фаз примем постоянными (прямоугольная форма кривой напряжения дуги).

При этих условиях для эквивалентной схемы печи можно запи­ сать следующие уравнения:

Рис. 209. Схема трехфазной шунтированной дуги:

286

Так как токи в фазах связаны соотношениями:

к 4~ к 4~ h —О,

то после исключения токов в разветвлениях всю систему уравнений можно свести к трем уравнениям:

Сопротивления, включенные параллельно и последовательно дуге, заменены эквивалентными последовательными сопротивле­ ниями г' и г"; соответствующим образом изменились и напряжения

дуг.

Из системы уравнений (X I1-5) получим

Подставляя эти значения в уравнения (X I1-7), получаем полную систему уравнений в виде

287

Рис. 210. Расчетные кривыетрехфазной шунтирован­ ной дуги по данным И. Т. Жердева

Эти уравнения решаются методом подстановки и дают следующие значения токов печи:

(XII-13)

Токи дуг определяют по уравнениям (XII-6).

На рис. 210 приведены кривые, полученные в результате одного из многочисленных примерных расчетов, выполненных И. Т. Жер­ девым по вышеуказанному методу.

Однако принятые ограничения (постоянство параметров и прямо­ угольная форма кривой напряжения) в значительной степени сни­

2 8 9