Файл: Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи.pdf

Т. е. сжимающее давление прямо пропорционально квадрату силы тока и обратно пропорционально квадрату радиуса дуги. На рис. 30 был приведен график распределения сжимающего давления в функции расстояния от оси дуги.

В жидких проводниках давление, обусловленное сжимающим эффектом, аналогично гидростатическому. Так как в любой точке давление одинаково передается по всем направлениям, то можно, подсчитав величину давления, направление его выбрать произвольно. Столб дуги по своей структуре неоднороден, поэтому аналогия между сжимающим эффектом в дуге и гидростатическим давлением меньше. Однако с некоторой неточностью и тут можно использовать эту аналогию. При таком допущении очевидно, что сила сжимающего эффекта будет действовать не только радиально, но и аксиально. В поперечном сечении дуги, как было принято на рис. 30, действу­ ющая сила определяется уравнением (II-85).

Выделим в сечении (рис. 30) на расстоянии от оси дуги кольце­

Сила, действующая на эту площадку, везде будет одинакова и

Подставив значение / из уравнения (П-85) и проинтегрировав dFn по всему сечению дуги, получим общую силу, действующую вдоль оси дуги:

Это давление вдоль оси дуги передается на основания дуги, т. е. на торец электрода и расплав. Для торца электрода это давление, конечно, не имеет значения, но его воздействие на жидкий расплав

значительно.

Максимальное удельное давление в непосредственной близости к оси электрода получим, если зададимся диаметром дуги.

будут действовать два противоположных фактора. С одной стороны,

64

высокая температура центральной части столба дуги обусловливает уменьшение плотности газов вдоль оси дуги, а с другой — вслед­ ствие эффекта сжатия наблюдается тенденция к увеличению плот­ ности газов. Как видно, при высоких температурах и большой силе тока эффект сжатия является благоприятным фактором, выравни­ вающим плотность газовой атмосферы столба дуги в радиальном направлении.

Эффект сжатия имеет и другую положительную сторону. Сжима­ ющее усилие действует на заряженные частицы — электроны и ионы. Так как последние обладают большой массой и относительно большой инерцией, то воздействие сжимающего усилия на них невелико; быстроподвижные же электроны, являющиеся главными носителями тока, легко поддаются воздействию сжимающих усилий и оттесняются к оси столба. Благодаря этому плотность тока около оси столба увеличивается и дуга приобретает большую устойчивость горения.

Однако эффект сжатия дает и весьма отрицательное последействие. Если по каким-либо причинам на каком-нибудь участке умень­ шится поперечное сечение токопровода, то, как видно из формулы (П-84), в этом сечении резко возрастет сжимающее усилие и произой­

дет обрыв цепи.

Это явление хорошо изучено при работе индукционных печей, где токопроводом служит жидкий металл. В газовой же сфере дуги оно должно проявляться гораздо резче, чем в жидком металле, так как в газе отсутствуют силы сцепления и большие гравитационные силы, которые могли бы уравновесить усилие эффекта сжатия.

Так как в газах единственным фактором, определяющим ориенти­ рованное движение заряженных частиц, являются силы электриче­ ского поля, то только они могут компенсировать это усилие. Вслед­ ствие этого поперечное сечение положительного столба дуги изме­ няется гораздо легче и чаще, чем поперечное сечение ванны жидкого металла. Поэтому в газовом столбе обрывы тока вследствие эффекта сжатия должны наблюдаться чаще, чем в жидком токопроводе.

Из формулы (II-85) видно, что усилие эффекта сжатия пропорцио­ нально квадрату тока, поэтому надо думать, что с этой точки зрения многоамперная дуга должна гореть менее устойчиво, чем малоам­ перная.

В руднотермических печах неблагоприятное действие сжима­ ющего эффекта смягчается тем, что дуга горит в замкнутом, хорошо изолированном тигле ванны и газовые потоки, возникающие вокруг дуги, не могут в значительной мере повлиять на структуру столба Дуги.

13. Температура дуги

Как было отмечено, в разрядном промежутке содержатся моле­ кулы, атомы, электроны и ионы. При различных стадиях развития газового разряда эти частицы находятся в различных температурных условиях.

Основным источником элек­ трической энергии при газовом разряде является электрическое поле. Под действием последнего заряженные частицы (электроны и ионы) получают ускорение и их кинетическая энергия,а сле­ довательно, и температура рас­ тут.

В свою очередь заряженные частицы часть своей энергии передают нейтральным части­ цам, в результате чего начинает повышаться и температура пос­ ледних.

Так как масса электронов мала, а подвижность велика, то в на­ чальных стадиях газового разряда температура электронов бывает значительно выше температуры нейтральных частиц.

Процесс повышения температуры здесь протекает следующим образом: электроны, получив под действием поля ускорение, сталки­ ваются с нейтральными молекулами; в результате этого усиливается колебательное движение последних, учащаются их взаимные столк­ новения и повышается температура газа.

Ускоренные электроны сталкиваются также с отдельными

Ионы, конечно, также получают ускорение в электрическом поле, но роль их в установлении температурного режима газового про­ межутка незначительна.

В период возникновения электрического разряда температура

дельных компонентов разрядной среды начинает выравниваться и в дуговом разряде температура всех компонентов положительного столба почти одинакова.

Процесс выравнивания температуры разрядной среды показан на рис. 32. Как видно из рисунка, при устойчиво горящей дуге тем­ пература всех частиц среды почти одинакова. Отсюда непосредственно вытекает, что при устойчиво горящей дуге вполне применимо урав­ нение Саха.

Выше уже было отмечено, что температура дуги, соответству­ ющая минимальному продольному градиенту, пропорциональна

66

шую точность, но все же ее можно использовать для ориентировоч­ ных расчетов и на основе ее можно определить примерные границы температуры дуги.

Так как наименьший потенциал ионизации элементов меняется от 3,87 до 24,5 В, то из формулы (II-56) следует, что температура дуги при атмосферном давлении и охлаждении лучеиспусканием должна колебаться от 3200 до 20 000 К. Для основных материалов, используемых в руднотермических печах, наименьший потенциал ионизации колеблется от 6 до 10 В и, следовательно, температура дуги для этих материалов при вышеуказанных условиях давления и охлаждения должна составлять 5000— 8000 К. В частности, в кар­ бидных печах основным элементом, составляющим газовую среду дуги, является кальций, потенциал ионизации которого равен 6,1 В, и, следовательно, температура дуги в карбидной печи должна составлять ~5000 К. В печах для ферросилиция и ферромарганца потенциал ионизации ведущих элементов колеблется в пределах 7— 8 В и температура дуги в них должна быть порядка 6000— 7000 К.

Формула (11-56) определяет температуру устойчивой и стабиль­ ной дуги. Она не отражает зависимости температуры дуги от таких важных факторов, как сила тока, давление, диаметр дуги, способ охлаждения и т. д.

Теоретическое обоснование зависимости температуры от этих факторов можно найти, исходя из тех же уравнений (П-45), (II-46), (II-49), (11-52), (II-60), которыми мы пользовались при выводе за­ висимости градиента потенциала от тока.

Исключая из уравнений (П-45) и (II-49) градиент потенциала, получим

связаны прямой зависимостью: с увеличением силы тока температура повышается.

Так как количественная оценка по этой формуле не дает на­ дежных результатов, обратимся к экспериментальным данным.

В отношении открытой дуги, горящей в воздухе, существует обширный опытный материал. Большинство исследователей сходится на том, что температура столба угольной дуги, горящей в воздухе, колеблется около 6000 К. Ниже приведены температуры столба не­ которых дуг (К) для электродов, выполненных из разных материалов, полученные Сюитсом:

Л. Леб [17] называет эти данные показательными и отмечает, что они согласуются с результатами, полученными методами изме­ рения, отличными от методов Сюитса.

Как видно, температура столба колеблется в довольно узких пределах. Но наряду с этим не следует пренебрегать тем, что в дуге интенсивной мощности температура достигает 35 000 К.

Температурное поле дуги

Измерение температуры газовых разрядов представляет большие трудности. Тем более трудно определить температуру в отдельных областях разрядного промежутка. Поэтому приводимые в литера­ туре данные о температуре дуги иногда очень сильно отличаются друг от друга. За последнее время были проведены исследования для определения плотности электронов и температурного поля дуги ме­ тодом спектрального анализа.

В 1953 г. Меккер [39] исследовал низковольтную дугу постоянного тока (100.— 500 А) с угольными электродами, горящую в воздухе. Это исследование показало, что областью высоких плотностей элек­ тронов и высоких температур является катодное пятно. Отсюда обе эти величины уменьшаются как в радиальном, так и в аксиальном направлениях. Наивысшая температура в центре пятна по измере­ ниям Меккера достигла 10 900 К, что совпадает с результатами из­ мерений Гоккера и Финкельнбурга, получившими для той же точки температуру 11000 К.. Диаметр дуги при измерениях Меккера до­

деления температуры в радиальном направлении для дуги при силе тока 200 А на высоте 1,42 см от поверхности катода. Падение температуры от оси дуги к ее граничным слоям, включая и ореол, идет почти по экспонен­ циальному закону.

На рис. 34 приведены два семейства кривых, показываю­ щих изменение плотности элект­ ронов пе и температуры Т дуги в аксиальном направлении при различных токах.

Они показывают, что с уда­ лением от поверхности катода

понижаются довольно резко. Эти же кривые показывают, что

68