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

Рис. 34. Изменение плотности электронов (а) и температуры дуги (б) в аксиальном направ­ лении при силе тока. А:

/ — 100; 2 - 200; 3 — 500

ни пе и Т растут, но не пропорционально току. В центре катодного

снятые экспериментально. На рис. 35, б они пополнены кривыми, построенными методом экстраполяции.

На основании кривых рис. 35 можно сделать весьма важные вы­ воды. Так как центры высоких температур находятся в области, при­ мыкающей к катоду, то в этой же области будут находиться центры наиболее интенсивного преобразования электрической энергии в тепловую.

Это позволяет ставить вопрос о локализации преобразования энергии в тигле. Действительно, меняя полярность электрода, можно переместить зону наибольшей концентрации преобразования энергии из одной области тигля в другую.

При переменном токе такая возможность исключается, что как в этом случае при каждом полупериоде изменяет полярность электродов. Поэтому в ряде случаев возникает необходимость пере­ хода к печам постоянного тока.

Рассмотрим теперь изменение температуры столба дуги перемен­ ного тока.

На рис. 36 приведены кривые зависимости температуры от силы тока, полученные Энгелем и Штенбеком. Из этих кривых видно, что при максимуме силы тока температура поднимается до 5000 К, а за­ тем снова падает. При прохождении силы тока через нулевое значе­ ние температура снижается до 3700 К. Таким образом колебание тем­ пературы составляет ~ 2 5 —30%; в рассматриваемом опыте сила тока менялась синусоидально, без пауз, ее максимум составлял 2А, частота 50 Гц.

На рис. 37 приведено семейство кривых, полученных Буткеви­ чем. При паузах тока температура продолжает держаться на до-

69

Рис. 35. Изотермы дуги при I — 200 А:

а — экспериментальные кривые; б — кривые, дополненные экстраполяцией

Рис. 38. Охлаждение дуги вслед­ ствие теплопроводности в водороде (сплошные кривые) и азоте (пунк­ тирные кривые) при различных диаметрах дуги d, мм:

/ — 1; 2 — 2; 3 — 6.

70

статочно высоком уровне. Кроме того, в кривых температуры на*

блюдается явление запаздывания; минимумы температуры насту­ пают позднее перехода кривых тока через нулевые значения.

В электрической печи дуга горит в замкнутом объеме тигля, во всех частях которого устанавливается довольно высокая темпера­ тура; сила тока дуги достигает нескольких десятков тысяч ампер, в то время как в опытах Энгеля и Штенбека она составляла всего 2 А. Наконец, диаметр дуги в печи достигает десятков сантиметров. Благодаря всем этим обстоятельствам, дуга электрической печи должна обладать значительной тепловой инерцией и, следовательно, диапазон колебаний температуры в течение периода в руднотерми­ ческой печи должен быть меньше, чем в рассмотренных опытах Эн­ геля и Штенбека или Буткевича.

Это положение подтверждается также поведением разрядного промежутка после прекращения (погасания) дуги. Как только исче­ зает ток, дуговой промежуток начинает деионизироваться и охла­ ждаться. На рис. 38 приведены кривые охлаждения дуги в азоте и водороде по данным Кессельринга.

При построении кривых принято во внимание охлаждение дуги только вследствие теплопроводности. Из кривых видно, что с увели­ чением диаметра дуги скорость охлаждения резко уменьшается. Для спада температуры с 7000 до 2000 К дуге в азоте различных диа­ метрах требуется разное время:

Из этого же рисунка видно, что в водороде дуга охлаждается зна­ чительно быстрее, чем в азоте. Водород и азот по теплопроводности занимают почти крайние положения среди газов; кривые, характери­

зующие остальные газы, располагаются между кривыми этих газов.

Как выяснено выше, диаметр дуги мощной руднотермической печи достигает нескольких десятков сантиметров. Правда, дуга бывает обычно расщеплена на отдельные шнуры, но эти шнуры расположены

7500 кВА), заполнен почти однородной массой одинаковой темпе­ ратуры. Этот столб отделен от поверхности тигля широким поясом, заполненным раскаленными газами.

При таких условиях охлаждение дугового промежутка резко за­ труднено. Имея в виду логарифмический масштаб оси времени на рис. 38, можно сказать, что для падения температуры дугового про­ межутка печи от 7000 до 2000 К необходима пауза тока, измеряемая не долями секунд, а целыми секундами. Это будет учтено автором при рассмотрении вопроса о длительности паузы тока в дуговой печи.

71

Глава 111

Электрические характеристики дуги

1, Характеристики дуги постоянного тока

Взаимосвязь основных отличительных свойств электрического разряда называется его характеристикой. Для дугового разряда в качестве переменных величин принимают ток и напряжение дуги. Характеристики, связывающие эти величины, обычно называют вольтамперными.

Для определения характеристики дуги необходимо обратиться к контуру, содержащему газовый промежуток и переменную элек­

чине газовая прослойка будет пробита и в цепи установится дуговой разряд.

Напряжение, при котором в контуре возникает электрическая дуга, называется напряжением возникновения ив03 (зажигания) дуги.

С момента возникновения разряда в газовом промежутке суще­

анод.

Функциональная зависимость между силой тока и напряжением дуги определяется прежде всего физическим состоянием межэлек­ тродного промежутка и главным образом столба дуги.

Как было отмечено выше, в столбе дуги содержатся заряженные положительные и отрицательные частицы. Однако физическое со­ стояние столба не является статическим. В нем постоянно протекают процессы ионизации, рекомбинации и диффузии.

Если условия горения дуги таковы, что число возникающих в еди­ ницу времени зарядов в результате ионизации равно числу зарядов, исчезающих вследствие рекомбинации и диффузии, то плазма столба находится в состоянии динамического равновесия и состояние плазмы не будет являться функцией времени.

Рис. 40. Характеристика дуги постоянного тока

72

Режимы работы дуги, при котором плазма столба находится в ди­ намическом равновесии, называется статическим, установившимся режимом

Если для ряда статических режимов определить значение токов и напряжений дуги, то получим так называемую статическую харак­ теристику дуги (рис. 40, кривая а).

Подчеркнем, что для всех точек статической характеристики плазма столба находится в динамическом равновесии, но на разных уровнях электризации. При изменении режима работы дуги динами­ ческое равновесие плазмы нарушается и в дуговом разряде возни­ кают переходные режимы.

Если электрический режим дуги меняется настолько медленно, что тепловые и ионизационные процессы поспевают за ним, то функ­ циональная зависимость между силой тока и напряжением остается такой же, как и при статических режимах. В этом случае статическая характеристика отображает состояние дугового промежутка. Оче­ видно, что в этом случае постоянная времени электризации и деэлек­ тризации газа в разрядном промежутке должна быть значительно меньше постоянной времени параметров, приводящих к изменению электризации газа. Вообще постоянные времени электризации и деэлектризации газа очень малы и измеряются милли- и микросе­ кундами.

Если, например, напряжение или силу тока дугового промежутка изменяют перемещением ручки реостата вручную, то постоянная времени их изменения будет значительно больше. Поэтому харак­ теристики, снятые в этих условиях, будут статическими.

Но электрический режим дуги может изменяться настолько быстро, что продолжительность тепловых и ионизационных процес­ сов окажется больше, и электрическое сопротивление дугового про­ межутка в данный момент времени будет соответствовать электри­ ческому режиму предшествующего момента. Это явление называется гистерезисом дугового разряда.

Характеристика дугового разряда при наличии явления гистере­ зиса называется динамической. Очевидно, динамическая характе­ ристика дуги определяется отсутствием динамического равновесия в плазме дугового столба. Отсюда следует, что динамическая харак­ теристика дуги является функцией скорости ионизации и деиониза­ ции столба дуги.

Если сила тока дуги изменяется настолько медленно, что деиони­ зация столба во времени совпадает с этим изменением, то динамиче­ ская характеристика совпадает со статической и дуга исчезает (гас­ нет) при том же напряжении, при котором она возникла (зажглась). В другом предельном случае ток в цепи может оборваться настолько быстро, что деионизация вообще отсутствует (рис. 40, кривая б), и дуга погаснет при том же напряжении, при котором она горела в на­ чале коммутации. Во всех остальных случаях динамическая харак­ теристика будет лежать между кривыми а ц б (см. рис. 40).

В предыдущих рассуждениях в качестве аргумента была принята сила тока, а в качестве функции — напряжение дуги. Характери-

73