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

Электрической дуге посвящены статьи VI, VII, VIII «Известия» В. Петрова. Электрическую дугу Петров классифицирует как «светоносные явления, происходя­ щие от гальвани-вольтовской жидкости».

В статье VII описано явление дуги в атмосфере при нормальном давлении. «Если на стеклянную пластинку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металличе­ скими изолированными направителями (directores), сообщенными с обоими полю­ сами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются, и от которого покой до­ вольно ясно освещен быть может». Затем описываются опыты с расплавлением ме­ таллов. Если в электрическую дугу между электродами внести листы металла («куски листового олова, серебра, золота, цинка»), то от пламени дуги «сии металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают также с пламенем какого-нибудь цвета и пре­ вращаются в оксид. . . Если же металлы будут сжигаемы в стеклянном шаре, то можно собрать большее или меньшее количество оксида, свойственного каждому металлу цвета».

салом и выжатыми маслами, при сгорании. . . принимали настоящий металличе­ ский вид. . .».

Вевропейской литературе первые сведения об электрической дуге появились только в 1812 г.

Виюле 1810 г. английский ученый Дэви в Лондонском королевском институте создал вольтов столб, состоящий из 2000 пар пластинок.

Эта батарея в то время считалась самой мощной в Европе. Пользуясь этой бата­ реей, Дэви провел ряд экспериментов, с помощью которых установил световые и теп­

ловые действия тока. Результаты своих опытов Дэви опубликовал в 1812 г. Вот как он описывает полученную им электрическую дугу: «Когда два куска

древесного угля в 1 дюйм длины и !/„ дюйма в поперечнике были сближены между собою на расстоянии 1/зд или 1/40 дюйма (будучи включены в цепь), то получилась яркая искра и угли больше чем на половину накалились добела. Когда же затем концы углей начали раздвигаться, то между ними происходил постоянный разряд через накаленный воздух на расстоянии, по крайней мере, 4 дюймов в виде не­ обыкновенно блестящей световой дуги конической формы, обращенной выпукло стью кверху. Любое вещество, введенное в дугу, тотчас же накалялось; платина расплавилась в этом пламени также легко, как воск в пламени обыкновенной свечи. . . Когда полюсы батареи были соединены в разреженном воздухе, то рас­ стояние, при котором получились разряды, могло быть увеличено соразмерно сте­ пени разрежения. Когда последнее достигало 1/4 дюйма ртутного давления, искры перескакивали на расстояние до 1/2 дюйма, а при удалении полюсов на 6—7 дюй­ мов разряды происходили в виде необычайно красивой пурпуровой струи света».

Как видим, опыты Дэви представляют повторение опытов, проведенных за 9—10 лет до него В. В. Петровым.

В заключительной части своего «Известия» Петров пишет: «Я надеюсь, что про­ свещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда 1 согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслужи­ вает».

Действительно, признание пришло «некогда». Только через 100 лет после его смерти, при советской власти, было отдано должное его трудам. Постановлением ЦИК СССР от 8 июня 1935 г. восстановлен приоритет В. В. Петрова — «первого русского электротехника, открывшего в 1802 г., за несколько лет до Дэви, явление вольтовой дуги и предсказавшего применение этого явления в технике».

Советская власть приняла соответствующие меры для увековечения памяти В. В. Петрова.

В первые годы после открытия электрическая дуга вызвала большой интерес, однако в дальнейшем внимание ученых к этому явлению значительно ослабело. Только по истечении 60—70 лет интерес к дуговому разряду возрос в связи с исполь­

1 Курсив В. В. Петрова.

15

зованием его для искусственного освещения. Особенно большой интерес вызвал ду­ говой разряд в связи с изобретением «свечи» Яблочкова.

Однако и в этот период изучался только внешний эффект дугового разряда как источника света.

Переломным моментом в области изучения электрической дуги следует при­ знать исследования Г. Айртон, в результате которых в 1902 г. появилась ее моно­ графия об электрической дуге, содержащая описание всех основных явлений, свя­ занных с внешним эффектом дугового разряда, и первые попытки его математиче­ ской интерпретации.

Первые по времени исследования, посвященные физическим процессам, проте­ кающим в дуговом разряде, были проведены В. Ф. Миткевичем. В 1905 г. им опубли­ кована диссертация о природе явлений, протекающих в столбе и пограничных обла­ стях дуги. Выводы В. Ф. Миткевича легли в основу современной теории дугового разряда.

Дальнейшее развитие теории электрической дуги связано с бурным развитием электрической сварки, электрических печей, выпрямительных устройств и ком­ мутационной аппаратуры.

Несмотря на такое глубокое проникновение электрической дуги в технологию ряда промышленных производств, теория горения дуги изучена недостаточно и сведе­ ния о физических процессах горения дуги иногда излагаются бессистемно или в отрыве от производственных процессов. Вследствие этого возможности такого мощного технологического фактора, как электрическая дуга, далеко не исчерпаны. Поэтому ниже излагаются основные теоретические вопросы горения дуги и пер­ спективы его применения в электрометаллургии.

2« Виды электрических разрядов в газах

Электрическая дуга, или дуговой разряд, представляет собой один из видов электрических разрядов в газах. По своему характеру и внешним признакам раз­ ряды в газах весьма разнообразны и к ним относится обширная область физических явлений.

Для того чтобы показать, какое место среди электрических разрядов в газах занимает дуговой разряд, здесь приведена их краткая характеристика.

Все электрические разряды в газах обычно делят на две группы: несамостоятель­ ные и самостоятельные.

Электрический разряд называется несамостоятельным, если для его поддержа­ ния требуется образование в разрядном промежутке заряженных частиц под дей­ ствием внешних факторов—ионизаторов.

Все виды электрических разрядов, существование которых не обусловлено внешними ионизаторами, называют самостоятельными.

По характеру физических процессов, протекающих в разрядном промежутке, обычно различают следующие виды разрядов: электронный, темный (таунсендов-

ский, или тихий), тлеющий и дуговой.

Электронным называется разряд, в котором в качестве заряженных частиц участвуют в основном электроны. Электронные разряды происходят в трубках при весьма высоком вакууме.

Темным называется разряд, при котором электрическое поле в разрядном про­ межутке определяется в основном потенциалами пограничных поверхностей и пре­ небрежимо мало искажается объемными зарядами.

Темный самостоятельный разряд характеризуется малым разрядным током и малой интенсивностью свечения. Плотность тока в таком разряде обычно не превы­ шает 10'6 А/см2.

В тлеющем разряде электрическое поле разрядного промежутка в основном определяется величиной и расположением объемного заряда, кроме того, тлеющий разряд характеризуется катодным падением потенциала, значительно превосходя­ щим потенциал ионизации газа, и испусканием электронов катодом под действием удара о него тяжелых частиц.

Характерной особенностью тлеющего разряда является существование в нем ряда областей с различной степенью свечения газов. Плотность тока тлеющего раз­ ряда значительно больше, чем тихого разряда, и достигает 10'4—1 0 '2 А/см2.

16

Первичное явление

ряд /Дуговой 'азряд

tТлеющий'^

разряд

Рис. 2. Классификация^разрядов в пустоте и газах

/ - : r;yBpJi4FWI-----

свойств (как например, высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, которые протекают в замкнутом газовом объеме в высокочастотных электромагнитных по­ лях без участия в разряде электродов).

В литературе встречаются различные классификации электрических разрядов. Наиболее полную классификацию газовых разрядов дает Н. А. Капцов [12]. В ос­ нову его классификации положены электрические процессы в объеме разрядного газа. По этому признаку определяют тип и область разряда. Для каждого типа дана характеристика элементарных процессов в пограничной области разряда и объяс­ нена роль объемного заряда в процессе его протекания.

На рис. 2 приведена более краткая классификация электрических разрядов. В этой классификации разряды различают по роду среды, в которой протекает раз­ ряд, по явлениям на катоде и по стадиям развития разряда.

Вопрос о виде (или типе) разряда, устанавливающегося при определенных условиях газовой среды и определенных параметрах электрического контура, в ко­ тором протекает разряд, имеет большое значение для практики. Зависимость типа разряда от указанных внешних условий очень сложна и к тому же не однозначна. Дело в том, что форма разряда зависит еще и от его предыстории, т. е. от последова­ тельности пройденных газом энергетических и электрических состояний. Тем не менее, внимательное ознакомление с вопросом показывает, что действует ряд фак­ торов, обусловливающих появление того или другого вида разряда.

При изменении этих факторов разряд переходит из одной формы в другую. Решающими факторами являются плотность разрядного тока и давление газа. На рис. 3 представлены области различных видов разрядов в зависимости от этих двух факторов.

Как видно из этого рисунка, тлеющие разряды могут существовать при малых давлениях и высоких плотностях тока, и, наоборот, тихие разряды возникают при больших давлениях.

Дуговой разряд характеризуется как высокими плотностями токов, так и вы­ сокими давлениями.

Из рис. 3 также следует, что при одной и той же плотности тока могут существо­ вать в зависимости от давления разряды всех трех видов, но при снижении плот­ ности тока ниже предельной величины существование или возникновение дуги ста­ новится невозможным.

Обычно дуговой разряд развивается из тлеющего разряда, но может возникнуть

и независимо от него.

Так как самостоятельные разряды характеризуются величиной катодного па­ дения потенциала и величиной тока, проследим, как меняются эти величины при переходе от тлеющего разряда к дуговому.

Пусть между двумя тугоплавкими электродами в инертной газовой среде проте­ кает тлеющий разряд. Станем увеличивать разрядный ток, меняя внешнее сопро­ тивление разрядного контура. По мере увеличения тока напряжение сначала будет

18

оставаться постоянным, а занятая разрядом часть поверхности катода расти. После заполнения разрядом всей поверхности катода напряжение между электродами

говому.

На рис. 4 показан ход изменения катодного падения напряжения в зависимости от тока для одного из видов такого переходного режима.

Критическое (максимальное) напряжение наступает при токе порядка 0,01 А. Переходу тлеющего разряда в дуговой дан ряд объяснений. Все они сводятся к тому, что при переходе тока через критическое значение в области катода появ­

в дуговой, так как происхождение дуги в электропечах, с которой мы имеем дело, иное.

Если привести в соприкосновение два электрода, а потом раздвинуть их, то между ними образуется дуговой разряд. При раздвижении электродов сопротивле­ ние в точках контакта растет, повышается мощность, выделяющаяся в контакте, и температура в нем достигает такой большой величины, что в месте контакта воз­ никает дуга.

Таков обычно характер возникновения электрической дуги во всех выключаю­ щих устройствах электрических цепей.

Так же возникает электрическая дуга в электропечах. При первоначальном пуске печи обычно под электрод подкладывают куски кокса или электродного лома и замыкают цепь. По мере нагревания и обгорания кокса и конца электрода в от­ дельных точках возникают маленькие дуги, которые затем развиваются в общую дугу под электродом.

При повторных включениях печи, находящейся уже в эксплуатации, дуга воз­ никает по-разному. Если печь была отключена на небольшой промежуток времени

Рис. 4. Зависимость катодного падения напряжения от тока при переходе от тлеющего разряда к дуговому