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

Ив Тигле ванны Сохранилась достаточно высокая температура, то с пуском печи,

суглублением электрода в тигель появляются токи проводимости, стенки тигля быстро разогреваются и создаются благоприятные условия для горения дуги.

Если же печь простояла долго, то обычно снижают напряжение и длигельнб

держат печь под током шихтовой проводимости для постепенного разогрева ваннЫ и установления благоприятных условий горения мощной дуги. Подробнее эти во­ просы будут рассмотрены ниже.

3. Классификация дуговых разрядов

Понятие «дуговой разряд» охватывает все виды электрических разрядов, которые характеризуются большой плотностью тока и малым катодным падением потенциала, не превосходящим несколь­ ких десятков вольт.

Дуговые разряды настолько разнообразны, что их трудно вклю­ чить в одну общую классификацию. Их классифицируют обычно по различным признакам.

По явлениям на катоде дуговые разряды делят на дуги с холодным катодом и горячим катодом.

При холодном катоде дуга поддерживается электростатической (автоэлектронной) эмиссией, поэтому ее иногда называют автоэлек-

тронной дугой.

При разряде с горячим катодом дуга поддерживается термоэлек­ тронной эмиссией, поэтому ее иногда называют термоэлектронной,

или термической дугой.

По роду среды, в которой происходит дуговой разряд, разли­ чают дуги в вакууме, газах и парах.

Дуга в газах возникает в тех случаях, когда электроды туго­ плавки и не принимают участия в образовании газообразной среды, в которой протекает разряд.

Если же в процессе горения дуги сами электроды испаряются и создают атмосферу разрядного промежутка, то разряд называется

дугой в парах.

По внешнему признаку дуги делят на длинные и короткие. Если катод и анод настолько удалены друг от друга, что тепловой

режим одного из них не влияет на тепловой режим другого, дуга на­ зывается длинной. Если же электроды настолько сближены, что они находятся в тесном тепловом взаимодействии друг с другом, дуга называется короткой.

Существует также деление дуг по явлениям на аноде, по кон­ струкции катода и т. д.

Дуга в электропечах в большинстве случаев относится к дугам с горячим катодом, так как все процессы в электропечи протекают при весьма высоких температурах не только электродов, но и всего объема тигля, в котором возникают газовые разряды. Следовательно, в печной дуге должна обязательно происходить термоэлектронная эмиссия. Но, как увидим далее, специфическая структура столба отличает печную дугу от других дуг с горячим катодом.

Электрическая дуга в печи горит между угольным или металли­ ческим электродом и поверхностью сплава. Электрод принимает

20

Пассивное участие в создании разрядной атмосферы. Совершенно по-другому ведет себя другой электрод—сплав. Температура плавле­ ния и испарения всех элементов, входящих в сплавы (кальция, марганца, кремния и т. д.), ниже температуры дуги, поэтому атмо­ сферу дуги создают пары элементов сплава. Следовательно, печные дуги должны быть отнесены к разряду дуг в парах, а не в газах.

Наконец, длина дуги в печах настолько велика, что тепловые режимы непосредственно в областях катода и анода почти незави­ симы один от другого. Значит, печная дуга должна быть отнесена к типу длинных дуг.

Итак, печная дуга может быть охарактеризована как длинная термическая дуга в парах со специфическим строением столба.

Дуга может возникнуть между электродами и при высоком ваку­ уме. После своего возникновения такая дуга горит в парах, воз­ никающих в результате горения дуги. Поэтому основной проблемой вакуумной дуги является процесс ее зажигания.

4. Общее описание дугового промежутка

На рис. 5 приведена электрическая схема, при помощи которой можно получить электрическую дугу постоянного тока. Она состоит из источника постоянной э. д. с. £ ц, регулируемого сопротивления контура гк и двух электродов — катода, присоединенного к отри­ цательному полюсу источника, и анода, присоединенного к его по­ ложительному полюсу. Когда электроды находятся в соприкоснове­ нии друг с другом («замкнуты накоротко»), в цепи протекает ток /, определяемый величинами сопротивления гк и э. д. с. цепи £ ц. Пусть величины Ец и гк подобраны так, что при атмосферном давлении сила тока в цепи / превышает 0,5 А.

Если раздвигать электроды, то при нарушении контакта между ними возникает проводящий слой, состоящий из раскаленных ча­ стиц воздуха и паров оплавившихся частиц электродов. Этот прово­

будет включено сопротивление проводящей дуги гд.

При математическом описании процесса формальной разницы между гк и гд нет. Цепь, содержащую дугу, можно заменить экви­ валентной схемой, приведенной на рис. 6, и силу тока в цепи опре­

Как известно, почти любое электрическое сопротивление в опре­ деленной степени зависит от тока и напряжения и, следовательно, является нелинейным элементом. Вопрос этот подробно будет рас­ смотрен ниже. Здесь же заметим, что сопротивление электрической дуги характеризуется весьма высокой степенью нелинейности и в зависимости от характера разряда очень быстро может меняться по величине от долей ома до бесконечно большой величины.

21

На рис. 7 приведена дуга в мощной сталеплавильной печи, а на рис. 8 — общеизвестная фотография дуги, горящей между уголь­ ными электродами.

Дуговой разряд состоит из ионизированной газовой среды, по которой протекает ток — разрядного промежутка, и ограничива­ ющих поверхностей. У основания разрядного промежутка ограни­ чивающими поверхностями являются электроды — катод у отри­ цательного основания и анод у положительного.

Боковую поверхность разрядного промежутка представляют раскаленные газы («ореол»), не принимающие участия в прохожде­ нии тока.

За «ореолом» следует нейтральная ограничивающая среда (газо­ вая, жидкая или твердая).

Наблюдения показывают, что при длительном горении дуги катод срабатывается под конус, а у анода в центральной его части образуется углубление. На рис. 9 изображено строение дугового разряда.

Строение разрядного промежутка довольно сложное. Непосред­ ственно к катоду прилегает катодная область разрядного проме­ жутка. Длина этой области очень мала (порядка 10"8 см) и не за­ висит от общей длины разрядного промежутка. В катодной области протекают процессы электризации элементарных частиц.

В центре катодной области расположено катодное пятно. Оно представляет собой яркий светящийся участок, через который ток проникает в катод. Плотность тока в катодном пятне значительно больше, чем в окружающих областях поверхности катода.

Непосредственно к катодной области примыкает столб разряда. Это — самая длинная часть разрядного промежутка. Столб разряда состоит из газовой среды, содержащей заряженные частицы, осуще­ ствляющие прохождение тока через дугу. В столбе разряда проис­ ходит трансформация основной части электрической энергии в теп­ ловую.

промежутка.

Теперь кратко опишем сравнительно лучше изученные дуги при малых токах и одновременно приведем соображения о печных дугах, в которых токи достигают нескольких десятков и даже сотен кА.

На поверхности катода дуга обычно сосредоточивается на опре­ деленной, довольно резко очерченной площадке — катодном пятне. На угольном электроде катодное пятно при устойчивом горении дуги находится почти в неподвижном состоянии, в то время как на металлических электродах оно все время перемещается. Плот­ ность тока на катоде меняется в весьма широких пределах и зависит от материала электродов, среды, в которой горит дуга, давления

ит. д.

Втабл. 1 приведены плотности токов для разных электродов и

среды при малых значениях токов.

23