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

температур от 600 до 1000° С это различие настолько сглаживается, что все три кривые почти сливаются.

Как было указано выше, в диапазоне температур 500—1200° С происходит раз­ ложение органических соединений в углеродистых материалах и в связи с этим раз­ личия между их физико-химическими свойствами почти исчезают. Особенно полно выравнивание удельного сопротивления. Для иллюстрации в табл. 25 приведены результаты опытов графитирования основных углеродистых материалов.

ТАБЛИЦА 25

УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

ИПЛОТНОСТЬ ГРАФИТИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

вания колеблется в Довольно узких пределах — от 4,8 до 10,0 мОм-см, в то время как до графитирования удельное сопротивление даже в пределах одной только группы антрацитов менялось в десятки и сотни раз.

Процесс графитирования углеродистых материалов протекает в любой рудно­ термической печи. Восстановитель вместе с шихтой подается в печь при нормальной температуре, по мере опускания шихты в нижние зоны ванны температура ее повы­ шается, достигая в зоне реакций для разных видов сплавов и режима печи 1500—

2500° С.

В зависимости от скорости схода шихты процесс обжига и графитирования вос­ становителя может происходить в течение большего или меньшего промежутка вре­ мени, но существенно важно, что во всех случаях в зону реакций и вообще в ниж­ ние горизонты ванны восстановитель попадает при температурах второй стадии графитирования. А так как при этих температурах основные физико-химические свойства восстановителей всех видов, в том числе и химическая активность и элек­ тропроводность, нивелируются, то можно сделать вывод, что в нижних зонах вид восстановителя не может оказать существенного влияния на величину тока шихто­ вой проводимости. Скорость протекания реакции и величина тока шихтовой прово­ димости в нижних зонах ванны определяются не только реакционной способностью материала, но и физическими свойствами последнего, т. е. его пористостью и кускова-

тостью.

Совершенно иначе обстоит дело в верхних и средних зонах ванны. Шихта по­ ступает на колошник в холодном состоянии и по мере углубления в ванну начинает нагреваться. К сожалению, мы не располагаем достаточно надежными данными об изменении температуры в ванне. По данным Морозенского и Вайнштейна темпера­ тура отходящих газов на глубине 800 мм от поверхности шихты в печах ферроспла­ вов колебалась от 270 до 960° С. Такая высокая температура обусловливается горе­ нием отходящих газов. Непосредственно под поверхностью шихты температура пони­ жается, так как, во-первых, под поверхностью шихты не происходит сгорание га­ зов, а во-вторых, там интенсивно испаряется влага шихты. По нашим наблюдениям, на глубине до 400—500 мм от поверхности колошника температура не поднимается выше 500—600° С. Следовательно, в этой зоне ванны существенно важное значение для тока шихтовой проводимости имеет не только модификация, но и вид восстанови­ теля.

248

где господствуют температуры от 500 до 1200° С. Здесь протекают самые важные из­ менения свойств углеродистого материала — первая стадия графитирования. В этой стадии резко повышается его электропроводность. Следовательно, в средней зоне печи должны сильно возрасти ток и мощность шихтовой проводимости. Однако температура, при которой происходит резкое повышение электропроводности, угле­ родистых материалов различных видов, различна, и даже такой широкий диапазон (500—1200° С) не всегда выдерживается. На рис. 181, например, было показано, что удельное сопротивление двух сортов антрацита начинает уменьшаться при 600° С и достигает минимума при 900° С, а у третьего сорта оно начинает уменьшаться при 700—800° С и достигает минимума при 1050° С.

Естественно, что чем выше критическая температура, тем ниже расположена зона шихты с повышенной проводимостью и, следовательно, больше концентрация тока и мощности шихтовой проводимости вблизи стенок тигля.

С этой точки зрения представляет большой интерес определение электрических характеристик восстановителей тех сортов, которыми мы пользуемся на руднотерми­ ческих печах.

На рис. 182 приведены четыре кривые для четырех фракций кокса, взятого не­ посредственно из бункера одной ферросилициевой печи. Мы видим, что резкое из­ менение удельного сопротивления для всех четырех кривых наступает при темпера­ туре от 600 до 900° С. Здесь не наблюдается такое многократное падение удельного сопротивления, как для антрацитов. Это объясняется тем, что в коксе в период об­ жига уже частично проходит первая стадия графитирования — удаление летучих.

Фактором, влияющим на электропроводность восстановителя, является его кусковатость.

Если между двумя электродами находится кусковатый материал, то ток от электрода к электроду проходит по нескольким параллельным цепям, состоящим из последовательно соединенных кусков. Сопротивление каждой параллельной цепи состоит из сопротивления самих кусков и переходного сопротивления между ними. Переходное сопротивление контакта для углеродистых материалов, так же как для металлов, значительно больше, чем сопротивление самого материала, поэтому в ос­ новном проблема сводится к изучению контактного сопротивления. С уменьшением размеров кусков одновременно с увеличением числа контактов в каждой цепи растет и число параллельных путей тока, причем увеличение числа цепей значительно

249

Рис. 183. Прохожде­ ние линий тока в точке действитель­ ного контакта

обгоняет рост числа контактов в отдельной цепи. Отсюда напрашивается вывод, что с уменьшением кусковатости должно уменьшаться и общее сопротивление. Однако это не так. Увеличение числа контактных сопротивлений имеет гораздо большее значение, поэтому с уменьшением кусковатости общее сопротивление ра­ стет, а не понижается.

Как бы тщательно ни были обработаны поверхности двух материалов, при нало­ жении их друг на друга идеальный контакт не получается. Это объясняется тем, что при обработке поверхность материала остается шероховатой. Давление обычно воспринимают микроскопические выступы на соприкасающихся поверхностях и передают его толще пластинок. В местах сопротивления двух таких микроскопиче­ ских бугорков образуется небольшая площадка действительного касания (контакта) материалов. Очевидно, что ток между двумя контактирующими поверхностями будет проходить через эти площадки. На рис. 183 представлена примерная картина протекания тока для этого случая. Из нее видно, что линии тока подходят к грани одного контакта, собираются у площадок действительного касания и переходят во вторую среду. Очевидно, чем меньше будет поверхность упругого касания, тем ближе (при данном давлении) будут расположены поверхности действительного касания и, значит, ближе друг к другу расположатся линии тока. Иначе говоря, плотность тока в поверхностях действительного контакта должна быть в сотни и тысячи раз больше, чем в свободном сечении контактирующего тела. Точнее, плотность тока в площадках действительного контакта во столько раз превысит плотность тока в сво­ бодном сечении контактирующих тел, во сколько раз последнее больше первого.

Если обозначить через /д и /с плотности токов, а через и Sc соответствую­ щие поперечные сечения, то плотность тока на площадке действительного касания выразится формулой

элементарные площадки касания как параллельные соединения.

Подробное исследование вопроса показывает, что существенную роль в работе контактов играет не только абсолютная величина контактного сопротивления, но и распределение площадок действительного касания. Если эти площадки располо­

контактов протекает при более высоких температурных градиентах. При неблаго­ приятных условиях температура контактирующей площадки поднимается до точки плавления материалов, последние оплавляются, и в точке касания зажигается дуга, которая приводит к образованию раковин и разрушению контактов.

250

Теория контактов приводит к выводу, что два соприкасающихся куска восста­ новителя в крайнем случае могут иметь три устойчивые точки касания, а следова­ тельно, и три физических контакта для перехода тока от одного куска к другому. Однако ввиду высокой пористости восстановителей всех видов, и особенно кокса (по сравнению с металлическими проводниками), поверхность их очень шерохо­ вата и поэтому возникновение трех точек контакта не всегда вероятно, особенно если учесть, что шихта постоянно находится в движении и возникающие контакты при этом движении будут часто нарушаться.

Величина площадки действительного контакта прямо пропорциональна давле­ нию на контакт и обратно пропорциональна разрушающему усилию материала.

1320 кгс/см2, следовательно, при одинаковых давлениях у графитовых контактов площадь действительного контакта будет почти в четыре раза больше, чем у медных контактов.

По-видимому, у остальных восстановителей разрушающее усилие будет еще меньше и, следовательно, площадь действительного контакта еще больше.

Но малое разрушающее усилие является источником другого отрицательного явления. При движении кусков восстановителя и трении их друг о друга будет происходить обламывание контактирующих площадок и нарушение контактов. Естественно, что в точках нарушения контактов будут обрываться токи и возникать перемежающиеся дуги. Такие дуги можно наблюдать на поверхности колошника даже при сравнительно спокойном ходе печи. Особенно хорошо можно их наблю­ дать в период пуска печи после капитального ремонта ванны. В таких случаях обычно под электроды закладывают кокс и опускают электроды до соприкосновения с по­ следним. Таким образом, ток от электродов течет на под через куски кокса. По мере сгорания последних нарушаются контакты и между кусками кокса проскакивают перемежающиеся дуги.

Сувеличением кусковатости число промежуточных контактов и вместе с тем сопротивление последовательной цепи уменьшается. Если считать, что куски имеют форму шаров, то сопротивление цепи меняется обратно пропорционально диаметру кусков (рис. 184).

Суменьшением кусковатости связано и другое явление. Как видно, величина поверхности действительного контакта при уменьшении давления на каждый кусок

251