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

вательно, и давление на каждую точку действительного контакта, что обусловли­ вает сокращение его площади и рост контактного сопротивления.

Если к свободно насыпанному восстановителю приложить внешнюю силу, то с увеличением общего давления возрастет и давление в точках действительного контакта, что повлечет за собой уменьшение общего электрического сопротивления материалов. При очень высоких давлениях происходит смятие шероховатостей на гранях соприкосновения кусков, материал прессуется и сопротивление кусковатого материала приближается к сопротивлению массивного однородного материала. На рис. 185 приведены три кривые зависимости удельного сопротивления кокса различной кусковатости от давления. Из кривых видно, что в довольно узких пре­ делах давлений (от 0 до 2 кгс/см2) удельное сопротивление кокса резко падает.

В ваннах руднотермических печей давление создается только собственным ве­ сом шихты. Удельный вес последней зависит от ее состава. Для 45%- и 75%-ного ферросилиция он составляет соответственно ~ 2 ,0 и 1,0 кгс/см3. Примерно в таких же пределах лежит удельный вес и остальных сплавов. При таких удельных весах и небольшой глубине ванн давление, создаваемое собственным весом шихты, будет незначительным. Например, на глубине— 1 м это давление составит ~0,15 — 0,20 кгс/см3 и на этой глубине благодаря давлению, создаваемому собственным ве­ сом шихты, электрическое сопротивление последней уменьшится примерно в пол­ тора раза.

В средней и нижней зонах печи проявляется еще и другой фактор. Здесь шихта начинает размягчаться, спекаться и приобретает большую пластичность. Поэтому для этих зон теория контактных сопротивлений теряет силу. Отдельные микроскопи­ ческие площадки соприкосновения, даже при малых давлениях, резко увеличи­ ваются и соответственно падает контактное сопротивление.

Б. Электропроводность окислов

Сопротивление шихты в целом определяется свойствами не только восстанови­ теля, но и остальных! ее компонентов, т. е. различных окислов железа в виде руды и металлической стружки.

Все окислы характеризуются весьма высоким удельным электрическим сопро­ тивлением и падающей характеристикой. С увеличением температуры удельное со­ противление падает. Однако, даже при весьма высоких температурах, приближаю­ щихся к точке их плавления, удельное сопротивление большинства шихтовых ма­ териалов сохраняется весьма высоким. В качестве примера укажем, что удельное сопротивление одного из образцов кварцита при 20° С составляет 2,4-1010 Ом-см, а при 830° С оно падает до 5,6-103 Ом-см.

Еще более резко падающую характеристику имеет окись кальция. При 20° С ее удельное сопротивление очень велико, при 500° С оно падает до 7-10® Ом-см, а при 1200° С — до 960 Ом-см. При более высоких температурах удельное сопро­ тивление окиси кальция еще меньше. Поэтому в верхней зоне ванны основные шихто­ вые материалы можно рассматривать как непроводящие включения между кусками восстановителя, в средних и нижних зонах они начинают проводить токи, но и тут их электропроводность весьма мала.

В. Электропроводность металлов

Совершенно иной характер носит электропроводность металлов и особенно железа, которое является одним из основных компонентов шихты ферросплавов.

Удельное сопротивление железа при 20° С составляет —9,9 -10'6 Ом-см. Же­ лезо характеризуется положительным температурным коэффициентом и его удель­ ное сопротивление с повышением температуры растет. На рис. 186, а приведена при­ мерная кривая зависимости удельного сопротивления железа для температур от 20 до 1000° С. Она показывает, что при росте температуры от 20 до 1000° С удельное сопротивление железа возрастает почти в шесть раз.

Вообще для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры мож­ но выразить формулой

252

Для различных металлов и различных диапазонов температур щ имеет различ­ ные значения.

Согласно данным Н. П. Мокровского и А. Р. Ригеля, удельное сопротивление меди, никеля, кобальта, железа и марганца характеризуется уравнениями, приве­ денными в табл. 26. Кроме уравнений, в таблице приведены пределы температур, для которых годны эти уравнения, и отношение удельных сопротивлений жидкого металла к твердому при температуре плавления.

ТАБЛИЦА 26

УРАВНЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Для иллюстрации на рис. 186, б приведены графики этих закономерностей для меди, никеля, железа и марганца.

Из кривых видно, что удельное сопротивление железа при достижении темпера­ туры плавления составляет— 120 мкОм-см и при плавлении падает до ПО мкОм-см. Правда, в литературе приво­ дятся и значения, несколько отличные от этих данных; на-

Рис. 186. Зависимость удельного

сопротивления от температуры

253

пример, удельное сопротивление марганца при температуре плавления составляет 65 мкОм-см и при плавлении оно падает до 40 мкОм-см.

Следует еще остановиться на кусковатости железа, подаваемого в печь. Когда размеры кусков железа достаточно велики, переходное сопротивление в контакте между кусками не играет существенной роли. Но при подаче мелких кусков и, осо­ бенно, стружки дело меняется. В этом случае общее сопротивление стружки опреде­ ляется не только удельным сопротивлением. Оно весьма зависит от величины стружки и окисления ее поверхности (ржавчины). В верхних зонах ванны, где температура и давление малы, стружка слабо уплотнена; вследствие этого контактные сопротив­ ления между отдельными кусками стружки и восстановителя велики, в результате чего увеличивается ее общее сопротивление. В средних и нижних зонах, благодаря повышению давления и размягчению стружки, контакты между отдельными кусками улучшаются и величина контактных сопротивлений падает. Таким образом, разница в общем сопротивлении стружки в верхних и нижних зонах ванны несколько ни­ велируется, но все же сопротивление стружки в нижних зонах в несколько раз больше, чем в верхних. Особенно резко эта разница заметна при выплавке сплавов с высоким содержанием железа. В период пуска, когда температура ванны еще низка, в печи находится большое количество железной стружки; благодаря ее вы­ сокой электропроводности общее сопротивление шихты невелико и ток шихтовой проводимости достигает большой величины. Мы видели, например, что при выплавке 45%-ного ферросилиция в момент пуска печи, когда дуга еще отсутствует, печь забирала до 6—7 МВт, т. е. номинальную мощность. С течением времени при разо­ греве шихты и повышении ее температуры ток шихтовой проводимости начинает уменьшаться.

Г. Электропроводность шихтовой смеси

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что основным элементом шихты, определяющим его электропроводность, является восстановитель. Осталь­ ные элементы шихты могут в той или иной степени исказить основную электропро­ водность, определяемую восстановителем. Но так как каждый восстановитель имеет свою электрическую характеристику, то для каждого сплава вопрос электропровод­ ности должен быть изучен индивидуально, применительно к конкретным компонен­ там шихты.

Надо иметь в виду, что интегральная электропроводность шихтовой смеси за­

254

X

I

восстановителя и тем энергичнее протекает реакция восстановления. При слишком мелкой фракции восстановитель в значительной части реагирует в верхней и средней зонах ванны, частично выносится газами и меньшее его количество попадает в ниж­ нюю зону. Вследствие этого в ферросилициевых печах происходит закварцевание и общее сопротивление ванны растет. Если же размеры кусков восстановителя слиш­ ком велики, а удельная поверхность мала, то значительное количество их попадает в нижнюю зону печи и благодаря их высокой электропроводности уменьшается суммарное сопротивление ванны. Это в свою очередь влечет за собой повышение тока шихтовой проводимости. Во избежание перегрузки печи в этом случае приходится поднимать электроды и уменьшать ток дуговой проводимости.

Оба крайних случая (как слишком мелкая, так и слишком крупная фракция восстановителя) приводят к колебаниям сопротивления печи и расстройству ее нор­ мального хода. Поэтому кусковатость компонентов шихты должна быть такой, чтобы результирующее сопротивление ванны было оптимальным, соответствующим выбранным уровням номинальных токов и напряжений.

К сожалению, вопрос этот изучен недостаточно и кусковатость компонентов шихты выбирают обычно, исходя из данных практики.

6« Электропроводность расплавов

Расплав — продукт реакции — находится на поду печи и является одним из участков пути тока. В расплаве выделяется часть полезной энергии. В зависимости от размеров ванны и удельного сопротивления расплава эта энергия может состав­ лять большую или меньшую часть общего энергетического баланса печи.

Удельное же сопротивление расплава может меняться в весьма широких пре­ делах зависимости от его химического состава и температуры.

Рассмотрим наиболее типичные примеры.

А. Расплав в сталеплавильной пени

Всталеплавильной печи расплавом является жидкое железо. Выше было ука­ зано, что его удельное сопротивление, по данным ряда авторов, колеблется в пре­ делах 100—140 мкОм-см. При таком низком удельном сопротивлении и номиналь­

ных токах в печи нельзя.получить достаточную мощность. Например, в печи емко­ стью 3 т при номинальных токах, равных —4000 А, мощность на фазу составляет ~400—450 кВт. Если принять диаметр проводящего слоя равным 45 см (полтора Диаметра электрода) и считать, что под каждой фазой находится 1 т металла, то вы­ сота проводящего слоя составит <-~70—80 см. При таких размерах проводящего слоя общее сопротивление фазы будет составлять около 5 мкОм. Между тем, при принятых

255

Мощностях й токе сопротивление фазы должно быть —9 мОм, т. е. почти в 500—600 раз больше. Ясно, что в этих условиях соприкосновение торца электрода с расплавом приводит к короткому замыканию фазы, и, чтобы ограничить ток короткого замы­ кания, в контур печи вводят большую индуктивность в виде дросселя или же по­ вышают индуктивность самого трансформатора.

Б. Расплав ферросилиция

Врассматриваемых печах расплавом является жидкий ферросилиций, содержа­ щий значительное количество железа. Для 45%-ного FeSi содержание железа, например, составляет ~ 50% . Для 90%-ного сплава оно падает до 10%. Это уже указывает на то, что удельное сопротивление жидкого ферросилиция в значитель­ ной степени определяется железом. К сожалению, удельное сопротивление жид­

кого ферросилиция исследовано мало. По нашим данным, удельное сопротивление ферросилиция в жидком состоянии составляет —100 мкОм-см.

Другой основной компонент этого сплава — силиций — также характеризуется довольно высокой электропроводностью. Согласно данным Н. П. Мокровского и A. Р. Ригеля, удельное сопротивление жидкого кремния в зависимости от темпера­ туры меняется в весьма широких пределах.

На рис. 188, б приведена кривая зависимости логарифма удельного сопротив­ ления кремния от температуры. Она показывает, что при 1250° С удельное сопро­ тивление кремния составляет 15 800 мкОм-см и при повышении температуры до 1670° С падает до 2500 мкОм-см, т. е. уменьшается в шесть раз. После расплавления оно снижается в 29 раз и падает до 86 мкОм-см. Мы видим, что удельное сопротив­ ление жидкого кремния составляет примерно величину такого же порядка, как и удельное сопротивление жидкого железа.

Отсюда следует вывод, что сопротивление жидкого расплава ванны ферросилициевой печи очень мало. Поэтому соприкосновение электрода с расплавом, а тем более погружение его в расплав, приводит к короткому замыканию ванны. Проил­ люстрируем это примером. Для печи мощность фазы составляет —2000 кВт и при токе 30 кА эффективное сопротивление фазы будет равно 2,22 мОм. Предположим, что под фазой находится расплав высотой 80 см. Примем, что диаметр проводящего слоя в полтора раза больше диаметра электрода и удельное сопротивление расплава равно 100 мкОм-см. При этих условиях сопротивление расплава составляет ~ 1 мкОм, т. е. оно в 2000 раз меньше эффективного сопротивления ванны при номинальной мощности последней. Отсюда делаем вывод, что сопротивление расплава, включен­ ное последовательно сопротивлению дуги и шихты, настолько мало, что при расче­ тах им можно пренебречь.

Остается открытым вопрос о соотношении сопротивлении дуги и шихты и выде­ ляющихся в них мощностей.

Сопротивление шихты меняется в широком диапазоне, так же изменяется диапа­ зон ее температур. В шихтовой массе всегда найдутся слои, сопротивление которых соизмеримо с сопротивлением дуги. Поэтому ванна печи обладает определенной спо­ собностью саморегулирования и перераспределения мощностей между дугой и ших­ той. Подробнее вопрос этот будет освещен при рассмотрении шунтирующих токов.

B. Расплав карбида кальция

Удельное сопротивление карбида кальция исследоваюсь многими авторами. Несмотря на это, о нем нет исчерпывающих данных, так как результаты этих ис­ следований значительно отличаются друг от друга.

Первые работы в этой области были проведены Ханекопом. Согласно его данным, удельное сопротивление жидкого карбида кальция колеблется в пределах 0,04— 0,05 Ом-см. Позднее исследования удельного сопротивления карбида кальция были проведены П. В. Гельдом. По его данным удельное сопротивление жидкого карбида колеблется в пределах 1,2—1,5 Ом-см. Наши исследования показали более широкий диапазон колебаний: 1,0—2,0 Ом-см. В последнее время исследования удельного сопротивления карбида кальция для широкого диапазона температур были про­ ведены Р. Чугуряном. На рис. 189 приведена одна из полученных им зависимостей между удельным сопротивлением карбида кальция и температурой. Из кривой этой зависимости видно, что более или менее резкое понижение удельного сопротивления

256