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

Бесселя. В табл. 27 приведены результаты одного расчета, проведен­ ного указанными авторами.

ТАБЛИЦА 27

Р ЕЗ УЛ ЬТА ТЫ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ, °С

Эти расчеты показывают, что основной очаг преобразования электроэнергии и протекания основных технологических процессов сосредоточивается в области, окружающей торец электрода.

Однако математические методы расчета тепловых полей так же затруднительны и малоприемлемы, как и электрических, так как они очень трудоемки и вместе с тем не отображают всего многообра­ зия процессов, протекающих в ванне печи. Поэтому материалы экс­ периментального исследования дают лучшее представление о тем­ пературном поле ванны. Но прежде чем перейти к их рассмотрению, остановимся на строении тигля или очага плавления, так как оно оказывает большое влияние на распределение температуры в ванне.

3* Строение и форма тигля ванны

Тиглем печи будем называть ту часть ванны, в которой протекают основные физико-химические процессы образования сплава. Нужно тут же оговориться, что некоторые химические реакции происходят и вне тигля, но они играют второстепенную роль.

Тигель — наиболее важная и чувствительная область печи и в то же время он менее всего изучен. Это объясняется прежде всего трудностью экспериментирования. Будучи со всех сторон закрыт шихтой и сплавом и находясь в зоне наиболее высоких температур, тигель в производственных условиях недоступен для наблюдения.

Имеющиеся в литературе описания тиглей печей не дают ясного представления о них. Исторически наибольшего внимания заслужи­ вают схемы строения тиглей, данные М. С. Максименко [18] в связи с классификацией отдельных видов производств. В печах для про­ изводства различных материалов строение тиглей различно. В кар­ бидной печи (рис. 197, а) жидкий карбид располагается на поду ванны. Как указывает М. С. Максименко, дуга горит между концом электрода и жидким карбидом и закрыта сводом из шихты. В целом схема показывает, что дуга является центром тигля и окружена значительным газовым пузырем. В процессах, характеризуемых большим количеством шлака (рис. 197, б), дуга горит над шлаком и основной продукт реакции располагается на поду печи. В шлаке

2 6 6

Рис. 197. Схема строе­ ния тигля по М. С. Максименко:

выделяется ~ 2 5 % всех энергии. Дуга может быть либо закрыта шихтой, либо открыта.

Ниже будут показаны примеры другого строения тиглей, сейчас же изложим общие соображения о строении тигля руднотермической печи, в которой дуга играет доминирующую роль. При изучении ванн руднотермических печей создается следующее представление о строении тигля. Тигель однофазной печи имеет форму тела враще­ ния. Основанием его служит масса жидкого сплава или шлака. Через его вершину в направлении оси в тигель входит электрод. Продолжением электрода является электрическая дуга, которая окан­ чивается на поверхности жидкого сплава.

Ось дуги является местом наивысших температур. При удалении от оси дуги температурный градиент резко снижается. Диссоцииро­ ванные частицы, покидая область дуги, попадают в газообразную сферу тигля, и часть энергии дуги передается газам. Она расходуется либо на эндотермические процессы, протекающие в газах, либо на их нагрев. Газы, соприкасаясь с внутренней поверхностью тигля, передают тепло шихте. На эту же поверхность приходится излуче­ ние дуги.

Таким образом, основная доля энергии дуги передается внутрен­ ним стенкам тигля, и тут в более или менее узкой зоне стенок тигля происходят химические реакции разложения шихтовых материалов и образование сплава. Этот слой, образующий внутренние стенки тигля, где протекают основные процессы образования сплава, будем условно называть зоной реакции.

За этой зоной расположен более толстый слой стенок тигля, со­ стоящий из полужидкой спекшейся шихтовой массы.

В этом слое разные шихтовые материалы находятся в различном агрегатном состоянии в зависимости от температуры их плавления. Углеродистые материалы и в этой зоне остаются в твердом состоянии. Железо, температура плавления которого относительно низка, к зоне реакции будет подходить в жидком состоянии, а кремнезем — в полу­ жидком, вязком состоянии и т. д.

По мере удаления от зоны реакции агрегатное изменение шихтовых материалов становится все меньше и, наконец, наружные стенки тигля переходят в слой нормально прогретой шихты.

267

Образующиеся в тигле газообразные продукты реакции удаляются через стенки тигля. В основном газы уходят через верхнюю часть тигля. Поэтому верхняя часть тигля по форме приближается к пара­ болоиду или эллипсоиду вращения. Если по крупности шихта более или менее равномерна и печь имеет ровный, установившийся режим, газы удалятся со значительной части стенок тигля и поэтому газы на поверхности колошника распределяются довольно равномерно. При нарушении режима работы печи (горячий ход, сужение тигля и т. д.) равномерность толщины стенок тигля уменьшается, давление газов внутри тигля растет и газы выходят в отдельных точках в виде горящих факелов (свищей).

Одним из методов выравнивания выхода газов является шуровка. При шуровке пробиваются вязкие толстые стенки тигля, что дает свободный выход газам. Однако следует отметить, что шуровка яв­ ляется вспомогательным средством для восстановления нарушенного режима работы печи. В нормальных условиях, по мере протекания реакции нормальная толщина тигля должна восстанавливаться авто­ матически благодаря постепенному сходу шихты, удаление газов должно происходить в соответствии с вполне определенной законо­ мерностью.

На рис. 198, а изображена схема строения тигля однофазной печи мощностью 10 000 кВА. Примерная форма тигля — парабо­ лоид или эллипсоид вращения. Через вершину в тигель входит электрод. Под последним находится газовый слой 1. Под ним распо­ ложен расплав 2. Дуги, по-видимому, горят и в центральной части торца электрода и на его периферии. У боковой поверхности торца электрода начинается область 3 конденсации диссоциированных ато­ мов, а за ней находится зона реакции 4. За зоной реакции распо­ лагаются стенки тигля 5, представляющее жидкую и полужидкую спекшуюся шихтовую массу.

Представление о форме тигля трехфазной печи можно получить, исходя из формы тигля однофазной печи. Если электроды трехфазной печи расположены далеко друг от друга и сопротивление шихты достаточно велико, то под каждым электродом образуется свой тигель. В этом случае форма тигля в каждой фазе будет прибли­ зительно такой же, как у однофазной печи, но две соседние фазы все же будут влиять на тепловой режим данной фазы и изменять форму ее тигля. При расположении электродов в ряд наружные стенки тиглей крайних фаз будут иметь такую же форму, как тигли однофазных печей, стенки же между фазами несколько отодвинутся. Тигли крайних фаз имеют несимметричную форму.

Длина тигля средней фазы вдоль оси расположения электродов больше, чем по поперечной оси. На рис. 198, б приведено примерное строение тигля рассматриваемой печи мощностью 7500 кВА.

Такое строение тигля наблюдается на трехфазных карбидных печах. В них каждая фаза имеет свой тигель и между фазами до самого пода сохраняется перегородка из более или менее твердой или весьма вязкой шихтовой массы. Летки также устроены под каждой фазой, и межфазные перегородки настолько прочны, что

268

при выпуске сплава из-под одной фазы они не разрушаются и сплав под соседней фазой остается в печи. Только в редких случаях при расстройстве хода печи сплав, накопившийся под одной фазой, про­ бивает перегородку и выходит из-под другой фазы. Образование обособленных тиглей в карбидных печах объясняется высоким элек­ трическим сопротивлением карбида и его шихты при температуре ниже 1500— 1600° С, а также высоким сопротивлением и вязкостью карбидного расплава при низких температурах. Вследствие этого относительная величина тока по схеме «треугольник» (от электрода к электроду) невелика. Ток протекает главным образом по схеме «звезда», и основная часть энергии выделяется в дуге. Благодаря этому возникает высокая концентрация мощности в самом тигле.

В трехфазной печи, в которой электроды расположены в ряд, тигель может принять иную форму: тигли всех трех фаз могут слиться в общий тигель. В этом случае основанием тигля служит зеркало

в

Рис. 198. Строение тигля различных печей

269