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

Для образования отдельных тиглей под каждой фазой требуется» чтобы распад электродов был значительно больше общепринятого, поэтому обычно в симметричных печах образуется один общий для всех трех фаз тигель. С уменьшением распада электродов, т. е. с при­ ближением электродов друг к другу, вследствие нарушения тепловой симметрии тигли начинают деформироваться: они увеличиваются в направлении оси симметрии печи и, наконец, при достаточной близости электродов друг к другу, все три тигля сливаются в один общий. Очертания боковых стенок такого общего тигля можно пред­ ставить как результат слияния трех эллипсоидов вращения. Отли­ чительной особенностью тиглей симметрических печей является высокий температурный уровень свода тигля между электродами. Это объясняется высокой температурной изоляцией центральной части тигля, окруженного с трех сторон дугами. Вследствие этого свод тигля поднимается значительно выше, чем в несимметричных печах, и колошник между электродами име^т более высокую темпе­ ратуру. Естественно, что и выход газов в центре колошника значи­ тельно интенсивнее, чем вне распада электродов.

271

4.: Температура тигля

Распределение температуры тигля подчиняется определенной закономерности. Отправными точками для изучения температур­ ного градиента служат две более или менее определенные точки — температура столба дуги и температура зоны реакций. Температура столба дуги может колебаться в широких пределах 3000— 20 000 К- На рис. 36 и 37 были приведены кривые колебания температуры

воткрытой дуге, горящей в спокойном воздухе.

Вруднотермических печах дуга горит в замкнутом объеме тигля:

одним из электродов служит жидкий сплав. Поэтому газовая среда дуги будет состоять из ионизированных атомов элементов сплава. Температура столба дуги Тд пропорциональна потенциалу ионизации газов и приближенно определяется уравнением

Отсюда следует, что температура дуги для различных сплавов будет различна. При выплавке карбида кальция основную газовую среду дуги будут составлять пары кальция, потенциал ионизации

лять пары железа и кремния; потенциал ионизации первого из них U . = 7,83, а второго 7,94 В. Значит, температура дуги при выплавке ферросилиция будет составлять ~ 6300 К-

Температура дуги в направлении от оси к ее периферии падает. По данным некоторых исследователей, температура на поверхности дуги достигает 3000—4000 К-

Температура зон реакции определяется температурой испарения шихтовых материалов.

Если реакция образования сплавов происходит в газовой фазе в непосредственной близости к поверхности твердых или жидких шихтовых материалов, то в зоне реакции должна господствовать температура не выше температуры испарения шихтовых материалов. При выплавке, например, ферросилиция температура зоны реакции должна быть — 1800 К, так как при более высокой температуре кремнекислота начинает испаряться.

Если бы по какой-нибудь причине температура превысила 1800 К,

272

Таким образом, в газовой фазе происходит падение температуры от 6000— 7000 К (на оси дуги температуры испарения или плавления в зоне реакции) до 1800 К.

Так как в зоне реакции происходит бурное поглощение энергии, то за этой зоной температура должна резко падать. Это явление в той или иной степени смягчается благодаря току проводимости шихты. В однофазной печи этот ток течет от боковой поверхности электрода на под и боковые стенки ванны, а в трехфазной печи при общем тигле ток в основном течет по схеме «треугольник» от элек­ трода к электроду. При обособленных тиглях токи шихты замы­ каются и по схеме «треугольник», и по схеме «звезда». Поэтому шихта стенок тигля подогревается не только со стороны зоны реакции благодаря теплопроводности, но и токами проводимости. Величина тока проводимости зависит от проводимости шихтовых материалов. Поэтому для тех сплавов, электропроводность которых высока, энергия, выделяющаяся в шихте, будет больше и, следовательно, толщина спекшегося слоя шихты — стенок тигля также будет больше. Проводимость шихты ферросилиция, например, больше, чем шихты карбида кальция, поэтому ток проводимости для ферросилиция будет больше и стенки тигля при выплавке ферросилиция будут толще, чем при выплавке карбида кальция.

5* Экспериментальные данные о строении и температуре тигля

Выше была рассмотрена одна из наиболее ранних схем строения и образования формы тигля. В настоящее время наши сведения по этим вопросам шире.

На рис. 190 было показано распределение температур в ванне карбидной печи по данным Л. А. Кузнецова. Как видно, под элек­ тродом имеется довольно обширная зона, температура которой равна 2100 К- Очевидно, в непосредственной близости к торцу электрода температура должна быть еще выше. В этой зоне материал, по-ви­ димому, находится в газообразном состоянии и, следовательно, она и является зоной дуги. Следующая зона, температура которой 2000 К, еще обширнее. Надо полагать, что именно в этих двух зонах проис­ ходит наиболее интенсивное преобразование электрической энергии

втепловую.

Вподэлектродном пространстве зона высоких температур рас­ пространяется довольно далеко и глубоко проникает в футеровку ванны. В ряде точек температура угольных блоков достигает 1900 К,

а в шамотной кладке она составляет 1600— 1700 К. В направлениях от торца к боковой поверхности электрода и поверхности колошника температура и ее градиент меняются значительно резче. При других условиях эксплуатации изотермы могут, конечно, расположиться иначе, но во всех случаях будет наблюдаться высокотемпературная зона у торца электрода.

Существенно важную роль в распространении температур и зон материалов с различными агрегатными состояниями играет соот­

ношение между температурой плавления шихтовых материалов и температурой восстановительных процессов.

На рис. 200 приведена схема агрегатных состояний шихтовых материалов для ферромарганцевой печи. Разрез дан по малой оси печи. Под торцом электрода имеется более или менее устойчивая газовая сфера 1. Под ней расположен жидкий расплав 2, окружен­ ный полужидкой магмой 3. Ниже последней располагается не под­ вергшаяся разложению шихта 4 и свежая шихта 5. На рис. 201 дано примерное распределение температур в ванне. Температуры газовой сферы 1 и жидкого расплава 2 взяты предположительно, для остальных точек температуры измерены термопарами. Следует иметь в виду, что в связи с периодичностью слива распределение температур и агрегатного состояния материалов меняются также периодически.

Заслуживают внимания исследования состояния ванны ферро­ сплавных печей, проведенные Ш. С. Пхакадзе. С разрешения автора ниже приводим полученные им картины агрегатного состояния ванны. На рис. 202 дана схема состояния ванны мощной однофазной печи при выплавке 45%-ного ферросилиция на низком напряжении

(57 В, 230 кА).

Как указывает автор, при вскрытии ванны под оказался сильно разъединенным. Поверх сильно металлизованной массы, заполнив­ шей разъеденную подину, находился металл Т (45%-ный FeSi) толщиной 60— 100 мм, на площади радиусом около 1,5 м. Над ним находился слой плавленной шихты Ш толщиной около 30 мм. В верх­ ней зоне на периферии горна находилась спекшаяся плотная масса шихты К-

На рис. 203, а представлена работа той же печи при напряжении 90 В и тока 130 кА. Этот режим печи характеризуется наличием дуги. По-видимому, она в основном горела у краев торца электрода. Поэтому эти края скошены и, как видно из рисунка, форма электрода приближается к усеченному конусу. Следует также отметить, что электрод сидел низко, его торец находился на высоте 300 мм от уровня подины. На последней образовался значительный настил из зеле-

274

Рис. 202. Состояние ванны одно­ фазной печи при выплавке 45%-

ного ферросилиция (металл —

«Т»)

Рис. 203. Состояние ванны трехфазной печи мощностью 7500 кВА при выплавке 75%-ного ферросилиция

новато-серой плотной массы толщиной около 300 мм, содержащей много вкрапленного металла. Над ним вокруг торца электрода была расположена спекшаяся оплавленная полупористая шихта Т с вкраплениями металла. Еще выше была расположена свежая шихта Ш, а на периферии полуспекшаяся шихта К ■Центр разъеда­ ния подины и расположение материалов указывают на то, что зона наивысших температур и в этих печах находится под электродом.

На рис. 203, б приведена схема состояния горна трехфазной печи 7500 кВА при выплавке 75%-го ферросилиция. Строение тигля и расположение материалов аналогичны предыдущим случаям. Подина печи и тут разъедена. На ее периферии расположена светло-зеленая плотная масса 1, которая сверху вниз переходит в серовато-зеленую плотную массу 2. Под электродами масса 3 принимает серый цвет с зеленым оттенком с блестящими зернами и имеет слегка металлизованный вид; между электродами она становится зеленоватой 4.

Толщина слоя этой плотной массы 3, 4 составляет 800— 1000 мм, включая разъеденную подину (400 мм).

Над ней расположена расплавленная шихта толщиной 200— 300 мм, в которой вкраплены шлак и металл. В межэлектродных участках в верхней части находится слабопористая, а в нижней части плотная масса зеленовато-серого цвета. Массы на этих участках представляют плотную смесь шихты со шлаком и коксиком.

В верхних зонах периферии ванны находится гарниссаж К в виде плотной, спекшейся шихты и, наконец, вокруг электродов до по­ верхности колошника расположена пористая шихта Ш, свежая на поверхности, полуспекшаяся в верхней зоне и спекшаяся в нижней.

Надо иметь в виду, что рассмотренные схемы расположения материалов относятся к уже остывшей печи, т. е. к периоду, когда полужидкие и жидкие компоненты массы успевают стечь вниз. Повидимому, в период работы печи жидкие и полужидкие массы, обра­ зующиеся в зоне реакции, будут расположены выше. Приведенные выше экспериментально полученные схемы расположения материа­ лов в ванне показывают, что рассмотренные теоретические схемы правильно отображают строение тиглей печей.

Наконец, на рис. 204 приведены схемы расположения материалов в печи по А. С. Микулинскому [22].

Рис. 204. Схемы расположения материалов в печи по данным А. С. Микулинского:

а — у торца электрода дуговой разряд; б — у торца электрода образовался коксовый стол, дугового разряда нет; а — электрод погружен в расплав

276

1

IЧа

1

В первом варианте (рис. 204, а) у торца электрода происходит дуговой разряд, во втором — (рис. 204, б) у торца электрода обра­ зовался коксовый слой при отсутствии дугового разряда и, наконец, на третьей схеме (рис. 204, в) показан случай, когда торец электрода непосредственно погружен в расплав.

Заслуживает внимания также схема работы закрытой рудовос­ становительной печи (рис. 205), данная Д. А. Диомидовским [4]. В ней не выделены зоны дуг и не приведено распределение темпера­ тур, но дана общая схема расположения материалов при большом количестве шлаков.

В заключение еще раз подчеркнем, что в зависимости от общих физико-химических условий печь может работать либо в дуговом, либо в бездуговом режиме.

Исключительным достоинством дугового режима является то, что с помощью дуги можно получить высокую концентрацию энергии при весьма высоких температурах.

В одних случаях такая температура необходима и неизбежна

ипри этих процессах печь необходимо эксплуатировать в дуговом режиме. В других случаях высокие температуры и высокие кон­ центрации энергии являются излишними и даже вредными, и в этих случаях, конечно, следует избегать возникновения дуги или умень­ шать долю энергии, преобразующейся в дуге. В гл. I были показаны примерные пределы оптимального соотношения между величинами р

иq для различных процессов.

6. Неустановившийся тепловой режим ванны печей

Ванна руднотермической печи характеризуется очень большой тепловой инерцией. Поэтому для перевода печи из одного теплового состояния в другое требуется значительный промежуток времени.

277