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

Как же обстоит дело с катодным пятном в печной дуге? В боль­ шинстве руднотермических печей дуга горит под шихтой, что исклю­ чает визуальные наблюдения. Но в сталеплавильных печах, где условия горения примерно такие же, как и в руднотермических, можно наблюдать за дугой. Эти наблюдения показывают, что дуга в печи горит не по всему торцу электрода, а сосредоточивается в опре­

пятна в сталеплавильных печах представляет большие эксперимен­ тальные трудности. Ниже приведены некоторые данные о такой дуге

идана их оценка.

Врассматриваемых печах катодом поочередно являются уголь­ ный электрод и сплав или металл в жидком виде; горение дуги происходит примерно при атмосферном давлении, и катод не под­ вергается резкому охлаждению. Благодаря этому термоэлектронная эмиссия должна распространиться на большую площадь основания дуги и, следовательно, плотности тока на катоде должны быть срав­ нительно невелики. Если и для мощных электропечей принять плот­ ность тока по аналогии с маломощной дугой ~ 500 A/см2, то для катодных пятен получаем необычно большие размеры. Так, для стале­

плавильной печи емкостью 3 т при силе тока 4 кА получаем катодное пятно площадью до 8 см2. Для мощной руднотермической печи при силе тока 30 000—40 000 А площадь катодного пятна должна со­ ставить — 60—80 см2. Диаметр катодного пятна получается при этом равным ~ 9— 10 см.

Если для расчета катодных пятен принять плотности тока по опытам К. К. Хренова, площади катодных пятен уменьшатся

25

зом, можно сделать вывод, что столб мощной печной дуги должен опираться, по крайней мере одним своим концом, на значительную площадь.

Для иллюстрации этого положения на рис. 12 приведены резуль­ таты экспериментального исследования пятна дуги 1441.

Очень важным фактором для суждения о строении дуги в рудно­ термической электропечи является конфигурация огарков электрода. Горец электрода обычно обгорает довольно равномерно, а диаметр торца всего на 10— 15% меньше расчетного диаметра электрода. На поверхности торца в определенном закономерном порядке рас­ положены углубления. Обычно число углублений соответствует числу ребер кожуха электрода. На ферросплавных печах мощностью 7500 кВА, например, на кожухе предусмотрено десять ребер и на торце наблюдается по десяти углублений, расположенных под сле­ дами обгоревших ребер на расстоянии 10— 15 см от периферии элек­ трода. Диаметр углублений равен — 10 см. Образование этих углуб­ лений понятно. В верхней зоне электрода, где кожух и ребра целы, ток течет по железу кожуха. Вблизи же торца, вследствие высокой температуры, ребра оплавляются, и ток, переходя в тело электрода или в дугу, создает эти глубокие очаги. Естественно, что эти очаги и являются началами дуги на электроде.

Простой расчет показывает, что все эти пятна расположены в не­ посредственной близости друг к другу и почти сливаются, однако между отдельными очагами все же существуют зазоры.

В рассматриваемом примере диаметр всего пространства, заня­ того дугой, составляет 50—60 см. Как мы увидим ниже, примерно к такому же размеру диаметра дуги приводят и энергетические рас­ четы.

Расположению всех катодных пятен в непосредственной близости друг к другу способствует и явление сжатия.

На рис. 13 показан снимок конца электрода, обрубленного после его обрыва. На снимке ясно видны углубления, образовавшиеся в результате оплавления ребер кожуха печи и последующего горения

дуг.

Непосредственно к поверхности катода прилегает область ка­ тодного падения напряжения. Как было отмечено, протяженность этой области составляет величину порядка 10~5 см. При абсолютной величине катодного падения напряжения, не превосходящего 8— 10 В, в этой области создаются градиенты напряжения, достига­ ющие 106 В/см.

Видимо, по строению этой области дуга в электропечи ничем не отличается от дуговых разрядов других типов.

«пламена». Все пространство между электродами занято ярко све­ тящимися газами, в которых протекают различные химические реак­ ции. Пламена у электродов и ореол представляют собой раскаленные массы газов, в которых также происходят различные химические реакции между составными частями газов.

26

Анодное и катодное падения потенциалов не зависят ни от дли­ ны дуги, ни от величины общего напряжения, приложенного к раз­ рядному промежутку. Статистичес­ кие материалы показывают, что сумма обоих этих потенциалов приблизительно равна потенциалу ионизации газа или пара, в ко­ тором происходит разряд. Таким образом, разность потенциалов

в столбе — величина постоянная, что указывает на отсутствие объем­ ных зарядов в столбе.

На рис. 14 даны три кривые распределения потенциалов в дуго­ вом промежутке при различном давлении. Как показывают эти кри­ вые, с увеличением давления общий уровень напряжения дуги ра­ стет, но характер распределения потенциала между отдельными участками дуги сохраняется.

6« Прохождение тока через дугу

Характер прохождения тока в области катода у дуг с холодным и горячим катодом различен. Рассмотрим каждую из этих дуг в от­ дельности.

В дуге с горячим катодом выход электронов с катода объясняется термоэлектронной эмиссией. Электроны, вылетая из катода, уско­ ряются сильным электрическим полем в области катодного падения потенциала и начинают ионизировать атомы газа, окружающего катод. Ионизация происходит в слое газа, находящемся от поверх­ ности катода на расстоянии, равном примерно одному свободному пробегу электрона.

Образующиеся при этом положительные ионы под действием электрического поля устремляются к катоду. Полученную в электри­ ческом поле энергию ионы при столкновении отдают катоду и тем самым поддерживают его температуру на уровне, необходимом для термической ионизации.

Ионизация слоя газа непосредственно за областью катодного падения потенциала приводит к образованию такого количества свободных электронов, что они могут осуществлять перенос тока. Отсюда и начинается столб дуги. Так как в столбе градиент потен­ циала постоянен, то заряды в нем должны быть скомпенсированы. Следовательно, число ионов в столбе должно приблизительно рав­ няться числу движущихся по нему электронов. Но при равном числе положительных ионов и электронов плотности токов, пере­

29

носимых ими, будут зависеть от их подвижности. Так как подвиж­ ность электронов во много раз больше подвижности ионов, то можно сделать вывод, что почти 99% тока в столбе должно переноситься электронами. В действительности же, как увидим в дальнейшем, соотношение между электронной и ионной составляющими тока получается иное.

В столбе дуги происходят явления рекомбинации и диффузии, что приводит к уменьшению числа свободных заряженных частиц. Убыль последних компенсируется тепловой ионизацией в самом столбе. Помимо этого, столб теряет энергию вследствие теплопровод­ ности, излучения и конвекции.

Так как основным источником энергии, выделяющейся в столбе, является электрическое поле, градиент потенциала в столбе должен быть таким, чтобы энергия, выделяющаяся в единице длины столба, могла покрывать тепловые потери столба и поддерживать темпера­ туру последнего на уровне, достаточном для термической ионизации. Это играет весьма важную роль в механизме печной дуги.

Переход тока из столба на анод происходит через концентриро­ ванное светящееся пятно, внешне похожее на катодное.

При высоких температурах в дуге переход тока на анод обычно сопровождается испарением материала анода.

Рассмотрим теперь условия возникновения дуги при электро­ статической эмиссии с катода.

Если у поверхности катода создать электрическое поле напря­ женностью в 106— 108 В/см, то катод начинает эмитировать элек­ троны. Эта эмиссия в достаточно широких пределах не зависит от температуры и называется холодной, или электростатической.

Для создания таких полей необходима высокая концентрация положительных объемных зарядов в непосредственной близости к катодному пространству. Условием возникновения таких высо­ ких концентраций зарядов является прежде всего большая плотность газов или паров, окружающих катод. Как указывают некоторые авторы, плотность атмосферного воздуха на катоде не всегда до­ статочна для электростатической эмиссии и, по-видимому, образо­ вание дуги с холодным катодом всегда связано с испарением катода.

Подробнее с обоими видами эмиссии познакомимся позже; здесь лишь отметим, что типичной дугой с «холодным» катодом, т. е.

сэлектростатической эмиссией, является ртутная дуга, а термо­ электронной дугой — дуга между угольными электродами в воздухе.

Вряде случаев трудно отличить термоэлектронную дугу от дуги

сэлектростатической эмиссией.

Вэлектропечи один электрод всегда угольный, второй представ­

ляет собой жидкий металл. Температура в тигле, а следовательно, и на электродах всегда очень высока; это значит, что процесс термо­ электронной эмиссии в печной дуге должен быть всегда явно выражен.

Поэтому мы и определили выше печную дугу как термоэлектрон­ ную. Следует, однако, подчеркнуть, что при давлениях несколько выше атмосферного в печной дуге имеет место также электростати­

зо