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

Особенно долго продолжается нагрев печи после длительного про­ стоя и полного ее остывания. Чтобы холодная печь вошла в нормаль­ ный тепловой и производственный режим, требуется несколько суток.

Однако не у всех зон печной ванны одинаковая тепловая постоян­ ная.

При возникновении или прекращении дуги температура ее ствола резко меняется в течение долей секунды. Медленнее изменяется температура газового слоя, окружающего дугу. Но и в этом слое процесс перехода от одного теплового состояния к другому заканчи­ вается в течение долей секунды или нескольких секунд. Значительно большей инерцией обладают внутренние стенки тигля, состоящие из жидкой и полужидкой магмы. При наличии дуги они обогреваются ее лучистой энергией. В слое стенок тигля выделяется и основная часть тепла, обусловливаемого током шихтовой проводимости.

Часть тепла, получаемого стенками тигля, расходуется в слое стенок на эндотермические химические реакции, остальное же тепло передается в глубь магмы теплопроводностью.

Темпы установления температурного режима стенок тигля при включении и выключении печей различны. При включении печи температура стенок тигля низкая и химические реакции отсутствуют. Поэтому все тепло, поступающее в слой стенок тигля, расходуется на повышение температуры стенок и на нагрев путем теплопровод­ ности остальных слоев шихты, лежащих за стенками. Вследствие низкой температуры стенок тигля охлаждение газового слоя и раз­ рядного промежутка протекает весьма интенсивно и дуга горит неустойчиво. Постепенно с повышением температуры стенок возни­ кают эндотермические химические реакции и часть тепла расходуется на образование сплавов. По мере приближения к установившемуся режиму доля энергии, потребляемой на разогрев печи, падает до нуля, а доля энергии, приходящаяся на тепловые потери ванны и расходуемая на химические реакции, приближается к постоянной величине.

При отключении печи картина протекает несколько иначе. С пре­ кращением тока и дугового разряда прекращается и подвод энергии. Температура столба дуги и всего газового слоя, как мы говорили, падает очень быстро. Но все же в течение некоторого промежутка времени она остается выше температуры стенок тигля и направление потока энергии от газового слоя к стенкам тигля остается неизмен­ ным.

Таким образом, скорость снижения температуры стенок тигля значительно отстает от снижения температуры в столбе дуги и газовом слое в целом.

Со снижением температуры стенок тигля замедляются и химиче­ ские реакции, а некоторые из них начинают протекать в обратном направлении. Благодаря этому еще больше снижается и скорость падения температуры стенок тигля.

По истечении некоторого времени температура газового слоя и стенок тигля выравнивается и теплообмен между ними прекра­ щается.

278

Затем начинается обратный процесс. Температура газов, уходя­ щих из тигля, становится ниже температуры стенок тигля, и тепло­ вой поток меняет направление. При этом не газы подогревают стенки тигля, а, наоборот, последние обогревают газы.

В этом теплообмене весьма деятельное участие принимает торец электрода. При включении холодной печи электрод сам начинает нагреваться и аккумулировать тепло, что способствует еще более интенсивному охлаждению газовой сферы и неустойчивости горения дуги. При отключении печи, наоборот, энергия, аккумулированная в массе электрода, передается окружающей его газовой сфере. Благодаря этому в газах и на стенках тигля долго поддерживается достаточно высокая температура и охлаждение их, как указывали выше, идет медленно.

За стенками тигля расположена масса полуспекшейся и частично прореагировавшей шихты. По мере приближения к периферии ванны (к внутренним стенкам и колошнику) физико-химическое состояние массы меняется и ее свойства постепенно приближаются к свойствам свежей шихты.

Удельная электропроводность этой массы незначительна и ток шихтовой проводимости невелик. Поэтому тепловые процессы в массе протекают почти исключительно вследствие теплопроводности.

в лучистом и конвективном теплообмене с окружающей средой.

массе и футеровке ванны, остальная часть представляет собой теп­ ловые потери ванны.

После того, как прекратится разогрев ванны и закончится акку­ мулирование энергии, печь входит в нормальный режим и через шихтовую массу и футеровку проходит только энергия потерь на излучение и конвекцию. В электроде, шихте и футеровке печи акку­ мулируется значительное количество энергии, поэтому для нагре­ вания печи и вхождения ее в нормальный режим требуется длительнее время. Процесс этот затягивается еще вследствие того, что начиная от некоторого значения температуры, в печи возникают эндотерми­ ческие химические процессы. Разогрев печи нельзя форсировать подводом большой мощности во избежание нарушения технологи­ ческого процесса.

После отключения печи тепловые процессы в шихтовой массе и футеровке протекают иначе. Хотя с исчезновением дуги темпера­ тура газовой сферы быстро падает, все же в течение некоторого про­ межутка времени она превышает температуру стенок тигля. Поэтому поток энергии и у отключенной печи в начальный момент направлен

279

к стенкам тигля. В дальнейшем температура газов и стенок тигля выравнивается и теплообмен между ними прекращается.

Так как выход газов из тигля через зазор между шихтой и элек­ тродом продолжается, от температура газов продолжает снижаться

истановится ниже температуры стенок тигля. С этого момента теп­ ловой поток меняет направление и стенки тигля отдают тепло газам,

врезультате чего постепенно снижается температура стенок тигля

иблизлежащей магмы. В это же время происходит теплоотдача от

наружной поверхности ванны.

Таким образом, внутри шихтовой массы между стенками тигля и кожухом ванны будет существовать некоторый слой с наивысшей температурой и теплоотдача от этого слоя будет происходить в обе стороны — и в сторону самого тигля, и в сторону кожуха ванны. Слой этот постепенно будет перемещаться от внутренних стенок тигля в сторону кожуха ванны. По мере его перемещения сни­

Так как в ванне печи аккумулируется большое количество тепла и шихтовая магма обладает небольшой теплопроводностью, то про­ цесс охлаждения ванны и выравнивания температуры протекает очень медленно.

1. Классификация тиглей руднотермических печей

Тигли ванн руднотермических печей можно разделить примерно на три типа.

1. Тигли, образующиеся при бесшлаковых процессах с высоким удельным расходом электроэнергии и малой скоростью схода шихты. К таким процессам относится выплавка 75%-ного и 45%-ного ферро­ силиция.

Тигли этого типа характеризуются достаточно высокой механи­ ческой прочностью и устойчивостью. Они достаточно четко ограни­ чены и изолированы в тепловом отношении. При изменении тепловых условий деформация их происходит медленно. Зона реакции в тиглях этого типа имеет небольшую толщину. В таких тиглях имеются условия для интенсивной ионизации и диссоциации газовой сферы. Поэтому дуга в таких тиглях должна гореть устойчиво и форма кри­ вых силы тока и напряжения дуги должна быть весьма близка к си­ нусоиде.

При длительном горячем простое печи форма тиглей сохраняется почти без изменения.

2. Тигли в бесшлаковых сплавах, когда процессы протекают с ма­ лым удельным расходом электроэнергии и большой скоростью схода шихты. К таким сплавам относится карбид кальция. Тигли этого

ваны; поэтому дуга в них должна гореть устойчиво и синусоидаль­ ная форма кривых силы тока и напряжения редко нарушается.

280

При длительных горячих простоях тигли этого типа подвержены определенным деформациям, но все же в основном сохраняют свою форму.

3. Тигли сплавов со значительным количеством шлаков, при про­ текании процессов с малым удельным расходом электроэнергии и большой скоростью схода шихты. К таким сплавам относятся силикомарганец и ферромарганец. Тигли этого типа механически мало устойчивы и подвержены частым деформациям. Температура на внутренних стенках таких тиглей ниже, объем самих тиглей относи­ тельно больше. Зона реакции имеет значительную толщину. Тепло­ вые условия горения дуги в таких тиглях гораздо хуже, чем в тиглях двух первых типов. Поэтому дуга в них чаще подвергается обрыву и кривые силы тока и напряжения дуги в большей или меньшей сте­ пени отклоняются от синусоидальной формы.

Как было указано в гл. I, попытки строгой и единообразной клас­ сификации печей терпят неудачу из-за того, что один и тот же сплав может быть получен при различных режимах работы печи. Это поло­ жение сохраняет силу и при классификации тиглей. В зависимости от теплового состояния печи строение и форма тиглей данного сплава могут меняться в весьма широких пределах; тигли приведенных выше типов характерны для нормальных режимов работы печей.

На с. 274— 276 приведено несколько схем строения ванны печи; одни из них носят чисто умозрительный характер, другие построены по данным исследования ванн печей после их отключения. Ни те, ни другие не могут дать полного представления о строении тигля ванны в его динамическом состоянии. Поэтому исследование ванны в процессе ее работы является весьма важной проблемой.

Глава X II

Шунтирование электрической дуги в печи

1« Принципы шунтирования дуги

Электропроводность шихты, окружающей электроды руднотерми­ ческой печи, в подавляющем большинстве случаев имеет конечную величину. Поэтому через шихту всегда протекает ток шихтовой про­ водимости. Величина этого тока зависит от величины электропровод­ ности.

Объемная плотность мощности, выделяющейся в шихте, зависит от удельного сопротивления шихты и плотности тока

р = 62р, (ХП-1)

где 6 — плотность тока; р — удельное сопротивление.

Если электрическое сопротивление шихтовых материалов очень мало, то невозможно получить высокие объемные мощности в шихте, И печь приходится переводить на дуговой режим. В этом случае

281