Теоретическое введение. Изучение дуговых электрических разрядов – важная практическая задача

Изучение дуговых электрических разрядов – важная практическая задача, т.к. тепло, которое выделяется дугой основной источник тепла при выплавке электростали и ферросплавов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА(вольтова ду­га, рис.1) — вид электрического разряда, в котором разрядные явления сосредоточены в узком, канале, идущем от одного элек­трода к другому и принимаю­щем под действием конвекцион­ных потоков нагреваемого раз­рядом газа форму дуги. Явление Э. д. в воздухе между электро­дами в виде двух угольных стер­женьков наблюдалось впервые в 1802 В. В. Петровым. в 1808—09 Дуга наблюдалась Т.Дэви, но получила название вольто­вой дуги (но имени А. Вольта). Она может иметь место в лю­бом газе при давлении порядка атмосферного и выше пример дуги представлен на рисунке 14. Температура газа в канале или «шну­ре» при атмосферном дав­лении равна 5000°—6000°К, а при более высоких давлениях — ещё выше.

Под действием вы­сокой температуры здесь имеет место термическая ионизация и газ в шнуре дуги находится в со­стоянии плазмы. Канал дуги при подходе к катоду ( - ) и аноду ( + ) сужается, образуя на их поверхности электродов катодное и анодное пятна, Плотность разрядного тока в катодном пятне очень велика; она зависит от материала катода и от природы газа и может достигать десятков тысяч ампер и более на 1 см². Анод нагревается бомбардировкой электронами до температуры возгонки материала анода (в случае углеродного анода до 4200⁰К при давлении 1 атмосфера, при давлении 20 атм. до 7000⁰К) Однако такой разряд наблюдается при использовании постоянного тока. Если ток переменный смена направления электрического тока будет обеспечивать равномерный разогрев обоих электродов. В промышленных печах применяется в основном переменный ток.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ —про­хождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля. Законы, связывающие элек­трические токи, проходящие через газ, с приложенным к газу извне напряжением (т. н. вольтамперная харак­теристика разряда), и наблюдаемые при протекании разряда внешние и внутренние эффекты значительно сложнее и разнообразнее, чем законы прохождения тока через металлические тела и сопровождающие этот ток явления. Поэтому, применяя законы разряда можно осуществлять гораздо более разнообразное и более полное управление током, чем это возможно в случае металлических проводников на основании закона Ома.

Видов разряда очень много: тихий, дуговой, искровой, кистевой, факельный, кольцевой безэлектродный и т.д. Однако нас будет интересовать тихий разряд, т.к. он, в основном, имеет место в промышленных печах.

Основные требования, которые предъявляются к электрическому разряду в дуговой печи это:

1. Максимальная сила тока при минимальном напряжении. Это условие объясняется тем, что тепло, которое выделяет дуга прямо пропорционально только силе тока. Среди электрометаллургов распространено выражение «греют амперы, а не вольты». Вольт-амперная же характеристика тихого разряда такова, что с увеличением напряжения сила тока растет только до определенного момента. Далее наблюдается достижение тока насыщения, когда увеличение напряжения не дает роста силы тока. Так как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Вольт-амперная характеристика тихого электрического разряда (L1,2,3 – расстояние между электродами) L1<L2<L3

Как видно из графика, чем больше длина дуги, тем меньше сила тока насыщения. Такая вольт-амперная характеристика свойственна только тихому разряду у дугового разряда это прямолинейная зависимость.

а б

Рисунок 3 Печи (а) с повышенным напряжением и большими тепловыми потерями (длинные дуги) и (б) пониженным напряжением и низкими тепловыми потерями (короткие дуги)

2. Определенная длина электрической дуги. В электродуговой печи длина дуги должна быть определенной длины. Как правило, лучше, если она короткая и составляет около 5-10 см, т.е. при общей высоте рабочего пространства 3-3,5 метра длина дуги составит – 1-3%. Это обусловлено необходимостью, концентрировать энергию дуги в нижней части печи, около подины. Если же дуга будет длинная, то будут прогреваться верхние слои шихты, и тепло будет бесполезно уходить через колошник. Вышеуказанное иллюстрируется рисунком

3. Длинные дуги образуются при повышенном напряжении. Поэтому стараются электроплавку вести при как можно более низком вторичном напряжении. Конечно не в ущерб мощности. Поскольку в печи дуга горит не напрямую между электродами, а через слой металла и шлака, то это также отражается на вольт-амперных характеристиках и на показателях плавки.

Задачи исследования.

Освоение методики изучения вольт-амперных характеристик электрического дугового разряда в газовых средах и установление зависимости этих характеристик от геометрии разрядной системы (расстояния между электродами) и материала электродов. Опытное определение напряжения зажигания дуги при различной геометрии системы