Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

В центре катодной части расположено ярко светящееся катодное пятно. Это участок поверхности  катода, через который ток проникает  в катод. В результате бомбардировки  поверхности катода ускоренными  в электрическом поле положительными ионами этот участок катода сильно разогревается. Приносимая ионами энергия  расходуется на тепловые потери, испарение  материала катода, эндотермические  реакции и поддержание термоэлектронной эмиссии. Нейтрализуясь на поверхности  катода и оседая на нем, положительные  ионы наращивают его, в результате чего торец катода приобретает форму  конуса.

Начинающуюся  за катодным пространством область  интенсивной ионизации называют столбом электрической дуги. В нем образуется такое число заряженных частиц, которое достаточно для переноса через газовый промежуток зарядов, измеряемых силой тока в тысячи и десятки тысяч ампер. Несмотря на огромное число заряженных частиц, дуги (масштаб катодной и анодной областей нов и нейтрального газа в период увеличен) возбуждения дуги так как при ионизации образуется парное число частиц, имеющих разноименные заряды, а количество первичных электронов с нескомплексированным зарядом в общей массе заряженных частиц невелико. Поэтому изменение потенциала в столбе дуги подчиняется линейному закону.

Число разноименно  заряженных частиц вновь становится неодинаковым в непосредственной близости от анода, где мала концентрация положительных  ионов. Соответственно в анодной  области вновь наблюдается скачок потенциала.

Как и на катоде, на аноде выделяется анодное пятно, появляющееся в результате бомбардировки  анода электронами. Энергия электронов расходуется на компенсацию тепловых потерь анодом и частично — на выбивание  с поверхности анода положительных  ионов. В результате потери анодом положительных  ионов на его торце образуется кратер, и анод расходуется быстрее катода.

Падение потенциалов  в анодной и катодной областях невелико, и в среднем сумма катодного и анодного падений напряжений равна потенциалу ионизации газа, в котором происходит разряд. Основное падение потенциала, равное разности приложенного напряжения и потенциала ионизации, приходится на столб электрической дуги. Это свидетельствует о том, что трансформация электрической энергии в тепловую происходит также в основном в столбе.

Температура является характеристикой внутренней энергии  тела или частицы, и чем больше ее энергия, тем выше температура. В разрядном промежутке находятся свободные электроны, ионы и нейтральные частицы. В период возбуждения дуги эти частицы находятся в разном режиме движения и обладают разным запасом энергии, т. е. имеют различную температуру. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в результате увеличения в электрическом поле кинетической энергии заряженных частиц. Наиболее быстро увеличивается скорость и кинетическая энергия электронов, обладающих самой малой удельной (по отношению к величине заряда) массой. Поэтому в период возбуждения дуги температура электронов растет очень быстро.

Получив под действием  поля ускорение, электроны сталкиваются с нейтральными частицами и часть энергии передают им. В результате температура электронов понижается, но при этом усиливается движение нейтральных частиц, учащаются их взаимные столкновения и повышается температура газа. Благодаря столкновениям происходит постоянный обмен энергий между частицами, и температура всех составляющих газа выравнивается.

электрическая дуга в вакууме

Из рассмотренного механизма дугового разряда следует, что для устойчивого горения  электрической дуги необходимо выполнение ряда условий. В частности, одним  из важнейших условий существования  дуги является поддержание ионизации в разрядном промежутке газа на необходимом уровне.

Степень ионизации  х (отношение числа ионизированных молекул к полному числу молекул  до ионизации в единице объема) определяется уравнением Саха. Степень  ионизации газа связана с его  давлением обратной зависимостью. С  повышением давления при прочих равных условиях степень ионизации падает, увеличивается сопротивление разрядного промежутка, горение дуги переходит  в нестабильный режим, и она может  вовсе погаснуть. Уменьшение давления, наоборот, сопровождается увеличением  степени ионизации.

Однако уравнение  Саха справедливо лишь для малых  и средних значений степени ионизации; оно становится непригодным, когда  степень ионизации приближается к единице. К такому выводу нетрудно прийти как в результате чисто  математического анализа самого уравнения, так и в результате анализа физической стороны явления.

Действительно, с уменьшением давления степень  ионизации вначале возрастает. Но уменьшение давления характеризует  уменьшение в межэлектродном пространстве концентрации атомов и молекул. С  уменьшением концентрации частиц длина  свободного пробега электрона увеличивается, и ионизирующее действие каждого  электрона уменьшается. Проводимость разрядного промежутка снижается, горение  электрической дуги становится неустойчивым, и при некотором давлении и  неизменных прочих условиях дуга может  погаснуть.

Таким образом, для  каждой совокупности условий — состава  атмосферы разрядного промежутка, мощности дуги, напряжения источника тока, скорости охлаждения столба дуги и др. — существует порог давлений в разрядном промежутке, определяющий область устойчивого горения дуги.

В большинстве  металлургических электропечей дуга горит  обычно при давлении, близком к  атмосферному. Отклонение давления от нормального в сторону увеличения может происходить, например, при неправильной эксплуатации руднотермических печей, когда под слоем шихты образуются газонепроницаемые корки. В результате в тигле, в котором горит дуга, скапливаются выделяющиеся газы, давление в тигле увеличивается, уменьшается степень ионизации, и дуга начинает гореть неустойчиво и может в конце концов вообще погаснуть. Для восстановления нормального хода плавки в этом случае необходимо понизить давление газов в тигле, что достигается разрушением газонепроницаемой корки.

В последнее время  в металлургии нашла широкое  применение плавка металла в вакуумных, в том числе и в вакуумных  дуговых печах. Эффективность рафинирования  металла в процессе вакуумной  плавки во многом определяется глубиной вакуума, т. е. давлением, при котором  ведется плавка. С точки зрения повышения степени рафинирования металла целесообразно давление уменьшать. Но, как следует из изложенного выше, понижение давления ниже некоторого предела может привести к неустойчивому горению электрической дуги и дуга будет стремиться перейти в тлеющий или тихий разряд. Это ограничивает глубину используемого в дуговых печах вакуума. 

Стабилизация  электрической дуги

Промышленные  дуговые печи питаются, как правило, переменным током. Преимущественное использование  переменного тока для питания  печей объясняется более низкой стоимостью его получения и возможностью передачи на значительные расстояния со сравнительно небольшими потерями. Постоянный ток используют для питания  дуговых печей лишь в исключительных случаях, когда применение переменного  тока либо невозможно, либо не обеспечивает необходимого качества металла.

По сравнению  с дугой постоянного тока дуга в цепи переменного тока менее  устойчива. В течение каждого  периода напряжение источника переменного  тока и значение силы тока в дуге дважды переходят через нулевое  значение. Это означает, что в  цепи переменного тока дуга дважды за период исчезает и возбуждается вновь. Непрерывное горение дуги отличается от прерывистого лишь длительностью пауз, в течение которых дуга отсутствует. При непрерывном горении значение силы тока плавно переходит через нулевое значение, и длительность пауз равна нулю. Конечное значение длительности пауз отвечает прерывистому, но устойчивому горению дуги. При неустойчивом горении пауза стремится к бесконечности и происходит гашение дуги.

Неспокойная, прерывистая  дуга в электропечах нежелательна, так как в этом случае мощность трансформатора используется неполностью, вследствие чего замедляется плавление металла, снижается производительность установки.

Появление пауз при смене полярности связано  с деионизацией разрядного промежутка и с потерей эмиссионной способности  катода. Ферросплавные и сталеплавильные  дуговые электропечи являются печами прямого действия, в которых дуга горит между электродом и поверхностью нагреваемого металла. Тепловое состояние  электрода в таких печах бывает достаточно стабильным, а температура  металла может изменяться в значительных пределах, особенно в печах периодического действия. В зависимости от периода  плавки дуга горит между электродом и твердой холодной шихтой, электродом и прогретой твердой шихтой и, наконец, между электродом и поверхностью жидкой ванны.

Наименее устойчивое горение дуги наблюдается в первом случае, когда электрическая дуга горит на поверхности твердой  холодной шихты. При переходе напряжения источника через нуль шихта в  зоне дуги благодаря высокой теплопроводности металла успевает остыть и в тот  полупериод, когда она служит катодом, эмиссия электронов оказывается  недостаточной для получения  необходимой степени ионизации  газов в разрядном промежутке при нормальном напряжении на дуге. Ионизация начинается при более  высоком напряжении; напряжение на дуге сильно колеблется даже в течение  полупериода. На осциллограмме напряжения появляются «пики».

По мере разогрева  шихты и появления озерка жидкого  металла горение дуги становится более устойчивым, уменьшается напряжение зажигания, пики напряжения сглаживаются, сокращается продолжительность  пауз. После полного расплавления металла осциллограмма напряжения дуги приближается по форме к синусоиде, а значение силы тока плавно переходит  через нуль. Горение дуги стабилизируется, паузы практически отсутствуют.

Для повышения  стабильности горения дуги необходимо принимать меры по теплоизоляции  зоны разряда с тем, чтобы поддерживать требуемую степень ионизации  газа в разрядном промежутке и  улучшить условия эмиссии электронов катодом.

Возможности активного  воздействия на тепловое состояние  разрядной зоны в промышленных электропечах, особенно в период наименее устойчивого  горения дуги (в период проплавления шихты) практически отсутствуют. Холодная шихта хорошо поглощает тепло  и благодаря высокой теплопроводности быстро отводит его от зоны горения  дуги.

Несколько уменьшить  отвод тепла в шихте от зоны электрической дуги и тем самым  несколько улучшить условия ее возбуждения  можно рациональным подбором и укладкой шихты. Для этого под электродами  шихту надо расположить таким образом, чтобы в начале плавления дуга горела на мелких кусках шихты, которые быстрее нагреваются и оплавляются. В этом случае горение дуги стабилизируется сравнительно быстро. Если же под электродом окажется массивный кусок шихты, на прогрев которого требуется много тепла, то дуга горит неустойчиво в течение длительного периода времени.

Повысить устойчивость горения дуги можно в результате изменения условий ионизации  газа в межэлектродном промежутке. Обычно дуга горит в газах, характеризуемых  довольно высоким потенциалом ионизации. Если под электроды поместить  материал, содержащий легкоионизируемый  элемент, то в разрядном промежутке появятся пары этого элемента, суммарная  степень ионизации газа при прочих равных условиях увеличится, и дуга станет более устойчивой.

Наиболее распространенным в металлургических цехах элементом  со сравнительно низким потенциалом  ионизации является кальций, потенциал  ионизации которого в два с  лишним раза меньше, чем у основных компонентов воздуха (U2 = 15,8 В; U= 12,5 В). Присадка под электроды кальцийсодержащих материалов, например извести или силикокальция, оказывает на дугу стабилизирующее действие. 

Теплообмен  в рабочем пространстве дуговых  электропечей

В теплотехническом отношении дуговые  электропечи относят к печам  с внешним источником нагрева, т. е. к печам, в которых тепло  передается металлу извне, а внутри него распределяется теплопроводностью  или конвекцией. Скорость нагрева  металла определяется условиями  внешнего и внутреннего теплообмена  и может лимитироваться теми или  другими из них. Условия внешнего теплообмена определяют количество тепла, попадающего на тепловоспринимающую  поверхность металла, а условия  внутреннего теплообмена — скорость выравнивания температуры металла. При этом в процессах теплообмена  — получении и отдачи тепла  кроме дуги и металла, принимает  участие огнеупорная футеровка.

Дуговым сталеплавильным печам  свойствен периодический характер работы, при котором плавку можно  разбить на три периода, отличающиеся мощностью и направленностью  тепловых потоков и тепловым напряжением  внутренней поверхности кладки стен и свода;

• Вспомогательный, в течение которого выполняются вспомогательные операции (выпуск металла, очистка, заправка и загрузка печи), и мощность к печи не подводится. В этот период печь теряет тепло, аккумулированное футеровкой. Длительность вспомогательного периода определяется организацией работ.
• Энергетический или теплотехнический, в течение которого осуществляются нагрев и плавление металла. Длительность этого периода непосредственно определяется полезной мощностью, поступающей в печь.
• Технологический, складывающийся из окислительного и восстановительного периодов плавки. Продолжительность технологического периода и потребляемая в этот период мощность определяются требованиями технологии.

В первый период установленная мощность трансформатора не используется, а  в третий период используется лишь частично, но в эти периоды происходят значительные потери тепла футеровкой. Если исходить с позиций улучшения  тепловой работы дуговой печи, продолжительность  этих периодов целесообразно сократить  до минимума.

Для достижения высоких технико-экономических  показателей работы агрегата на всем протяжении второго периода в  печь необходимо подводить максимально  возможную (в рациональных пределах) мощность. При применяемой технологии выплавки легированной стали это  требование справедливо и для  отдельных моментов третьего периода, например после присадки крупной порции легирующих ферросплавов. Максимум подводимой в дуговую печь мощности ограничивается или возможностями электрического оборудования, или условиями теплообмена в рабочем пространстве и экономическими соображениями.