Электрическое поле шлаковой ванны

В шлаковой ванне печи ЭШП так же, как и в ванне ФСП (см. гл. III), электрическое поле имеет сложную конфигурацию, зависящую от размеров и расположения электродов, УЭС неоднородной шлаковой ванны и др. На токораспределение в шлаковой ванне также значительно влияет металлическая стенка кристаллизатора, соприкасающаяся с жидким шлаком и электрически связанная с поддоном кристаллизатора, т.е. с наплавляемым слитком. Картину токораспределения можно получить на электролитических моделях шлаковой ванны ЭШП.

В шлаковой ванне одноэлектродной печи ЭШП (рис. 65, а)возможно протекание тока на стенку кристаллизатора I_кл. Наибольшая плотность этого тока J_кл имеет место в зоне контакта жидкого шлака на глубине h_max ≈ 1...3 мм. По мере формирования гарнисажа до установившейся толщины Δ_гр J_кл резко убывает практически до нуля (УЭС твердого шлака на несколько порядков выше, чем жидкого) на глубине h₀ от зеркала ванны. Для разных шлаков h₀составляет (0,2...0,6) h_шл, где h_шл– глубина шлаковой ванны (см. рис. 62, а).

Рис 65. Схемы протекания тока в шлаковой ванне печей ЭШП разной конструкции:
а – одноэлектродная (см. рис. 63, а); б – двухэлектродная, параллельное включение; в – двухэлектродная бифилярная (см. рис. 63, б)

Величина тока I_кл зависит от соотношения сопротивлений на участках «электрод – металлическая ванна» R_эд–ми «электрод – стенка кристаллизатора» R_эд–кл (рис. 66, а). Увеличение отношения R_эд–м/R_эд–кл повышает долю тока, протекающего к стенке кристаллизатора, и изменяет тепловое состояние шлаковой ванны. Это происходит при увеличении расстояния между электродами и металлической ванной h (см. рис. 62, а), глубины шлаковой ванны h_шл (вследствие расширения зоны протекания I_кл высотой h₀), диаметра электрода D_эд(вследствие уменьшения радиального зазора Δ). По данным ИЭС, доля тока кристаллизатора I_кл от рабочего тока I_шлодноэлектродной печи ЭШП определяется соотношением

I_кл/I_шл ≈ 0,34h/Δ. (125)

Рис. 66. Схемы токовых цепей одноэлектродной печи ЭШП:
через металл и кристаллизатор (а); через шлак и металл (б);
через кристаллизатор при электрическом пробое гарнисажа
(в и д); через шлак и кристаллизатор (г)

Ток I_кл также возрастает при использовании шлаков с более низким УЭС при температуре затвердевания, когда уменьшается сопротивление шлакового гарнисажа и расширяется зона h₀ (см. рис. 65).

По данным ВНИИЭТО, при определенных условиях ЭШП с одним электродом через боковую поверхность шлаковой ванны может протекать до 90 %рабочего тока по электрическим цепям (рис. 66, в, г).

При достаточной разности потенциалов между слитком и стенкой кристаллизатора при наличии дефекта в шлаковом гарнисаже (трещина, «королек» металла) появляется токовая цепь между слитком и кристаллизатором (рис. 66, в и д)и может возникнуть дуговой разряд, приводящий к образованию в слитке кристаллизационных дефектов. Во избежание пробоев рекомендуется обеспечивать хороший контакт кристаллизатора и слитка с поддоном (см. рис. 66, а, б).

Изучение токораспределения позволило получить зависимость величины активного сопротивления шлаковой ванны R_шл (Ом) от вышерассмотренных факторов:

(126)

где (табл. 21);
(табл. 21);
k₃ и k₄ учитывают расположение (рис. 67) и форму поперечного сечения электродов;
ρ_шл – УЭС жидкого шлака при средней температуре шлаковой ванны Т_шл, Ом·м;
D_кл – диаметр кристаллизатора, м.

Таблица 21

Значения коэффициентов k₁ и k₂ для расчета сопротивления
шлаковой ванны (по данным А.А. Никулина)

	k1		k2
0,1	1,01	0,45	0,47
0,2	1,04	0,5	0,43
0,3	1,13	0,55	0,40
0,4	1,20	0,6	0,36
0,5	1,33	0,65	0,33
0,6	1,49	0,7	0,31
0,7	1,70	0,75	0,28
0,8	1,95	0,8	0,26

Рис. 67. Изменение активного сопротивления шлаковой ванны
в зависимости от расположения электродов многоэлектродных
печей ЭШП (по данным Ю. М. Миронова): 1 – последовательно
(бифилярная схема); 2 – параллельно; 3 – трехфазно

При использовании формулы (126) для расчета R_шл ванны квадратного сечения необходимо ввести диаметр условного круга, эквивалентного (равновеликого) площади поперечного сечения квадрата, т.е.

где а – сторона квадрата.

В многоэлектродных печах ЭШП конфигурация электрического поля, токораспределение и активное сопротивление шлаковой ванны R_шлзависят также от количества и взаимного расположения электродов, электрической схемы их включения. При параллельном соединении двух или нескольких электродов по схеме «электрод – поддон» (см. рис. 65, б)электрическое поле аналогично полю одноэлектродной печи, но при сближении электродов наблюдаются эффекты суживания областей растекания (между электродами) и взаимного отталкивания линий тока. Первый эффект приводит к увеличению сопротивления шлаковой ванны, что в формуле (126) учитывают коэффициентом k₃(рис. 67, кривые 2 и 3);второй – к смещению зон теплогенерации к периферии шлаковой ванны, что изменяет тепловое состояние гарнисажа, важное для технологии ЭШП распределение тепла по зеркалу металлической ванны.

При последовательном соединении двух электродов (бифилярная схема печи ЭШП на рис. 63, б и 65, в)ток протекает не только между электродами и слитком, но и между электродами. В этом случае активное сопротивление R_шлуменьшается и коэффициент k₃ будет меньше единицы (рис. 67, кривая 1). Поскольку ток между электродами вызывает теплогенерацию вблизи поверхности шлаковой ванны, ухудшая теплоэнергетику печи ЭШП, зазор рвыбирают из расчета, чтобы этот ток не превышал 10 % от рабочего тока I_шл. В таких печах ЭШП наблюдается особое протекание тока через кристаллизатор (рис. 68), когда одна составляющая замыкается в горизонтальной плоскости (схема а)и достигает 1 %, а другая составляющая – через поддон (схема б)и достигает 20 % от рабочего тока I_шл. При этом также возникает постоянная составляющая переменного тока в результате двухполупериодного выпрямления в контакте «шлак – медная стенка», что приводит к заметному анодному разрушению кристаллизатора.

В трехфазных печах ЭШП ток между электродами протекает по схеме «треугольник» аналогично токораспределению в ванне ФСП (см. гл. III, § 1). Изменение активного сопротивления R_шлтакже зависит от расположения электродов и расстояния между ними (см. рис. 67, кривая 1).

Рис. 68. Схема протекания тока через стенку кристаллизатора двухэлектродной печи ЭШП (см. рис. 63, б) в горизонтальной
(а) и вертикальной (б) плоскостях

Поскольку конфигурация электрического поля шлаковой ванны зависит от формы поперечного сечения электродов, Ю.М. Миронов предложил ввести в формулу (126) коэффициент k₄, выражаемый для электродов прямоугольного сечения через соотношение сторон a/b >> 1:

. (128)

На промышленных печах ЭШП активное сопротивление шлаковой ванны R_шл составляет 1...4 мОм (меньшие значения – для более крупных печей), что при силе тока I_шл от 10 до 60 кА создает напряжение U_шл порядка 40...60 В.

Теплообмен в шлаковой ванне