Электродинамические явления в дуге

Электрическая дуга как газовый проводник, механически непрочный и обладающий малой массой, весьма чувствительна к действию магнитных полей как собственного, так и внешнего.

Ток дуги I_д создает собственное магнитное поле. Поэтому в соответствии с законом Ампера на столб дуги действует электромагнитная сила («амперова сила») взаимодействия* между током дуги и собственным магнитным полем, т.е. столб дуги испытывает давление, направленное радиально от внешней поверхности столба радиусом к его оси (сжимающий эффект).

Величина давления сжатия (Па) в предположении равномерного распределения тока I_д по сечению столба дуги в точке с радиусом r

, (38)

где m_о – магнитная постоянная, Гн/м;
I_д – сила тока дуги, A.

Из формулы (38) следует, что на поверхности столба дуги сжимающая сила равно нулю; с приближением к оси дуги растет по параболическому закону и на оси дуги (r = 0) достигает максимального значения:

. (39)

Допуская, что давление, обусловленное сжимающим эффектом, аналогично гидростатическому и в газовой среде, можно представить, что сжимающий эффект будет действовать не только радиально, но и аксиально, создавая силу, действующую на электродные пятна дуги на графитированном электроде и на зеркале ванны жидкого металла в ДСП. Величина осевой силы F (Н) равна интегралу выражения (38):

, (40)

где I_д – сила тока дуги, А.

Например, в ДСП-100 при силе тока дуги А осевая сила согласно уравнению (40) составляет 125 Н, а максимальное давление вблизи оси столба дуги при радиусе катодного пятна 0,0565 м (при плотности тока МА/м²), согласно уравнению (39), равно 25 кПа, что соответствует гидростатическому давлению столба жидкой стали высотой примерно 0,3 м. Следовательно, в мощных ДСП осевая сила дуги может деформировать зеркало ванны жидкого металла и формировать вогнутый мениск.

Этот эффект усиливается в ДСП ПТ при прямой полярности дуги (катод – графитированный электрод; анод – ванна жидкого металла) из-за большей площади анодного пятна (по причине меньшей плотности тока J_а), когда возникает дополнительная осевая сила, направленная от меньшего сечения (катодное пятно) к большему (анодное пятно):

, (41)

где и – радиусы большего и меньшего сечений.

На столб дуги оказывает ЭМГД-воздействие также магнитное поле тока, протекающего между электродами через жидкий металл перпендикулярно току дуги. Исходя из общего закона взаимодействия элементов тока

,

где α₁ – угол между направлением элемента тока и радиусом-
вектором ;
α₂ – угол между элементом тока и нормалью к плоскости,
в которой лежат и ,

можно определить эту силу:

, (42)

где l – расстояние между осями электродов, м;
l_д – длина дуги, м;
D_м – расстояние электрической оси токоведущего слоя
ванны жидкого металла от зеркала ванны, равное для ус-
ловий ДСП (удельное электросопротивление жидкой стали
при 1850…1900 К r = 1,2…1,5 мкОм·м; частота перемен-
ного тока 50 Гц) 0,032…0,036 м.

Поскольку ЭМГД-воздействие зависит от магнитной индукции, усиление поля во внутреннем углу перпендикулярных токов и ослабление поля снаружи угла создают электромагнитную силу F_выд, действующую на дугу и на жидкий металл (рис. 16), наибольшую около дуги и быстро убывающую по мере удаления от вершины угла. Такая «угловая» сила* «выдувает» дугу из-под электрода в сторону футеровки, вызывая резкое повышение тепловой нагрузки стены против электродов (так называемые «горячие» зоны). Вследствие выдувания столб дуги занимает наклонное положение по отношению к зеркалу ванны (45…70°). Скорость перемещения дуги по торцу электрода достигает 50 м/с.

Рис. 16. Эпюры электромагнитных сил, действующих на дуги в ДСП (а) и скорость движения жидкого металла около электрода диаметром 150 мм при силе тока 1 кА (б)(по данным Л.А. Мальцева и Н.В. Окорокова)

Столб дуги испытывает также ЭМГД-воздействие магнитных полей параллельных токов, протекающих в соответствии с чередованием фаз трехфазной системы токов по соседним электродам. Электромагнитная сила отталкивания (для токов, имеющих противоположное направление, т.е. находящихся в противофазе) согласно общему закону взаимодействия элементов тока (при ).

, (43)

где l_эд – длина параллельного проводника, т.е. электрода соседней фазы, м.

Сравнение сил и для условий ДСП показывает, что составляет всего 2…5 % от (см. рис. 16, а), снижаясь с уменьшением длины .

Электромагнитная сила взаимодействия тока, протекающего в металле, с магнитным полем перпендикулярного тока дуги, аналогичная силе выдувания дуги , совместно с силой осевого давления, согласно выражениям (40) и (41), создает движение жидкого металла в вертикальной плоскости (см. рис. 16, а), а сжимающий эффект собственного магнитного поля тока в металле вызывает горизонтальное движение из-под дуги в сторону снижения плотности тока в ванне. Этому способствует и аэродинамическое давление паров и газов, образующихся в межэлектродном промежутке. В результате в жидком металле под электродом возникает интенсивная электродинамическая конвективная теплопередача от высокотемпературных электродных пятен дуги к остальной части объема ванны, уменьшая нежелательный из-за повышенного угара металла перегрев. По данным Н.В. Окорокова, скорость этого движения возрастает с увеличением силы тока и резко снижается по мере удаления от дуги (см. рис. 16, б). На ДСП-25 при = 14 кА интенсивное движение металла (и шлака) занимало площадь круга диаметром, равным примерно двум диаметрам электрода, что для трех электродов составило около 30 % поверхности зеркала ванны. По данным В.С. Малиновского, в ДСП ПТ, работающих на прямой полярности постоянного тока, в зоне анодного пятна в ванне жидкого металла формируются интенсивные вертикальные тороидальные вихри, с большой скоростью отводящие тепловой поток от высокотемпературного анодного пятна дуги в глубь ванны и предотвращающие нежелательный локальный перегрев жидкого металла. При этом скорость металла на зеркале ванны составляет 0,12…0,35 м/с, число Рейнольдса достигает (3,5...10)×10⁴.

С увеличением электрической мощности ДСП в результате увеличения силы тока ЭМГД-воздействие дуги на жидкий металл усиливается, происходит деформация зеркала ванны с образованием вогнутого мениска.

Современное представление о механизме образования мениска основано на том, что жидкий шлак и металл вытесняются давлением дуги до тех пор, пока система «дуга – ванна» не придет в равновесие, определяемое соотношением сил давления дуги, поверхностного натяжения, внутреннего трения и гидростатического давления столба мениска и шлака. В зависимости от электрического режима столб дуги может частично или полностью погрузиться в металл, при этом конец электрода располагается над зеркалом ванны и даже ниже его. Погружение дуги в металл пропорционально силе тока I_д и достигает, по данным Р.И. Спелицына, 3 мм/кА.

Внешнее продольное магнитное поле, создаваемое, например, в ДВП, воздействует на движущиеся со скоростью v заряженные частицы в столбе дуги электромагнитной центростремительной силой Лоренца F = e[vB], закручивая их по спирали вокруг оси дуги. Такое вращение дуги повышает ее стабильность, увеличивает продольный градиент напряжения gradU и влияет на ВАХ.

Внешнее поперечное магнитное поле отклоняет дугу в сторону по известному в физике правилу левой руки. Такое ЭМГД-воздействие было применено в 1928 г. инж. Л.И. Морозенским для управления дугами в ДСП.

Графитированные электроды

Техническая характеристика
графитированных электродов

Электроды* предназначены для кондукционного** подвода электрического тока к дугам. В ДСП как в дуговых печах прямого действия вертикально расположенные графитированные электроды экранируют тепловое излучение дуг и создают направленный радиационный теплообмен в рабочем пространстве. Катодное пятно на торце электрода обеспечивает эмиссионные процессы для дугового разряда. Таким образом, от физических свойств и качества изготовления электродов в значительной степени зависят производительность дуговой ЭПУ, себестоимость и качество металла.

К электродам предъявляют следующие требования:

1) возможно низкое удельное электросопротивление (УЭС) (для уменьшения электрических потерь);

2) высокая механическая прочность на сжатие, изгиб и растяжение, исключающая поломки электродов;

3) высокая термостойкость, исключающая растрескивание и скалывание электродов (под влиянием резких колебаний температуры, что особенно характерно для печей с открытой дугой);

4) возможно более высокая температура начала интенсивного окисления на воздухе;

5) минимальное содержание золы и серы;

6) возможно более низкая стоимость, так как стоимость электродов зачастую выше платы за израсходованную электроэнергию в себестоимости стали.

Применяемые в ДСП и рафинировочных ФСП графитированные электроды марок ЭГ, ЭГП и ЭГС, изготовляемые на отечественных электродных заводах, соответствуют требованиям ТУ 48‑12‑52–88 и ТУ 14‑5‑203–89. Зарубежные фирмы поставляют электроды с техническими характеристиками, показанными в табл. 4.

Таблица 4

Техническая характеристика графитированных электродов
(по данным зарубежных фирм)

Диаметр	Назначение	УЭС, мкОм×м	Предел прочности, МПа	Теплопроводность, Вт/(м×K)
на сжатие	на изгиб	на разрыв
75...150 200...450 500...600 Более 600	ДСП То же « ДСП ПТ	5,0...7,0 4,8...5,8 4,8...5,6 4,6...5,2	24...30 Нет свед. То же «	12...18 10...16 9...14 9...12	6...8 Нет свед. То же «	170...210 160...200 180...230 200...250

Примечание. Плотность 1,66…1,73 г/см³; пористость 17…21 %; удельная теплоемкость ~1,6 кДж/(кг·К)

Электросопротивление и теплопроводность графитированных электродов резко изменяются с температурой, причем температурный коэффициент УЭС до 830 К отрицательный, выше 830 К – положительный, т. е. в этом температурном интервале имеет минимальное значение (до 75 % от ).

Важным рабочим свойством электродов является температура начала интенсивного окисления (рис. 17). Во избежание чрезмерного окисления внешняя часть электрода, выступающая из-под свода ДСП, должна иметь температуру не выше 800 К, поскольку при этой температуре графитированный электрод имеет минимальное УЭС*.

Окисление электродов и их распыление при горении электрической дуги определяют их технически неизбежный расход и необходимость увеличения длины электродов во время работы ДСП. Поэтому электроды изготовляют в виде отдельных секций длиной 1000…1800 мм при диаметре 75…350 мм; 1500…2700 мм при диаметре 400…750 мм, в торцах которых вытачивают и нарезают ниппельные** гнезда для соединения секций между собой цилиндрическими (для = 75…200 мм) и биконическими (бочкообразными) ниппелями (для = 250…610 мм), имеющими винтовую нарезку. Биконические ниппели облегчают свинчивание секций (за два оборота вместо 10–12 при цилиндрических ниппелях). Секции больших диаметров свинчивают в специальных механизированных станках, в которых зажим, перемещение и навинчивание электродов происходит с помощью гидравлического и электромеханического приводов.

Место соединения секций ниппелем представляет собой электрический разъемный контакт, в котором возникает дополнительное переходное «контактное» сопротивление R_кнт. Излишняя величина R_кнт вызывает перегрев и окисление ниппельного соединения, что ведет к поломкам электродов, особенно при наклоне ДСП. Поэтому секции свинчивают на специальных пастах, что уменьшает примерно в 4 раза контактное сопротивление и позволяет избежать саморазвинчивания секций под действием электромагнитных сил при больших силах тока, и с определенным крутящим моментом М_крут:

Dэд, мм
Мкрут,кНּм	0,75	1,4	4,2	16,8	28,0	33,6

Рекомендуемые значения М_крут составляют одну треть крутящих моментов, при которых ниппель разрушается.

С учетом размеров рабочего пространства ДСП готовый электрод («электродная свеча») состоит из 3–4 секций, соединенных ниппелями.

Помимо описанных электродов сплошного сечения, в ряде случаев целесообразно применение трубчатых (полых) электродов, которые позволяют решать следующие технологические задачи:

1) вдувание в зону дуги порошкообразных материалов (например, угольной пыли для повышения электрического сопротивления ванны ФСП непрерывного действия), различных газов, в том числе и инертных, для повышения градиента напряжения в столбе дуги и регулирования состава газовой атмосферы в печи;

2) отбор и утилизация реакционных газов;

3) повышение устойчивости горения дуги, ослабление ее выдувания из-под торца электрода (дуга горит по краю осевого канала), что улучшает тепловую работу футеровки и позволяет работать на повышенных напряжениях с соответствующими электротехническими преимуществами. Оптимальное соотношение между диаметрами отверстия (D_отв) и электрода ( ) составляет, по данным А.В. Егорова, D_отв/ = 0,2…0,25.

Технология производства
графитированных электродов

Графитированные электроды изготовляют из малозольного нефтяного или пекового кокса (87 %) и возвратов электродного производства в виде электродного боя (13 %), а в качестве связующего применяют каменноугольный пек (23…28 %). Для получения электродов высокого качества необходимо правильно выбирать гранулометрический состав фракций твердых углеродистых материалов и количество связующего. Для получения игольчатого кокса в состав шихты вводят дополнительные компоненты (например, 1…2 % оксидов железа).

Твердые исходные материалы дробят, прокаливают, измельчают, рассеивают по фракциям, дозируют и смешивают со связующими (рис. 18).

Рис. 18. Технологическая схема производства
графитированных электродов

Шихтовые материалы прокаливают в трубчатых вращающихся печах при температуре 1500…1550 К без доступа воздуха с целью уменьшения содержания влаги и летучих веществ. Такая термическая обработка материалов способствует обеспечению высокой механической прочности, плотности, термостойкости и электропроводности электродов.

Размолотые материалы смешивают с расплавленным пеком в обогреваемых (до 400…440 К) смесителях. Из полученной углеродистой («электродной») массы на мощных горизонтальных прессах выдавливания (прошивные прессы) формируют так называемые зеленые электроды, которые сушат, обжигают, подвергают графитации и механической обработке.

«Зеленые» электроды обжигают без доступа воздуха при температуре 1525…1625 К в многокамерных газовых печах в течение 360…720 ч. В результате обжига связующее превращается в кокс, что обеспечивает резкое повышение механической прочности, термостойкости и электропроводности, т.е. «зеленые» электроды превращаются в угольные, применяемые в некоторых типах дуговых печей (например, при выплавке кристаллического кремния).

Обожженные заготовки для ниппелей и электродов с большой токовой нагрузкой (для мощных и сверхмощных ДСП) пропитывают пеком в автоклавах, причем сначала в них создают пониженное давление для дегазации пор, а затем вводят жидкий пек и выдерживают заготовки при повышенном давлении. Пропитка уменьшает пористость, УЭС и увеличивает прочность (на сжатие до 30, на изгиб до 18 и на разрыв до 8 МПа).

Графитацию электродов проводят в печах сопротивления прямого действия, где электрический ток силой 60…120 кА проходит через графитируемые электроды (поперек заготовок малого диаметра или вдоль заготовок большого диаметра) и электропроводную углеродистую засыпку (чтобы избежать окисления электродов) и обеспечивает высокотемпературный (2700…2900 К) обжиг. За время этой операции, продолжающейся 100 ч и более, происходят создание ориентированной укрупненной кристаллической структуры графита, восстановление и улетучивание примесей, что в несколько раз снижает УЭС, улучшает термические и механические свойства, снижает окисляемость, уменьшает твердость (т.е. улучшает обрабатываемость) готовых графитированных электродов. Высокая энергоемкость процесса графитации (до 8 МВт×ч/т) является основной причиной высокой стоимости графитированных электродов и определяет необходимость мероприятий по уменьшению их расхода при эксплуатации на ДСП.

Поэтому технологическая схема производства электродов (см. рис. 18) должна быть дополнена еще одной стадией (операцией) – пропиткой или покрытием электродов различными веществами для повышения стойкости против окисления. Покрытия на основе кремния, хрома, железа и некоторых других металлов создают кислородозащитную оксидную пленку, позволяющую уменьшить потери от окисления электродов на 60 % .

Разработанное в 1960–1965 гг. в Болгарии инж. А. Вылчевым (A.I. Waltschev) покрытие на основе алюминия не только защищает электрод от окисления (в результате формирования оксидной пленки), но и повышает электропроводность электрода (в результате шунтирования основного сечения электрода электропроводным поверхностным слоем толщиной 0,5…0,8 мм с УЭС ρ ≈ 0,07…0,10 мкОм·м), т.е. позволяет повысить допустимую плотность тока.