CC BY
13
УДК 621.36.2
А.А.ПЕДРО, В.В.ВАСИЛЬЕВ
Санкт-Петербургский государственн ый горный институт (технический университет)
ХАРАКТЕР ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФОСФОРА И КАРБИДА КАЛЬЦИЯ
На примере фосфорных и карбидных печей рассмотрен характер изменения и природа существования постоянной составляющей Un.c в фазном напряжении рудно-термической печи с закрытым колошником. Величина и направление ип.с зависят от соотношения процессов химического взаимодействия электрода с компонентами реакционной зоны и степени развития и условия горения электрической дуги.
On example of phosphoric and carbide furnaces is considered character of change and the nature of existence a constant component (Ucc) in a phase voltage of ore-smelting furnaces with closed furnace throat. The size and direction Ucc depends on a ratio of electrode processes chemical interaction with reactionary zone components and a degree of development and a condition of burning electric arch.
В отличие от сталеплавильных печей и печей для получения нормального электрокорунда, величина постоянной составляющей ип.с в фазном напряжении которых достигает 15-20 В, в рудно-термических печах для получения фосфора и карбида кальция значение ипс не превышает 1-1,5 В и колеблется обычно в пределах 200-500 мВ. Направление тока в измерительной цепи может меняться, при этом в фосфорной печи ток большей частью имеет направление от электрода к «земле», т.е. «плюс» находится на электроде.
На фосфорной печи мощностью 10,5 МВА с ручным управлением перемещением электродов и периодическим выпуском шлака Цпс, имея наибольшее значение сразу после закрытия летки 300 мВ («плюс» на электроде), постепенно по мере накопления шлака -уменьшается до нуля (рис.1) и вновь увеличивается, но с обратным знаком («минус» на электроде). После открытия шлаковой летки в процессе выпуска шлака значение Цпс, уменьшаясь до нуля, затем увеличивается, достигая максимальной величины к моменту ее закрытия, имея вновь направление от электрода к «земле».
На печах РКЗ-80Ф с практически непрерывным выпуском шлака такого не наблюдается. Здесь Цпс всегда имеет направление от элек-
трода к «земле», лишь иногда, при пуске печи после продолжительного простоя, 5-10 мин на электроде «минус»*. При переключении ступеней печного трансформатора с повышением напряжения Цпс растет.
Выпуск феррофосфора в фосфорных и карбидных печах, как и в печах для получения нормального электрокорунда не отражается на величине Цп.с. Так как электрическое сопротивление ферросплава на несколько порядков меньше сопротивления остальных материалов, находящихся в ванне рудно-термической печи, которыми и определяется электрические параметры ее работы.
Своеобразно поведение ипс в случае, когда работа фосфорной и карбидной печей сопровождается обрушениями шихты. Перед обрушением значение ипс постепенно растет, а после обрушения, определяемого по шуму в загрузочных точках и резкому падению тока в каком-либо электроде, падает (рис.2). Через 5-10 мин, в зависимости от того, насколько сильным было обрушение, Цпс при-
* Педро А.А. Использование постоянной составляющей фазного напряжения в качестве характеристики состояния расплава нормального электрокорунда / АА.Педро, Н.Л.Степанова // Исследование электротермических установок. Чебоксарский технический ун-т. 1986.
+ 0,1
- 0,1 -
Выпуск шлака
Рис.1. Изменение ип с фазного напряжения на печи РКЗ-10,5 для получения фосфора
0,3
0,2
+ 0,4 -
+ 0,2 -
4 т, ч
Рис.2. Изменение ип.с фосфорной печи при обрушениях шихты
Выпуск расплава
Перепуск электрода
Рис.3. Изменение ипс карбидной печи
нимает прежнее значение, характерное для данных условий ведения процесса.
Если обрушения происходят часто, то запись изменения ипс на диаграммной ленте имеет волнообразный вид.
Особенностью работы карбидных печей является то, что по ряду причин механизм перемещения электродов на них не работает и возможен только перепуск электродов. По-
этому регулирование мощности возможно только переключением ступеней печного трансформатора. На печи мощностью 60 МВА Карагандинского завода синтетического каучука ипс практически всегда имеет направление от электрода к «земле», лишь после перепуска электродов получает обратное направление (рис.3). При выпуске расплава карбида значение ипс растет, при закрытой
0
0
2
Цп.с, В
0
карбидной летке - падает. Последнее наблюдается и при перепуске электродов.
На аналогичной печи Усольского ПО «Химпром» ипс в течение всего технологического процесса имеет обратное направление, т.е. на электроде - «минус». При закрытой летке ипс растет, при выпуске карбида -падает. В этом случае ее изменения аналогичны изменению тока в электродах: с увеличением силы тока значение ипс увеличивается, с уменьшением силы тока - падает.
Регулярный характер изменения ипс в рудно-термических печах для получения фосфора и карбида кальция говорит о том, что эти изменения не случайны. Действительно, наличие постоянной составляющей фазного напряжения в печи с закрытым колошником возможно, если в электрической цепи имеется элемент, обладающий полупроводниковым (вентильным) эффектом, т.е. элемент, сопротивление которого в полупериоды различно. Таким элементом могут быть контакты твердых кусковых материалов, контакт электрода с расплавом, находящимся в реакционной зоне, и электрическая дуга переменного тока. Контакты твердых кусковых материалов являются в основном причиной появления так называемого «токового шума», т. е. наличия в спектре тока и напряжения составляющих самых разных частот с минимальными амплитудами.
Более существенной причиной наличия постоянной составляющей ип с может быть химическое взаимодействие электрода с компонентами реакционной зоны и, прежде всего, с расплавом. Электродвижущая сила, вызванная этим взаимодействием, определяется изменением изобарного потенциала реакций, в которых участвует углерод электрода. Так как RТ = пК (здесь R - газовая постоянная; Т - температура на поверхности электрода в месте контакта с расплавом; К -константа равновесия), то значение ЭДС будет зависеть от температуры на поверхности электрода и активности компонентов реакционной зоны. Та ЭДС будет направлена от расплава к электроду, т.е. на последнем будет «минус». Это объясняется тем, что электропроводность силикатных шлаков, какими большей частью являются расплавы рудно-термических печей, носит ионный характер.
Поэтому, например, в фосфорной печи в полупериод, когда на электроде находится «плюс», имеет место химическое взаимодействие его со следующими ионами: ^Ю3)2-, (&205)2-, (&207)6-, (Р04)4-, (РОз)3-, (РО4)3-, (Р2О7)4-, (А12О5)4-, (А1О3)3-, (А1О2)-, ^е02)-, ^е205)4-, ^е03)3-, ^е04)5-.
Другой причиной наличия постоянной составляющей в фазном напряжении может быть электрическая дуга переменного тока. В фосфорной и карбидной печах дуга горит между однородными материалами: углеродистым электродом и коксом. Тепловые условия, в которых находятся катодные пятна, в данном случае практически одинаковы, так как дуга горит под закрытым колошником. Однако вследствие большей устойчивости катодного пятна на неподвижном электроде по сравнению с перемещающимся пятном на плавающем коксе температура его, когда он находится на электроде, выше, чем в полупериод, когда катодом является кокс. Следствием этого и будет появление постоянной составляющей в фазном напряжении с направлением от электрода к «земле», т.е. «плюс» будет находиться на электроде*.
Величина постоянной составляющей, обусловленной вентильным эффектом дуги переменного тока, зависит от степени развития и условий горения дуги и определяется ее длиной и разницей градиентов падения напряжения в столбе дуги в соседних полупериодах.
Таким образом, в зависимости от степени развития дуги и процессов химического взаимодействия электрода с компонентами реакционной зоны определяется и направление суммарной постоянной составляющей фазного напряжения в печи с закрытым колошником. Поскольку на больших фосфорных печах, а также на карбидных печах Карагандинского завода СК ипс почти всегда имеет направление от электрода к «земле» можно утверждать, что ЭДС, обусловленная вентильным эффектом дуги, превосходит ЭДС,
* Педро А.А. О природе постоянной составляющей напряжения электрической дуги в печи для получения нормального электрокорунда // Промышленная энергетика. 1993. № 5.
вызванную химическим взаимодействием электрода с компонентами реакционной зоны. Именно поэтому изменения Цп.с в данном случае находятся как бы в противофазе с изменениями силы тока: при увеличении последней Цпс уменьшается, а при уменьшении силы тока, наоборот, растет. Это вызвано тем, что уменьшение тока в результате подъема электрода сопровождается увеличением длины дуги и соответствующим ростом величины Цп.с. С ростом силы тока при заглублении электрода длина дуги и величина Цп.с уменьшаются.
Если ЭДС, вызванная химическим взаимодействием электрода с компонентами реакционной зоны, превосходит ЭДС, обусловленную вентильным эффектом дуги, то изменения Цп.с, фиксируемой измерительным прибором ЭДС будут синфазны с изменением силы тока в электроде. При направлении Цпс от «земли» к электроду (на электроде «минус») с увеличением силы тока в электроде будет увеличиваться и Цпс, а при уменьшении силы тока - уменьшаться. Это и наблюдается на карбидных печах Усоль-ского ПО, что свидетельствует о более глубокой посадке электродов и меньшим развитием электрической дуги по сравнению с печами Карагандинского завода.
Предложенный механизм возникновения и существования Цп.с в фазном напряжении рудно-термической печи с закрытым колошником позволяет объяснить отмеченное при пуске после простоя, фосфорной и карбидной печей, направление Цпс от «земли» к электроду тем, что в этот период в виду повышенного в результате охлаждения электросопротивления реакционной зоны электропечи работают при отсутствии дуги. По мере разогрева ванны и уменьшения ее электросопротивления уменьшается площадь контакта электрода с реакционной зоной, увеличивается плотность мощности в этом контакте, что ведет к развитию микродуговых процессов. С их развитием ЭДС, обусловленная вентильным эффектом дуги, точнее ее мощность, начинает превосходить ЭДС, возникающую в результате химических реакций на поверхности электрода, и в итоге Цпс меняет направление: на электроде устанавливается «плюс».
При управлении электрическим режимом, что ток в электроде поддерживается постоянным только путем перемещения электродов, остается практически постоянным и положение электрода относительно уровня расплава. В результате и Цпс колеблется около некоторого значения, пропорционального длине дуги и остающегося практически постоянным. Однако при неподвижных относительно ванны электродах и закрытых летках накапливающийся в печи расплав будет увеличивать поверхность контакта электрода с ним, тем самым уменьшая степень развития дуги и увеличивая роль ЭДС, вызванной химическим взаимодействием электрода с расплавом.
При выпуске шлака или карбида наблюдается обратная картина. В результате уменьшения площади контакта электрода с расплавом увеличивается плотность тока в этом контакте, развивается дуговой процесс и растет Цп.с, вызванное вентильным эффектом дуги. Отсюда следует, что изменение знака Цп.с и ее значения может служить для оценки уровня расплава шлака или карбида в печи при неподвижных электродах.
Изменения Цпс, отмеченные при обрушениях шихты, можно объяснить следующим образом. Обрушению шихты предшествует образование полости в подэлек-тродном пространстве. Именно в этой полости начинает развиваться дуга. С развитием дуги возникает и начинает расти постоянная составляющая фазного напряжения. В момент обрушения относительно холодная, обладающая большим электросопротивлением шихта, проникая вдоль электрода в нижние горизонты печи на какое-то время экранирует электрод - дуга продолжает гореть с торца электрода и сохраняет высокое значение. По мере разогрева обрушившейся шихты последняя плавится, шунтирует дуговой разряд. Однако до этого момента электрод под действием управляющего сигнала перемещается вниз, тем самым способствуя уменьшению длины дуги и снижению Цпс.
Если обрушение значительно, то при закрытых шлаковых летках и при большом заглублении электродов обрушившаяся шихта
может повысить уровень шлака в печи и, существенно снизить дуговой режим. Вероятно этим и объясняется отмечавшееся на печи РКЗ-48Ф изменение направления ипс на электроде с положительного на отрицательное при обрушениях шихты.
Особенностью измерения постоянной составляющей фазного напряжения в многофазных печах является то, что вследствие ничтожно малого электрического сопротивления короткой сети для постоянного тока все фильтры, выделяющие постоянные составляющие в каждой фазе, оказываются включенными практически параллельно, и поэтому приборы, установленные на выходах фильтров будут показывать одно и тоже значение ипс, наибольшее из всех сущест-
вующих в данный момент и соответствующее фазе с наиболее развитой дугой. Именно поэтому использование постоянной составляющей фазного напряжения для характеристики протекания технологического процесса наиболее эффективно в однофазных печах или многофазных, но работающих с единым плавильным тиглем. В противном случае необходимы дополнительные данные, позволяющие определить, к какой фазе относится фиксируемая измерительным прибором величина ипс. Такими данными могут быть активное сопротивление подэлектрод-ного пространства, положение электрода относительно уровня расплава, величина тока в электродах, гармонический состав напряжения и тока электродов.
