CC BY
43
УДК 621.365.2
А.А.ПЕДРО, д-р техн. наук, профессор,
зав. лабораторией высокотемературных процессов, pedro1938@mail.ru ООО «ЛЕНГИПРОХИМ», Санкт-Петербург И.Н.БЕЛОГЛАЗОВ, д-р техн. наук, профессор (812)328-82-63 И.И.БЕЛОГЛАЗОВ, аспирант, filosofem@mail ru Санкт-Петербургский государственный горный университет
A.A.PEDRO, Dr. in eng. sc., professor, head of laboratory, pedro1938@mail.ru «LENGIPROCHIM.» Со, Saint Petersburg I.N.BELOGLAZOV, Dr. in eng. sc, professor, (812)328-82-63 I.I.BELOGLAZOV, post-graduate student, filosofem@mail. ru Saint Petersburg State Mining University
ХАРАКТЕР ПОВЕДЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ С ЧАСТОТОЙ 100 Гц В ТОКЕ ЭЛЕКТРОДА РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
Присутствие в составе тока четных гармоник и, прежде всего, гармонической составляющей с частотой 100 Гц возможно лишь при наличии в электрической цепи элементов, сопротивление которых зависит от направления тока. Такими элементами могут быть контакт электрода с расплавом и электрическая дуга переменного тока. От заглубления электрода в расплав и степени развития электрической дуги зависит изменение относительного содержания в токе электрода гармонической составляющей с частотой 100 Гц.
Ключевые слова: рудно-термическая печь, гармоническая составляющая, электрическая дуга, вентильный эффект, постоянная составляющая.
ABOUT THE NATURE OF HARMONIC COMPONENT WITH FREQUENCY OF 100 Hz IN ELECTRODES CURRENT OF ORE-SMELTING FURNACE
The presence of even harmonic components of current and, above all, the harmonic component with a frequency of 100 Hz is possible only if the electric circuit elements, the resistance of which depends on the direction of current. Such elements may be a contact of electrode with the melt and the electric arc AC. Change the relative content in electrode current harmonic component with a frequency of 100 Hz dependent from the penetration of the electrode in the melt and the degree of electric arc development.
Key words: ore-smelting furnace, harmonic component, electrical arc, valve effect, direct component.
Наличие составляющей с частотой 100 Гц в гармоническом составе тока электрода рудно-термической печи вызвано асимметрией осциллограмм напряжения и тока электрода относительно оси абсцисс. Очевидно, что эта асимметрия обусловлена наличием вентильного эффекта в электрической цепи,
172 _
что и подтверждается присутствием постоянной составляющей в фазном напряжении руд-но-термических печей [2, 3, 5]. Элементом, обладающим полупроводниковым, т.е. вентильным эффектом в рудно-термической печи, могут быть контакт электрода с расплавом и электрическая дуга переменного тока.
Контакт углеродистого электрода с шлаковым расплавом, электропроводность которого носит ионный характер, сопровождается химическим взаимодействием этого электрода с ионами ^Ю3)2-, ^2О5)2-, ^Оу)6-, (А12О5)4-, (А1Оз)3-, (АЮ2)-, ^еО)-, ^2О5)4-, ^еОз)3-, ^еО4)5- и др.
В полупериод, когда на электроде плюс, в результате химического взаимодействия углеродистого электрода с отрицательными ионами, находящимися в расплаве, падение напряжения в ванне печи (иэп) будет на некоторую величину Е1 меньше. И, наоборот, когда на электроде минус, падение напряжения на ту же величину больше по сравнению с напряжением, когда этого взаимодействия нет:
иу!1 = иу! +Е1; иу! 2 = иу! -ЕЪ
где иэп1 и иэп2 - падение напряжения на промежутке электрод-под в соседних полупериодах при наличии химического взаимодействия электрода с компонентами расплава.
В результате в фазном напряжении появляется постоянная составляющая
и!.ЙО =(иу! + Е)- (иу! -Е) = 2Е1.
Величина Е определяется изменением изобарно-изотермического потенциала (AZ) той реакции, в которой участвует углерод электрода:
Е1 =-
AZ nF
где F - число Фарадея; п - заряд ионов-переносчиков тока;
AZ = RT 1п К,
R - универсальная газовая постоянная; Т -температура электрода в месте контакта с расплавом; К - константа равновесия.
При неизменной температуре и активности компонентов реакционной зоны величина Е постоянна и в соответствии с теорией компенсации можно допустить, что во вторичной цепи существует источник напряжения, т.е. источник электромагнитной энергии, в котором напряжение не зависит от сопротивления приемника. Направление тока этого источника зависит от характера
реакции на электроде. Практически во всех рудно-термических печах такими реакциями являются реакции, в которых находящиеся в расплаве анионы отдают свои электроны и, таким образом, в измерительной цепи направление ипс будет от «земли» к электроду, т.е. на последнем будет минус.
Для рудно-термической печи, работающей в режиме «сопротивления» (весь ток проходит через контакт электрода с расплавом), величина гармонической составляющей с частотой 100 Гц - 2-й гармоники
2Е
32о.а =
Я
где Як - электрическое сопротивление печного контура.
Если обе части данного выражения возвести в квадрат и разделить на 712 (31 - величина гармонической составляющей с частотой 50 Гц (1-й гармоники), практически равной току электрода), получим
(
3.
V
2о.а
3
1 У
или
3
2о.а
3
4Е,
ЯЗ2
АР,
Е
и2
1 У
р
(1)
где АР0 а - разница мощностей, потребляемых печной установкой в соседних полупериодах; Р - полная мощность, потребляемая печной установкой.
Как следует из уравнения (1), относительное содержание 2-й гармоники в токе электрода рудно-термической печи, работающей в режиме «сопротивления», характеризует неравномерность нагрузки в полупериоды. С увеличением фазного напряжения эта неравномерность уменьшается.
Однако в большинстве случаев ток в рудно-термической печи проходит не только через контакт электрода с расплавом, но и через сопротивление электрической дуги и контактное сопротивление электрода с твердыми компонентами шихты.
Ток, проходящий через контакт электрода с расплавом 30 (ток шунта) в отли-
_ 173
2
чие от тока дуги /а , обусловленного химическим взаимодействием электрода с расплавом, определяется выражением
J25.ä _ .
2E1J1 J 0
Rk J1
а неравномерность нагрузки в полупериоды в результате этого взаимодействия отношением
f
J.
\
2
25.ä
V J1 J
2 E1J1 J 0 RkJ12 J1
2E
и Ji
или
J 25.ä V J1 J
P
(2)
(3)
Как было сказано выше, вторым элементом в рудно-термической печи, обладающим вентильным эффектом, может быть электрическая дуга переменного тока. При работе печи с открытой дугой величина гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода, обусловленная вентильным эффектом электрической дуги переменного тока J2a,
J 2ä =
E2ä 1 aR0 J1 R
(4)
Величина постоянной составляющей фазного напряжения (ипс.д), обусловленной вентильным эффектом электрической дуги переменного тока, при работе печи с открытой дугой,
Uin.ä = E2 ± aJ1R0 :
(5)
где Е2 = ит - иаё - разница прикатодных и прианодных падений напряжения в дуге в соседних полупериодах; а = А/а / 7а - отношение разностей плотностей эмиссионного тока в соседних полупериодах к среднему значению этой плотности; Я0 - электросопротивление расплава, над которым горит дуга; /1 - ток электрода, в данном случае равный току дуги /а ; а/1 - разница токов электрической дуги в соседних полупериодах.
Величина Е2 определяется работой выхода электронов из электродов, между которыми горит дуга, а также реакциями на их поверхности, т.е. в конечном итоге материалом электродов [1].
Плотность эмиссионного тока, в конечном итоге коэффициент а, определяется материалом и температурой катодных пятен [4].
Таким образом, в цепи, содержащей электрическую дугу, находятся источник напряжения, т.е. источник, напряжение которого не зависит от нагрузки, - Е2, и источник тока, т.е. источник электромагнитной энергии, ток которого также не зависит от нагрузки, - /.
Действительно, работа выхода электронов из катодов и изменение изобарно-изотермического потенциала в результате реакции на поверхности катода зависят только от его материала и состава газов, контактирующих с ним. Также при неизменном токе дуги, разница токов дуги в полупериодах не будет зависеть от величины нагрузки.
Произведя, как и в случае с гармонической составляющей, обусловленной химическим взаимодействием электрода с расплавом, те же математические операции, получим
Л2
(
J
25.ä
J
feä ± aRo J1У
1 J
R¡ J 2
Ui n.ä AJä
UJ,
или
J
25.ä
J
1J
P
(6)
Как и в случае с вентильным эффектом, обусловленным вентильным эффектом контакта электрода с расплавом, в электропечи с открытой дугой относительное содержание в токе электрода гармонической составляющей с частотой 100 Гц отражает неравномерность нагрузки в полупериоды.
Если дуга шунтирована сопротивлением шихты и расплава, то относительное содержание в токе гармонической составляющей с частотой 100 Гц, обусловленное вентильным эффектом дуги переменного тока,
2
2
(3 ^2
и
2а
V 31 У
(Е2а ± аЯо3 )2 ^, (7)
и О 31
или
' X > 2 '
V 31 У
V
Е2а ±аЯо 2а Я
V 1 3
——. (8)
ил 3
± У ^б
При существовании в рудно-термической печи обоих вентильных эффектов относительное содержание в токе электрода гармонической составляющей определяется выражением
2
3 V
V 31 У
2Е1 30 , Е2 ± 31Я0 3а
иб 31
и
3
(9)
Подставив в уравнение (9) вместо
30 / 31 равное ему
зования получим
1 --^ 3
после преобра-
1 У
2
V 31 У
= ^ - К(2Е1 ± Е2 ± ), (10)
где К=цЦ
При работе печи в режиме сопротивления (при отсутствии дуги) уравнение (10) принимает вид (3), так как К = 0.
При работе печи с открытой дугой уравнение (10) примет вид (6), так как
К 2Е = ^,
и б 31
3 а
а 1
где — = 1.
•Л
Таким образом, представляет интерес относительное содержание гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода печи РКЗ-10,5 для плавки нормального электрокорунда.
Процесс плавки нормального электрокорунда носит периодический характер и состоит из стадий наплавления ванны, доводки образовавшегося расплава до заданного содержания в нем А12О3 и перегрева
его до жидкоподвижного состояния и последующего выпуска из печи.
Особенностью плавки нормального электрокорунда является высокая по сравнению с обычными силикатными шлаками электропроводность получаемого расплава. Поэтому для поддержания установленных условиями эксплуатации печного трансформатора и требованиями плавки силы тока и мощности электропечь работает в двух режимах:
1) на стадии расплавления шихты - в режиме сопротивления при погруженных на ту или иную глубину в слой шихты или шлака электродах;
2) на стадии доводки расплава - в дуговом режиме.
В первом случае энергия выделяется в шихте и расплаве, во втором, в расплаве и в дуге.
На стадии расплавления шихты появление в токе электрода 3-й и 5-й гармоник носит случайный и нерегулярный характер, обусловленный нарушениями хода технологического процесса, например, при зависании шихты.
Гармоническая составляющая с частотой 100 Гц в этот период невелика и изменения ее содержания в токе аналогичны изменению самого тока, т.е. с увеличением тока увеличивается относительное содержание 2-й гармоники в нем и, наоборот, с уменьшением тока электрода падает и содержание 2-й гармоники. Ее наличие на данной стадии вызвано вентильным эффектом контакта электрода с расплавом, о чем свидетельствует и постоянная составляющая фазного напряжения, имеющая направление от «земли» к электроду, т.е. на электроде находится минус. Это значит, что на поверхности углеродистого электрода идут реакции восстановления оксидов железа и кремния, находящихся в расплаве.
После проплавления шихты и вскрытия колошника в результате уменьшения электрического сопротивления расплава электроды постепенно выводятся из него для сохранения заданных силы тока и мощности. В определенный момент возникает дуга. С возникновением устойчивой электри-
_ 175
15 20 25 I, кА
Рис. 1. Зависимость относительного содержания в токе электрода печи РК0-10,5 для плавки нормального электрокорунда гармонической составляющей с частотой 100 Гц от величины тока 2-й гармоники -J2/J\. Содержание А1203 в расплаве; %: 1 - 93; 2 - 94
ческой дуги наряду с гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода появляется и постепенно увеличивается относительное содержание гармонических составляющих с частотой 150 и 250 Гц. В отличие от стадии расплавления, на стадии доводки при увеличении тока электрода, т.е. уменьшении степени развития дуги, относительное содержание 2-й гармоники, как 3-й и 5-й уменьшается и, наоборот, возрастает, если ток уменьшается.
Этот факт, а также то, что на этой стадии постоянная составляющая фазного напряжения меняет знак (плюс на электроде) свидетельствует о том, что наличие 2-й гармоники, т.е. ассиметрии вольт-амперной характеристики относительно оси абсцисс, обусловлено вентильным эффектом электрической дуги. Температура катодного пятна, когда он находится на твердом электроде, выше, чем в полупериод, когда катодом является жидкоподвижный шлак. Поэтому эмиссия электронов, а следовательно и ток, больше (а напряжение меньше), когда катод - электрод.
На этой стадии зависимость относительного содержания в токе электрода гармонической составляющей с частотой 100 Гц абсолютно соответствует уравнению (6) и ее наклон определяется сопротивлени-
176 _
ем R0, т.е. температурой и составом расплава (рис.1) [3].
На рис.2 показаны зависимости относительного содержания в токе электрода фосфорной печи РКЗ-80Ф гармонической составляющей с частотой 100 Гц от тока электрода и активного сопротивления фазы.
Так как постоянная составляющая напряжения имела направление от электрода к расплаву, т.е. плюс в измерительной цепи находился на электроде, то наличие 2-й гармоники в данном случае можно объяснить преобладающим действием вентильного эффекта дуги по сравнению с выпрямляющим действием контакта электрода с расплавом. Однако с увеличением тока при неизменном напряжении, т.е. с увеличением заглубления электрода, наблюдается влияние вентильного эффекта контакта электрода с расплавом, что находит отражение в нелинейности полученных кривых.
На рис.2 пунктирными линиями показаны зависимости, когда при том же напряжении и токе была отмечена более глубокая посадка электродов.
Эти же зависимости, полученные на фосфорной печи с установленной мощностью печного трансформатора 24 МВА в г.Пистериц (Германия), носят другой характер: с увеличением тока растет и относительное содержание 2-й гармоники, а с увеличением активного сопротивления фазы -падает. Если в предыдущем случае направление постоянной составляющей фазного напряжения было от электрода к «земле» (на электроде был плюс), то во втором наоборот - плюс находился на расплаве. Это указывает на то, что на немецкой печи преобладает вентильный эффект контакта электрода с расплавом, т.е. электроды расположены глубже в реакционной зоне по сравнению с печью РКЗ-80Ф и электрическая дуга, которая в фосфорной печи развита незначительно [1], в печи 24 МВА практически отсутствует.
Последнее можно объяснить использованием на немецком заводе в качестве фосфорсодержащего сырья апатита, обладающего более высокой температурой плавления, чем применяемый на печи РКЗ-80Ф
Рис.2. Зависимость относительного содержания в токе электрода печи РК3-80Ф гармонической составляющей с частотой 100 Гц от тока (а) и электросопротивления печного контура
фосфорит Каратау. Поэтому вязкость расплава, а следовательно, и электросопротивление на печах 24 МВА выше, чем на печах РКЗ-80Ф.
Кроме того, на немецких печах модуль кислотности и остаточное содержание P2O5 в шлаке выше по сравнению с печами РКЗ-80Ф -соответственно 0,95 и 1,5 % против 0,90 и 1 %.
Как известно [1], с повышением содержания кремнезема, т.е. с повышением модуля кислотности, а также с увеличением содержания P2O5, в шлаке растет электросопротивление.
Именно эти два последних обстоятельства и ведут к повышенному заглублению электродов в реакционную зону. Следствием этого и является превалирующее воздействие вентильного эффекта контакта электрода с расплавом над вентильным эффектом электрической дуги переменного тока.
Это сопровождается изменением напряжения постоянной составляющей фазного напряжения и характера изменения относительного содержания гармонической составляющей с частотой 100 Гц от величины тока на печи 24 МВА по сравнению с печью 80 МВА.
Выводы
1. Присутствие в гармоническом составе тока электрода рудно-термической печи
составляющей с частотой 100 Гц вызвано существованием вентильного эффекта электрической дуги переменного тока или контакта электрода с расплавом.
2. При существовании обоих вентильных эффектов результирующее значение относительного содержания в токе электрода гармонической составляющей с частотой 100 Гц зависит от распределения тока электрода между дугой и шунтирующим ее сопротивлением шихты или расплава.
3. Относительное содержание в токе электрода гармонической составляющей с частотой 100 Гц характеризует неравномерность нагрузки в соседних полупериодах.
4. Относительное содержание в токе электрода гармонической составляющей с частотой 100 Гц может быть использовано для оценки состава расплава и оценки положения рабочего конца электрода относительно этого уровня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ершов В.А. Электротермия фосфора / В.А.Ершов, С.Д.Пименов. СПб: Химия, 1996. 248 с.
2. Педро А.А. О природе постоянной составляющей напряжения электрической дуги в печи для получения нормального электрокорунда // Промышленная энергетика. 1993. № 5. С.28-31.
3. Сергеев П.В. Энергетические закономерности рудно-термических электропечей, электролиза и электрической дуги. Алма-Ата: Изд-во Академии наук КазССР, 1963. 252 с.
_ 177
4. Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи. М.: Металлургия, 1974. 304 с.
5. Электротермические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева: Учебник для вузов / Под ред. А.Д.Свечанского. М.: Энергоиздат, 1981, 296 с.
REFERENCES
1. Ershov V.A., Pimenov S.D. Elektroterm of phosphorus. Saint Petersburg: Himiya, 1996. 248 p.
2. Pedro A.A. About a nature of direct component of an electric arc phase voltage in the normal corundum furnace. Promyshlennaya energetika. 1993. N 5. P.28-31.
3. Sergeev P. V. Ore smelting furnaces, electrolysis and electric arc power regularities. Alma-Ata: Publishing House of the Academy of Sciences of the Kazakh SSR, 1963. 252 p.
4. Sisoyan G.A. The electric arc in an electric furnace. Moscow: Metallurgiya, 1974. 304 p.
5. Thermal-electric oven. Electric arc furnace and the installation of a special heating: textbook for high schools / Ed. by A.D.Svechanskiy. Moscow: Energoizdat, 1981. 296 p.
