Научная статья на тему 'Характер поведения гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода рудно-термической печи'

Характер поведения гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода рудно-термической печи Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

CC BY
40
28
Поделиться
Журнал
Записки Горного института
ВАК
GeoRef
ESCI
Область наук
Ключевые слова
РУДНО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ / ГАРМОНИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ / ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА / ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ / ПОСТОЯННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Педро А.А., Белоглазов И.Н., Белоглазов И.И.

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

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Педро А.А., Белоглазов И.Н., Белоглазов И.И.,

Текст научной работы на тему «Характер поведения гармонической составляющей с частотой 100 Гц в токе электрода рудно-термической печи»

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

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

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.