книги из ГПНТБ / Леушин, А. И. Дуга горения. Свойства мощных дуг современных сталеплавильных печей
.pdf
A.M. Аеушин
ДУГА ГОРЕНИЯ
СВОЙСТВА МОПЩЫХ ДУГ СОВРЕМЕННЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
МОСКВА
«МЕТАЛЛУРГИЯ»
1973
контрольный экземпляр
УДК 621.3.014.31
У Д К |
621.3.014.31 |
Д у г а |
горения. Л е у ш и н А. П. М., «Металлургия», 1973, с. 240. |
Приведены сведения о современных представлениях о процессах
горения мощных дуг, о физических явлениях при дуговом разря |
|
д е . В качестве дуги |
горения рассмотрена мощная дуга трехфаз |
ных сталеплавильных |
печен. |
С помощью спектрального анализа оптических спектров атомов
исследованы |
внутренний |
механизм и |
закономерности |
процесса |
|||
горения, химический состав и температура |
дуги как неоднородно |
||||||
го и неравновесного состояния |
вещества. |
|
|
|
|||
Экспериментально определены |
картины |
распределения токов дуг |
|||||
в ванне расплавленного металла и магнитные поля зоны |
распада |
||||||
электродов, |
показано влияние |
температуры |
на режим |
плавки |
|||
и различных |
параметров |
па |
температуру |
дуги. Рассмотрены |
|||
вопросы мнкродпагностнкн д у ш . |
|
|
|
|
|||
Монография |
рассчитана |
на научных |
и |
инженерно-технических |
|||
работников, занимающихся практическим использованием дуго вого разряда в различных его приложениях, в частности п дуго вых сталеплавильных печах. Ил. 55. Табл . 13. Список лит.: I l l назв.
(6) Издательство «Металлургия», 1973.
3102-202 Л 040(01)-73 40-73
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время трудно найти отрасль науки и тех ники, где бы не использовалась электрическая дуга. Она широко применяется в металлургии, химической промышленности, машиностроении, энергетике, медици не, в области высоких энергий.
11 октября 1969 г. бортинженером советского космиче ского корабля «Согоз-6» летчиком-космонавтом В. Н. Ку басовым впервые в истории мировой техники выполнен уникальный эксперимент по использованию дуги при сварке в открытом космосе в условиях невесомости, глубокого вакуума и большого перепада температур. Дж. Самервилл в предисловии к работе [1] отмечает,
что дуга -— явление, |
хорошо |
известное, но отнюдь не |
вполне понятное. |
|
|
И. Г. Кесаев в монографин |
[2] пишет, что в резком |
|
контрасте с глубоким |
проникновением дугового разряда |
|
в практику находятся явно неудовлетворительное - со стояние его теории и поверхностный, бессистемный ха рактер сведений о его физических процессах.
Это внушает уверенность, что дуговой разряд еще да леко не исчерпал своих возможностей.
В технической литературе имеются сведения по различ ного рода дугам. Дуге непрерывного горения уделено мало внимания.
Автор настоящей монографии поставил задачей дать об зор современных представлений о физических процес сах в мощной дуге, выявить внутренний механизм и за кономерности ее горения. В качестве объекта исследо вания взята дуга трехфазных сталеплавильных печей. XXIV съезд нашей партии поставил задачу увеличения производственных мощностей прежде всего на действу ющих предприятиях.
Увеличение выплавки стали, непосредственно связанное с увеличением емкостей печей, выдвигает одну из акту альных народнохозяйственных проблем — повышение производительности печей за счет выявления скрытых резервов и разработки новых средств.
Технико-экономический эффект от внедрения выявлен-
1* |
3 |
пых путей Совершенствования может оказаться весьма существенным.
Несмотря на восьмидесятилетнее Существование дуго вых печей, конструкция их за это время практически не претерпела существенных изменений и в будущем так же вряд ли будет изменена.
Это вызывает необходимость тщательного анализа элек тромагнитных явлений и всех токоведущих элементов печи, главнейшим из которых является мощная элект рическая дуга.
Исследование физических свойств электрического раз ряда, образующегося в сталеплавильных печах, позво ляет выявить пути и средства увеличения производи тельности этих печей без изменения конструкций и уве личения электрической мощности трансформаторов.
Для получения достоверной информации о физических свойствах дугового разряда эксперименты проведены на промышленных установках различной емкости, что по зволяет дать рекомендации по более полному исполь зованию дугового разряда, в частности для совершен ствования работы и увеличения производительности ду говых сталеплавильных печей.
Данная монография в некоторой степени восполня ет пробел в области знаний о дуге непрерывного горе ния.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Ni |
|
— число |
электронов, |
вылетающих с |
поверхности |
металла |
|||||
|
|
в 1 сек; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п — общее число молекул газа в единице |
объема; |
|
|||||||||
М — масса молекулы; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
trip — масса протона (1,672- Ю - |
2 4 г); |
|
|
|
|
|
|||||
фе |
— работа выхода электрона, эв; |
|
|
|
|
|
|||||
k — постоянная |
Больцмаиа (1,3804-10_ 1в |
|
эрг/град); |
|
|||||||
h — постоянная |
Планка |
(6,6249-Ю- 3 4 |
дж-сек); |
|
|||||||
ve/x |
|
— подвижность электронов, |
сек - 1 ; |
|
|
|
|
||||
Т — абсолютная температура, °К; |
|
|
|
|
|
||||||
Wx |
|
— верхний энергетический уровень возбужденного атома; |
|||||||||
W2 |
|
— то же, нижний; |
|
|
|
|
|
|
|
||
с — скорость света в вакууме |
(2,997-1010 |
см/сек); |
|
||||||||
е — заряд электрона; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
U — пройденная |
электроном без столкновений |
с другими ча |
|||||||||
|
|
стицами разность потенциалов, а; |
|
|
|
|
|||||
X — длина волны в среде, см; |
|
|
|
|
|
|
|||||
(.1 — коэффициент преломления среды; |
|
|
|
|
|||||||
%v |
— длина волны, отнесенная к вакууму, см; |
|
|
||||||||
R — постоянная Ридберга |
(109678 |
см~1); |
|
|
|
|
|||||
Тсо — терм, постоянный для данной серии; |
|
|
|
|
|||||||
Т(п)— |
терм, зависящий от главного квантового числа |
п(Т(п)-+0 |
|||||||||
|
|
при «->-oo); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v„ — частота |
спектральной линии, или волновое |
число; |
|||||||||
N |
— число Авогадро (6,0210м |
г/моль); |
|
|
|
|
|||||
г — радиус электрона (2,82- Ю - 1 3 см); |
|
|
|
|
|||||||
Z — атомный номер; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
ц —магнетон Бора (|х0 = 4,67-Ю- 5 |
см~1/гс); |
|
|
||||||||
AW(H) |
— смещение уровня под влиянием внешнего магнитного поля; |
||||||||||
Ее |
— излучение энергии электроном |
в единицу времени; |
|||||||||
г — ускорение электрона; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
P(v ftt)—объемная плотность |
излучения, отнесенная |
к единичному |
|||||||||
|
|
интервалу частот; |
|
|
|
|
|
|
|
||
Av„ — естественная ширина спектральной линии; |
|
|
|||||||||
ЛЯ.,, — естественная ширина линии в шкале частот; |
|
|
|||||||||
/ v |
— интенсивность спектральной линии; |
|
|
|
|
||||||
АХД |
— ширина допплеровского контура; |
|
|
|
|
||||||
g — статистический вес уровня;
5
Aki |
— вероятность перехода |
из возбужденного состояния к в со |
|
|
стояние |
/ п единицу |
времени, сек-'; |
ре |
—парциальное давление электронного газа; |
||
Wj0 |
—энергия нона в нормальном состоянии; |
||
Р ф |
—вероятность упругого столкновения; |
||
Р{п |
— вероятность иеупругого столкновения; |
||
q0(v) |
—эффективное сечение возбуждения линий; |
||
f(v)—оптическая |
функция |
возбуждения линии; |
|
Те |
— электронная температура, °К; |
||
5 — плотность почернения пластинки;
'о—количество света, прошедшего через непочерпепное местопластинки;
i — то же, через почерненное;
/— среднеарифметическое значение ннтепснвностей спект ральных линий в рассматриваемом интервале;
а — оптическая толщина линии; |
|
|
|
||||
ре |
— электронное давление; |
|
|
|
|
||
пе |
—число электронов в единице объема; |
|
|
||||
Ei |
— энергия атома в возбужденном состоянии; |
|
|||||
U — потенциал ионизации, в; |
|
|
|
|
|||
f—лаидеибуровская |
|
сила |
осциллятора |
для |
эмиссионной |
||
|
линии; |
|
|
|
|
|
|
е/т |
— удельный заряд электрона; |
|
|
|
|||
т0 |
— масса электрона |
(9,107-Ю- 2 8 г); |
|
|
|
||
V —удельная проводимость однородной среды; |
|
||||||
Е — напряженность электрического поля; |
|
|
|||||
q — излучение единицы поверхности; |
|
|
|
||||
q1— излучение единицы поверхности от |
торца |
электрода; |
|||||
q2 —излучение на ванну от дуг; |
|
|
|
||||
F |
— площадь горячен |
зоны |
под электродамп, |
он5 ; |
|||
т т |
— падение температуры через кладку, |
град; |
|
||||
N |
— число атомов |
на единицу длины, N = |
5,35'° |
см-'; |
|||
V* — коэффициент |
вариации |
случайной |
величины; |
||||
Хр |
— квантиль распределения. |
|
|
|
|
||
Дуга — комплекс электрических, тепловых п химических явлений, источник нелинейных колебаний незатухающего процесса
РАЗДЕЛ I ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
ГЛАВА : ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ
С конца X V I I I , начала XIX вв. почти во всех странах мира активно проводились работы по изучению элект рических явлений. В России эти работы велись главным образом в Петербургской Академии наук.
Особенно значительные работы были выполнены акаде миком М. В. Ломоносовым (1711 —1765 гг.). Занимаясь изучением атмосферного электричества и показав, что гром и молния являются мощными электрическими раз рядами в газах, он в 1753 г. предложил в качестве кон курсной темы «сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию».
Большой вклад в разработку темы, выдвинутой Ломо носовым, внес член Академии наук Василий Владими рович Петров.
В 1801 г. В. В. Петров издал свой первый печатный труд [3], где рассмотрел ряд вопросов, например об обыкновенном горении (сжигании тел) или о горении различных многосложных твердых и некоторых жидких тел в безвоздушном месте, о свечении фосфора и мно гих минералов, о загорании газообразных, жидких и твердых тел от электрических искр.
Эти опыты и выводы из них привели В. В. Петрова к не обходимости увеличить мощность электрических искр и построить «огромную батарею». Официальной датой
7
проведения своих опытов В. В. Петров указывает 1797 г. В 1803 г. во втором печатном труде [4] он описал опы ты с' батареей, состоящей из 4200 медных и цинковых кружков, и впервые в мире явление электрической дуги, горящей в атмосфере при нормальном давлении.
«...Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стек лянными ножками будут положены два или три древес ных угля, способные для произведения светоносных яв
лений |
посредством гальвани |
-вольтовской жидкости, |
и если |
потом металлическими |
изолированными напра- |
вителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстоя ние от одной до трех линий (одна линия около 2,5 мм —
A. И. Леушин), то является между ними весьма яркий белого цвета свет, или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
Затем «если в электрическую дугу между электродами внести листы металла, то от пламени дуги сии металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают также с пла менем какого-нибудь цвета и превращаются в оксид». «Если же листовые металлы будут сжигаемы в стеклян ном шаре, то можно собрать большее или меньшее ко личество оксида, свойственного каждому металлу цвета».
B. В. Петров проводил опыты по получению чистых ме таллов из их окисей: «оксиды, смешанные с порошком древесных углей, салом и выжатыми маслами, при сго рании принимали настоящий металлический вид».
Необходимо отметить, что В. В. Петров не только от крыл и описал электрическую дугу, но проведя несколь ко серий опытов, указал конкретные области ее прило жения: электрическое освещение, плавка, сварка метал лов и т. д. Первым практическим использованием откры тий В. В. Петрова было изобретение для целей освеще ния ламп с электрической дугой.
Русские новаторы техники внесли большой вклад в создание и разработку способа освещения, так называе мого «русского света». Известны конструкции ламп на каливания Б. С. Якоби, А. И. Шпаковского, К. П. По ленова, Ф. Ф. Петрушевского, Н. П. Булыгина, А. Л. Ло дыгина, В. Ф. Дидрихсоиа, П. Н. Яблочкова, Д. А. Лачинова, Н. Н. Бенардоса, В. Н. Чиколева и др.
а
Одной из важнейших проблем, решением которой за нимались ученые и изобретатели различных стран, яви лось обеспечение непрерывности горения ламп и дроб ления электрического света.
Электрическая дуга испускала такой яркий свет, что это вызывало слепление глаз человека. Яркость света нель зя было регулировать, так как интенсивность горения дуги не зависит от ее размеров.
Изобретение лампы накаливания А. Л. Лодыгиным и успешное ее внедрение по существу решило вопрос об использовании электрической дуги для целей освещения. Основное применение в качестве мощного источника го рения электрическая дуга нашла в области электротер мии, в первую очередь в дуговых сталеплавильных пе чах.
В порядке исторической справки можно отметить, что изучением электрического разряда занимался отец B. И. Ленина И. Н. Ульянов (1831—1886 гг.). В 1861 г. он публично зачитал на торжественном акте Пензенско го дворянского института научную работу «О грозе и громоотводах» [5]. «Молния — есть ничто иное как элек трическая искра» и «мгновенное разряжение наэлектри зованного облака производит явление грозы».
Действия молнии сходны с теми, которые мы замечаем при сильном искусственном разряжении наших батарей. Действия молнии бывают механические, теплородные, химические и физиологические и т. д.
Молния, как и электрическая искра, производит хими ческое и заметное магнитное действие и т. д.» — утверж дал И. Н. Ульянов в своем докладе.
После В. В. Петрова ряд русских и иностранных уче ных провели исследования свойств электрической дуги горения [6, 7].
Если Г. Айртон [6] исследовала внешние условия горе ния электрической дуги, то В. Ф. Миткевич [7] рас сматривал внутренние процессы и механизм горения дуги. По мнению В. Ф. Миткевича, электрическая дуга представляет собой поток электронов, исходящих из накаленного катода дуги. Основным условием сущест вования и устойчивого горения дуги является высокая температура катода. Видное место в данной области ис следования занимают также работы советского ученого
C. И. Тельного и его учеников [8—13].
2—227 |
9 |