НАУКА•ТЕХНИКА•ПРОИЗВОДСТВО
91
УДК 621.365
КОНТРОЛЬ СОСТАВА РАСПЛАВА НОРМАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОКОРУНДА ПО ВЕЛИЧИНЕ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
© Суслов Анатолий Павлович; Белоглазов Илья Ильич, канд. техн. наук
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Россия, Санкт-Петербург. E-mail: suslov_anatolii@mail.ru
Педро Анатолий Александрович, д-р техн. наук, проф. ООО «ЛЕННИИГИПРОХИМ». Россия, Санкт-Петербург Статья поступила 05.08.2013 г.
На примере процесса получения нормального электрокорунда показана возможность контроля состава расплава, на который горит дуга, по величине постоянной составляющей фазного напряжения. Наличие постоянной составляющей в фазном напряжении рудно-термической печи с открытой дугой обусловлено вентильным эффектом электрической дуги переменного тока.
Ключевые слова: электропечь; нормальный корунд; электрическая дуга; вентильный эффект; фазное напряжение; глинозем.
Электрическая дуга переменного тока при определенных условиях обладает выпрямляющим (вентильным) эффектом, который проявляется в том, что при изменении полярности дуги меняется падение напряжения на ней, т.е. в один полупериод напряжение дуги выше, чем в двух соседних1.
Постоянная составляющая, существующая в напряжении дуги (ипсд0), равна
Цпсд0 = Цак1 — Ци^ (1)
где Цак1 и Цак2 - суммы прианодных и прикатод-ных падений напряжения в соседних полупериодах. Значения Цак определяются работой выхода электронов из электродов, зависящей от материала последних, потенциалом ионизации газов, в атмосфере которых горит дуга, а также плотностью термоэмиссионного тока, зависящей от температуры катодного пятна2.
В сталеплавильных электропечах преобразование электрической энергии в тепловую из-за низкого электросопротивления материалов, находящихся в ванне печи, происходит практически только в электрической дуге. Поэтому в данном случае уравнение (1) может быть использовано для характеристики процесса плавки.
Дело в том, что при наличии вентильного эффекта электрической дуги переменного тока
в цепи возникает источник тока (источник электромагнитной энергии, величина тока которого не зависит от нагрузки). При постоянной температуре катодного пятна на твердом графитиро-ванном электроде величина постоянной составляющей напряжения, обусловленная наличием этого источника тока, определяется только составом и температурой расплава, на который горит дуга. При наличии жесткой связи между температурой и составом расплава величина постоянной составляющей позволяет контролировать эти параметры.
В фазном напряжении дуги, горящей на сопротивление расплава или шихты, будет существовать постоянная составляющая (Цпсд), величина которой определяется выражением
Цпсд = Цпсд0 — R0аlд, (2)
где Л0 - сопротивление шихты или расплава, на который горит дуга; а - отношение разницы токов дуги в соседних полупериодах к среднему значению тока дуги 1д за оба полупериода.
Примером печи, работающей с открытой дугой, горящей на сопротивление расплава, может служить печь для плавки нормального электрокорунда.
Для получения нормального электрокорунда боксит (агломерат) расплавляется с углероди-
1 Свенчанский А.Д., Жердев И.Т., Кручинин А.М. и др. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева. Учеб. для вузов / Под ред. А.Д.Свенчанского. М. : Энергоиздат, 1981. 296 с.
2 Педро А.А., Старкова Л.Е., Суслов А.П. Природа и характер постоянной составляющей фазного напряжения в руднотермической печи. Вологда : ВоГТУ, 2013. 123 с.
92
НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО
стым восстановителем, в процессе плавки происходит восстановление оксидов, главным образом, железа, кремния и титана. Плавка ведется с периодическим раздельным выпуском ферросплава и высокоглиноземистого расплава. Периодичность плавки вызвана несоответствием температур плавления исходной шихты (1950 К) и конечного продукта (2350 К) - высокоглиноземистый расплав может быть получен в жидкотекучем состоянии только после проплавления всей шихты.
Наиболее важный момент плавки нормального электрокорунда - определение готовности расплава, т.е. момента выпуска его из печи. Передержка расплава в печи приводит к его перевосстановлению, к дополнительному расходу электроэнергии. При раннем выпуске расплав недовосстановлен, вязок и плохо выходит из печи.
До недавнего времени момент начала выпуска расплава корунда из печи определялся по внешнему виду так называемой штанговой (ломковой) пробы, когда железный пруток на несколько секунд погружался в расплав, и по цвету налипшей на него корочки застывшего расплава плавильщик принимал решение о начале выпуска. Естественно, что правильность такого определения зависела от опыта обслуживающего персонала и не всегда была верной.
Электропечь для плавки нормального корунда работает в двух режимах:
- в режиме сопротивления, когда электроды погружены на ту или иную глубину в слой шихты или шлака; это происходит в первой половине процесса на стадии расплавления шихты;
- в режиме с электрической дугой.
Дуга появляется в конце стадии расплавления и достигает своего максимального развития при выпуске расплава корунда из печи. Наличие дуги вызвано тем, что расплавленный глинозем - хороший проводник электрического тока, и для сохранения мощности, подаваемой в печь, перегрев расплава (доводку) ведут при наличии электрической дуги. В конце плавки выделяется от 18 до 25% энергии, подаваемой в печь.
Конечно, с развитием дуги увеличиваются тепловые потери с колошника, пыле- и газоунос из печи, однако в настоящее время работа без дуги невозможна.
После окончания выпуска и загрузки шихты в период ее проплавления печь практически все время работает в режиме сопротивления, электрическая дуга отсутствует. После расплавления шихты в результате дальнейшего нагрева для придания расплаву жидкотекучего состояния его электрическое сопротивление уменьшается. Регулирующее устройство, поддерживающее постоянной силу тока в электродах, постепенно выводит их из расплава, и в определенный момент возникает дуга. С возникновением электрической дуги появляется постоянная составляющая фазного напряжения, обусловленная вентильным эффектом, вызванным в данном случае повышенной по сравнению с расплавом эмиссией электронов из электрода. В измерительной цепи ипс имеет направление от электрода к «земле». Отсюда следует, что падение напряжения на дуге меньше в тот полупериод, когда катодом служит электрод.
На рис. 1 и 2 показаны зависимости ипс от тока электрода, в данном случае он же ток дуги,
20
15
10
20 22 24 26 28 30
I, кА
94,5
%
95,5
Рис. 1. Зависимость постоянной составляющей напряжения от тока на печи РКО-10,5 для плавки нормального электрокорунда при различном содержании Al2O3,%:
1 - 93,5; 2 - 94,5; 3 - 95,5; 4 - 96
Рис. 2. Зависимость постоянной составляющей напряжения от содержания Al2O3 (Сд^) в расплаве нормального электрокорунда; ток электрода, А: 1 - 33 200; 2 - 29 900; 3 - 26 600
5
0
С
НАУКА • ТЕХНИКА • ПРОИЗВОДСТВО 93
при разном содержании А1203 расплаве, и от содержания А1203 при разных токах электрода, полученные на печи РК0-10,5. Как следует из графиков, характер зависимостей в рабочих пределах содержания А1203 в получаемом расплаве, т.е. до 94,5%, соответствует уравнению (2). В этих пределах значение ипсд0 определяется условиями эмиссии электронов из электрода и расплава, а наклон кривых зависимостей
на рис. 2, кроме того, - и сопротивлением расплава.
Заключение. Отмеченная связь постоянной составляющей фазного напряжения с содержанием А1203 позволила внедрить способ контроля состава и определение момента выпуска расплава из печи по ее величине на всех заводах, производивших нормальный электрокорунд.
CONTROL OF COMPOSITION OF NORMAL ELECTROCORUNDUM MELT BY ADJUSTING MAGNITUDE OF CONSTANT COMPONENT OF PHASE VOLTAGE
© Suslov A.P.; Beloglazov I.I., Cand. Sci. (Eng.); Pedro A.A., Dr Sci. (Eng.), prof.
The ability to control the composition of the melt at which the arc burns, by adjusting the magnitude of the constant component of phase voltage is shown on the example of obtaining of the normal electrocorundum. The presence of direct component in phase voltage in ore-smelting furnace with an open arc is due to the valve effect of the electric arc of alternating current.
Keywords: electric furnace; a normal corundum; electric arc; valve effect; phase voltage; alumina.
Правила оформления статей, направляемых в журнал «Металлург»
1. Статья должна содержать:
• индекс универсальной десятичной классификации (УДК);
• ученые степени авторов;
• реферат и ключевые слова предоставляются на русском и английском языках.
2. Статью следует представить в электронном виде в формате MS \Word (*.doc) размер шрифта - 12 кегель, через 1,5 интервала между строками, поля 1,25 см.
3. При наборе текста использовать стандартные шрифты - Times New Roman и Symbol. Формульные выражения желательно выполнить в "Редакторе формул" (Equation Editor).
4. Термины и определения, а также единицы физических величин, используемые в статье, должны соответствовать действующим ГОСТам.
5. Иллюстрации должны быть представлены в виде графических файлов форматов *.xls, *.tif, *.bmp, *.jpg, *.gif, *.eps с разрешением 300 dpi с учетом следующих требований:
• буквенные и цифровые обозначения по начертанию и размеру должны соответствовать обозначениям в тексте статьи;
• размер иллюстраций - не более 15x20 см;
• текстовая информация выносится с иллюстраций в текст статьи или в подрисуночные подписи.
6. На последней странице статьи должны быть подписи всех авторов.
7. К статье необходимо приложить следующие сведения: служебные и домашние адреса с обязательным указанием почтового индекса и номеров телефонов.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.