Общие сведения об электрической дуге
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Общие сведения об электрической дуге

Приоритет открытия дуги принадлежит русскому ученому академику Василию Владимировичу Петрову (1761–1834 г.).

Результаты своих опытов Петров опубликовал в 1803 г. Им было описано явление дуги в атмосфере при нормальном давлении, а также окисление материалов в дуге; восстановление металлов из оксидов (в смеси с восстановителями – древесный уголь, сало, масла). В европейской литературе первые сведения об электрической дуге появились в 1812 г.

Электрическая дуга, или дуговой разряд, – один из видов электрических разрядов в газе или парах. Газ – по природе своей электронейтрален, т.е. он состоит из частиц, не имеющих электрического заряда. Для прохождения электрического разряда через газ, в последнем должны появиться электрически заряженные частицы – ионы и электроны.

Если заряженные частицы в газе появляются при каком либо внешнем воздействии на газ и потом происходит электрический разряд, то такой разряд называют несамостоятельным.

Ионизация межэлектродного промежутка может происходить под действием коротковолнового излучения – ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, а также альфа-, бета- и космических лучей.

Если появление заряженных частиц в газе связано только с наличием электрического поля, вызывающего разряд, то такой разряд называют самостоятельным.

Напряжение, при котором образуется самостоятельный разряд, носит название напряжения зажигания или потенциала зажигания. Его значение зависит от свойств газа и произведения давления газа p на расстояние между электродами d . При определенном значении p * d потенциал зажигания достигает минимума (закон Пашена), составляющего, например, для воздуха 330 В при p*d =75,4 Па-см; при больших и меньших значениях p * d потенциал зажигания увеличивается.

При атмосферном давлении напряжение зажигания обычно намного больше минимального: так, при d =1 см для воздуха оно составляет 3х104 В.

Так как в газе всегда имеется некоторое количество заряженных частиц, самостоятельный разряд может начаться без постороннего ионизатора, когда приложенное к электродам напряжение превзойдет соответствующий потенциал зажигания.

Дуга возникает и поддерживается в результате:

  1. эмиссии электронов с катода;
  2. разгона их в электрическом поле;
  3. ионизации газов, находящихся в разрядном промежутке с образованием ионов, за счет столкновения с разогнанными электронами.

Эмиссия электронов с катода бывает:

  1. электростатическая или автоэлектронная – эмиссия электронов под влиянием только сильного электрического поля у катода;
  2. термоэлектронная – эмиссия электронов с катода в результате высокой температуры последнего, обеспечивающей повышение кинетической энергии электронов катода до уровня, превышающего работу выхода электрона.

В металлургических процессах в прикатодной области действуют оба вида эмиссии электронов, но преобладающей является термоэлектронная эмиссия.

Классифицировать дуговые разряды можно по нескольким признакам:

  1. по роду среды – дуга в вакууме, в газе, в парах (в отсутствии паров веществ дуговой разряд возможен при давлении не ниже 10мм.рт.ст.);
  2. по внешнему признаку – короткие дуги, длинные дуги.

Дуги считаются длинными, если электроды, между которыми она горит, удалены настолько, что тепловой режим одного электрода не влияет на тепловое состояние другого. В электрометаллургии дуги являются длинными.

В дуговом разряде можно выделить три структурные области – катодную, анодную, столб дуги (рис. 1).

Схема характерных областей дуги

Рис. 1 Схема характерных областей дуги

Катодная область – длина примерно 10-7 м. Практически не зависит от общей длины. Образуется в результате того, что электроны более подвижны, чем ионы, и они быстрее удаляются из катодной области, чем положительные ионы достигают его. Поэтому перед катодом образуется нескомпенсированный положительный заряд, который обусловливает катодное падение напряжения.

Анодная область – 10-5 – 10-6 м порядка длины свободного пробега электрона при атмосферном давлении. Здесь практически не возникают новые заряды, так как анод не может эмитировать тяжелые ионы, поэтому перенос зарядов осуществляется пришедшими из столба дуги электронами и вблизи анода образуется нескомпенсированный отрицательный заряд. Этот заряд обусловливает анодное падение напряжения.

Столб дуги – средняя и самая длинная часть разряда, здесь происходит трансформация основной части электрической энергии в тепловую. В ДСП длина столба дуги колеблется от 20 до 50 см. Основной источник частиц – термическая ионизация. Помимо ионизации в столбе протекают реакции рекомбинации. В стационарном режиме столб дуги электронейтрален. Поскольку скорость заряженных частиц пропорциональна массе, то ток в столбе передается в основном электронами.

Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока (сотни и тысячи А/см2) и возможен только при определенных давлениях газа: при очень низких давлениях (средний вакуум p менее 0.1333 Па (10-5 мм.рт.ст.)) – дуговой разряд невозможен из-за недостатка переносчиков заряда, при очень больших давлениях – дуга невозможна из-за возрастающей рекомбинации зарядов.

Столб электрической дуги представляет собой подвижный легко деформируемый под воздействием магнитных полей проводник. Поэтому взаимодействие электрических и магнитных полей в рабочем пространстве печи приводит к наличию следующих магнитогидродинамических эффектов, пинч-эффект – эффект сжатия столба дуги в радиальном направлении. Магнитное поле, образуемое вокруг столба дуги, создает сжимающий эффект, заключающийся в том, что при прохождении тока в столбе дуги возникают радиальные сжимающие усилия, направленные от поверхности к оси.

Выдувание электрических дуг в сторону, противоположную центру печи, т.е. в сторону футеровки, характерно для трехфазных ДСП. Такое явление объясняется в значительной степени взаимодействием тока, протекающего в столбе дуги, и перпендикулярного ему тока в жидкой ванне.

Указанные магнитогидродинамические эффекты на практике приводят к появлению циркуляции металла и шлака. Давление и наклон дуг приводят к возникновению циркуляции металла, ускоряющей передачу тепла от дуги к ванне и способствующей перемешиванию металла и выравниванию в нем температуры по объему. Интенсивное движение металла и шлака под воздействием электродинамических усилий охватывает зону, которая оценивается примерно в 30% от поверхности центральной части зеркала ванны.

Образование мениска в месте контакта дуги с расплавленным металлом, что обусловлено давлением дуги (из-за сжимающего эффекта) передаваемого на жидкие шлак и металл. При этом дуга горит в мениске и ее излучение на боковые стены и свод экранируется металлом и шлаком, передача тепла от дуги непосредственно металлу увеличивается. Эффект тем значительнее, чем выше ток дуги.

Давление дуги на металл F (H) определяют по уравнению

F=5*10-8I2

(Давление дуги на жидкий металл при токе в 50кА и диаметру дуги 5,7 см будет равно 125 Н, что соответствует гидростатическому давлению столба жидкой стали высотой примерно 0,3 м).

В начальный период плавления скрапа, когда электроды опущены и под ними имеется озеро жидкого металла, важно, чтобы значительная часть излучаемого дугой тепла распространялась в скрап в горизонтальном направлении во избежание перегрева подины под электродами. Это условие реализуется при использовании дуги большей длины. По мере того, как возрастает прямая угроза перегрева боковых стенок печи, горизонтальную составляющую теплового потока следует уменьшить, укорачивая дугу и погружая ее в расплав. При этом тепловое действие дуги должно быть направлено вниз в ванну. По этой причине при наличии в печи жидкого металла предпочтительно работать на более короткой дуге.