Шлаковая ванна как источник теплоты

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Шлаковая ванна как источник теплоты

30.10.2020

Теплоту, необходимую для осуществления ЭШП, получают, пропуская электрический ток через расплавленный шлак. Полагают, что шлаковая ванна представляет собой чисто активное сопротивление в цепи источника питания и теплота выделяется в ней в соответствии с законом Джоуля — Ленца:
Шлаковая ванна как источник теплоты

Нагрев шлака протекающим по нему током отличается от выделения джоулевой теплоты в твердых, например металлических, проводниках. Сечение жидкого проводника обычно больше сечения электродов, следовательно, существует возможность растекания тока по объему шлака. Неравенство площадей контакта электродов со шлаком и наличие токопроводящей стенки емкости усиливает это явление. Проводимость шлака зависит от его химического состава и температуры. Расплав перемешивается за счет электродинамических сил и конвекции. Это означает, что шлаковая ванна не является однородным проводником с фиксированными длиной, сечением и проводимостью, следовательно, выделение теплоты в ней неравномерно.

Поскольку в металлах электрические заряды переносятся свободными электронами, сопротивление металлических проводников увеличивается с повышением температуры. Природа проводимости, как и строение расплавленных шлаков, в состав которых входят различные оксиды и соли, сложна и до сих пор не выяснена окончательно. Согласно ионной теории строения шлаковых расплавов, их компоненты находятся в состоянии диссоциации. В связи с тем что природа химической связи в различных солях и оксидах различна, а ее характер при плавлении изменяется незначительно, полагают, что у жидких шлаков наряду с ионной имеет место электронная и другие виды проводимости. Ответственными за электронную проводимость являются соединения с изменяющейся стехиометрией состава, например FeO, MnO, TiO2. Оксид титана имеет значительную электронную проводимость даже в твердом состоянии, что используется в технике расплавления шлака. С увеличением температуры ионная составляющая электропроводности шлаков увеличивается. Этому способствует уменьшение вязкости расплавов и большая подвижность ионов. Удельная электропроводность х шлаков обычно увеличивается с ростом температуры, что описывается формулой Я.И. Френкеля

где A2 — коэффициент пропорциональности; k — постоянная Больцмана; Ex — энергия активации электропроводности.

При выборе химического состава шлаков для ЭШП (табл. 26) руководствовались разнообразными соображениями, металлургическими, энергетическими и другими особенностями процесса. Количество основных ингредиентов в «синтетических» шлаках изменяется от 1 (чистый CaF2) до 5. В действительности в составе шлаков присутствуют также соединения, которые попадают туда с шихтовыми материалами, из переплавляемого металла или образуются в результате химических реакций.

Электропроводность шлаков ЭШП, определяемая для высокотемпературной области с помощью специальных электролитических ячеек, изменяется примерно от 0,1 до 10 Ом-1*см-1 (рис. 58, а, б). В общем случае она увеличивается при добавке фторидов, а также оксидов щелочных металлов, но уменьшается при вводе оксидов, образующих сложные, малоподвижные анионы (кремнезем, глинозем).

Работы, посвященные исследованию электропроводности шлаков, весьма многочисленны, из них полезны те, в которых обобщено влияние состава шлаков на их физико-химические свойства. Например выведена формула для определения электропроводности шлаков на основе фтористого кальция при температуре 1450—1780 °C (рис. 59, в):

Здесь Nx — эквивалентная мольная доля,

где NMexOy— мольная доля соответствующих оксидов.

Определение электропроводности расплавов полезно для выбора состава шлаков, наилучшим образом отвечающих предъявляемым требованиям. В части энергетических показателей здесь руководствуются принципом повышения эффективности трансформации электрической энергии в тепловую при использовании менее электропроводных шлаков.

Сопротивление шлаковой ванны можно рассчитать, если известны длина и сечение жидкого проводника. Для этого необходимо знать распределение тока по объему расплавленного шлака, на которое влияют количество и расположение электродов, схема подключения их к источнику питания, коэффициент заполнения и многие другие факторы. Большой опыт в этом аспекте накоплен при оптимизации параметров руднотермических многошлаковых печей. Моделирование растекания тока позволяет определить взаимосвязь перечисленных параметров, рассчитать эквивалентное сопротивление шлаковой ванны для конкретного агрегата, спроектировать его короткую сеть, выбрать источник питания. Результаты опыта были использованы при исследовании ЭШП.

He менее важен и другой аспект генерирования теплоты в шлаковой ванне. Поскольку для электрошлакового процесса характерно растекание тока по расплаву шлака, выделение теплоты в нем неоднородно. Это было обнаружено при наблюдении шлаковой ванны через прозрачную стенку емкости в процессах ЭШС и ЭШП. Установлено, что в ядре нагрева, расположенного у поверхности электрода, температура выше, чем у остальной массы расплава. Интенсивные потоки выносят перегретые объемы шлака на периферию ванны и тем усредняют ее температуру.

Локальное тепловыделение характеризуют распределением внутренних (джоулевых) источников теплоты, т. е. элементарных объемов жидкого шлака, в которых трансформация энергии подчиняется закону Джоуля — Ленца. Обычно для этого используют запись (4.1) в дифференциальной форме, связывающую выделение теплоты с градиентом потенциала U электрического поля

Поскольку изучение поля потенциалов в условиях реального электрошлакового процесса затруднительно, его определяют с помощью различного рода жидкостных моделей или моделей из электропроводной бумаги, созданных на основании геометрического подобия натуре. Результаты модельных исследований преобразуют в картину тепловых полей с помощью ЭВМ.

Кроме наглядного представления тепловыделения в шлаковой ванне моделирование дает возможность исследовать взаимосвязь отдельных факторов и отыскать их оптимальное соотношение применительно к реальным условиям. Перечисление результатов моделирования разнообразных технологических вариантов ЭШП нецелесообразно. В качестве примера рассмотрим некоторые энергетические особенности канонической схемы ЭШП, т. е. плавления одиночного электрода.

Исследования показывают, что при использовании переменного тока температура в шлаковой ванне распределена сравнительно равномерно (рис. 59). Лишь у поверхности электрода и стенки кристаллизатора существуют объемы расплава с пониженной температурой. Эквипотенциальные линии сгущаются в направлении к электроду, и наиболее интенсивные джоулевы источники теплоты сосредоточены у границы электрод — шлак. Максимальное удельное тепловыделение здесь в 10—20 раз превышает плотность источников теплоты у зеркала металлической ванны и стенки кристаллизатора. Изменение геометрии этой схемы ЭШП сопровождается изменением тепловыделения в шлаке. Например, с уменьшением диаметра электрода или межэлектродного промежутка плотность источников теплоты под электродом возрастает. Наиболее доходчиво эта взаимосвязь интерпретируется с помощью такой характеристики, как плотность тока. Тепловыделение пропорционально квадрату плотности тока, следовательно, всякое уменьшение эквивалентного сечения проводника при неизменных электрических параметрах сопровождается увеличением плотности источников теплоты в этом сечении.

Как указывалось, в шлаковой ванне существует интенсивное движение расплава. Скорость потоков, вызванных электродинамическими и гравитационными силами, достигает 10 см/с. Интенсивная конвективная теплопередача в шлаковой ванне приводит, в частности, к практически равномерному распределению температуры в ней, несмотря на ярко выраженное локальное тепловыделение в ядре нагрева. Однородность температурного поля шлаковой ванны — одно из главных достоинств электрошлакового процесса как источника теплоты. Именно благодаря ему при ЭШП можно легко получать слитки разнообразной формы поперечного сечения. В последнее время появились результаты систематических исследований гидродинамики шлаковой и металлической ванн при ЭШП. Однако в них пока не отражено влияние гидродинамических процессов на кристаллизацию металла как наиболее интересного аспекта таких исследований.

Наряду с описанными представлениями о механизме генерирования теплоты при электрошлаковом процессе существует несколько иной взгляд на природу трансформации электрической энергии в теплоту при протекании тока через расплавленный шлак. Поскольку его компоненты диссоциированы, пропускание тока должно сопровождаться электролитическими явлениями. В связи с тем что в расплаве присутствуют положительные и отрицательные ионы, в зависимости от полярности электродов на их поверхности могут выделяться металлы и газы в свободном состоянии. Поэтому некоторые исследователи объясняют усиленное тепловыделение в приэлектрод-ной зоне, во-первых, освобождением теплоты протекающих здесь электрохимических реакций; во-вторых, при определенных условиях выделение газов (кислорода и фтора) может быть настолько интенсивным, что плотный контакт электрода с расплавом нарушается, образуется газовая прослойка, а затем возникает дуговой ряд.

Указания на то, что преобразование электрической энергии в шлаковой ванне происходит не только путем выделения джоулевой теплоты, но и за счет приэлектродных явлений, содержится во многих работах, например. Полагают, что электрод расплавляется под действием двух составляющих теплового потока, доля которых изменяется в зависимости от размеров электрода, электрохимических свойств шлака, приложенного напряжения. Иногда даже оценивают соотношение количества джоулевой теплоты и теплоты, генерируемой на поверхностях раздела, в том числе и в дуговом разряде, например, как 0,5 : 0,5 или 0,75 : 0,25 соответственно.

Указанные явления действительно имеют место при электрошлаковом процессе. Это подтверждает изменение характера тепловыделения в шлаковой ванне при использовании тока различного рода и изменении полярности электродов. Например, если электрод подключен к положительному полюсу источника питания, то температурное поле в шлаковой ванне более однородно, среднемассовая температура расплава и скорость плавления электрода больше, чем при переплаве на прямой полярности. В последнем случае металлическая ванна, несмотря на меньшую скорость плавления электрода, имеет большую глубину, чем при обратной полярности (рис. 60). Причину такого отличия усматривают в том, что вследствие концентрационной поляризации у межфазной поверхности шлак — электрод возникает перенапряжение, зависящее от плотности тока, причем это явление в анодной области развито значительно сильнее, чем в катодной. Большему падению напряжения на аноде соответствует и большее выделение теплоты в этой области. Затруднение, возникающее при таком объяснении указанных отличий, состоит в том, например, что при использовании переменного тока (штриховая линия на рис. 60) скорость плавления электрода должна быть средней между производительностью переплава на прямой и обратной полярности.

В действительности же она близка к скорости плавления на обратной полярности, но превышает ее.

Другим подтверждением существования электролиза при электрошлаковом процессе служит влияние рода тока и полярности на особенности металлургических реакций. Соответствующие изменения химического состава переплавляемого металла регистрируют как при ЭШС, так и при ЭШП. Последствия электролиза особенно заметны в случае, когда хотя бы один из электродов является нерасходуемым, например, графитированным или металлическим охлаждаемым. Здесь могут наблюдаться анодный и вентильный эффекты, возникновение дугового разряда при определенной плотности тока и другие явления, описываемые теорией электрохимии.

Эффекты поляризации при электрошлаковом процессе с использованием переменного тока проявляются меньше из-за регулярного и частого изменения полярности. Однако в связи с тем что время образования приэлектродного двойного слоя много меньше полупериода переменного тока промышленной частоты, электролизные явления характерны и для этого случая. Поскольку величина приэлектродного падения напряжения зависит от плотности тока, при высоких значениях последней интенсивное выделение теплоты в приэлектродной зоне может инициировать дуговой разряд даже у поверхности плавящегося электрода. Необходимая для этого критическая плотность тока j зависит от состава шлака и полярности электрода (табл. 27). Указанный диапазон ее изменения характерен только для случая ЭШС проволочным электродом. Прп ЭШП электродов большего сечения плотность тока на два-три порядка меньше. Однако в зависимости от электрического режима и технологических параметров и при ЭШП может наблюдаться значительное искажение синусоидальной формы кривых тока и напряжения из-за эффектов, имеющих отношение и к явлению поляризации.

Оценка тепловыделения в шлаковой ванне с точки зрения электролизных явлений нуждается в экспериментальном подтверждении существования в призлектродных зонах скачкообразных изменений напряжения, по аналогии с изменениями падения напряжения на соответствующих участках дугового разряда. Потенциальные поля при электрошлаковом процессе изучались неоднократно. Большей частью в публикациях на эту тему имеются предположения или утверждения о существовании электрохимических потенциалов у межфазных границ шлак — металл. Результаты других исследований подтверждают падение напряжения в зоне контакта только в случае применения нерасходуемого электрода. Причем появление приэлектродного скачка потенциала соответствует моменту возникновения более или менее мощного дугового разряда. Значительного падения напряжения у поверхности плавящегося электрода зарегистрировано не было. Это можно объяснить тем фактом, что даже при весьма большой плотности тока перенапряжение у анода, например, при растворении ионов двухвалентного железа не превышает 1,5 В. Больший скачок потенциала в этой области может вызвать только дуговой разряд. Однако его возникновение требует, чтобы величина плотности тока была гораздо большей, чем при обычном процессе ЭШП (см. табл. 27).

Подытожить этот краткий анализ можно следующим образом. Электрошлаковый процесс, имеющий сложную, не познанную до конца природу, характеризуется двойственностью преобразования электрической энергии в теплоту. Часть же выделяется в виде джоулевой теплоты в основной массе расплава. Остальное количество освобождается в призлектродных зонах на межфазных границах. Boпpoc о количественном соотношении этих частей можно считать открытым. Однако известно, что оно зависит от рода тока и полярности, величины приложенного напряжения, плотности тока, физико-химических свойств шлакового расплава, а также конструктивнотехнологических особенностей электрошлакового процесса. При нормальном течении электрошлаковый процесс с использованием переменного тока не сопровождается дуговым разрядом, а кривые тока и напряжения на регистрограммах синусоидальны и синфазны. Полагают, что в таких условиях в шлаке выделяется исключительно джоулева теплота, а процесс протекает в режиме сопротивления. Локальная интенсивность джоулевых источников пропорциональна квадрату плотности тока. При достижении критической для данных условий плотности тока интенсивное генерирование теплоты на межфазной границе электрод — шлак может инициировать дуговой разряд, возникновение которого более вероятно при использовании нерасходуемых электродов.

Переход электрошлакового процесса из режима сопротивления в дуговой режим может быть либо следствием электрохимических процессов, либо вызван локальным закипанием шлака при избытке теплоты. С повышением плотности энергии, выделяющейся на поверхности электрода, интенсифицируются химические, электрохимические, физические процессы, в результате которых выделяются газообразные продукты и происходит сначала местное (в отдельных точках), а затем и полное отделение электрода от расплава газовой прослойкой. При достаточном градиенте потенциала в ней возникает дуговой разряд, который может самоусиливаться, поскольку вызывает резкое повышение температуры. Однако отсутствие дугового разряда при электрошлаковом процессе на переменном токе вовсе не означает, что в этом случае нет и электролизных явлений. Существование последних подтверждают, например, регистрируемые вентильный эффект и зависимость электропроводности шлакового расплава от частоты тока.

Электрохимическая природа электрошлакового процесса выступает особенно контрастно при использовании постоянного тока. В зависимости от полярности электрода изменяется характер локального тепловыделения и, следовательно, производительность переплава, глубина металлической ванны, масса капель, характер металлургических реакций. Особенно неблагоприятно в последнем аспекте применение постоянного тока прямой полярности. Учитывая особенности трансформации электрической энергии в тепловую и подверженность металлургических процессов влиянию электролизных явлений, не рекомендуют, за исключением специальных случаев, осуществлять ЭШП с помощью постоянного тока. В настоящее время практически во всем мире для электропитания печей ЭПШ применяют переменный ток промышленной или пониженной частоты.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: