Электротехника и электроэнергетика 93

Электротехника и электроэнергетика
93
12. Немцев Г.А., Казаков В.В. Новые модульные трансформаторы // Комплекс программ с графическим
интерфейсом для расчёта электрических величин в электроэнергетических системах // Труды Академии
электротехнических наук Чувашской Республики. 2006. № 1. С. 10-14.
13. Положительный отзыв фирмы Schneider Electric (France Transfo). 2006. 2 с.
14. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1976. 616 с.
15. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 528 с.
16. Binasch G., Grünberg P., Sauerenbach F., Zinn W. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic
structures with antiferromagnetic interlayer exchance // Physical review B. 1989. Vol. 39, № 7. Р. 4828-4830.
КАЗАКОВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ – соискатель ученой степени кандидата технических наук,
кафедра электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет,
Россия, Чебоксары (espp21@mail.ru).
KAZAKOV VLADIMIR VIKTOROVICH – competitor of scientific degree of Technical Sciences
Candidate, Electric Power Industry Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
КАЗАКОВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ – инженер-программист, Чебоксарский кооперативный
институт, Россия, Чебоксары (chimku21@mail.ru).
KAZAKOV OLEG VLADIMIROVICH – software engineer, Cheboksary Cooperative Institute,
Russia, Cheboksary.
НЕМЦЕВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДЬЕВИЧ – аспирант кафедры электроснабжения промышленных
предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (espp21@mail.ru).
NEMTSEV ALEKSANDR GENNADJEVICH – post-graduate student of Electric Power Industry
Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
НЕМЦЕВ ГЕННАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ – доктор технических наук, профессор кафедры
электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (espp21@mail.ru).
NEMTSEV GENNADIJ ALEKSANDROVICH – doctor of technical sciences, professor of Electric
Power Industry Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 621.365.22
Ю.М. МИРОНОВ, Д.Г. МИХАДАРОВ
ВЗАИМОСВЯЗЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СО СТАТИЧЕСКОЙ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Ключевые слова: электрическая дуга, ионизация, шлак, вольт-амперная характеристика
(ВАХ), межэлектродный промежуток, примеси, рафинирование.
Приведены результаты экспериментального исследования статической вольт-амперной характеристики дуги постоянного тока в дуговой печи. Показано влияние составляющих шлака на напряжение горения дуги.
Yu.M. MIRONOV, D.G. MIKHADAROV
INTERRELATION OF TECHNOLOGICAL PROCESSES WITH THE VOLT-AMPERE
STATIC CHARACTERISTIC OF AN ARC OF A DIRECT CURRENT
Key words: electrical arc, ionization, slag, volt-ampere characteristic, electrode interval, impurity,
refinement.
Results of an experimental research static volt-ampere characteristic of an arc of a direct current
in the arc furnace are resulted. Influence of components of slag on voltage of an arc is shown.
Целью данной работы является определение влияния составляющих
шлака на напряжение горения дуги.
Дуговые печи постоянного тока в последнее время применяются не только
для выплавки стали, но и для переплава лома цветных металлов, в частности для
переплава вторичного алюминия низших марок. Вторичный алюминий содержит
металлические, неметаллические и газообразные примеси, которые обычно попадают из футеровки печей или ковшей, а также при разливке. Все эти примеси
значительно влияют на механические и литейные свойства металла, а также снижают его электропроводность и коррозионную стойкость.
.
Вестник Чувашского университета. 2011. № 3
94
Высокая температура в рабочем пространстве дуговой печи позволяет провести технологические операции для удаления вредных примесей (рафинирование) и для получения кремнеалюминиевых сплавов (восстановление алюминия).
Рафинирование. После расплавления алюминия при достижении температуры 720-730°С на поверхность расплава засыпается универсальный
флюс из смеси солей (NaCl – 50%, NaF – 30%, Na3AlF6 – 20% из расчета 2%
от массы сплава). Сплав выдерживают в течение 10-15 мин под слоем флюса
и замешивают. При дальнейшем нагревании алюминия до 1000ºС и выше образуются соответствующие газообразные субсоединения алюминия:
2Al + AlCl3 ↔ 3AlCl , 2Al + AlF3 ↔ 3AlF .
Пары хлористого алюминия флотируют взвешенные в металле неметаллические примеси. Кроме того, хлорируются водород, растворенный в алюминии, и некоторые неметаллические примеси. При температуре 700-1000ºС
образовывать хлориды в присутствии больших количеств алюминия могут
только кальций, натрий, калий и магний. При последующем охлаждении полученных продуктов реакций до 700-800ºС субсоединения разлагаются на
алюминий и хлористый (фтористый) алюминий.
Всплывающие на поверхность металла примеси представляют собой серый рыхлый порошок, который снимают цеховой шумовкой. С помощью такого рафинирования можно получить алюминий особой чистоты.
Восстановление алюминия. Другое применение дуговой печи для выплавки алюминия связано с восстановлением окиси алюминия углеродом:
(1)
Al2O3 + 3C ↔ 2Al + 3CO − 1344 кДж .
Минимальная температура, необходимая для осуществления этой реакции, составляет около 2000ºС. Эта температура легко достижима в дуговой
печи, однако восстановленный алюминий, испаряясь в этих условиях, быстро
реагирует с углеродом, образуя карбид:
4Al + 3C = Al4 C 3 .
При понижении температуры равновесие реакции (1) сдвигается влево,
что приводит к появлению в продуктах реакции значительного количества
окиси алюминия. Поэтому при попытках сконденсировать пары алюминия,
полученные при восстановлении чистой окиси алюминия углеродом, в конденсате получают смесь алюминия, карбида алюминия и глинозема, непригодную для использования.
Однако восстановление глинозема в присутствии кремния, имеющего
более высокую температуру кипения, чем алюминий, дает возможность прямым восстановлением Al2O3 и SiO2 получать кремнеалюминиевые сплавы,
содержащие до 70% алюминия. Карбид алюминия при этом взаимодействует
с кремнеземом при высоких температурах по реакции
2Al4 C 3 + 3SiO 2 = 8Al
+4
3Si
142
3 + 6CO .
сплав
Исследования показали, что статические ВАХ дуги постоянного тока в дуговой печи при выплавке алюминия имеют слабовозрастающий характер [2, 3].
При наличии слоя шлака на поверхности расплава напряжение горения дуги
снижается (рисунок). Это вызвано следующими причинами. Дуга горит в парах
.
Электротехника и электроэнергетика
95
элементов, присутствующих в раз- Uд,250В
рядном промежутке. Элементы, участвующие в реакциях, влияют на
200
характеристики дуги: температуру,
ток, напряжение, диаметр, длину.
150
Температура дуги определяется по формуле [4]
100
Tд = 800U i ,
где U i − потенциал ионизации га50
за, в котором горит дуга.
В данном случае дуга горит в
0
смеси газов. Элементы, присутствую0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Iд,2,5
кА
щие в атмосфере разрядного промеLд=120мм
Lд=200мм
жутка, представлены в таблице.
Lд=250мм (шлак)
Lд=300мм (шлак)
Если смесь состоит из нескольких компонентов, то газ с меньшим
Статические вольт-амперные
характеристики дуги постоянного тока
потенциалом ионизации ионизируется сильнее, а газ с большим потенПотенциалы ионизациии
циалом − слабее [4]. Следовательно,
химических элементов
можно сделать вывод, что снижение Химический
Na
Cl
F
Al
C
Si
напряжения горения и температуры элемент
Потенциал
дуги связано с преобладающим со5,14 13,0 17,4 5,96 11,22 8,12
ионизации, эВ
держанием паров Na, имеющим
наименьший потенциал ионизации.
Наличие паров металла также дает возможность иметь более длинные дуги
при одном и том же напряжении источника питания. Так, например, при чистом
зеркале поверхности металла максимальная длина дуги составляет до 200 мм, а
при наличии шлака − 300 мм. Длинные дуги способствуют интенсификации процесса рафинирования.
Литература
1. Миронов Ю.М. Теоретическая электротехника электрических электродных печей. Чебоксары:
Изд-во Чуваш. ун-та, 1997. 232 с.
2. Миронов Ю.М., Михадаров Д.Г. Исследование характеристик дуги постоянного тока // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты: XII Междунар. конф. Алушта, 29 сент.-4 окт., 2008 г. Алушта, 2008. С. 312.
3. Миронов Ю.М., Михадаров Д.Г. Исследование статических и регулировочных характеристик дуги
постоянного тока // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. 2009. № 2. С. 41-43.
4. Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи. 3-е изд. М.: Металлургия, 1974. 304 с.
МИРОНОВ ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ – доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (mironovu@mail.ru).
MIRONOV YURIY MIKHAYLOVICH – doctor of technical sciences, professor, head of Automated
Electrotechnical Installations and Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
МИХАДАРОВ ДЕНИС ГЕОРГИЕВИЧ – ассистент кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (denis_georg@mail.ru).
MIKHADAROV DENIS GEORGIEVICH – assistant of Automated Electrotechnical Installations
and Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
.