電弧爐是利用電弧的電熱來熔煉金屬的一種電爐。在電弧爐中,存在一個或多個電弧,靠電弧放電作用,把電能轉變成熱能,供給加熱熔煉物料所需的熱。由于電弧溫度高,電熱轉變能力大,電熱效率高,爐內氣氛和爐子操作容易控制,所以電弧爐工業(yè)應用廣泛,特別適合熔煉難熔和高級材料。
工業(yè)上用的電弧爐分做三類。第一類是直接電熱式電弧爐。在這類電弧爐中,電弧發(fā)生在電極和被熔化的爐料之間,爐料受到電弧的接觸(直接)加熱。這類電弧爐主要有三相煉鋼電弧爐,直流電弧爐和真空自耗爐。第二類是間接電熱式電弧爐。在這類電爐中,電弧發(fā)生在兩根專用的電極棒之間,而爐料只是受到電弧的傳熱(間接)加熱。這類電弧爐主要用于銅和銅合金的熔煉,但由于噪聲大,熔煉質量差等缺點,現(xiàn)已被其他熔煉爐代替。第三類是礦熱爐,將在第5章詳細敘述。
4.1直流電弧爐
工業(yè)規(guī)模直流電弧爐1982年在西德投產,發(fā)展迅速,顯示了技術上和經濟上的優(yōu)越性,如節(jié)能降耗,節(jié)約石墨電極、降低噪音和降低電網閃爍率等。它的爐體結構有待進一步改進。
直流電弧的形成與結構
電弧是氣體導電的現(xiàn)象之一,通常稱為弧光放電(氣體導電現(xiàn)象在物理學中稱為氣體放電)。氣體放電還有其他現(xiàn)象,常見的有輝光放電、火花放電。弧光放電是一種自激放電,表現(xiàn)為低電壓(可以只是幾十伏),電流密度大(可達每平方厘米幾百安培),連續(xù)放出耀眼的弧光,產生的熱量多,溫度高。
電弧爐中電弧主要是熱陰極發(fā)射電子所激起的氣體(包括金屬蒸氣)導電現(xiàn)象。而氣體導電必須電離產生帶電的微粒,帶正電的正離子、帶負電的電子或負離子。電離子的氣體所帶正電量等于負電量,因此稱為等離子體,而電弧也就稱為電弧等離子體。
熱電子發(fā)射和氣體電離
將固體或液體陰極加熱時,其中自由電子吸收了熱能,電子動能增加,當電子動能增大 到足以克服其中正電荷的引力時,便逸出陰極表面向外發(fā)射,稱熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射所需消耗的能量,稱為電子的逸出功。逸出功以電子伏特為單位,leV相當于1個電子在電位差為1v的路程上移動所需的能量,其值等于1.59×10一’J。逸出功大小取決于材料的種類和表面情況等因素,例如當金屬表面存在氧化物或其他雜質時,逸出功降低。
陰極表面的熱電子發(fā)射的電流密度(A/m2)
式中,A為與陰極材料有關的常數(shù),對于純金屬,A=6×10。;T為陰極的絕對溫度,K;W為陰極材料的逸出功,eV,在真空中大多數(shù)純金屬為3~4 5eV";k為玻耳茲曼常數(shù),k=8 66×10一eV/K。
由上式可看出,當明極材料一定時,陰極表面熱電子發(fā)射的電流密度隨著陰極溫度的升高而急劇增加。因此,為產生電弧,陰極必須達到較高的溫度,發(fā)射足夠的熱電子。
要使氣體電離,氣體的中性分子必須離解為正離子、電子或電子附著分子或原子形成的負離子。氣體中性分子要離解為正離子和電子,必然要消耗一定能量.此能量稱為電離功。例如氳氣電離功為15 7eV。
在電弧爐中,一般由以下幾方面原因引起氣體電離:
(1)、陰極發(fā)射電子所引起的碰撞電離。陰極因高溫發(fā)射出來的熱電子,在飛往陽極的途中-與氣體分子相碰撞.使分子獲得電離功而離解為正離子和電子,即中性分子變?yōu)閹щ姷馁|點。
(2)、熱電離。在高溫條件下,氣體分子具有很大的動能,相互碰撞時,使分子獲得能量而電離,稱熱電離。氣體熱電離方程為
式中,r為熱電離gi'~l起的氣體電離度(已電離的分子數(shù)與原有全部分子數(shù)的比例);T為氣體的溫度。K:V為氣體的電離電位v。
該式說明.氣體的熱電離髓著絕對溫度的升高而增大,由此式可求出其中氣體在一定溫度下的熱電離度。
(3)、光電離。原子吸收光線照射的能量,也有可能被激發(fā)至電離狀態(tài)。但一般情況下.光電離不是氣體電離的主要方式。
(4)、電場引起的氣體電離。在電場作用下,氣體中電離出來的正離子、電子或負離子等帶電質點,分別向正、負兩極運動,井受到電場力的加速,動能增大,它們碰撞氣體分子時,使分子電離t生成新的帶電質點。這些新的帶電質點同樣受到電場力的加速作用分別向兩極運動,在運動過程中碰撞氣體分子.又引起新的電離。這稱之為連鎖電離過程。
電場所引起的電離度.主要取決于電場強度以及質點的自由程。電場強度越大,電場力對帶電質點所做的功越多.質點的動能越大,碰撞所引起的電離度就越高。自由程又與氣體密度以及帶電質點本身的體積有關。密度稀則自由程大.故氣體在真空條件下電場引起的電離度較高。電子的體積遠遠小于離子,自由程較長,更容易使分子或原子電離。就是說.電場引起的氣體電離中,電子起主要作用。
應指明一點,在電弧中,一方面存在氣體中性分子不斷離解為正離子和電子的電離過程,另一方面又存在正離子捕獲電子而復合成中性分子的復合過程。在一定條件下.這兩個過程將達到動態(tài)平衡,保持一定的電離度。
我公司是專業(yè)從事熱處理爐窯設計、制造、現(xiàn)場安裝調試的企業(yè),本燃氣爐系列產品另有蓄熱式加熱爐、燃氣加熱爐、隧道式焙燒爐、大型臺車爐。
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