电气制度及尖端效应对铁合金冶炼的影响
鸿夏凯荣2020-05-09 09:23
在物理学中，存在一种尖端效应现象。所谓尖端效应，是指在同一带电导体上，与平滑部位相比，其尖端部位面电荷密度较大，尖端附近的电场强度较强，且容易由尖端向周围空气或邻近的接地体放电的现象。在带电导体尖端的强电场作用下，其附近空气中残存的离子发生激烈运动，并与空气分子猛烈碰撞，使空气分子电离，产生大量正、负离子，这些离子在电场作用下，又与其它空气分子碰撞并使其电离，如此循环，这样就形成了尖端放电。
尖端效应在工程中的应用，最典型的就是建筑物的避雷系统，通过避雷针的尖端放电，能够有效避免雷电对建筑物的冲击破坏。电焊作业也是尖端效应的典型应用，电压较低时电焊条本体发红，而端部无电弧产生，当升髙电压后电焊条本体变暗，而端部产生电弧，熔化焊接对象和电焊条本体，实现焊接。
在铁合金电炉冶炼生产过程中，电极若氧化变尖之后，由于尖端效应，端部电场强度过大，电弧拉长，将影响电极有效下插，从而影响正常生产。
尖端效应还会影响到电极的焙烧。当电压很低时，电极的尖端效应较弱，输入的电能主要作用于电极的焙烧，电极焙烧速度较快，典型的如死相焙烧。当电压逐步升高，电极的尖端效应将逐渐增强，分配于电极焙烧的能量比例将逐渐减少。铁合金品种不同，常用电压则不同，需要调整电极糊质量使其焙烧速度与消耗速度相匹配。
当选用电压特别高时，由于变压器功率额定，则电流较小，相应电极电流密度也较小，再加上高电压的尖端效应，输入电能分配于电极焙烧的比例则很小。这时，要保证电极的焙烧，一是要调整电极糊质量，如降低其软化温度等，以加快烧结速度；二是要采取留渣、留铁操作方式，依靠大量的传导热焙烧电极；三是让还原反应产物C0在逸出料面时燃烧产生热量，以焙烧电极；四是增厚电极壳，使电极在焙烧速度较慢时能够承受输入的电压和电流，并使电极具有足够的强度，不至于漏糊和软断。
例如，镍铁生产冶炼选用的电压越来越高，己成为一种趋势。一般矿热炉设计电极电流密度约5.5-6A/cm，电极壳厚度为2.5-3.0mm，而国内30000kVA以上电炉镍铁生产，正常运行电压在550V以上，电极电流密度约3A/cm，其电极壳选用厚度为4mm，并采取大量留渣留铁和炉内负压使C0燃烧的操作，加快电极焙烧，多年生产时间证明，电极焙烧速度能够满足生产。若仅从电极电流密度来看，已不能解释其电极的焙烧速度了。
再如，某厂两台12500kVA矿热炉，电极直径为lm，原设计二次电压133-160V、电流约46000A(电极电流密度约6A/cm)，冶炼硅锰合金和硅铁时，电极焙烧速度能够满足生产。后在电炉电极等其它参数不变的情况下，将变压器改为了16500kVA。改后仍然生产硅锰合金，电压运行在170-180V、电流达到60000-70000A(电极电流密度达到约8A/cm)时，采取了一系列加快电极焙烧的措施，电极仍然欠烧。后来电流达到70000-80000A(电极电流密度达到约10A/cm)，而且在炉膛温度逐渐正常后，电极焙烧速度与消耗基本匹配，但仍然没有过烧现象。这显然与运行电压升高后尖端效应增强有关。
电气制度的选择和尖端效应，还影响矿热炉炉内的热分配，影响熔体的过热度。冶炼铁合金的品种不同，其炉料的比电阻就不同，需要选择相适应的电气参数，即选择适当的入炉有效功率、入炉的有效相电压和电极电流。适当的电气参数，可以使电极下插深度适当，且热量在熔体和化料两个方面的分配比例适度。一般来讲，当选择电压偏低，且过度超电流运行时，短时间内表现为电极下插过深，熔体温度过高，而化料速度较慢；当选择电压过高，而电流不足时，则表现为电极下插太浅，而熔体温度偏低，料面热损失增大。
但是，对于某一个铁合金品种的冶炼，在保证电极适当的下插深度埋弧操作的条件下，适当提高运行电压、提高操作电阻的运行值，将有利于改善炉况，改进生产指标。因为在电极下插深度不变的情况下，当电压运行值和操作电阻运行值提高之后，由于尖端效应增强，输入的电能大量在电极端部放热，将有利于增加熔体的过热度，从而使熔池扩大，又由于扩大熔池后大面积过热熔体的存在，进而使化料区域面积增大，表现为化料速度加快，在料层透气性较好时，出现大面积沉料现象。因此，铁合金冶炼生产中，矿石、焦炭、熔剂的品种及粒度的合理组合搭配，提髙炉料的比电阻，改善炉料的透气性，从而既保证电极能够适当下插，又可提高二次电压和操作电阻运行值，以改进生产技术经济指标，是铁合金冶炼工作永恒的课题之一。
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