Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор 6
1.1.Моделирование реакционного пространства руднотермической печи (РТП) 6
1.1.1. Особенности строения реакционного пространства РТП 6
1.1.2. Процессы, протекающие в углеродистой реакционной зоне РТП 9
1.1.3. Исследование физико-химических свойств подэлектродного пространства на действующих печах 15
1.1.4. Физическое моделирование реакционного пространства РТП 17
1.1.5. Проблемы математического моделирования реакционного пространства РТП 20
1.2.Физико-химические свойства гетерогенных шлаковых расплавов 25
1.2.1. Свойства гомогенных шлаковых расплавов 25
1.2.2. Свойства углеродистых материалов 28
1.2.3. Вязкость и удельная проводимость гетерогенных шлаковых расплавов 34
1.3 Физико-химические свойства гетерогенных систем Т-Ж 37
1.3.1. Вязкость гетерогенных систем 38
1.3.2. Электропроводность гетерогенных систем 40
1.3.2.1. Матричные системы с изолированными включениями 40
1.3.2.2. Плотноупакованные матричные системы 45
1.3.2.3. Поляризационные явления в гетерогенных системах и их влияние на кинетику химических реакций 49
1.4. Выводы 58
1.5. Цели и задачи работы 62
2. Исследование электропроводности гетерогенных систем 63
2.1 .Постановка задачи 63
2.2. Теоретический анализ гетерогенной системы Т - Ж в приближении активного сопротивления 65
2.3. Методика экспериментального исследования 73
2.3.1. Исследование твердых углеродистых материалов 74
2.3.1.1. Исследование электропроводности засыпок углеродистых материалов 74
2.3.1.2. Исследование формы частиц углеродистых материалов 77
2.3.2. Исследование систем проводящий твердый материал -непроводящая жидкость 80
2.3.3. Исследование систем проводящий твердый материал -проводящая жидкость 84
2.4.Обсуждение результатов исследования в приближении активного сопротивления 86
3 Исследование реактивного сопротивления гетерогенных систем 111
3.1 Методика экспериментального исследования 112
3.1.1. Исследования на электролитических моделях 112
3.1.2. Исследование емкости гетерогенных расплавов 115
3.2. Результаты и обсуждение 116
4 Исследование особенностей протекания химических реакций в гетерогенных системах под действием переменного электрического тока 133
4.1. Методика экспериментального исследования 133
4.2. Результаты и обсуждение 141
5 Влияние емкостной составляющей полного сопротивления на структуру энергетических потоков в реакционном пространстве РТП 177
Выводы 191
Список использованных источников 194
- Проблемы математического моделирования реакционного пространства РТП
- Теоретический анализ гетерогенной системы Т - Ж в приближении активного сопротивления
- Результаты и обсуждение
- Влияние емкостной составляющей полного сопротивления на структуру энергетических потоков в реакционном пространстве РТП
Проблемы математического моделирования реакционного пространства РТП
Исследования на физических моделях позволяют изучить отдельные стороны процесса, но никакая модель не может учесть все многообразие связей явлений, имеющих место в реальной печи. Единственным способом, позволяющим учесть сложную взаимозависимость параметров и получить информацию, дающую возможность обоснованного подхода к выбору режимов работы РТП, является математическое моделирование. Математическая модель является инструментом автоматизированного управления печами, оптимизации и интенсификации технологического процесса. На основании математического моделирования может производиться разработка научно обоснованных требований к компонентам шихты, выработка оптимальных проектных решений. Все это, наряду с бурным развитием средств вычислительной техники, предопределяет появление все большего числа исследований, посвященных этому вопросу [4,10,21,22,38 - 41].
Математическая модель представляет собой систему уравнений, связывающих входные электрические и технологические параметры (рабочее напряжение, мощность, положение электродов, состав минеральной части шихты, дозировка и грансостав восстановителя и т. д.) с выходными параметрами и характеристиками режима работы печи (выход продукта, производительность, концентрация Р2О5 в шлаке, температура печных газов, распределение температур и мощностей в ванне и т. д.). До начала 1990-х г.г. при управлении печами, как правило, использовались многочисленные регрессионные и эмпирические уравнения, полученные на основе статистического анализа работы действующих печей, применимые лишь в узком диапазоне изменения параметров [1 - 3]. В последние годы возможности вычислительной техники позволили подойти к разработке более строгих подходов к моделированию, предполагающих численное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих распределения электрической мощности, электрического потенциала, температуры, массообменные процессы в реакционной зоне печи. Между тем, до настоящего времени не соз 23 дано математической модели, которая бы в полном объеме учитывала взаимное влияние электрофизических, технологических, реологических факторов в системе. Строгий подход связан с рядом трудностей. Во-первых, неоднородность реакционного пространства предполагает раздельное моделирование различных технологических зон и учет их взаимного влияния. При этом следует принимать во внимание также неоднородность физико-химических параметров среды в пределах зоны, что в наибольшей степени относится к углеродистой зоне печи. Однако до сих пор не существует единого представления о строении печного пространства и характере неоднородности свойств основных технологических зон. Во-вторых, для численной реализации математической модели требуется задание в каждой точке системы значений основных физико-химических параметров гетерогенного расплава, важнейшими из которых являются вязкость и удельная электрическая проводимость. При этом в условиях оперативного управления, когда обстановка в реакционной зоне постоянно меняется, недостаточно знания оценочных величин, полученных на основании методов зондирования и физического моделирования. Эта недостаточность связана также и с существованием в ванне печи градиентов температур, концентраций, размеров твердых частиц, определяющих значения вязкости и электропроводности в каждой точке углеродистой зоны. Между тем, многочисленные экспериментальные исследования свойств гетерогенных расплавов не привели к получению количественных зависимостей, позволяющих связать УЭС и вязкость гетерогенной среды с физико-химическими параметрами составляющих (вязкостью, электропроводностью и составом расплава, УЭС восстановителя, его грансоставом, химической активностью и т. д.). Недостаток данных, как правило, пытаются обойти путем различного рода упрощений при постановке задач моделирования. Так, в работе [10], предлагается стохастическая модель РТП, в которой неизвестные переменные параметры рабочей среды заменяются вероятностными функциями. В ряде работ практикуется сведение трехмерной задачи к одно- и двумерной, принятие постоянства вязкости и проводимости в объеме зоны, пренебрежение зависимостью параметров от температуры и т. д. [2, 40]. В работах [4, 41] предлагается введение в систему уравнений аггрегированного показателя -энергоприемности (к), отражающего взаимосвязь полей напряженности электрического поля и поля концентраций восстанавливаемого из расплава соединения к- , где АН - энтальпия реакции; К - обобщенная константа скорости химической реакции; % - удельная проводимость зоны химической реакции. Этот параметр теоретически не зависит от качества сырья, мощности печи, параметров технологического процесса и определяется эмпирически для различного типа РТП [41].
Однако опыт моделирования РТП показывает, что упрощения зачастую приводят к непредсказуемым искажениям получаемых результатов и их несогласованности с результатами, получаемыми на практике [40]. Очевидно, что разработка методов теоретического расчета удельной проводимости и вязкости гетерогенных расплавов является важной и актуальной задачей. В рамках этого исследования целесообразно рассмотреть некоторые вопросы, связанные со свойствами гетерогенных шлаковых расплавов и их составляющих.
Теоретический анализ гетерогенной системы Т - Ж в приближении активного сопротивления
Гетерогенная система Т - Ж характеризуется большим количеством физико-химических параметров, среди которых можно выделить: 1) общие параметры системы (эффективная удельная проводимость (%), давление (Р), температура (Т), степень заполнения твердым материалом (ф)); 2) параметры твердого материала (природа материала, определяющая его собственное удельное электросопротивление (р2) или проводимость (хг) и пористость, а также средний диаметр твердых частиц (d), форма частиц, характеризуемая коэффициентом формы (Ф), характер поверхности частиц); 3) параметры жидкости: удельная проводимость (xi), вязкость (rj), поверхностное натяжение (сгж_г).
Задача нахождения зависимости эффективной проводимости системы от параметров жидкости и твердого материала сводится, таким образом, к отысканию вида функции Xz=f(Xb %2, Ф, ч ст d, Ф, Ьш, Р, Т). На начальном этапе из общего числа влияющих параметров выделяем наиболее важные, определяющие структуру искомого уравнения - проводимости твердого и жидкого материалов, диаметр твердых частиц и порозность засыпки.
Как уже было показано, плотноупакованную гетерогенную систему можно описать эквивалентной электрической схемой с параллельными сопротивлениями [154 - 157]. Первый член уравнения (2.1) по своей физической сущности представляет собой проводимость жидкости с внедренными в нее непроводящими твердыми частицами той же формы и с той же плотностью упаковки. Подобные системы принято характеризовать структурным фактором l/F = %Y/%l (отношение удельной проводимости жидкости, содержащей твердые включения к удельной проводимости чистой жидкости). Для расчета структурного фактора можно применить зависимости, выведенные для систем с изолированными включениями при условии, что %2=0- Из многочисленных теоретических и эмпирических выражений можно рекомендовать [157]
Основным параметром, влияющим на значение структурного фактора, является степень объемного заполнения жидкости твердым материалом. Для шарообразных включений значения 1/F меняются от 0.22 при плотнейшей упаковке до 0.34 при максимально рыхлой структуре [113]. Учитывая, что в углеродистой зоне степень заполнения ф будет складываться из объемного содержания твердой фазы и степени газонаполнения, очевидно, что параметр 1/F может принимать и меньшие значения. Отклонение формы частиц от шарообразной в определенных пределах значительного влияния на величину фактора 1/F не оказывает [107].
Второй член уравнения (2.1) связан с сопротивлением твердой засыпки углеродистого материала, в контактах между частицами которого находится проводящая жидкость. Сопротивление засыпки углеродистого материала складывается из сопротивлений отдельных частиц и контактных сопротивлений между ними. Известные из литературы зависимости УЭС засыпки от диаметра твердых частиц (1.4, 1.5) выведены на основании допущения, что общее сопротивление засыпки полностью определяется контактными сопротивлениями. Однако этот подход нельзя признать удовлетворительным. Дело в том, что твердые дисперсные частицы углеродистого материала не являются классическими цилиндрическими проводниками постоянного сечения, сопротивление которых можно легко вычислить по известной формуле R = p—. Они тем более не являются прямо угольными параллелепипедами. Реальные частицы характеризуются, во-первых, определенной кривизной поверхности, во-вторых, переменным поперечным сече 68 ниєм и, в третьих, чрезвычайно малой площадью их взаимного соприкосновения. За счет этого сопротивление отдельной частицы может принимать значения, соизмеримые с сопротивлением контакта, что должно быть учтено при выводе расчетного уравнения.
При анализе системы проводящих частиц мы приходим к необходимости описывать усредненные контакты и частицы как независимые друг от друга проводники, сопротивление которых изменяется по соответствующим законам. Засыпку для удобства математического описания представляем в виде параллельных цепочек из частиц со средним линейным размером d, последовательно соединенных контактами. Эквивалентная электрическая схема подобной системы показана на рис.2.2. Выделим элемент засыпки в виде прямоугольного параллелепипеда длиной 1 и площадью поперечного сечения S.
Для математического описания отдельной твердой частицы можно представить ее в виде шара, усеченного с двух сторон параллельными плоскостями, как показано на рис,2.3. При этом площадь полученного круглого сечения принимаем равной поверхности соприкосновения частиц, а расстояние между полученными сечениями принимаем равным линейному размеру частиц d. Сопротивление проводника неправильной формы может быть в первом приближении найдено интегральным методом, хотя при этом получаются несколько заниженные значения [103]. Чем меньше поверхность соприкосновения, тем меньшее значение принимает коэффициент к, и, тем самым, большее значение принимает сопротивление частицы Rq. В пределе, при к -» 1 (идеальный шар), Rq стремится к бесконечности. Кроме того, сопротивление отдельной частицы оказывается также обратно пропорциональным линейному размеру d. Таким образом, нельзя однозначно утверждать, что высокие значения удельного сопротивления засыпки углеродистого материала связаны исключительно с наличием переходных контактных сопротивлений. Наряду с контактными сопротивлениями, ощутимый вклад в общее сопротивление слоя вносят сами твердые частицы.
Для нахождения сопротивления контакта, будем рассматривать его, как независимый проводник, обладающий отличным от основной твердой фазы удельным сопротивлением и определенными геометрическими параметрами -толщиной контактной зоны и поверхностью контакта (рис.2.4). Учитывая, что перенос заряда от частицы к частице может осуществляться как за счет непосредственной стыковки твердых поверхностей, так и через межчастичное пространство, контактное сопротивление Rk можно считать состоящим из двух параллельных сопротивлений R i и Rk2. Сопротивление Rki образуется за счет резкого уменьшения площади сечения твердого проводника при переходе от одной частицы к другой и выражается зависимостью
Результаты и обсуждение
Экспериментальные исследования на электролитических моделях показали, что слой дисперсного углеродистого материала, смоченного раствором электролита, обладает весьма значительной электрической емкостью. Исследованные системы антрацит - раствор хлорида натрия в зависимости от геометрических параметров слоя, дисперсности твердых частиц и концентрации электролита имеют емкость в пределах от 1 до 10 мкФ. При полном погружении засыпки смоченного твердого материала в раствор с той же удельной проводимостью емкость слоя повышается в 2 - 4 раза, что связано как с включением параллельной емкости поляризованных контактных пластин, так и с изменением условий перераспределения концентраций ионов в межфазных слоях на границе твердое - жидкое. В то же время значения емкости засыпки сухого антрацита, не содержащего электролита, весьма незначительны и составляют единицы нФ.
Закономерности, выявленные в результате экспериментальных исследований, представлены на рис.3.3 - 3.5. Из рис.3.3, 3.4 видно, что при увеличении высоты слоя гетерогенного материала как для фракции 3-4 мм, так и для фракции 4-7 мм его емкость уменьшается обратно пропорционально высоте (расстоянию между контактными пластинами). Емкость слоя заметно увеличивается при увеличении удельной проводимости раствора (т. е. концентрации электролита в растворе). При этом растет значение угла наклона прямых относительно оси X, но характер зависимости не меняется. Из рис.3.5 видно, что емкость слоя увеличивается прямо пропорционально площади его поперечного сечения. Из сказанного можно заключить, что по своему поведению засыпка углеродистого материала, смоченного или залитого раствором электролита, помещенная между двумя контактными пластинами, полностью аналогична плоскому конденсатору с весьма большой электрической емкостью. При этом емкость зависит от физико-химических параметров компонентов гетерогенной системы - от удельной проводимости жидкости и диаметра твердых частиц.
Для объяснения выявленных зависимостей следует представить механизм процессов, протекающих при прохождении электрического тока через плотно-упакованную гетерогенную систему. Как известно, появление электрической емкости в дисперсных системах связано, прежде всего, с процессами образования и поляризации двойных электрических слоев на поверхностях проводящих твердых частиц. Накопление значительного поверхностного заряда происходит в наибольшей степени на поверхностях, расположенных перпендикулярно линиям напряженности электрического поля. В случае плотноупакованных гетерогенных систем, в которых частицы находятся в тесном контакте друг с другом и образуют непрерывные проводящие цепочки, эти области концентрируются в узких межчастичных промежутках, где напряженность поля максималь 119 на. Контактные промежутки в данном случае можно считать «микроконденсаторами», каждый из которых вносит свой вклад в общую емкость гетерогенной среды. Емкость такого усредненного «микроконденсатора» в дальнейшем будем называть емкостью единичного контакта Ск. Она является удельной величиной, не зависящей от геометрических параметров системы в целом, и может являться количественной характеристикой данной гетерогенной среды. Для перехода от общей емкости системы Cv к емкости единичного контакта представим себе гетерогенный слой как совокупность параллельных цепочек из последовательно соединенных микроконденсаторов. Эквивалентная электрическая схема подобного слоя показана на рис.3.6.
Сравнивая формулы (3.2) и (3.3) получаем, что параметр Ск/d по своему физическому смыслу представляет собой эффективную диэлектрическую проницаемость проводящей гетерогенной среды ЄЄо Очевидно, что при неизменных концентрации электролита и размере частиц, емкость единичного контакта должна являться постоянной величиной. Таким образом, для каждого значения удельной проводимости раствора можно, зная суммарную емкость, определить значение емкости единичного контакта по формуле
Для выявления характера зависимости емкости единичного контакта от удельной проводимости электролита для каждого раствора производили расчет среднего значения Ск по формуле (3.4). Полученная зависимость для системы раствор NaCl - антрацит фракции 3-4 мм показана на рис.3.7. Из графика видно, что в интервале исследованных проводимостей данная зависимость является монотонно возрастающей и что степень влияния концентрации электролита на емкость постепенно снижается. Экспериментальные точки наиболее удовле V творительно аппроксимируются степенной зависимостью Ск - 0,l04j/3 .
Для сравнения, на рисунке показаны экспериментальные точки, соответствующие фракции 4 - 7 мм. Сравнение показывает, что при увеличении размера твердых частиц емкость единичного контакта увеличивается примерно пропорционально квадрату эквивалентного диаметра частицы. Для уточнения характера зависимости емкости единичного контакта от гранулометрического состава твердого материала измеряли емкость смоченных и полностью залитых раствором засыпок антрацита фракций 1-2, 2-3,3-4и4-7 мм. Удельная проводимость рабочего раствора хлорида натрия оставалась неизменной на уровне 1,3 Ом м"1. Результаты измерений показаны на рис.3.8. Из полученных графиков видно, что в исследованном интервале действительно наблюдается прямолинейная зависимость емкости единичного контакта от квадрата среднего диаметра частицы как для смоченных, так и для залитых раствором слоев. Исходя из этого, для единичного контакта в исследованных гетерогенных системах можно записать Cr=WV (3.7)
Параметр b в уравнении 90 должен быть непосредственно связан со значением разности потенциалов между контактными поверхностями, поскольку известно, что емкость двойного электрического слоя увеличивается с ростом потенциала электрода [128]. Значение коэффициента b будет определяться также природой твердого материала, поскольку процесс образования ДЭС - это процесс избирательной адсорбции ионов твердой поверхностью, фазовый состав и энергетические свойства которой играют при этом немаловажную роль.
Свойства единичного контакта как электрического конденсатора определяются структурой и свойствами ДЭС на границе Т - Ж. Каждый контакт представляет собой последовательное соединение двух ДЭС, образованных на поверхностях соседних частиц, стыкующихся между собой. Для перехода от свойств единичного контакта к характеристикам ДЭС были проведены эксперименты по измерению емкости системы последовательно соединенных тонких угольных дисков с гладкой поверхностью (рис.3.1). Площадь единичного контакта в данном случае является постоянной величиной и может быть принята равной площади торцевой поверхности пластины, которая составляла 0,95-10"4 м2. Если обозначить число последовательных пластин как Nm, то число последовательных ДЭС, включая слои, образованные на торцевых поверхностях коллекторов, составит N = 2-(Nm +1).
На рис.3.9 показана зависимость емкости системы от количества параллельных дисков при удельной проводимости жидкости %i= 1,35 Ом м"1. Как видим, рост числа пластин вызывает закономерное снижение общей емкости по гиперболическому закону. Зависимость емкости от обратного числа пластин оказывается прямолинейной (рис.3.10). Точка пересечения полученной прямой с осью Y соответствует значению «паразитной» емкости, возникающей за счет образования ДЭС на боковых поверхностях коллекторов, которая включается параллельно емкости системы рабочих пластин. На рис.3.11 показаны зависимости емкости исследуемой системы от числа ДЭС (NCJI) при различных значениях удельной проводимости раствора хлорида натрия. Угловые коэффициенты полученных прямых соответствуют значениям емкости единичного двойного слоя Ссл, которые в исследуемом интервале монотонно увеличиваются с ростом удельной проводимости жидкости и составляют 50-150 мкФ. Зависимость Ссл = f (зо) представлена на рис.3.12. Из рисунка видно, что точки ложатся вблизи кривой, соответствующей степенной зависимости Ссл - axf.
Полученные значения єсл находятся в пределах 6-18 (в работе [128] принимается значение єсл=4,5, а пониженное ее значение по сравнению с объемом раствора объясняется ориентацией молекул воды в слое между обкладками).
Таким образом, в результате работы выявлено наличие емкостной составляющей сопротивления гетерогенной системы, составленной из проводящего твердого дисперсного материала и раствора электролита. Есть все основания предположить, что подобные явления будут наблюдаться и в системах, где в качестве жидкости выступает шлаковый расплав, поскольку известно, что электрофизические свойства растворов электролитов и шлаковых расплавов с ионной проводимостью в соответствующих интервалах температур идентичны. Исследования емкости гетерогенных расплавов дали следующие результаты.
В случае шихты, составленной из кокса и бутылочного стекла емкость тигля с шихтой при низких температурах принимала значения на уровне десятков пФ. По мере повышения температуры до 500 - 700 С начинается размягчение стекла, сопровождающееся резким снижением сопротивления системы от единиц МОм до единиц кОм. Далее значение сопротивления монотонно снижается и при температуре изотермической выдержки 1110 С составляет 1,2-1,3 Ом. Электрическая емкость системы растет более медленно, начало резкого роста ее значения наблюдается при достижении температуры 730С.
Влияние емкостной составляющей полного сопротивления на структуру энергетических потоков в реакционном пространстве РТП
Одной из задач настоящей работы является внесение ряда уточнений в модель электрического режима работы РТП, т. е. ее поведения как электрического проводника и источника тепловой энергии, необходимой для протекания эндотермической восстановительной реакции.
РТП является трехфазной электрической цепью, в которой короткая сеть соединяется по схеме треугольник на электродах или звезда на трансформаторе. Подэлектродное пространство, включающее последовательно расположенные углеродистую, шлаковую и ферросплавную зоны, обеспечивает электрическую проводимость на участках электрод - электрод и электрод - подина. Однако последовательное расположение проводящих зон в направлении от электрода к поду печи не означает, что именно по этому пути преимущественно протекает электрический ток. Трехфазную электропечь нельзя автоматически свести к трем однофазным, поскольку торцы электродов лишь слегка заглублены в верхней части углеродистой зоны, а проводящее пространство является единым для всех трех фаз. Таким образом, форма проводника и направление линий тока в подэлектродном пространстве печи априори неизвестны, однако, можно с достаточной долей вероятности предположить, что характер распределения тока зависит от соотношения электрических сопротивлений основных проводящих зон. В работах [1-3] высказывается предположение, что фазы в печи соединяются по схеме «звезда», между тем данные о расположении нейтральной точки (точки соединения всех трех фаз) крайне противоречивы. Общепринятой является эквивалентная электрическая схема РТП, показанная на рис. 5.1а. Согласно данной схеме, нулевая точка располагается в районе подины печи, и ток последовательно проходит все три проводящие технологические зоны (углеродистую, шлаковую и зону ферросплава), в каждой из которых происходит выделение джоулева тепла. Даже в случае, когда проводимость углеродистой зоны в 2 раза ниже, чем в шлаковой, как указывается в работе [1], протекание тока в десятки кА будет вызывать выделение в ней значительной тепловой энергии. Из схемы энергетического баланса фосфорной РТП, представленной в [1], видно, что из всей мощности, выделяемой в реакционной зоне, около 40 % тратится на протекание целевой эндотермической реакции и около 30 % - на плавление и нагрев компонентов минеральной части шихты. В шлаковой зоне, где химических реакций не протекает, значительно большая часть выделяемой энергии будет высвобождаться в виде тепла, вызывая неминуемый перегрев шлака, что в стабильном режиме на реальных печах не наблюдается. Температура шлака по абсолютному значению не превышает температуру расплава в углеродистой зоне [2]. Кроме того, известно, что выделение мощности в шлаковой зоне при стабильной работе печи незначительно и составляет всего около 1 - 3 % от общей мощности электропечной установки. В работах [2, 9, 23] высказывается предположение, что нейтральная точка в печи находится в районе границы углеродистой и шлаковой зон, однако из этого не делается никаких выводов относительно эквивалентной электрической схемы печи. Между тем, очевидно, что в случае соединения печных фаз звездой с нулевой точкой, находящейся в углеродистой зоне, шлаковая и ферросплавная зоны являются, по сути «нейтральным проводом». С электротехнической точки зрения при симметричной схеме (т. е. при равенстве сопротивлений всех трех фаз) ток в нейтральном проводе отсутствует, т. е. вообще не протекает через шлаковую зону в направлении электрод - подина. В этом случае практически вся мощность будет выделяться непосредственно в углеродистой зоне, а разогрев шлака будет осуществляться за счет теплопередачи и конвективного теплообмена с III зоной и за счет небольшой электрической мощности, выделяемой при стекании на подину «тока разбаланса», возникающего вследствие несимметричности нагрузки на реальных фазах РТП. При принятии такой схемы распределения электрических потоков не требуется объяснять усиленное тепловыделение в III зоне ее повышенным электрическим сопротивлением, и это снимает противоречия между теорией электротермического процесса и результатами многочисленных экспериментальных работ, утверждающих, что удельная проводимость гетерогенного расплава, содержащего включения хорошо проводящего углеродистого наполнителя (кокса), не ниже, а как минимум в 2 раза выше, чем гомогенного расплава с тем же фазовым составом. Более того, данное представление может быть расширено, если принять, что положение области реакционного пространства РТП, соответствующей нейтральной точке, может меняться в зависимости от соотношения сопротивлений основных проводящих зон. При этом повышение сопротивления углеродистой зоны будет приводить к смещению нейтральной точки в направлении подины. Крайним случаем является ситуация, когда нулевая точка находится непосредственно на подине печи, т. е. реализуется схема, показанная на рис. 5.1а.
С точки зрения работы печи как химического реактора, наиболее выгодными являются условия, при которых нейтральная точка располагается в нижней или центральной части углеродистой зоны. При этом будут рёализовывать-ся ее более равномерный разогрев, более однородное поле температур и скоростей химической реакции. Смещение нулевой точки к подине и ее выход за пределы углеродистой зоны будет означать, во-первых, локальный перегрев шлака в области протекания тока и, во-вторых, понижение температуры в центральных областях углеродистой зоны, что может привести к снижению интенсивности протекания химической реакции, повышению вязкости реакционной среды и даже к застыванию расплава в центральной зоне. Это вызовет образование в реакционном пространстве РТП так называемых не перекрывающихся тиглей, и нулевая точка сместится непосредственно в область подины. При этом реализуется чрезвычайно невыгодный для работы печи электрический режим, в котором мощность, выделяемая в реакционной зоне, существенно падает, значительная часть энергии высвобождается в шлаковой зоне, вызывая ее перегрев, все это будет сопровождаться резким снижением производительности печи и может вызвать ее остановку. Таким образом, положение нейтральной точки в подэлектродном пространстве может в какой-то мере являться критерием стабильности работы РТП как химического реактора, вследствие чего особую важность приобретает значение удельной электрической проводимости углеродистой зоны. С учетом того, что гетерогенная среда углеродистой зоны должна обладать значительной емкостной составляющей проводимости (по оценочным расчетам для печи РКЗ-80 значение емкости на участке электрод - электрод может превышать 500 мкФ), модифицированная эквивалентная электрическая схема РТП будет выглядеть, как показано на рис. 5.16.
