礦熱爐電極消耗原因分析、燒蝕原理與計算方法及公式

礦熱爐電極消耗原因分析、燒蝕原理與計算方法及公式一、礦熱爐電極消耗分析：1、礦熱爐又稱埋弧爐，在工作時，電極需插入料層一定深度。電極作為電能轉(zhuǎn)化為熱能的載體，把人電流源源不斷地輸送到礦熱爐中，是影響礦熱爐生產(chǎn)和運行指標的重要組成部分。在礦熱爐運行的過程中常伴隨著電極的消耗，其消耗量己經(jīng)占據(jù)成本的很大一部分。2、礦熱爐電極的消耗與電弧煉鋼爐相同，也分為兩個部分：連續(xù)性消耗和非連續(xù)性消耗。⑴、連續(xù)性消耗包括：電極端面在電弧等離子體作用下形成的電極消耗主要表現(xiàn)形式為在電極端面形成一個個斑點和電極側(cè)面化學反應形成的電極消耗。⑵、非連續(xù)消耗包括：電極硬斷和電極軟斷。在電弧煉鋼爐中關(guān)T電極消耗已經(jīng)做了大量的研究，普遍認為電極側(cè)面的化學反應占電極消耗的主要部分約50~70%，其次為電極端面電弧侵蝕占25%~40%，再次為非正常消耗。然而在礦熱爐中對于各部分消耗研究較少，所占的比例還不清楚。從現(xiàn)場拍攝圖片觀察，可以明顯看出礦熱爐電極消耗與電弧煉鋼爐電極消耗的不同。礦熱爐中電極側(cè)面無明顯變形，說明其側(cè)面的碳元素參與化學反應的量1/6較少，主要的消耗是由電弧侵蝕造成的；而電弧煉鋼爐電極呈倒錐形，說明其側(cè)面發(fā)生了大量的化學反應。從基本傳熱原理出發(fā)，主要探討電弧對電極的侵蝕原理并對其造成的消耗量進行定量控制。二、電極燒蝕物理原理：電極的燒蝕發(fā)生在陰極斑點部位，因此有必要了解陰極斑點的形成原因以及斑點的轉(zhuǎn)移原理。在電極兩端施加一定電壓就可使氣體電離，隨著電離程度的增加，氣體中導電粒子的數(shù)目不斷增多，電極間的氣體在某一時刻會被擊穿從而形成導電通道，及生成電弧。而氣體電離的原因是電極上具有較低逸出功的部位會發(fā)射熱電子，該部位我們通常稱之為陰極斑點，當其達到白熱狀態(tài)時，電子的動能大于陰極材料的逸出功，向空間中發(fā)射電子。在放電一段時間后，電弧在洛倫茲力產(chǎn)生的加速度作用轉(zhuǎn)移至下一個具有較低逸出功的位置進行放電，形成新的陰極斑點。電極表面經(jīng)過電弧等離子體加熱將會在陰極斑點區(qū)域到達電極的相變溫度，但碳制非金屬電極與金屬電極不同，不會在陰極斑點部位出現(xiàn)熔池，即不會出現(xiàn)液碳，而是直接升華至氣態(tài)的碳顆粒；與此同時升華所產(chǎn)生的碳顆粒在洛倫茲力的作用下向背離弧根中心的方向運動，形成濺射；石墨表面在加熱及濺射的過程中其同態(tài)碳顆粒及氣態(tài)碳顆粒都會在電弧的作用下與爐內(nèi)氣氛2/6發(fā)生化學反應，上述過程形成了電弧對電極材料的侵蝕過程。從傳熱的角度探究電極的燒蝕過程，電極的加熱熱源主要包括：電流通過電極內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱以及由電弧等離子體傳入陰極斑點的能量。而陰極斑點在持續(xù)加熱過程中，最終會達到電極材料的相變溫度，最終脫離電極表面。因此我們將電弧對電極材料的侵蝕過程分為兩個部分：電極陰極斑點加熱至升華溫度的過程和升華開始至斑點消亡的過程。陰極斑點在洛倫茲力作用下運動至其它區(qū)域，從而構(gòu)成了整個電極的侵蝕過程。這兩個物理過程在時間上交替存在，空間上并存。三、電極燒蝕計算方法及公式：1、電極的燒蝕過程滿足一般導熱微分方程：公式(1)中：-電極密度;Cp-電極比熱容;-電極熱導率;T-電極溫度;Q-電極內(nèi)部產(chǎn)生熱量的速率;2、對于石墨電極而言，其比熱容與熱導率與溫度有關(guān)，是溫度的函數(shù)。電極內(nèi)部產(chǎn)生的熱量等于焦耳熱：3/6公式(2)中：一電流密度;σ—電導率。3、假設電極材料的熱傳導是各向同性的，因此可將上述熱傳導過程簡化為一維導熱問題：4、由于電極斑點處的焦耳熱遠遠小于從等離子傳入的熱通量q，因此可將焦耳熱忽略不計。根據(jù)定律，將q作為導熱微分方程的邊界條件：5、由于石墨電極陰極斑點只有在達到相變溫度時，才會由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，引起電極的消耗。6、根據(jù)上述電極侵蝕原理，假設陰極斑點在t1時刻達到升華溫度，單個斑點的放電時間為t2。7、在0<t≤t1時，電極陰極斑點被加熱至升華溫度，該階段無材料升華；在t1<t≤t2時電極陰極斑點被持續(xù)加熱并且伴隨有材料升華。8、整個階段電極的侵蝕深度為χ1。邊界條件設置如下：4/6初始條件：9、電極升華過程中滿足能量守恒定律，此時陰極斑點部位電弧等離子體傳入熱通量全部用于電極材料升華。其中：γo為電極材料升華熱，γo=59.9KJ/g聯(lián)立式(3)、(5)和(6)得：其中：C為誤差自焙電極升華溫度為3652℃，當x=0時，可計算出電極加熱至升華溫度的時間。電弧的放電時間為：公式(9)中：Varcmin—最小建弧電壓，V;L—電路電感，mH;I—電路電流，5/6A;Vs—電路電壓，V。10、陰極斑點參與升華