（钢铁冶金专业论文）lf沪中空吹气电术损耗行为研究.pdf

分类号 u d c 作者姓名： 指导教师： 密级 学位论文 l f 炉中空吹气电极损耗行为研究 杨州 姜周华教授 战东平讲师 东北大学钢铁冶金研究所 申请学位级别：硕士学科类别： 工 学 学科专业名称：钢铁冶金 论文提交日期：2 0 0 7 年1 2 月论文答辩日期： 2 0 0 8 年1 月 学位授予日期： 答辩委员会主席： 评阅人： 东北大学 2 0 0 7 年1 2 月 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l ur g y c o n s u m p t i o n b e h a v i o ro fh o l l o we l e c t r o d e w i t hg a sb l o w i n gi nl a d l e f ur n a c e b yy a n gz h o u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r j i a n gz h o u h u a p r e l e c t o rz h a nd o n g p i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 乙： ，1v 东北大学硕士学位论文独创性声明、学位论文版权使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二匕 思0 学位论文作者签名：枸嘲1 日 期：湖p 、；- r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 1 - 东北大学硕士学位论文摘要 l f 炉中空吹气电极损耗行为研究 摘要 冶金行业，节能降耗，一直是其重点工作之一，研究、丌发、推广应用节能降耗技 术与措施具有实际意义。本课题对一种中空吹气l f 精炼炉进行了探索性实验研究，通 过顶吹气体在电弧区形成等离子电弧，分析实验过程中电极消耗数据，寻找不同气体种 类对电极消耗的影响，为以后的工业应用提供理论依据。 课题以实验室1 0 0 k g 中空吹气l f 炉电极消耗为主要研究对象，通过顶吹不同气体 种类、气体组分及气体流量来研究不同条件下气体形成的等离子电弧电流、电压情况， 以及对中空石墨电极消耗的影响，从电弧行为的角度揭示中空石墨电极的损耗机理，并 得到主要结论如下： ( 1 ) 随着混合气体中h 2 、c 0 2 含量的增加，电极端部消耗速率和侧面消耗速率逐 渐增大；随着气体组分流量的增大，电极端部消耗速率和侧面消耗速率增大。 ( 2 ) 通过比较实心电极、吹入纯以及a r + h 2 的混合气体、a r + c o z 的混合气体 时的电流、电压、功率以及电极消耗速率可知：实心电极时的电流、电压最高，功率最 高，吹入纯a r 时的电压、电流最低，功率最低。而电极消耗方面：吹入纯m 时电极 端部消耗速率最小，其次是实心电极时，而吹入m + h 2 的混合气体及a r + c 0 2 的混合气 体时，电极的端部消耗速率均大于实心电极时；侧面消耗速率吹入纯心时最小，实心 电极时最大，吹入a r + h 2 的混合气体及a r + c 0 2 的混合气体时均低于实心电极时。 ( 3 ) 直流供电模式下电极的消耗速率小于交流模式下电极消耗速率。 关键词：精炼；l f ；中空电极；电极消耗；喷吹气体 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s u m p t i o nb e h a v i o ro f h o l l o we l e c t r o d ew i t hg a sb l o w i n gi n l a d l ef u r n a c e a b s t r a c t t h et a s ko fe n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c i n gi ss t i l lr e g a r d e da so n eo ft h e e s s e n t i a lw o r k si nt h em e t a l l u r g i c a lf i e l d s ot h es k i l l sa n dt h em e a s u r e sa b o u tr e s e a r c h ， d e v e l o p m e n ta n dp r o m o t i o n o f e n e r g ys a v i n g a n dc o n s u m p t i o nr e d u c i n ga r et o t a l l y m e a n i n g f u l al a d l ef u r n a c ew i t hh o l l o wg r a p h i t ee l e c t r o d ew e r es t u d i e d i nw h i c h ，p l a s m a a r ci sf o r m e db yg a st o pb l o w i n g t h er u l e so fi n f l u e n c ea b o u td i f f e r e n tg a s e so nt h e c o n s u m p t i o no ft h ee l e c t r o d ew e r ea n a l y z e d ，w h i c hc a nb et h eb a s e dt h e o r yf o ri n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n t h et e s t sw e r ed o n ei na10 0 k gl a d l ef u r n a c ew i t ho n eh o l l o wg r a p h i t ee l e c t r o d e ， d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h r o u g ht h eh o l l o we l e c t r o d e ，s e v e r a lg a s e sa sa r g o n ，a r g o na n d h y d r o g e nm i x e dg a s ，a r g o na n d c a r b o nd i o x i d em i x e dg a sw e r eb l o w ni n t ot h el a d l ef u m a c e i nd i f f e r e n tf l o wa n dp r o p o r t i o n t h ee f f e c to fg a st y p e ，b l o w i n gp a r a m e t e r so nt h ee l e c t r o d e c o n s u m p t i o n ，e l e c t r i cc u r r e n t ，e l e c t r i ca r cv o l t a g ea n da r cp o w e r w e r er e s e a r c h e d t h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ep r o p o r t i o no fh 2 、c 0 2i nm i x e dg a s e sa n dt h et o t a lg a s f l o w , b o t ht h er a t eo ft i p e l e c t r o d ec o n s u m p t i o na n ds i d e - e l e c t r o d ec o n s u m p t i o nr i s e g r a d u a l l y ( 2 ) b yc o m p a r i n gt h ec u r r e n t ，e l e c t r o d ev o l t a g e ，p o w e ra n dt h er a t eo fe l e c t r o d e c o n s u m p t i o ni nt h ec o n d i t i o no fs o l i de l e c t r o d e ，b l o w i n gp u r ea r g o n , a r g o na n dh y d r o g e n m i x e dg a s ，a r g o na n dc a r b o nd i o x i d em i x e dg a s ，i ti ss h o w nt h a t t h ec u r r e n ta n de l e c t r o d e v o l t a g ea r et h eh i g h e s t ，a n ds ot h ep o w e ri st h eh i g h e s tw h i l eu s i n gs o l i de l e c t r o d e t h e c u r r e n ta n de l e c t r o d ev o l t a g ea r et h el o w e s t ，a n ds ot h ep o w e r , w h i l et h ep u r ea r g o ni s b l o w i n g b u tf o rt h er a t eo fe l e c t r o d ec o n s u m p t i o n ：t h er a t eo ft i p - e l e c t r o d ec o n s u m p t i o ni s t h el o w e s tw h i l eb l o w i n gp u r ea r g o n ，a n dt h er a t eo ft i p e l e c t r o d ec o n s u m p t i o na r eb i g g e r t h a ns o l i de l e c t r o d ew h i l eb l o w i n ga r g o na n dh y d r o g e nm i x e dg a so rb l o w i n ga r g o na n d c a r b o nd i o x i d em i x e dg a s 。t h er a t eo fs i d e e l e c t r o d ec o n s u m p t i o ni st h el o w e s tw h i l e b l o w i n gp u r ea r g o n ，t h es o l i de l e c t r o d ei sb i g g e s t ，a n dt h er a t eo fs i d e e l e c t r o d ec o n s u m p t i o n a r el o w e r e rt h a ns o l i de l e c t r o d ew h i l eb l o w i n g a r g o na n dh y d r o g e nm i x e dg a so ra r g o na n d c a r b o nd i o x i d em i x e dg a s ( 3 ) t h ee l e c t r o d ec o n s u m p t i o nr a t ed u r i n gd i r e c tc u r r e n t ( d c ) s u p p l i n gp r o c e s si s l o w e rt h a nt h a to ft h ea l t e m a t i n gc u r r e n t ( a c ) s u p p l i n g k e y w o r d s ：r e f i n i n g ；l a d l ef u r n a c e ；h o l l o we l e c t r o d e ；e l e c t r o d ec o n s u m p t i o n ；g a sb l o w i n g i i i ，_l 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录i v 第l 章绪论1 1 1l f 炉简介。1 1 2 等离子体技术的应用2 1 2 1 等离子体介绍2 1 2 2 等离子体技术在炼钢中的发展应用3 1 3 电极消耗概述4 1 3 1 石墨电极的特性5 1 3 2 电极消耗分类6 1 4 本课题研究的背景8 1 5 本课题研究的意义9 第2 章文献综述1 0 2 1 国内外关于电极损耗行为的研究1 0 2 1 1 国外关于电极损耗行为的研究1 0 2 1 2 国内关于电极损耗行为的研究1 4 2 2 文献评述1 9 第3 章实验方法、结果分析及讨论2 l 3 1 实验研究目的2l 3 2 实验装置及材料2 1 3 3 实验方案2 2 3 4 实验步骤2 3 3 5 实验结果分析及讨论2 4 3 5 1 实验数据处理方式2 4 i v 型垄学堡士学位论文 目 录 3 5 2 直流供电模式2 5 3 5 3 交流供电模式4 2 3 5 4 不同供电模式下电极消耗4 6 3 6 降低电极损耗的措施4 8 第4 章结论4 9 参考文献5 0 致 谢5 3 作者简介5 4 论文包含图、表、公式及文献5 5 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 近年来，随着经济全球一休化战略的高速发展，钢材市场的竞争日趋激烈。各钢j 都采用新技术新工艺来提高产品的竞争力，达到占领市场的目的。目前国际上公认的现 代炼钢最佳工艺路线( 高炉一铁水顶处理一转炉一炉外精炼一连铸；废钢预热一超高功 率电炉一炉外精炼一连铸) 为丰线，钢铁冶金全新技术新工艺得到了长足的发展f j ，引。炉 外精炼技术作为牛产优质钢和特殊钢最重要的工艺环节，它对提高钢的内在质量，改善 钢材的化学和力学性能，在转炉和连铸之间起到的缓冲调节作用，已经越来越引起人们 的重视。其中l f 钢包精炼炉因其设备投资少、精炼效果明显而发展很快。 中共中央关于“十一五”规划的建议中提出到2 0 1 0 年单位g d p 能耗降低2 0 的目 标后，上述节能目标被分解到年，从2 0 0 6 年起成为中国经济发展的一项“硬指标”。钢 铁冶金行业作为能耗大户，面临着相当严峻的降耗形势。 1 1l f 炉简介 l f 炉，又称钢包炉，英文名称l a d l ef u r n a c e 。它是日本大同钢铁公司于1 9 7 1 年推 出的，当时的主要目的是用还原精炼方法以替代传统电弧炉冶炼的还原期。这种工艺的 主要特征是在非氧化性气氛和碱性白渣下精炼，底吹a r 加速钢渣反应，以及用电弧加 热所具有的温度补偿措施，可满足较长冶炼时间要求。精炼基本原理如图1 1 所利3 。 l f 炉由钢包、炉盖、电极和电极加热系统组成，炉盖的作用是封闭精炼室以保持室内 的还原性气氛；另外在炉盖上装有电极加热系统；通过安装在钢包底部的透气砖吹入 a r 对钢液进行搅拌以加速钢一渣之间的反应。 图1 1 精炼原理图 f i g 1 id i a g r a mo fr e f i n i n gf u n d a m e n t a l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与其它精炼设备相比，l f 炉设备具有明显优点： ( 1 ) 设备简单、投资费用低、运行费用低，可较多地利用原有设备； ( 2 ) 设备技术难点少，是电弧加热、底吹搅拌、白渣精炼等成熟技术的组合，冶 炼功能强大； ( 3 ) 设备可靠性高，维护工作量小，部分设备、配件可与电炉瓦换，备件费用低： ( 4 ) 操作灵活、精炼效果良好。 由于l f 炉工艺的以上特点，最初丰要用于高等级钢的冶炼。以后，随着冶炼和浇 铸合理化要求的日益提高以及随之而来的电弧炉与连铸技术结合，l f 炉的功能就不再 仅仅局限于替代电炉的还原期了，而扩大为电炉与连铸技术的匹配器与调节器，所冶炼 的钢种也由原来的高等级钢扩大到了普通钢，应用范围则从与电炉配合扩大到了与转炉 配合。 我国自行设计的第一台l f 炉是1 9 8 0 年西安电炉研究所研制的4 0 吨l f 炉【4 1 。由 于l f 炉精炼法具有多种冶金功能和使用中的灵活性，在普钢生产j 得到广泛的应用。 在我国，随着连铸比的大幅提高，l f 炉可在炼钢与连铸间起到缓冲作用，车间内设置 l f 炉对冶炼钢种的适应性也大为增强，l f 炉也较快地发展起来。目前l f 炉所处理的 钢种几乎涉及从特殊钢到普通钢的诸多钢种【5 1 。 1 2 等离子体技术的应用 在喷吹气体形成等离子体进行改变钢中元素含量的研究中，国外的许多冶金工作者 进行了比较深入的研究。早在1 9 6 0 年召开的国际电炉大会上，会议丰席g o u w e n s p r 就做了一篇题为“电弧炉中电极的设计及其特性的影响”的公开演讲。c _ i t o i i w a i i s p r 在 演讲中预言：“在不久的将来，通过电极的电流会更高，而电极的消耗会大大降低，这 就需要控制( 电弧) 炉中的气氛，这种气氛可以通过从电极中注入气体来实现，通过所 注入的气体的解离与结合，在钢液表面创造更多的热量，使一些本不大可能发生的反应 可以很快地实现”。 1 2 1 等离子体介绍 等离子体是由带电的正粒子、负粒子( 其中包括正离子、负离子、电予、自由基和 各种活性基团等) 组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。等离子 体是物质存在的基本形态，它与众所周知的物质三态也就是气态、液态、固态并列称为 物质的第四态，即等离子体态【6 】。它具有以下基本特点： ( 1 ) 导电性由于存在自由电予和带正、负电荷的离子，因此等离子体具有很强的 导电性： ( 2 ) 电准中性虽然等离了体内部具有很多荷电粒子，但是在足够小的空间和时间 尺度上，粒了所带的正电荷数总是等于负电荷数，所以称之为电准中性。因为任何微小 的空间电荷密度的存在，将产牛巨大的电场强度使其恢复原状而保持电中性，所以等离 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 了休中电荷分离的空间j 之度和时问尺度足很小的； ( 3 ) 与磁场的可作用性由于等离了体是由荷电粒了组成的导电体，因此可用磁场 控制它的位置、形状和运动，例如电弧的旋转、电弧的稳定以及电弧熄灭等现象。与此 同时，荷电粒了集体运动的结果又可以形成电磁场。 等离了体本身是一门交叉学科，在其发展的不同阶段和从不同的研究角度，它的分 类方法也不同，下面介绍的常用的分类方法，如表1 1 所示。 表1 1 等离子体分类 t a b l e1 1c l a s s i f i c a t i o no fp l a s m a 按温度分类 高温等离予体 低温等离子体 霪茎喜季簇 按粒子密度分类 按产生等离子体的途径分类 致密等离子体( 或高压等离子体) 稀薄等离子体( 或低压等离子体) 燃烧等离子体 电弧等离子体 高频等离子体 激波等离子体 激光等离子体 聚变等离子体 1 2 2 等离子体技术在炼钢中的发展应用 表1 2 等离子炉的主要建设情况 t a b l e1 2d e v e l o p m e n to fp l a s m aa r cf u r n a c e 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 采用等离。r 加热技术在炼钢领域的应用人们已经进行了广泛的研究，已经把等离了 技术成功应用于电弧炉炼钢、钢包加热、中问包加热等方面，等离了炉的应用情况见表 1 2 。 1 3 电极消耗概述 l f 炉与电炉类似，采用电极加热，由于电极的工作条件极为恶劣，对它的基本要 求剧7 j ( 1 ) 具有较高的耐高温氧化及抗熔渣侵蚀的能力，在电弧高温下不易氧化、不易 升华或熔化烧损。 ( 2 ) 具有小的电阻系数或高电阻率，以减少电能的损失。 ( 3 ) 导热性能要低，以减少不必要的热损失。 。 ( 4 ) 具有足够的机械强度，以免碰坏折断。 ( 5 ) 孔隙度利热膨胀系数越小越好，这不仅对提高电极的强度和导电率有利，而 且也减少空气对它的氧化。另外，电极也要求弹性模数越低越好，以利于提高它的耐热 冲击性能。 ( 6 ) 应保证正规的几何形状，且表面光滑、弯曲度要小，使它与夹持之间可保持 紧密接触。 目前，l f 炉使用的电极主要有碳素电极、石墨电极、抗氧化电极以及高功率一超 高功率电极四种，表1 3 给出了各种碳素材料的性能【8 l 。此外，尚在研制、试验中的还 有中空电极与水冷复合电极等本课题研究中使用的是中空石墨电极，是在普通石墨电 极中心钻空制成。 表1 3 碳素材料性能 t a b l e1 3p e r f o r m a n c eo fc a r b o nm a t e r i a l 名称单位碳素石墨优质石墨 超高功率石墨 翟蠹 半日日 _ j 辐疆矮1 孑t 五丽可夏雨两孓而厂_ t 而乏2 厂 灰分( s ) 电阻系数 ( 2 0 1 4 0 0 ) 抗弯强度 传热系数 线膨胀 q m m p a w ( m 2 1 1 0 “s - c 5 - - 6 ( 1 ) ( 4 0 - 6 0 ) 1 0 6 3 - 7 6 9 2 l ( 1 0 0 c ) 4 3 5 5 ( o c - 1 0 0 0 ) 5 - 1 0 8 6 ( 1 0 0 。c ) 2 6 ( 2 0 c - 5 0 0 c ) ( 6 - 9 ) 1 0 。6 6 1 3 9 9 - 1 5 1 ；3 4 - 5 2 ( 2 0 。c ) ( i5 0 0 c ) 2 5 1 o 5 5 1 0 - 6 0 4 1 0 - 6 1 4 1 6 35 6 ( 2 0 。c ) ( 1 5 0 0 c ) 1 0 渊坩 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 1 石墨电极的特性 表1 4 普通石墨l 【i 极的理化指标 t a b l e1 4p h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e so fc o m m o ng r a p h i t ee l e c t r o d e 公称直径m m 项目7 5 l3 0l5 0 2 0 02 5 0 3 5 04 0 0 - 5 0 0 优级 乜阻率( q m m 2 m ) l 乜极8 5 ( 不大j ) 接头 抗折强度m p a i 乜极 ( 不小j | )接头 灰分( 不大j ：) 真密度( g c m 3 ) ( 不小。j ：) 假密度( g c m 3 ) ( 不 电十及 小j ：)接头 抗压强度m p a i 乜极 ( 不小j )接头 一级优级一级优级 一级 优级一级 1 矿百矿- ij 万丌 0 可 8 5 7 8 5 11 3 o 5 2 1 8 1 5 8 1 6 3 1 9 6 2 9 4 8 5 7 8 5 1 1 3 o 5 2 1 8 1 5 2 1 6 3 1 7 7 2 9 4 8 5 6 3 7 9 8 l o 5 2 1 8 1 5 2 1 6 8 1 7 7 2 9 4 8 5 6 3 7 9 8 l 0 5 2 18 1 5 2 1 6 8 1 7 7 2 9 4 表1 5 几种超高功率石墨电极的理化指标 t a b l e1 5p h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e so fs e v e r a lu l t r ah i g hp o w e rg r a p h i t ee l e c t r o d e 公称商径m m 项目 2 2 5 - 4 0 04 5 0 - - 6 0 0 电极接头电极接头 碳含母， 灰分 气孔率 体积密度( g c m 3 ) 电阻率( q m m 2 m ) 抗弯强度m p a 抗拉强度m p a 弹性模晕：g p a 真密度( e g c m 3 ) 9 9 3 0 2 2 0 2 4 1 6 5 1 7 2 5 o 6 5 9 0 14 0 6 0 10 0 6 5 1 1 o 导热系数( w ( m ) ) 1 7 5 - 2 5 0 热膨h 长系数( 2 0 1 0 0 。c ) ( 1 0 6 。c ) 0 5 - 1 0 9 9 3 0 2 2 0 2 4 1 7 4 1 8 0 4 5 5 5 l4 0 2 0 0 1 2 5 1 8 0 9 9 3 0 2 2 0 2 3 1 6 6 1 7 3 4 5 5 7 5 8 5 - 1 3 5 6 0 9 5 6 0 1 1 0 2 2 0 2 2 3 2 4 0 - 2 6 0 0 4 - - 0 9 2 1 0 2 8 0 0 3 o 6 9 9 3 0 2 2 0 ，2 3 1 7 4 1 8 l 4 o 5 0 1 3 0 1 9 0 1 2 o 1 7 0 2 5 0 3 2 0 0 7 5 0 9 石墨电极是将石油焦等骨料和沥青等粘结剂混合在一起压制成型，经焙烧、浸渍、 石墨化工序处理后，再机械加工而成【9 1 0 l 。石墨有较高的电阻，且随温度的变化不大，在 2 5 0 0 以下石墨的机械强度随温度的上升而提高，可作为在加热体断面积较大的情况下 采用低电压高电流的发热源。石墨的蒸气压较低，在标准状态下，2 5 0 0 k 时约为0 1 0 1 3 p a ， 在低于这一温度特别是真空状态下使用时，石墨的蒸气压几乎可以忽略不计。表1 4 及 表1 5 分别是普通石墨电极和几种超高功率石墨电极的理化指标j 。 5 一 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 1 3 2 电极消耗分类 l f 炉的加热设备与电弧炉摹本相同，即采用石墨电极进jj 二加热。不同的是l f 炉无 熔化过程，而且采用的是埋弧加热方法。同一般的熔化炉比较而言热效率要高一些，这 丰要是因为精炼过程是在加热效牢更高的反应器铡包中进行的。l f 炉上用石墨电极的 目的在于传导电流，提供精炼钢水的能量，在此过程中电极被消耗。 一般说来，将电极消耗区分为净消耗和总消耗。由于电极周围王1 ：境引起的各种电极 烧损组成净消耗，还可以进一步区分为侧面消耗和端面消耗。在计算时一般总的电极消 耗是净消耗简单的加上断裂。不同的损耗方式受不同因素的影响，表1 6 给出了各种因 素对电极消耗的影响】。 表1 6 石墨i 乜极的消耗方式及其影响| 天1 素 t a b l e1 6c o n s u m p t i o nm o d ea n di n f l u e n c i n gf a c t o ro fg r a p h i t ee l e c t r o d e 五种川素消耗方式 氧化 升华 熔解 剥落 折断 侧面消耗 端面消耗 端面消耗 端面消耗 折断消耗 1 3 2 1 端部消耗 电极端部消耗主要包括由于电弧的高温使前端部石墨升华即蒸发引起的消耗；因热 应力使其崩裂即热剥落引起的消耗和由于钢水和炉渣的侵蚀使石墨熔解或发牛化学反 应引起的消耗。 ( 1 ) 升华 石墨本身没有熔点，在3 5 0 0 时会发牛升华。据有关文献报道由于l f 炉冶炼过程 中石墨电极作为发热源，其端部电极温度可达3 0 0 0 5 0 0 0 k ，甚至更高，因此其端部在 正常作业下，升华消耗率可达净电极消耗的4 0 。同时，过度的电流将导致升华消耗 上升【12 1 。 ( 2 ) 熔解 石墨在钢水中易于熔化，因此短电弧作业或浸渍作业将引起电极熔解的增加，从而 导致电极消耗的增高。在渣层较厚时，电极端面易和渣液相接触而被熔解，图1 2 给出 了电极被熔渣侵蚀熔解的状况。 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 渣 大约比例：电极端5 0 0 m m 电弧2 0 0 蛐r l 渣7 5 m m 图1 2 电极被淹熔解 f i g 1 2e l e c t r o d ef u s e db ys l a g ( 3 ) 剥落 电极剥落是由于温度差引起的热应变而造成的。生产作业中，电极端部往往局部性 地处于高温，由此产牛热歪曲而导致了剥落现象。实践表明，石墨电极的k s t a e 数值 越高，电极剥落率越低( 注：k ：导热性，s t ：强度，a ：热膨胀系数，e ：弹性系数) 。 一般地，过度的强电流和短电弧作业会引起电极的剥落。图1 3 为电极端面剥落时的情 况。 矿哆夕罗芦矿力呖 图1 3 电极端面剥落 f i g 1 3t i ps u r f a c ed e s q u m a t i o no fe l e c t r o d e 1 3 2 2 侧面消耗 电极侧面消耗是指电极圆柱体表面被氧化而引起的消耗，其消耗情况由下述因素所 左右： ( 1 ) 电极周围的炉气组成( 特别是0 2 浓度) ； ( 2 ) 电极周围的气体流速； ( 3 ) 电极表面温度； ( 4 ) 电极材质( 特别是密度) 。 在温度超过4 0 0 。c 时，氧气即能渗入石墨表面发牛氧化。在温度超过5 5 0 - 6 0 0 。c 时 氧化加剧，而且氧化速率对电极附近的氧浓度和气流速度较敏感【1 1 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 3 折断 电极折断通常在电极柱的最高接头或接头座处断裂，引起电极断裂的原因如下： ( 1 ) 炉盖位置不正，电极孔不对中： ( 2 ) 电极- 丁f 降系统故障或事故； ( 3 ) 电极下有不导电材料； ( 4 ) 炉予倾动机构运行不稳，制动时冲击； ( 5 ) 废钢在炉中分布不适当，大块炉料塌落； ( 6 ) 不同j 家产品混用； ( 7 ) 熔化工艺不适当，炉料上部搭桥； ( 8 ) 电极使用不当。 1 4 本课题研究的背景 l f 炉技术是一项非常重要的炉外精炼技术，由于其设备简单，投资费用低，操作 灵活和精炼效果好，该技术成为冶金行业的后起之秀，得到了迅速的推广利发展，其技 术和工艺日趋完善和成熟。在所有的炉外精炼工艺中，l f 炉工艺应用最广。l f 炉作为 洁净钢精炼的丰要于段，在国内外钢铁企业得到了广泛应用。f e i 是，随着洁净钢冶炼技 术的发展，l f 炉的主要缺点暴露得越来越明显。 其一，在低碳、低氮钢冶炼过程中易产牛增碳、增氮，通电时间越长，增碳、增氮 问题越严重，这极大地限制了其在低碳、低氮类洁净钢冶炼中的应用。 其二，由于受到加热速率的限制，在洁净钢冶炼中l f 炉生产节奏越来越难以与高 效连铸相匹配，这使得l f 炉向高效率化( 快速、高质量、高洁净度) 方向发展的要求 越来越迫切。近年来，通过优化l f 炉供电和吹氩等操作制度，实施预熔渣、泡沫渣造 渣技术等对提高l f 炉的加热效率起到了一定的促进作用。但是，采用这些措施取得的 进展还是很有限的。 另外，通过采用高电压、大电流，或者长弧操作以提高电弧电压都可以达到提高 l f 炉加热效率的目的，但都会带来许多难以解决的问题。 采用由石墨电极中心钻孔将气体喷入电弧区形成高能量密度等离子电弧的方法成 为解决上述问题的新途径。该方法是在保持l f 炉所有电气及机械设备的前提下，利用 中空的石墨电极，喷入气体，形成等离了电弧，来提高l f 炉的电弧热效率；同时，通 过改变含氢气体成分，减少或防止低碳、低氮类钢种l f 炉精炼过程的增碳、增氮问题， 甚至对金属熔池实现一定程度的脱碳或脱氮，从而强化l f 炉的加热效率和冶金效果。 这样，通过简单改造，将l f 炉变成不同于采用等离予炬的等离子l f 炉的具有高能量 密度电弧的新型等离子l f 炉，在该l f 炉上采用高电流、短电弧供电，不仅加热速度 快，加热强度大，加热时间可明显缩短，对炉衬的侵蚀也可减轻，而且通过调整气体成 分可以实现在l f 炉精炼低碳、低氮钢。 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 1 5 本课题研究的意义 对冶金行业，节能降耗，一直足其重点工作之一，研究、开发、推广应用节能降耗 技术与措施具有实际意义。对于企业来说，在保证钢水质量和牛产顺行的前提下，必须 最大限度地降低牛产成本。l f 炉的操作成本丰要由耐火材料消耗、电极消耗、电力消 耗、氩气消耗以及合金和造渣材料消耗等构成。日本总结l f 炉成本各部分比例的结论 是1 1 3 1 ：耐火材料占6 0 1 ，电力1 7 6 ，电极7 3 ；又有文献中介绍电极消耗是l f 炉 成本丰要组成部分，一般约占成本的1 5 , - , - - , 2 0 t h 】；而我国电极消耗量更是高于世界丰 要产钢国家平均水平【1 5 1 。从上述结论中可以看出耐火材料、电力和电极成本占了总成 本的大部分，电极消耗的成本仅次于耐材和电能消耗而处于第三位。所以电极消耗指标 已成为炼钢企业深化改革、企业升级的突出矛盾，加之电极价格逐年上涨，使电极费用 在炼钢总成本中的比重不断上升，严重影响到炼钢j 的经济效益。针对新型l f 炉的特 点是在中空石墨电极中吹入气体以形成等离了电弧，研究分析喷吹不同气体对电极消耗 的影响，根据冶炼过程的电流、电压及电极损耗情况，揭示等离予弧中空电极的损耗机 理，对于降低能量消耗、提高牛产率及大规模实践应用具有重大的理论指导意义。 本课题是进行一种等离子l f 精炼炉探索性实验，主要工作是研究l f 炉内使用中 空电极吹入不同气体形成的等离了电弧电流、电压情况，研究吹入不同气体对中空石墨 电极消耗的影响，从电弧行为的角度分析等离子弧中空电极的损耗机理，通过分析确定 气体喷吹状况等对中空电极消耗的影响。 9 - 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 国内外关于电极损耗行为的研究 2 1 1 国外关于电极损耗行为的研究 国外关于电极消耗机理及模型方面的介绍有几种模式，下面分别给以介绍： 早在1 9 7 1 年s c h w a b e 以三相a c 电弧炉为对象，以电极消耗过程的定量解析为基 础进行了介绍【1 6 】，就是后来的s c h w a b e 式： c e = k j t ( 2 1 ) 式中，c e 一电极单耗，k g t ： k 一由电极直径和作业条件决定的系数，表2 1 列举了几种电极直径对应的k 的 取值； j 一电弧电流，k a ： t - 一冶炼周期，h 。 表2 1k 的取值与电极商径对应的关系 t a b l e2 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nka n de l e c t r o d ed i a m e t e r 公称直径系数k , l o o m m 0 5x ( 1 3 0 - 1 7 0 1 0 d 列0 5 x ( s o j 叼l 1 0 d 6 0 0 m m 0 5 ( 3 0 5 0 ) l 矿 ( 0 5 米白原文单位的换算值) 1 9 7 8 年gr j o r d a n 在研究电弧炉中电极损耗时提出： 弧的蒸发引起的，可描述如下： q t = o 0 2 7 i 1 5 式中，卜弧电流，k a ； q 广电极端部的蒸发速度，s 。 电极损耗丰要是由高强度电 他提到从实验操作和理论模型上看端部损耗速率很大程度上与电极端部直径无关， 而主要与电流强度有关；侧面电极消耗由炉中气体氧化构成：折断或脱落由机械装载和 热震动造成【1 7 】。文章中提到端部电极消耗是操作电流的函数，实验统计结果显示表明， 端部电极侵蚀速率可表示为： q t 0 0 0 5 4 1 2 ( 2 3 ) 除此之外，电极端部消耗速率还与电弧功率有关，其关系与电流相似。 电极质量的影响：实验统计结果表明电极电阻系数是丰要参数： q 。= 6 8 9 + 1 0 一p 一0 0 1 ( 2 4 ) 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 式中，p 一电阻系数，卿c m ； q t 一端部消耗速率，g s 。 统计发现端部消耗速率随着电流强度、氧分压、电极端部直径的增加而增大。石墨 蒸发与端部直径无关，除非电极直径非常小：他同时给出了如图2 1 所示的电极顶端消 耗进程图，并认为电极端部总消耗由电弧蒸发、化学反应侵蚀、热剥落组成。其中，电 极化学反应消耗与面积成比例，或者说与端部直径的平方成比例；电弧蒸发消耗区域与 1 15 成比例，与电极直径d 无关；热剥落是电流i 、电极直径d 以及电极质量的函数， f u 关系不明确。 化 与 图2 1 电极端部消耗进程 f i g 2 1t i ps u r f a c ec o n s u m p t i o no fe l e c t r o d e 1 9 8 3 年b o w m a n 在分析侧面消耗中指出，虽然电极氧化是一种非常复杂的现象， 但时间和表面积是主要参数1 1 8 i 。他提出氧化速率并不是常数：越靠近电极顶端速率越 大：对于不同大小的炉子而言，电极氧化速率与计算出的表面积成比例；氧化发牛在炼 钢操作的始终，与之相比，端部消耗却只发牛在通电时刻。单位氧化速率可以用侧面电 极消耗与产量简单经验关系式得到，实际上表面积依赖于电极初始直径d o 和端部直径 d t ，而实际操作中d t d o 比值的最大范围为0 6 o 8 ，它的平均值0 7 在计算面积时最多 仅造成4 - 6 的误差，因此，它的表面积可以看作只与d o 及氧化长度有关，同时，氧化 长度与钢包直径d f 成正比，从而最终结果为： w s ：2 1 2d f d 0 ( 2 5 ) p 式中，w s 一侧面电极消耗，k g t , d 厂钥包壳直径，m m ； d 0 _ 电极初始直径，m m ； p 一产量，t h 。 b o w m a n 指出端部消耗与电流成比例，但比例系数与所选的电压级别有关。他说， 在19 7 2 年时通过实验测量以及理论分析显示端部消耗与1 2 以及电极顶端直径的倒数有 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 关；在1 9 7 8 年通过的j o r d a n 进一步研究表明，实验测量明确显示端部消耗与1 2 有关， 而当忽略电极直径的因素时，与1 1 5 成比例。实验证明，顶端消耗与电极直径有关，除 非电极直径非常小。端部消耗在许多情况下是通过摄影技术测量，其余的是估计。端部 消耗速率通过总消耗速率计算，且端部直径借助于如下几何关系计算： q t i p q t o t a j = ( d t d o ) z ( 2 6 ) 端部消耗速率可表达为： q t i p ：k 南 q 7 式中，q t i d _ 端部消耗速率，k g h ； i 一通过电极电流，l 认； d 广电极端部直径，m m 。 ： 1 9 8 8 年b e r g m a n 在发