矿热炉电极消耗原因分析、烧蚀原理与计算方法及公式

1、矿热炉电极消耗原因分析.烧蚀原理与计算方法及公式一、矿热炉电极消耗分析：1、矿热炉又称埋弧炉，在工作时，电极需插入料层 一定深度。电极作为电能转化为热能的载体，把人电流源 源不断地输送到矿热炉中，是影响矿热炉生产和运行指 标的重要组成部分。在矿热炉运行的过程中常伴随着电 极的消耗，其消耗量己经占据成本的很大一部分。2、矿热炉电极的消耗与电弧炼钢炉相同，也分为两 个部分：连续性消耗和非连续性消耗。、连续性消耗包括：电极端面在电弧等离子体作用 下形成的电极消耗主要表现形式为在电极端面形成一个 个斑点和电极侧面化学反应形成的电极消耗。、非连续消耗包括：电极硬断和电极软断。在电弧 炼钢炉中关T电极消耗

2、已经做了大量的研究，普遍认为 电极侧面的化学反应占电极消耗的主要部分约5070%， 其次为电极端面电弧侵蚀占25%40%，再次为非正常消耗。 然而在矿热炉中对于各部分消耗研究较少，所占的比例 还不清楚。从现场拍摄图片观察，可以明显看出矿热炉电 极消耗与电弧炼钢炉电极消耗的不同。矿热炉中电极侧 面无明显变形，说明其侧面的碳元素参与化学反应的量 较少，主要的消耗是由电弧侵蚀造成的；而电弧炼钢炉电 极呈倒锥形，说明其侧面发生了大量的化学反应。从基本 传热原理出发，主要探讨电弧对电极的侵蚀原理并对其 造成的消耗量进行定量控制。二、电极烧蚀物理原理：电极的烧蚀发生在阴极斑点部位，因此有必要了解 阴极斑点

3、的形成原因以及斑点的转移原理。在电极两端 施加一定电压就可使气体电离，随着电离程度的增加，气 体中导电粒子的数目不断增多，电极间的气体在某一时 刻会被击穿从而形成导电通道，及生成电弧。而气体电离 的原因是电极上具有较低逸出功的部位会发射热电子， 该部位我们通常称之为阴极斑点，当其达到白热状态时， 电子的动能大于阴极材料的逸出功，向空间中发射电子。 在放电一段时间后，电弧在洛伦兹力产生的加速度作用 转移至下一个具有较低逸出功的位置进行放电，形成新 的阴极斑点。电极表面经过电弧等离子体加热将会在阴 极斑点区域到达电极的相变温度，但碳制非金属电极与 金属电极不同，不会在阴极斑点部位出现熔池，即不会出

4、 现液碳，而是直接升华至气态的碳颗粒；与此同时升华所 产生的碳颗粒在洛伦兹力的作用下向背离弧根中心的方 向运动，形成溅射；石墨表面在加热及溅射的过程中其同 态碳颗粒及气态碳颗粒都会在电弧的作用下与炉内气氛 发生化学反应，上述过程形成了电弧对电极材料的侵蚀 过程。从传热的角度探究电极的烧蚀过程，电极的加热热 源主要包括：电流通过电极内部产生的焦耳热以及由电 弧等离子体传入阴极斑点的能量。而阴极斑点在持续加 热过程中，最终会达到电极材料的相变温度，最终脱离电 极表面。因此我们将电弧对电极材料的侵蚀过程分为两 个部分：电极阴极斑点加热至升华温度的过程和升华开 始至斑点消亡的过程。阴极斑点在洛伦兹力作

5、用下运动 至其它区域，从而构成了整个电极的侵蚀过程。这两个物 理过程在时间上交替存在，空间上并存。三、电极烧蚀计算方法及公式：1、电极的烧蚀过程满足一般导热微分方程:公式中:P -电极密度；Cp-电极比热容；K -电极热导率；T-电极温度；Q-电极内部产生热量的速率；2、对于石墨电极而言，其比热容与热导率与温度有 关，是温度的函数。电极内部产生的热量等于焦耳热：公式中：J 一电流密度；。一电导率。3、假设电极材料的热传导是各向同性的，因此可将上述热传导过程简化为一维导热问题：4、由于电极斑点处的焦耳热远远小于从等离子传入 的热通量q,因此可将焦耳热忽略不计。根据定律，将q 作为导热微分方程的边

6、界条件：5、由于石墨电极阴极斑点只有在达到相变温度时， 才会由固态变为气态，引起电极的消耗。6、根据上述电极侵蚀原理，假设阴极斑点在t1时刻 达到升华温度，单个斑点的放电时间为t2。7、在0 t W t1时，电极阴极斑点被加热至升华温度， 该阶段无材料升华；在t1t Wt2时电极阴极斑点被持续 加热并且伴随有材料升华。8、整个阶段电极的侵蚀深度为x 1。边界条件设置如下：初始条件:丁(岛。)=0(6)9、电极升华过程中满足能量守恒定律，此时阴极斑 点部位电弧等离子体传入热通量全部用于电极材料升华。p 油= qdt(7)其中：Yo为电极材料升华热，Y o=59.9KJ/g 联立式、(5)和得：其中：C其中：C为误差自焙电极升华温度为3652 C,当x=0时，可计算出电极加热至升华温度的时间。电弧的放电时间为：(9)公式中：Varcmin 一最小建弧电压，V;L 一电路电感，mH;I 电路电流，A;Vs 一电路电压，V。10、阴极斑点参与升