تاثیر کاهش خنک کاری الکترود گرافیتی بر پایداری کوره قوس الکتریکی

عملیات خنک کاری الکترود گرافیتی بوسیله آب بیش از بیست سال است که در کوره های قوس الکتریکی متداول شده است. کاهش مصرف الکترود ناشی از اکسیداسیون در طول ستون الکترود با توجه به جریان آب درعملیات خنک سازی در حدود 1 الی 3 متر خواهد بود. برخی از تولید کنندگان فولاد با کوره قوس الکتریکی گزارشاتی از بهبود درعمر دلتای نسوز سقف کوره به دلیل بهره برداری در دمای عادی و پایین داده اند. با این حال اثرات منفی از جمله افزایش مصرف انرژی و در بعضی از کوره ها تنزل ثبات الکتریکی مشاهده شده است.

در این مقاله مثال هایی از تأثیر خنک کاری الکترود گرافیتی بر پایداری الکتریکی ارائه می دهیم و یک فرضیه برای توضیح آن در نظر میگیریم. ما همچنین در مورد برخی اقدامات متقابل انجام شده توسط تولید کنندگان فولاد برای محدود کردن ناپایداری الکتریکی بحث روش مؤثر دالمین را برای کاهش مشکل توضیح می دهیم.

مزایای استفاده از خنک کاری الکترود گرافیتی بصورت مستقیم

همانطور که قبلا گفته شد، عملیات استفاده از آب برای خنک کاری الکترود گرافیتی قسمت های بالایی ستون الکترود که در دهه 80 معرفی شد، کاهش ضریب مصرف الکترود را در به همراه داشت است. به طور معمول آب بوسیله یک رینگ فلزی که دور تا دور الکترود را احاطه کرده است و زیر کلمپ (نگهدارنده الکترود) قرار دارد عبور کرده و بوسیله سوراخهای متعدد تعبیه شده بر روی رینگ و یا بوسیله اسپری نازل بر روی الکترود پاشیده شود. به گفته برخی منابع میزان کاهش ضریب مصرف الکترود به واسطه استفاده از روش فوق 5 الی 15 درصد می باشد. این روش نسبتا ساده، ارزان و سریع می باشد و میزان نفوذ 100 درصدی در کوره های قوس الکتریکی را در بر خواهد داشت.

اکثر تولید کنندگان فولاد در کوره های تصفیه پاتیلی از ترس پیک آپ هیدروژنی و صرفه جویی کم از این روش استفاده نمی کنند.

مشکلات استفاده از خنک کاری الکترود گرافیتی :

چند سالی است که مهندسین شرکت GrafTech متوجه ارتباط بین مشخصات سیستم خنک کننده آب در خنک کاری الکترود گرافیتی و پایداری کوره قوس الکتریکی شده اند. پارامتر اصلی آب دبی جریان می باشد که هرچه قدر این جریان بالاتر باشد تخریب پایداری الکتریکی را در بر خواهد داشت، همانطور که با افزایش عامل مقاومت واکنشی (هارمونیک های بیشتر)، گاهی اوقات عملکرد تنظیمات ضعیف مشاهده می شود.

در این مرحله، تست بر روی 11 کوره از 20 کوره انجام و نتایج اندازه ­گیری در نمودارهای شکل 1 در دو حالت استفاده از سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی و بدون استفاده از این سیستم نمایش داده شده است. جالب است که بدانید همه کوره هایی که از سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی مستقیم بهره میبرند دستخوش تغییر نمی­شوند، تخریب پایداری وجود ندارد، تاثیرات کوچک و یا واقعی است اما مورد توجه قرار نمی­گیرد.

افزایش مصرف انرژی

شایان ذکر است که تمام آب مورد استفاده درسیستم خنک کاری الکترود گرافیتی در دمای متوسط حدود 1000 درجه سانتی­گراد تبخیر و از طریق سیستم استخراج دود در کوره قوس الکتریکی خارج می­شود. نرخ ویژه جریان برای الکترودی به قطر 610 میلیمتر، 20 لیتر به ازای هر دقیقه است. این مقدار در عرض 50 دقیقه برای هر سه الکترود به 3 تن می­رسد. انرژی حاصل از خروج بخار آب برابر باMW/h 1/1 (تغییر در آنتالپی از دمای 20 تا 1000 درجه سانتی­گراد) است. بعنوان مثال به ازای 100 تن فولاد مذاب مصرف انرژی KW/h 33 به ازای هر تن است. برای جبران این مسئله، صرفه­جویی اندکی در مصرف انرژی به دلیل تشعشع از قسمت­های بالای ستون­های الکترود صورت میگیرد که بدون عملیات خنک کاری الکترود گرافیتی بوسیله آب از آن بی بهره خواهد ماند .

تفسیر فیزیکی تاثیر خنک کاری الکترود گرافیتی بر پایداری قوس

فرضیه : این فرضیه که ما برای توضیح تجزیه پایداری الکتریکی در نظر گرفته­ ایم، براساس تاثیر تغییر شیمیایی تجزیه شدن آب به اتم­های اکسیژن و هیدورژن، بر پایداری قوس است. این مدل در چند مرحله شرح داده می‌شود:

گام اول: پایین ترین سطح جریان آب

پایین ترین سطح جریان آب با تشکیل لایه بخار بین گرافیت و سیال بدست می­آید. این نتیجه اثر لیدن- فراست است که در آن سطح انتقال حرارت بین آب و سطح داغ بوسیله یک لایه بخار در هنگامی که دمای سطح بیش از 100 درجه سانتی­گراد است کاهش می­یابد. در شکل 2 این اثر را به نمایش گذاشته شده است.

در مطالعات اخیر توسط Kratkai ]1[، براساس عکس برداری مادون‌قرمز از الکترود در یک کوره قوس ­الکتریکی، دمای لیدن فراست آب آن بین ۲۲۰ الی۲۵۰ سانتی­گراد بوده و از الکترود گرافیتی جدا می­شود.

گام دوم: تفکیک شدن به قطره  تا جایی که آب از گرافیت جدا می­شود، تنها بخش کوچکی از تشکیل بخار از بین می­رود که Kratkai این میزان را 10% تخمین می­زند. باقیمانده با جدا شدن از سطح الکترود گرافیتی به صورت قطرات شکسته شده به داخل کوره قوس الکتریکی ریخته می­شود. اما باید توزیع اندازه قطره را بدانیم چراکه قطرات کوچک‌تر به منطقه قوس نمی­رسند. درواقع داده­ای برای توزیع مربوط به خنک کننده الکترود در دسترس نیست، اما داده­هایی در مورد نازل­های آب­پاش در دسترس است. شکل 3، توزیع حجم قطرات آب حاصل از پاشش نازل آب­پاش را که با روشBlum  اندازه­ گیری شده ­اند را نشان می­دهد

در این سیستم آب­پاش، یک افشانک عمودی به صفحه دایره­ای با محور متقارن منحرف می­شود.آب در طول شعاع آب­پاش پخش می­شود و سپس به صورت قطرات آب شکسته شده افت پیدا می­کند. برای اطلاعات درج شده در شکل3، نرخ جریان آبپاش از نظر بزرگی مشابه با خنک کننده الکترود و در حدود 20 لیتر در دقیقه است، با این حال رینگ خنک کاری انحراف یا تغییر شکلی با قطر25.4 میلی متر دارد. بنابراین سرعت اولیه و انرژی جنبشی، از صفحه آب بیشتر از خنک کاری الکترود گرافیتی است. در نتیجه توزیع اندازه قطره ممکن است نسبت به خنک کاری الکترود گرافیتی کوچکتر باشد. در صورت عدم وجود داده های بهتر، این توزیع را فرض خواهیم کرد. در ستون افقی نمودار قطر log10 بر پایه 3 میکرون، 1 میلیمتر نشان داده شده است. 50٪ حجم از قطر زیر 0.4 میلی متر و حداکثر قطر قطره 2 میلی متر است. توزیع اندازه گیری شده در تابع گاوسی(منحنی یکنواخت) تعبیه شده است. انحراف استاندارد در سمت چپ قله بیشتر از سمت راست است.

کوره های قوس الکتریکی واقعی، مقداری بخار آب در اطراف جریان پایینی آب مشاهده می شود. براساس تحلیل انتقال گرما، Kratika تخمین زده است که فقط حدود 10% از آب در این منطقه به بخار تبدیل شده و مابقی در داخل کوره فرو می رود. با این حال باید توجه داشت که معادلات انتقال حرارت عموماً بر روی جریان آب در لوله های فلزی صاف صادق است و کاربرد آن در سطح  الکترود گرافیتی که نسبتاً خشن است منجر به عدم قطعیت این فرضیه می شود.

گام سوم: تبخیر قطره های آب ریخته شده در کوره قوس جهت بررسی خنک کاری الکترود گرافیتی

الف) سرعت نهایی: اکنون انتقال حرارت قطره ­هایی که به محیط داخل کوره قوس وارد می­شوند محاسبه می­کنیم. در اینجا هدف این است که تخمین بزنیم که اگر قطره­ای وجود داشته باشد، از سقوط به عنوان مایع باقی می­ماند.

برای این محاسبات لازم است سرعت قطره را برای محاسبه زمان دوام آن بدانیم. شکل 4 سرعت­ نهایی قطرات آب را به عنوان تابعی از قطر و دمای محیط نشان می­دهد.

منحنی با دمای 20 درجه سانتیگراد مربوط به سرعت قطرات باران Gun و Kinzer سال 1949 است. منحنی­ها برای دمای بالاتر، با فرض این که سرعت با کشش آیرودینامیکی به شکل  (ρ چگالی گاز و V سرعت قطره) متعادل شده و محاسبه می­شود. بنابراین سرعت متناسب با معکوس ریشه دوم ρ اندازه گیری می­شود.

برای قطره­های بزرگتر از 1 میلی­متر، سرعت نهایی در یک سقوط، بیش از 3 متر حاصل نمی­شود. زمان گذار محاسبه شده برای گرانش و مقاومت هوا در حدود 76/0 ثانیه می­باشد. قطرات با قطر کوچکتر به سرعت نهایی خود نزدیک می شوند تا زمان گذار آنها طولانی شود.

حال باید انتقال حرارت را برای قطره ­هایی که وارد اتمسفر کوره قوس الکتریکی می­شوند ارزیابی کنیم. هدف از این محاسبه تخمین احتمال تبدیل قطره آب به بخار قبل از رسیدن به منطقه قوس الکتریکی است. در این حالت دو مکانیسم انتقال حرارت جابجایی یا همرفتی و انتقال حرارت تابشی وجود دارد که ما آنها رابه صورت جداگانه بررسی خواهیم کرد تا به بررسی دیقیق تری از سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی بررسیم.

ب) انتقال حرارت در اثر تابش

فرض می­کنیم که تشعشع درون کوره با بدنه سیاه در دمای 800 تا 1600 درجه سانتیگراد است. اگر چه آب در برابر نور مرئی شفاف است اما جذب طول موج­های مادون قرمز اجسام سیاه در این دما، بیشترین میزان تابش را ساطع میکند. ضریب جذب ، به عنوان تابعی از طول موج برگرفته از Chaplin در شکل 5 برای طول موج 0.4 تا 10 میکرون نشان داده شده است.

به منظور تخمین تابع f که بیانگر تشعشع جذب شده توسط قطرات است، انتگرال بر روی باند موج مربوطه محاسبه شده است. با این حال، حتی با در نظر گرفتن اثر تجزیه در یک مسافت میانگین در طول یک قطره، ضریب جذب به شدت بالاست و مقدار ضریب f  برای  4/1 به 99/0 می­رسد که برای سادگی مقدار آن را 1 در نظر می­گیریم.

ج) انتقال حرارت در اثر همرفت

در این بخش، مقاله­ اخیر Stolpa مفید است. شکل بدون ابعاد انتقال حرارت که با عدد ناسلت (Nu) توصیف می­شود به اعداد بی بعد رینولدز (Re) و پراندل (Pr) مربوط می­شود. برای اجسام کروی به معادله به صورت زیر است:

عدد Re از محاسبه­ی قطر قطره بدست می­آید.  و  به ترتیب مربوط به ویسکوزیته­ی گاز در فاصله­ی دور از قطره و در سطح قطره هستند. با توجه به مطالعات Boulos و همکارانش، خواص گاز مشابه هوا در نظر گرفته شده است. در محدوده­ی دوایی 1000 تا 1600 درجه­ی سانتی­گراد، عدد Re حدود 10 تا 150 برای قطرات بین 5/0 تا   mm 1 تغییر می­کند و عدد Pr تقریبا در 68/0 ثابت است. انرژی منتقل شده در بازه­ی زمانی 75/ ثانیه در محدوده­ی mJ قرار می­گیرد. در نتیجه افزایش دمای محاسبه شده هرگز از 1 درجه­ی سانتی­گراد تجاوز نمی­کند. بنابراین نتیجه گرفته می­شود که گرمایش همرفتی قطره­هایی که از اتمسفر داغ سقوط می­کنند در مقایسه به تابش (تشعشع) ناچیز است.

د) دمای اولیه قطره آب

از آنجایی که آب به دلیل تشکیل یک لایه بخار از گرافیت جدا می­شود، به احتمال زیاد دمای آب در این نقطه،  درجه­ی سانتی­گراد یا بسیار نزدیک به آن است. این فرض برای بررسی تعادل بین توان اهمی در الکترود و گرمای جذب شده توسط آب در نظر گرفته می­شود.

3-د-1) توان اهمی در الکترود

بر اساس بررسی­ های صورت گرفته، بیش از 60 کوره با استفاده از سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی mm 610، دارای میانگین جریان     KA 5/56 هستند. مقاومت محوری دمای اتاق حدودا برابر است با   6/4. مقاومت ویژه در دمای 300 تا 400 درجه­ی سانتی­گراد کاهش می­یابد اما این مقاومت با اثر پوست [1](ایجاد جریان متناوب در نزدیکی سطح جسم رسانا) جبران می­شود. در KA 5/56 در طول (l)، توان تلف شده (P)، عبارت است از:

---

که در آن، I جریان،  مقاومت، l طول و A سطح مقطع است.

3-د-2) حرارت جذب شده توسط جریان آب میانگین میزان جریان آب برای این کوره­ها با استفاده از الکترودهای با قطر mm 610 برابر با l/min 8/18 در هر الکترود و معادل با 313/0 کیلوگرم بر دقیقه است. دمای ورود آب معمولی 25 درجه سانتی­گراد است که فرض رسیدن به دمای 100 درجه­ سانتی­گراد را در نظر می­گیریم. بنابراین بر اساس معادله­ زیر، آب می­تواند در این نرخ جریان توانی از جذب را بدست آورد.

از این روابط طول الکترود سرد شده در سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی را می­توان با برابری این دو توان محاسبه کرد که نتیجه­ آن m2l= است. به این ترتیب  بزرگی آنچه در عمل می­بنیم را تصور می­کنیم.

3-د-3) از دست دادن آب در اثر تبخیر هنگام سقوط از داخل کوره

از آنجایی که قطرات آب در دمای 100 درجه­ سانتی­گراد ریزش خود را آغاز می­کنند، جذب در اثر تابش منجر به تبخیر آنها در دمای ثابت می­شود، نیروی حرارتی مستقیما به گرمای نهان تبخیر می­رسد. برای یک قطره با شعاع r، جذب در کل سطح اتفاق می­افتد، بنابراین توان جذب عبارت است از:

با واحد W. این توان بای تبخیر پوسته­ی سطحی با چگالی  و گرمای نهان L، با نرخ  به کار می­رود به طوریکه:

ساده شده­ رابطه عبارت است از:

معادله­ ی بالا نشان می­دهد که قطر بصورت خطی و با سرعتی به شدت وابسته به دما، کاهش می­یابد. یکی از پیامدهای کاهش قطر با ریزش قطره از کوره این است که، سرعت نهایی آن با گذشت زمان کاهش می­یابد. پس از یک بازه زمانی مشخص، سرعت عمودی با کاهش قطر، کاهش می­یابد. یکی از پیامدهای قطر را می­توان برای قطره­ای با قطر mm5/0 که در کوره­ای در دمای 1200 درجه سانتی­گراد سقوط می­کند را در شکل6 دید.

کاهش سرعت، زمان عبور را افزایش می­دهد و منجر به کاهش بیشتر قطر می­شود. از محاسبات موجود در شکل 6، رابطه کلی بین قطر در ناحیه قوس الکتریکی و قطر اولیه در دماهای مختلف در شکل 7 نشان داده شده است.

در شکل 7 برای مثال، قطره­ای با قطر 1 میلی­متر در ابتدا به 8/0 میلی­متر می­رسد که در کوره 1200 درجه سانتیگراد فرو می­ریزد. بریدگی­های روی محور افقی نشان دهنده قطر محدود کننده قطرات برای باقی ماندن به صورت مایع هستند.

3-ه) کسری از جرم آب که از سقوط به صورت مایع زنده می ماند

با روابط تجربی بین قطرهای اولیه و نهایی به عنوان تابعی از دمای کوره، اکنون در موقعیتی هستیم که بتوانیم کسر جریان آب وارد شده به منطقه قوس الکتریکی را محاسبه کنیم. در اینجا ما به جرم به جای قطر روی می­آوریم، بنابراین توزیع قطر قطره توسط رابطه زیر به توزیع جرم تبدیل می­شود:

که ρ چگالی آب در آن است. نتایج این محاسبات در شکل 8 ارائه شده است:

در شکل 8 فرض شده است که 10 درصد آب در حد پایین جریان آب روی الکترود به بخار تبدیل می­شود (تلفات به دلیل تبخیر است) محاسبات نشان می­دهد که 71 درصد آب در دمای کوره 1000درجه سانتیگراد به منطقه قوس می­ریزد، اما در دمای 1600 درجه سانتیگراد به 28 درصد کاهش می­یابد.

گام چهارم: اثر بخار آب بر روی قوس در بررسی سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی

در طول ذوب ضایعات، ناحیه قوس‌بندی، حجم تقریباً نیم‌کره‌ای اطراف نوک الکترود است که توسط دیواره‌های گودال حفره‌ای محدود شده است. طرحی از این حجم در شکل 9 نشان داده شده است.

قطر این گودال عمدتاً به طول قوس، تأثیرات نوع ضایعات، دستورالعمل اجرایی و قطر نوک الکترود بستگی دارد که قطر از مرتبه 6/0 تا 1 متر در نظر گرفته شده است. بنابراین، حتی اگر حجم قوس الکتریکی شعاع نیمکره ای 5/0 متری را توصیف کند، حجم قوس فقط در حد 25/0 متر مکعب است. سطح گودال حفره از ضایعات ذوب شده تشکیل شده است، بنابراین حداقل 1600 درجه سانتی­گراد (1873 کلوین) است در حالی که دمای عمده نوک گرافیت در حدود 2500 درجه سانتیگراد (2773 کلوین) است. خود قوس در پلاسمای رسانا، حدود 8700 درجه سانتی­گراد (8973 کلوین) دما دارد، اما همانطور که با سرعت زیاد در این حجم حرکت می­کند، پلاسما باقیمانده را در محدوده دمایی متوسط، یعنی بین 2700 درجه سانتی­گراد (2973 کلوین) تا 8700 درجه سانتی­گراد باقی می­گذارد. در این دماها بخار آب بسته به دما به گونه‌های مولکولی و اتمی مختلف تجزیه می‌شود.

4-الف) تفکیک بخار آب

Watanabe  گونه­های شیمیایی موجود در بخار آب را به عنوان تابعی از دما در فشار 1 اتمسفر محاسبه کرده است. بین 2000 تا 5000 کلوین مولکول­های OH، H₂ و O₂ ظاهر می­شوند اما در دماهای بالاتر گاز فقط از اتم­هایی به نسبت دو H به یک O تشکیل شده است. محاسبات وی در شکل 10 ارائه شده است:

4-ب) سرعت جریان حجمی محصولات بخار آب در بررسی سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی

فرض می­کنیم که نرخ جریان اولیه آب، از رینگ اسپری 8/18 لیتر در دقیقه برای یک الکترود با قطر 610 میلی متر باشد، اکنون می توانیم نرخ جریان جرمی وارد شده به منطقه قوس الکتریکی را محاسبه کنیم. هر مول (18 گرم) آب 4/22 لیتر بخار در NTP (دما و فشار معمولی) و البته به میزان قابل توجهی در دمای بالاتر تولید می­کند. علاوه بر این، هر مولکول آب با جدا شدن، ذرات بیشتری تولید می­کند( تا سه بار در K 5000 و بالاتر). تفکیک، منجر به افزایش سرعت جریان حجمی می شود. محاسبات نرخ جریان بخار بر حسب متر مکعب بر ثانیه به عنوان تابعی از دمای ناحیه قوس‌بندی برای جریان رینگ اسپری 8/18 لیتر در دقیقه در شکل 11 نشان داده شده است.

این نرخ‌های جریان حجمی بسیار بالا هستند، با توجه به اینکه حجم قوس فقط در حد (در هر الکترود) است، چنین نرخ های جریان در مقایسه با نرخ تولید گاز توسط قوس چقدر قابل توجه است؟ مطمئناً قوس با تبخیر ضایعات و مهم­تر از آن ناخالصی­های روی سطح قراضه مانند روی، روغن­ها، اکسیدها و حتی آب، گازهایی را تولید می­کند. فرض کنید سرعت ذوب ضایعات زیر هر الکترود 50 تن در ساعت است و 2 درصد از آن تبخیر می­شود. سپس میزان تولید بخار 278 گرم در ثانیه می­شود. سرعت جریان آب هم به همان ترتیبی است که قبلا بیان شد: 8/18 لیتر در دقیقه برابر با 313 گرم در ثانیه. بنابراین نتیجه می‌گیریم که سرعت تولید بخار از آبی که به داخل کوره می‌ریزد، از نظر اندازه مشابه سرعت تولید گازها در زیر هر الکترود است. در غیاب بخار آب که در ناحیه قوس‌بندی سقوط می­کند، قوس معمولاً در گازهایی مانند CO یا N₂ که حاوی مقادیر قابل توجهی بخار آهن هستند، کار می‌کند. بخار آهن به راحتی یونیزه می­شود و بنابراین بیشتر الکترون­های قوس را تامین می­کند. نتیجه­ی آن رسانایی بسیار بالاتری نسبت به گازهای بدون بخار آهن است. اما با ورود آب، محیط قوس  مختل می­شود. با در نظر گرفتن این که تمام جریان­های گازی آشفته هستند و قوس با سرعت زیاد روی سطح انتهایی الکترود حرکت می­کند، می­توان تصور کرد که قوس ممکن است گاهی در بخار آب یا پایداری گاهی در مخلوط CO+Fe عمل کند.. گرادیان ولتاژ قوس در این دو حالت کاملاً متفاوت است.

تاثیر بر پایداری قوس

4-ج) قوس در هیدروژن

اطلاعات زیادی وجود دارد که نشان می دهد قوس در هیدروژن در شیب ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به گازهایی مانند آرگون یا هوا عمل می­کند. برای قوس‌های جوشکاری زیر آب، شیب ولتاژ را تقریباً دو برابر آرگون اندازه‌گیری کرده­اند]7-8[. قوس‌های موجود در هیدروژن نیز در مدارشکن روغنی [1]ایجاد می‌شوند، هیدروژن جزء اصلی فرآورده‌های نفتی است که قوس از آن عبور می‌کند. گرادیان ولتاژ بالاتر و رسانایی کم در هیدروژن نقش مهمی در عملکرد قطع کننده بریکر دارد. به عنوان مثال، Garzon  بیان کردکه ولتاژ احتراق مجدد قوس 5 تا 10 برابر بیشتر از هوا است. در واقع شیب ولتاژ بالاتر قوس­های فعال در هیدروژن توسط Capadilupo و همکارانش به عنوان روشی برای کوتاه کردن قوس در کوره ها مورد استفاده قرار گرفت. با تزریق هیدروکربن­ها به محیط قوس، آنها توانستند گرادیان ولتاژ را افزایش دهند، این افزایش برای گازهای حاوی، نسبت بیشتری از هیدروژن بیشتر بود. به عنوان مثال، افزودن 5٪ CH₄ به یک قوس، ولتاژ قوس آرگون را تا 67٪ افزایش داد.

خلاصه: اثر سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی بر پایداری قوس

اثر را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

در حرکات خود بر روی صفحه انتهایی الکترود، قوس از جوی عبور می­کند که حاوی مقدار متغیر هیدروژن تولید شده از بخار آب است. سرعت جریان بخار آب به اندازه‌ای زیاد است که بخار آهن را که راحت‌تر یونیزه می‌کند، اما به روشی متغیر زیرا جریان متلاطم است. در نتیجه گرادیان ولتاژ قوس بسیار متغیر است. به عنوان مثال، در لحظه­ ای که قوس از جریان صفر عبور می­کند، شکاف قوس ممکن است در بخار آهن کم باشد، بنابراین احتراق مجدد قوس به ولتاژ بالاتری نیاز دارد. مقداری تأخیر جریان صفر و یا افزایش هارمونیک نتیجه می­شود. سیستم تنظیم خنک کاری الکترود گرافیتی بین دو شرایط مختلف به دام افتاده است – طول قوس معمولی با بخار Fe و طول قوس کوتاه­تر با هیدروژن.

اثر مضر سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی بر پایداری قوس فقط در هنگام ذوب قراضه رخ می­دهد. هنگامی که قوس­ها به سمت سرباره حرکت می­کنند (حبابی می­شود یا نه)، سرعت رسیدن کاهش می یابد (شکل 7) و همچنین قطرات احتمالاً در سرباره جذب می شوند و وارد منطقه قوس نمی­شوند.

---

نقاط عطف

در آگوست 2004، Dalmine لوله‌ها و دریچه‌های سیستم خنک‌کننده مستقیم الکترود (EDC) خود را به منظور بهبود راندمان خنک‌کننده آب الکترود تعویض کرد. در واقع نوع شیر تغییر کرد: شیرهای دیافراگمی اولیه با شیرهای توپی جایگزین شدند و در همان زمان قطر شلنگ انعطاف پذیر آب به 1 اینچ افزایش یافت.

در این بین، به دلیل برخی تغییرات در چیدمان طراحی مدار خنک کننده آب، کیفیت آب بدتر شد. در نتیجه این تغییرات، پایداری قوس نیز بدتر شد: در نتیجه میزان شکست الکترود و مصرف انرژی الکتریکی به طور قابل توجهی افزایش یافت.

در سال 2005، Dalmine یک کنتور آب نصب کرد که هدف آن ارتباط پایداری قوس با کمیت و کیفیت آب خنک‌کننده الکترود بود. مشخص شد که رسانایی الکتریکی آب اندازه‌گیری شده در سال 2005 برابر با µS/cm 1300 است که 10 برابر بیشتر از آب معدنی معمولی است. بر این اساس، Dalmine سعی کرد از آب غیر معدنی (با رسانایی الکتریکی حدود µS/cm60) برای سیستم خنک‌کننده الکترود استفاده کرد. این آزمایش موفقیت آمیز بود: آنها به بهبود قابل توجهی در پایداری قوس دست یافتند.

از آنجایی که استفاده از آب غیر معدنی گران بود و در دسترس نبودن آن کافی نبود، سپس این محلول را کنار گذاشتند و با توقف آب معمولی صنعتی در حین تخلیه و در اوایل دوره ذوب آن را جایگزین کردند. جریان خنک کننده آب الکترود در طول بقیه گرما روشن شد. تا آگوست 2006، دالمین از خنک کننده مستقیم الکترود استفاده می کرد که از 60 درصد دوره ذوب و در مرحله پالایش شروع می شد. دبی حدود 12 لیتر در دقیقه در هر فاز بود.

در آگوست 2006، Dalmine شروع به وارد کردن هوا به مدار هیدرولیک با هدف کاهش هدایت الکتریکی آب در لوله کرد. علی­رغم نتایج دلگرم کننده اولیه، فشار هوا ناسازگار و بسیار پایین بود. بعدها، Dalmine ایده اختلاط نیتروژن را که در فشار بالاتر و بسیار پایدارتر در دسترس است، با آب در فشار 4 بار مطرح کرد. همین فشار به آب نیز وارد شد. این اصلاح با نصب یک اتصال لوله Y قبل از لوله انعطاف پذیر انجام شد. سرعت جریان نیتروژن از طریق دریچه­های متناسب تنظیم شد. سپس سرعت جریان آب به 18 لیتر در دقیقه در هر فاز افزایش یافت، در حالی که سرعت جریان نیتروژن حدود 100 لیتر در دقیقه در هر فاز است. در این میان کیفیت آب بهبود یافته و هدایت الکتریکی آن در حدود µS/cm 500-1000 است که به طور قابل توجهی کمتر از µS/cm 1300 اندازه‌گیری شده در سال 2005 است.

با این پیاده سازی، پایداری الکتریکی به طور قابل توجهی بهبود می­یابد. در نتیجه Dalmine به کاهش قابل توجهی هم در مصرف الکتریکی خاص و هم در نرخ شکست الکترود دست یافت. علاوه بر این، آنها می­توانند سیستم خنک کننده آب الکترود را روی تمام گرما اعمال کنند. این یک دستاورد بزرگ از سوی تیم Dalmine بود.

اندازه‌گیری‌های الکتریکی GRAFTECH

پس از اصلاحات موفقیت آمیز Dalmine، در سپتامبر ،2010 GTI اندازه گیری­هایی را روی کوره ذوب برای بررسی اثر EDC بر پایداری قوس انجام داد.

نتیجه اندازه گیری­ها در زیر خلاصه می شود:

سه گرما را به شرح زیر ثبت کردیم:

1 – حرارت 905216 با EDC ON (آب و نیتروژن)

2 – گرم کردن 905217 با EDC OFF

3 – گرم کردن 905218 با EDC ON (فقط آب)

تصور این است که با EDC ON (آب و نیتروژن) و EDC OFF هیچ تفاوت قابل توجهی هم در ضریب اعوجاج و هم در ضریب شدت ارتعاش وجود ندارد.

وقتی Dalmine از EDC ON (فقط آب) استفاده کرد، هم ضریب اعوجاج و هم ضریب شدت ارتعاش به طور قابل توجهی نسبت به شرایط قبلی افزایش می یابد و کوره بسیار “متشنج” به نظر می رسد.

صرفه جویی با راه حل DALMINE

(الف) بیشتر پیشرفت در Dalmine به دلیل تزریق نیتروژن به آب است. مخلوط N₂-آب، که برای خنک کاری الکترود گرافیتی در قسمت ستون ها استفاده می‌شود، منجر به کاهش رسانایی الکتریکی آب شد و به Dalmine اجازه داد تا از سیستم خنک‌کننده آب الکترود در تمام گرما بدون ناپایداری عمده در قوس استفاده کند. کاهش شکست الکترود قابل توجه بود و آنها کاهش مصرف انرژی الکتریکی را در محدوده 30 کیلووات ساعت بر تن برآورد کردند.

ب) علاوه بر این اصلاح، Dalmine توانست برنامه ذوب را بهینه کند.

اثر مثبت دیگر نصب بازوهای رسانا جدید در سال 2009 بود.

در مقایسه با وضعیت سال 2005، Dalmine به لطف شرایط(الف) و (ب) به صرفه جویی­های متعدد در کوره ذوب دست یافته است:

– کاهش طول اکسیداسیون الکترود گرافیت از 2.4 متر به 1.6 متر.

– کاهش مصرف الکترود در محدوده 15 درصد.

– نسبت شکستگی کمتر: کمتر از 3 شکست الکترود در ماه.

– کاهش 30 کیلووات ساعت بر تن در مصرف انرژی الکتریکی.

چرا فقط برخی از کوره ها متحمل این اثر می­شوند؟

ما پاسخ روشنی برای این سوال نداریم اما چند ایده ارائه می دهیم:

1. تجربه Dalmine نشان می‌دهد که پاشش آب مخلوط با گاز (هوا یا N₂) نسبت به سیستم فشار پایین‌تر رایج سوراخ‌های حلقه فلزی اطراف الکترود برتری دارد. ترکیب گاز/آب احتمالاً منجر به شکسته شدن آب به قطرات قبل از رسیدن به سطح گرافیت می شود.

تکانه هر قطره شاید آنقدر کم باشد که انعکاس کمی از گرافیت وجود داشته باشد. در مقابل، همانطور که اغلب دیده می­شود، یک منبع بدون گاز از یک سری سوراخ می­تواند منجر به انعکاس از الکترود شود. چنین آب منعکس شده­ای می­تواند منجر به ریزش قطرات بزرگ به داخل کوره شود. اینها قبل از رسیدن به ناحیه قوس کمتر تبخیر می­شوند. علاوه بر این، مخلوط گاز/آب احتمالاً هدایت الکتریکی مستقیم را از الکترود به حلقه حذف می کند.

2. جریان رو به بالا گازها در داخل کوره ممکن است به اندازه کافی قدرتمند باشد تا از رسیدن قطرات آب به منطقه قوس جلوگیری کند. ما مشاهده کرده‌ایم که سرعت رو به بالا گازهای خروجی از پورت‌های الکترود به طور گسترده از کوره‌ای به کوره دیگر متفاوت است.

3. تخلخل گودال حفره در ضایعات ممکن است به بخار آب اجازه دهد راحت­تر پراکنده شود و با قوس معمولی تداخل نداشته باشد.

4. تجمع بر روی الکترودها در سطح پایین­تر جریان آب ممکن است قطرات آب را به خارج از گودال منحرف کند.

5. در واقع ممکن است این اثر وجود داشته باشد اما توسط فولادساز جدی گرفته نشود.

ما نمی­توانیم توضیحی برای تجربه مثبت Dalmine در کاهش رسانایی الکتریکی آب بدهیم، اما برآورد جریان عبوری از الکترود به حلقه فلزی در اینجا مورد توجه است:

یک جت کم فشار معمولی دارای قطر 5 میلی­متر است و ممکن است حدود 5 سانتی متر بین حلقه فلزی و الکترود عبور کند. اگر حلقه فلزی در پتانسیل زمین باشد و الکترود مثلاً در 600 ولت بالاتر از زمین باشد، ممکن است جریانی در حدود 130 آمپر از هر جت به حلقه با آب رسانایی S/m 1300 جاری شود. این جریان ممکن است بر فرسایش سوراخ و کیفیت جریان تأثیر بگذارد. با این حال، اگر حلقه در پتانسیل بازویی باشد، جریان بسیار کمتر خواهد بود. با این وجود، برای کوره مورد مطالعه Kratkai، حلقه به بازوی رسانا پیچ شد. پس از جدا کردن یک حلقه استفاده شده، مشخص شد که جریان از طریق اتصال بازو جریان داشته است. منبع جریان مشخص نیست، اگرچه رسانایی ناشی از گازهای داغ و یونیزه ممکن است درگیر باشد.

همچنین ممکن است که مواد معدنی موجود در آب بر دمای لیدن-فراست تأثیر بگذارند و بخار کمتری در این سطح تولید کنند و اجازه دهند مایع بیشتری به منطقه قوس بریزد. متناوباً محتوای بالای مواد معدنی ممکن است بر کشش سطحی و در نتیجه قطر قطره‌هایی که به داخل کوره می‌ریزند تأثیر بگذارد.

خلاصه

برای برخی از کوره‌های قوس الکتریکی در سیستم خنک کاری الکترود گرافیتی خنک‌کننده آب برای الکترود می‌تواند باعث کاهش پایداری الکتریکی شود. برای توضیح این مشاهدات، فرضیه‌ای بر اساس تأثیر هیدروژن بر قوس ارائه کرده‌ایم. پس از اصلاحات در منبع آب برای خنک‌سازی الکترود، کوره Dalmine ، پایداری الکتریکی را کاهش داد که منجر به افزایش شکست الکترود و افزایش مصرف انرژی شد. دو اصلاح این مشکل را بهبود بخشید: حرکت به سمت آب غیر معدنی (اما این بسیار گران است) و در نهایت استفاده از ترکیبی از N₂ و آب.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه الکترود گرافیتی با گروه تخصصی ویستا آسمان در تماس باشید.