عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی و اثر جفت شدن مکانیکی آنها بر دینامیک کوره قوس الکتریکی

عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی در کوره قوس الکتریکی (EAF) که توسط AC تغذیه می‌شوند به دلیل چندین پدیده مکمل یکدیگر هستند به‌ویژه در مرحله اول فرآیند ذوب، یعنی به اصطلاح سوراخ‌ سوراخ شدن (کنگره ای شدن) و در مورد ذوب قراضه شکست ­های غیرمنتظره الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی اغلب در نتیجه ارتعاش مشاهده می شود. عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی توسط کنترل موقعیت عمودی دکل که از الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی حمایت می کند و توسط نیروهای لورنتس که توسط شار مغناطیسی ایجاد شده توسط هر فاز الکتریکی ایجاد می شود، اعمال می شود. علاوه بر این، توزیع نامنظم سختی در امتداد الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی، که به دلیل حساسیت خواص مواد بر دما است، بر پاسخ عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی این ساختار بسیار تأثیر می‌گذارد. برای شناسایی منشاء گسیختگی‌های مشاهده‌شده و پیش‌بینی مناسب عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی برای کل سیستم، یک مدل‌سازی انجام شد. یک مدل عددی از ساختمان کوره قوس الکتریکی، با تکیه بر یک رویکرد یکپارچه بر اساس روش اجزای محدود و عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی چند بدنه ساخته شد، سپس در یک کارخانه موجود اعتبار سنجی اولیه انجام شد. نشان داده شد که اثر سفت شدن الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی ناشی از توزیع دما، عملکرد کنترل موقعیت عمودی را هنگامی که خیلی سریع اعمال می‌شود خطرناک می‌کند و حالت‌های خمشی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی را تحریک می‌کند. مدل عددی به اصلاح طراحی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی و بهبود ضریب ایمنی و همچنین یافتن برخی الزامات طراحی برای محدود کردن مناسب عملکرد سیستم کنترل موقعیت اجازه داد.

1- معرفی:

عملکرد کوره قوس الکتریکی (EAF) که توسط جریان AC برای فرآیند ذوب فولاد تغذیه می شود، گاهی اوقات برخی از آسیب های غیرمنتظره الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی را نشان می دهد که نتیجه ارتعاش است [1، 2]. علاوه بر این، پیش‌بینی مؤثر از پویایی (عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی) رفتار الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی نسبتاً دشوار است. عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی در سیستم کوره قوس الکتریکی نتیجه برهم نهی عمل کنترل اعمال شده توسط یک محرک هیدرولیکی واقع در پایین بازوی الکترود است. به ترتیب بازو و الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی پشتیبان ستون [3، 4] و نیروهای الکترومکانیکی اعمال شده در بین الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی به دلیل اعمال نیروی لورنتس (Lorentz action) ناشی از میدان مغناطیسی تولید شده توسط هر فاز الکتریکی است [5]. در واقع الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی و تکیه گاه ساختاری آن نقش یک سیم پیچ بزرگ را ایفا می کند که توسط جریان تغذیه می شود و یک شار مغناطیسی متغیر که با دو فاز دیگر برهم کنش دارد را ایجاد می کند. این پدیده مسئول رفتار نامنظم قوس الکتریکی است که جهت آن به طور ناگهانی تغییر می کند و در نتیجه باعث ایجاد تغییراتی در قوس الکتریکی می شود.

جریان و ولتاژ نظارت شده برخی از پدیده های مکانیکی- الکترونیکی پیش بینی شده توسط نیروی لورنتس در مورد اعمال میدان مغناطیسی به هادی تغذیه شده توسط جریان، به دلیل القای مغناطیسی متقابل در بین فازها اعمال می شود. علاوه بر این، یک رفتار نامنظم توان الکتریکی که به دلیل پدیده ارتعاش (لرزش) است، حتی ممکن است ایجاد شود [6-8].

برای اطمینان از رسانایی بالا در الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی معمولاً از گرافیت برای ساخت آنها استفاده می شود [9، 10]. گرافیت حساسیت خاصیت ارتجاعی خود را نسبت به دما نشان می دهد. مدول یانگ در این ماده با پیرویدرست برعکس مواد دیگر مانند فولاد است (که با افزایش دما ضریب الاستیک آن کاهش می‌یابد)، در نتیجه با دما افزایش می‌یابد. در کوره قوس الکتریکی این پدیده مشهود است زیرا تفاوت بین دمای مشاهده شده در گیره که بازو و الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی را به هم متصل می کند حدود 200 درجه سانتیگراد است و دمای اندازه گیری شده در نوک آن که نزدیک به 2500-3000 درجه سانتی گراد است. این طیف وسیعی از مقادیر به توزیع نامنظم سفتی موضعی مقطع الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در امتداد محور آن تبدیل می‌شود. این پدیده ممکن است بر پاسخ عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی انعطاف پذیر تأثیر بگذارد، بنابراین دامنه جابجایی نوک در داخل کوره و فرکانس حالت های ارتعاش را تغییر می دهد.

نقش رفتار ترمومکانیکی گرافیت بر عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی در کل سیستم تاثیر می گذارد. در این مقاله یک تحلیل مودال برای ساختار کوره قوس الکتریکی با استفاده از روش المان محدود (FEM) انجام شد. سپس رویکرد دینامیک چند جسمی (MBD) برای پیش‌بینی پاسخ عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی در طول فرآیند ذوب و توزیع بارهای دینامیکی، در حضور عمل کنترل عمودی و نیروهای الکترومکانیکی ناشی از سه فاز و قوس مورد استفاده قرار گرفت [11] . این بررسی کاملاً با برخی از نیازهای فوری طراحان صنعتی کوره قوس الکتریکی مطابقت دارد که هدف آنها تعیین اندازه مناسب الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در برابر خرابی های ناشی از اثرات ترمومکانیکی است. یک اندازه‌گیری تجربی بر روی یک کوره قوس الکتریکی عامل امکان تشخیص توزیع دما را در یک مثال معمولی از الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی گرافیتی که در حال استفاده هستند را می دهد و سپس پدیده سفت شدن رخ داده در ماده گرافیت، به دلیل افزایش دما، با استفاده از حالت FEM بررسی می‌شود.

2- شرح و مدل سازی سیستم:

سیستم کوره قوس الکتریکی AC که در اینجا مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است از سه ساختار اصلی تشکیل شده است که هر کدام مربوط به فاز الکتریکی مدار است (شکل 1). هر فاز شامل یک دکل ستون، یک بازو و یک الکترود گرافیتی است.

ستون دکل توسط یک سیستم کشویی پشتیبانی می‌شود که امکان حرکت عمودی را فراهم می‌کند و به یک محرک هیدرولیکی متصل می‌شود که در عمل بالابری است که کنترل موقعیت عمودی را با هدف ثابت نگه داشتن اندوکتانس الکتریکی در قوس، با تنظیم شکاف بین الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی را نبست به نوک و قراضه یا فلز مذاب به ترتیب در دست دارد. دکل و بازو به طور صلب توسط یک فلنج پیچ شده از قبل بارگذاری شده و چندگانه به هم متصل شده اند که سر دکل را تشکیل می دهد. جریان الکتریکی از طریق کابل های متصل در انتهای بازو به الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی می گذرد. الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی از عناصری تشکیل شده اند که توسط مغذی هایی به هم متصل شده اند. بازو و الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی با استفاده از نوعی گیره رسانا به هم متصل می شوند که آن را به صفحه تماس رسانای الکتریکی وصل می کند که به قسمت جلویی بازو متصل است. جریان الکتریکی از طریق کابل های متصل در انتهای بازو به الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی می گذرد. هر الکترود گرافیتی کوره قوس الکتریکی از عناصری تشکیل شده است که توسط مغذی ها به هم متصل شده اند. بازوهای رسانای معمولی توسط یک لایه دوگانه خارجی ساخته شده از مس و فولاد و یک ساختار فولادی داخلی پشتیبانی می‌شوند. جریان آب خنک کننده از طریق کانال داخل بازو تامین می شود و امکان کنترل دمای بازو را فراهم می کند. برای ارائه تصوری از ساختار، یک ساختار بدون بعد در اینجا به اختصار توضیح داده شده است. به عنوان مرجع، قطر الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی گرافیتی، D (یک عدد بدون واحد)، انتخاب شد. در این آزمایش، طول الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی 80D، بازو 100D است، در حالی که طول دکل از 80D تا 150D متغیر است. مقطع عرضی بازوی مستطیلی و لوله ای شامل دو لایه است که یکی از مس و دیگری فولادی است. حداکثر اضلاع کل بخش به ترتیب7D و 10D است، درصد مس در داخل و مساحتی که آب از آن عبور می کند، توسط برخی توافق نامه های عدم افشای پوشش داده می شود. ستون دکل دارای بخش مستطیلی است که اضلاع آن به ترتیب 10D و 14D است. الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی معمولاً در فاصله 12D تا 16D قرار دارند، درواقع همه ی این ها بسته به پیکربندی واقعی مورد به مورد اجرا شده اند. فاصله بین الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی و ضایعات در محدوده 0.5D تا 1.5D قرار می گیرد. مورد آزمایش شده اندوکتانس هر الکترودگرافیتی کوره قوس الکتریکی را تا 36 پوند نشان می دهد. ولتاژ نامی برای هر فاز الکتریکی بالای 1000 ولت است. موقعیت غلتک ها در امتداد محور دکل هستند (شکل 3). معمولاً دو مجموعه غلتک برای اطمینان از موقعیت پایدار دکل برای هر مقدار طول بدست آمده در طول استقرار مورد نیاز است. فعالیت مدل‌سازی به دلیل نیاز به معرفی عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی بدنه‌های صلب و انعطاف‌پذیر، نیروهای الکترومکانیکی، عمل کنترل موقعیت عمودی و تماس بین اجزای سیستم لغزشی نصب شده در دکل، نسبتاً دشوار بود. مدل یکپارچه FEM-MBD توسط نویسنده در [3، 4، 11] توسعه یافته و به تفصیل شرح داده شده است و در اینجا خلاصه شده است. برای تجزیه و تحلیل پاسخ دینامیکی ساختاری، یک تحلیل مودال اولیه با استفاده از FEM با مدل‌سازی دو طرح‌بندی فاز مرکزی و جانبی سیستم EAF، به ترتیب انجام شد (شکل 2). گسسته سازی ایجاد شده در کد FEM سپس به یک کد دینامیک چند جسمی(MBD) وارد شد تا یک مدل یکپارچه و جفت شده ایجاد شود (شکل 3). در این محیط معادلات تعادل عملکرد دینامیکی الکترود گرافیتی در حوزه زمان ادغام شدند، بنابراین امکان تجزیه و تحلیل عمیق‌تر از اثرات کنترل فعال، انعطاف‌پذیری سازه‌ها و جفت الکترومکانیکی را فراهم کردند. آنالیز مودال ابتدا روی یک کارخانه به تایید رسید. آزمایش‌ها بر اساس آنالیز مودال انجام شد که از طریق چندین شتاب‌سنج توزیع شده روی سه عنصر اصلی ساختار EAF (دکل، بازو، الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی) انجام شد و تحریک در دو مجموعه آزمایش توسط محرک هیدرولیکی و از طریق سیستم میز چرخشی که برای جایگزینی استفاده می‌شد، انجام شد. الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی به ترتیب با توجه به داده های تجربی ثبت شده، به روز رسانی اولیه ضرایب سختی و میرایی انجام شد. با این وجود، شایان ذکر است که در آن آزمایش‌ها اثرات ترمومکانیکی وجود نداشت، زیرا کارخانه از کار افتاده بودند.

در کد MBD، مدلی از مدار الکتریکی متصل کوره قوس الکتریکی برای بررسی نقش القای متقابل بین جریان‌های سه فاز الکتریکی و پیش‌بینی نیروهای الکترومکانیکی اعمال‌شده به سازه‌ها به طور یکنواخت گنجانده شد. این مدل چندین رویکرد ارائه شده در ادبیات را در نظر گرفت، از جمله اثر مدار قدرت خارجی ، اندوکتانس کوره قوس الکتریکی و نیروی کنترل.رفتار قوس مدل‌سازی شد ، با این فرض که تخلیه هرگز پیوسته نیست ،به طور تصادفی و به ویژه در طول سوراخ سوراخ شدن تغییر می‌کند، زمانی که ضایعات جامد در کف کوره است. حرکت آب خنک کننده در داخل بازو نادیده گرفته شد، اگرچه اینرسی آن از نظر توزیع وزن در طول بازو در نظر گرفته شد. جزئیات در ادامه شرح داده شد.

فرکانس های طبیعی و اشکال شش حالت ارتعاش اول از طریق FEM برای برخی مقادیر ارتفاع سیلندر محاسبه شد. فرکانس این شش حالت تقریباً بین 1 تا 20 هرتز است. یک مسئله مهم در فعالیت مدل‌سازی، توصیف برخی اتصالات، مانند سر دکل و گیره الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی و تماس بین ستون و غلتک‌ها در سیستم لغزشی بود. با استفاده از عناصر سخت و فنری برای اتصالات مکانیکی و عناصر فنری ویژه که فقط در حالت فشرده سازی فعال هستند، برای تماس بین غلتک و دکل انجام شد.

 اعتبار سنجی اولیه کل مدل یکپارچه با مقایسه پیش‌بینی عددی جابجایی‌های سر دکل، اتصال الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی و انتهای بازو و برخی اندازه‌گیری‌ها با استفاده از چند حسگر موقعیت لیزری روی کارخانه واقعی انجام شد . توافق حداقل از نظر ترتیب بزرگی جابجایی خوب بود، به طور معمول در نوک الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی متشکل از 6-7 سانتی متر در طول چندین متر از کل الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی، اگرچه برخی از تفاوت ها تا 30٪ مقادیر واقعی تشخیص داده شد. در اینجا فقط تخمین زده می شود . این عمدتاً به دلیل پیش‌بینی دشوار اثرات ارتعاش و لرزش جریان، القای متقابل، و دما و اثرات میرایی سازه‌ها و اصطکاک در تماس‌ها بود. در این مقاله، تحلیل خاصی از اثرات دما بر روی ماده گرافیت به عنوان بخشی از کل فعالیت انجام شده پیشنهاد شده است.

3- اهداف تحقیق:

طول قوس الکتریکی یک مسئله کلیدی در طراحی کوره قوس الکتریکی است زیرا جریان و ولتاژ در سراسر قوس باعث بازده فرآیند در عملیات می شود. این طول به جابجایی نوک الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی بستگی دارد. بنابراین اولین هدف از فعالیت، مقایسه بین پاسخ عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در حضور و بدون اثر سفت شوندگی و ازدیاد طول ناشی از گرادیان دما در امتداد محور آن بود. به طور خاص، پیش‌بینی جابجایی نوک الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در عملیات به عنوان یک نتیجه مرتبط از این بررسی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. منشأ برخی از گسیختگی‌ها و ترک‌هایی که در سرویس روی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی ظاهر می‌شوند، نیازمند تحلیل عمیق‌تری از توزیع تنش در امتداد محور الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در حضور یک اثر ترمومکانیکی است. شواهد مربوط به آسیب دیدگی به ترتیب در متناظر ناحیه نزدیک به سیستم گیره و در دهانه میانی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی یافت شد.

4-خواص الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی:

یک تجزیه و تحلیل اولیه جهت شناسایی خواص اصلی گرافیت مورد استفاده در الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی انجام شد [9]. استحکام کششی استاتیکی اعلام شده توسط تامین کننده الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی 10-20 مگاپاسکال، برای قطر 250 تا 800 میلی متر است. بسته به محصول خاص، ضریب انبساط حرارتی در 100 درجه سانتیگراد از  0/15 الی  0/60 در ^6- 10 بر درجه سانتی گراد اما این مقدار با دما از 100 تا 2500 درجه سانتیگراد مطابق قانون نشان داده شده تغییر می کند. در شکل 4 در دمای 3350-3700 درجه سانتیگراد تصعید گرافیت رخ می دهد. خواص الاستیک حتی با دما تغییر می کند. مدول یانگ با دما به صورت زیر افزایش می یابد:

و حتی ضریب پواسون که کشش جانبی سطح مقطع را تنظیم می کند، از قانون مشابهی پیروی می کند. در مورد الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی نظارت شده، مقدار مرجع مدول یانگ E = 13800 مگاپاسکال، ضریب پواسون m = 0.15 است.

توزیع تنش و کرنش در تمام ساختارهای الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی به شدت تحت تأثیر این تغییرات قرار می گیرد. طبق معمول در ساختارهای متقارن محور، سه جهت اصلی قابل تجزیه و تحلیل جهت محوری، شعاعی و محیطی است. می توان مشاهده کرد که نیروی مکانیکی و الکترومکانیکی عمدتاً یک ممان خمشی یا در صفحه XY یا yz و گشتاور را در اطراف محور الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی اعمال می کند (با فرض اینکه چارچوب مرجع همان چیزی است که در شکل 3 توضیح داده شده است). پارامترهای حرارتی در تمام جهات اعمال می شود زیرا آنها یک کرنش حرارتی ایجاد می کنند. متناسب با گرادیان دما و ضریب انبساط حرارتی است. با توجه به تئوری مکانیک پیوسته، می‌توان گفت که تنش‌های حرارتی مستقیماً از طریق گرادیان‌های دما در امتداد جهت‌های محوری (y)، شعاعی (r) و محیطی (c) الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی به دما بستگی دارد:

با تغییرات دما هم خواص مواد و هم کرنش ها به پروفیل دمای داخل سیستم بستگی دارد. الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی به‌اصطلاح تقارن محوری را نشان می‌دهند، یعنی خواص و شرایط بارگذاری در سطح مقطع در امتداد محیطی که می‌تواند برای یک شعاع معین تعریف شود، درحالی که تغییر نمی‌کند. با این وجود، در اینجا دما ممکن است توزیع نامنظمی را به دلیل محل الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در داخل کوره نشان دهد همانطور که در تحقیقات دیگر نشان داده شد . حتی مهمتر از آن، توزیع به ترتیب در امتداد شعاع و محور است. به طور خاص، در امتداد محور، اثرات سراسری گشتاور و خمش بر تنش‌های حرارتی بالا توضیح می‌دهد.  تجزیه و تحلیل دقیق هر دو توزیع دما دشوار و حتی خارج از اهداف فعالیت مدل سازی اولیه انجام شده به نظر می رسید. تحقیقات عمیق‌تری در مورد اثرات دما در امتداد جهت محوری انجام شد، در حالی که نتایج جهت شعاعی فقط از نظر بحث در مورد نتایج عددی در نظر گرفته شد، زیرا اندازه‌گیری مستقیم توزیع شعاعی دما در داخل الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی بسیار دشوار است. شایان ذکر است که در جهت محوری دو اثر با تغییرات دما مرتبط است. کرنش حرارتی منجر به افزایش طول الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی می شود. سفتی خمشی هر مقطع الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی با مدول یانگ، E و ممان دوم مساحت (یعنی به اصطلاح اینرسی عرضی مقطع، I = pD4/64) متناسب است. برای یک لحظه خمشی مشخص، ازدیاد طول محوری موضعی ناشی از خمش کاهش می‌یابد، اما حتی فرکانس حالت ارتعاش مربوطه تغییر می‌کند. علاوه بر این، افزایش مقدار ضریب پواسون با افزایش دما با انقباض جانبی ساختار الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی همراه است. این پدیده مرتبط با تنش حرارتی رخ داده در داخل مقطع منجر به یک اثر انقباض موضعی می‌شود که عمدتاً توسط تنش محیطی ناشی از یک توزیع غیریکنواخت شعاعی دما اعمال می‌شود. این حتی بر مقدار واقعی اینرسی تأثیر می گذارد زیرا قطر سطح مقطع حاصل کاهش می یابد، بنابراین تأثیر سختی خمشی بر انحراف الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی تغییر می کند.

5- توزیع دما در طول الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی:

توزیع دما در طول الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی را هنگامی که فرآیند ذوب در شرایط اولیه قرار دارد و گرمایش اولیه کل الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی تکمیل شده است، توصیف می‌کند [28-30]. به ویژه، اگر تصعید مواد هنوز اتفاق نیفتاده باشد، الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی حداکثر طول خود را نشان می دهند. تحت این فرض، دامنه دما بین گیره و نوک الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در شرایط عملیاتی در وسیع ترین حالت ممکن به نظر می رسد، در حالی که این تفاوت با کوتاه شدن الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی کاهش می یابد. اندازه گیری اولیه دما در امتداد الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی توسط یک شریک صنعتی با استفاده از یک پیرومتر مادون قرمز Minolta Land Cyclops 150 انجام شد و سپس نتایج به تفصیل شرح داده شد. توزیع متوسط ​​مقادیر دما که در برخی از اندازه گیری ها یافت می شود تقریباً خطی است و با برخی دیگر از نتایج موجود در این مقاله سازگار است (شکل 5). اگر دمای گیره به عنوان یک مرجع (Tref) در نظر گرفته شود، نسبت بین دمای موضعیT و مرجع را می توان به عنوان تابعی از ارتفاع نسبی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی رسم کرد و به عنوان بخش کنسولی بین گیره و نوک تعبیر می شود و توزیع مدول یانگ را می توان یافت که مقادیر آن با مقایسه ضریب الاستیک افزایش یافته و با مقدار Tref که بی‌بعد است مور مقایشه قرار می گیرد. شکل 5 مقادیر مدول یانگ در کوره قوس الکتریکی نظارت شده و نسبت T/Tref را نشان می دهد. شایان ذکر است که گرادیان دما در امتداد محور الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی مشهود است و خواص الاستیک تا 25 درصد از شرایط مرجع تغییر می کند.

6- تجزیه و تحلیل دینامیک چند جسمی:

مدل عددی توسعه‌یافته در تحقیقی مشابه با معرفی اثراتی که در بالا توضیح داده شد به روز شد و جابجایی‌های نوک الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی عمدتاً در برخی شرایط بارگذاری مقایسه شدند. گسسته سازی ایجاد شده در کد FEM به کد دینامیک چند جسمیADAMS (MBD) وارد شد تا یک کد یکپارچه ایجاد شود. مدل جفت شده، شبیه شکل 3 است. معادلات تعادل عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی در حوزه زمان با اثرات کنترل موقعیت عمودی، انعطاف پذیری سازه ها و جفت الکترومکانیکی ادغام شدند. فرکانس های طبیعی و شکل های شش حالت اول از طریق FEM برای مقادیر مختلف حرکت سیلندر و برای هر دو فاز مرکزی و جانبی EAF که در شکل 3 نشان داده شده است، محاسبه شد. ترکیبی از رفتارهای ساختاری در هر حالت مشاهده شد. حالت 1 شامل یک رفتار خمشی-پیچشی همراه دکل است که یک خمش جانبی مرتبط با پیچش را نشان می دهد، در حالی که الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در امتداد جهت بازو خم می شود. حالت 2 خمش جلویی دکل را در صفحه XY نشان می دهد، در حالی که الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی رفتار خمشی خود را نشان می دهد. حالت 3 شامل خمش جانبی دکل، در صفحه zy است، در حالی که الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی تقریباً مانند یک آونگ صلب رفتار می کند. خمش اصلی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در صفحه XY در حالت 4 رخ می دهد، در حالی که حالت 5 یک رفتار خمشی-پیچشی همراه با پیچش بزرگتر دکل را نشان می دهد. حالت 6 با خم شدن جلوی دکل و بازو در صفحه XY همراه است. فرکانس آن 6 حالت در محدوده 1 تا 20 هرتز گنجانده شده است و به ارتفاع ستون بستگی دارد.

یک بررسی اولیه که با استفاده از کد MBD آدامز انجام شد، تطابق نسبتاً خوبی بین مقادیر ولتاژ و جریان پیش‌بینی‌شده با رویکرد عددی و مقادیر اندازه‌گیری‌شده در مورد آزمایش، حتی در مورد اثر حرارتی مکانیکی صفر نشان داد.  با این وجود، جابجایی در نوک با توجه به شواهد ارائه شده توسط عملیات کوره قوس الکتریکی و تغییرپذیری اندوکتانس در قوس دست‌کم‌گرفته به نظر می‌رسید. به جای 70-80 میلی متر جابجایی در صفحه افقی xz، که از نظر کیفی در عملیات درک می شود، پیش بینی به 40-50٪ از این مقدار محدود شد. حتی در مورد اتصال کوتاهی که در هر چند ثانیه ذوب اتفاق می افتد نیز گنجانده شده است. شبیه‌سازی MBD به وضوح نشان می‌دهد که رفتار خمشی و پیچشی ساختار EAF در صفحه xy عمدتاً توسط جابجایی عمودی اعمال‌شده توسط محرک هیدرولیکی برانگیخته می‌شود، در حالی که جابجایی جانبی نوک در امتداد جهت z عمدتاً به دلیل اثرات الکترومکانیکی است. این نتیجه را می توان با کاوش در برخی شرایط بارگیری از طریق کد MBD پیدا کرد. ابتدا یک ضربه قوی توسط محرک هیدرولیک بدون EMF اعمال شد. سپس واکنش به یک ضربه ناشی از EMF و مرتبط با اتصال کوتاه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. می توان دریافت که فرکانس پاسخ عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی حرکت نوک در امتداد جهت های x و z، برای هر دو حالت بارگذاری، هنگامی که اثر سفت شدن الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی معرفی می شود، به طور قابل توجهی تغییر نمی کند. این می تواند با این واقعیت ایجاد شود که الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی به نظر می رسند.

سازه اصلی متشکل از ستون دکل و بازو که به شدت بر مقادیر فرکانس حالت های ارتعاش تأثیر می گذارد می باشد. جابجایی نوک به طور قابل توجهی تا 130 تا 140 درصد مقادیر واقعی افزایش می یابد. قابل توجه است که فاز جانبی بیش از فاز مرکزی در هر دو جهت تحت تأثیر اعمال خارجی قرار می گیرد. بنابراین حتی تغییر دامنه جابجایی بیشتر از فاز مرکزی مشهود است. فاز مرکزی دامنه بزرگتری از حالت خمشی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی را نشان می دهد و جابجایی نوک تا 160 درصد مقادیر مشاهده شده در حالت واقعی می رسد. شایان ذکر است نتایج عددی در مورد عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی تحت تأثیر ترمومکانیکی و ارائه شده توسط مدل MBD منجر به داشتن جابجایی نوک بزرگ‌تر از اثر تهی می‌شود و دو برابر آن دامنه؛ این تفاوت به این دلیل است که کل عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی تحت تأثیر تعامل بین عناصر ساختاری است. جالبتر این است که مقادیر مشاهده شده در عملیات کوچکتر از پیش بینی های عددی هستند. توضیح عمیق‌تر نتایج مرتبط با چندین آزمایش عددی باعث می‌شود متوجه شویم که این نتیجه به دلیل ضرایب میرایی و اصطکاک تنظیم‌شده در مدل MBD است که هرگز کاملاً بر روی رفتار واقعی سیستم تنظیم نمی‌شود، به‌ویژه در مورد گرادیان حرارتی در طول الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی که نقش مهمی در تشخیص عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی دارد. علاوه بر این، رفتار واقعی تحت تأثیر عمل موضعی تنش های حلقه ای و شعاعی قرار می گیرد که در اینجا فقط تا حدی در نظر گرفته شده است. با این وجود، ذکر این نکته حائز اهمیت است که نتایج عددی بدون اثر ترمومکانیکی تحت تخمین اثرات همه پدیده‌های روی هم قرار گرفته و مقادیر مربوط به جابجایی نوک به دست می‌آیند، در حالی که مدل تصفیه‌شده که شامل کوپلینگ ترمومکانیکی است، رفتار واقعی را بیش از حد برآورد می‌کند. این تقریب ها حداقل به تعریف محدوده ای از مقادیر برای جابجایی نوک سازگار با آزمایش ها و انجام چندین بررسی برای ارزیابی طراحی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی اجازه می دهد (شکل 6 و 7).

7- نتیجه گیری:

پیش بینی رفتار مکانیکی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی و متعاقبا پایش عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی بسیار دشوار است. میرایی، اصطکاک، دما، مقاومت الکتریکی و ضریب جفت الکترومکانیکی با اثرات میدان مغناطیسی، فعالیت مدل‌سازی را بسیار سخت می‌کند. با این وجود یک مدل اولیه از کل سیستم ساختاری با توسل به FEM و MBD انجام شد. این امکان پیش‌بینی حداقلی پاسخ عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی در حال کار، تحت اعمال کنترل موقعیت عمودی و نیروهای جانبی ناشی از القای متقابل را فراهم می‌کرد. توزیع دما در امتداد محور الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی به طور قابل توجهی بر وضعیت تنش موضعی و سختی سازه ها و بطور کلی بر عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی تأثیر می گذارد. بنابراین پیش بینی جابجایی نوک الکترود ممکن است به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار گیرد. اگرچه یک پدیده سفت شدن در داخل ماده گرافیتی رخ می دهد، اما برهم نهی ازدیاد طول حرارتی، نیروهای وزنی، تغییرات در خواص الاستیک و وجود توزیعی از اعمال الکترومکانیکی به نظر می رسد باعث ایجاد جابجایی بزرگتر نوک الکترود شود، زیرا به برخی از مقادیر شناسایی شده در عملیات نزدیک تر است در مقایسه با آنهایی که توسط یک مدل بدون کوپلینگ ترمومکانیکی پیش بینی شده است. این فعالیت امکان تعریف محدوده‌ای از مقادیر برای جابجایی نوک الکترود را فراهم می‌آورد که با آزمایش‌ها سازگار است، اگرچه یک به‌روزرسانی مدل بهتر باید برای تنظیم مناسب مقادیر ضرایب اصطکاک و میرایی انجام شود. برخی از پیشرفت‌ها در طراحی مقطع الکترودهای گرافیتی کوره قوس الکتریکی برای بررسی عملکرد دینامیکی الکترودهای گرافیتی تعریف شده‌اند، اگرچه نمی‌توان آنها را در اینجا توضیح داد تا از هرگونه افشای نامناسب در مورد فعالیت بالقوه ثبت اختراع جلوگیری شود.