"За статью проголосовало 559 человек"

ИССЛЕДОВАНИЕ  СВОЙСТВ  ГРАФИТОВОГО  ЭЛЕКТРОДА

Кузьменко  Никита  Андреевич

Самофалов  Дмитрий  Сергеевич

Акульшина  Ирина  Игоревна

студенты  кафедры  ММ  СТИ  НИТУ  МИСиС,  РФ,  г.  Старый  Оскол

Тимофеева  Анна  Стефановна

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  каф.  ММ  СТИ  НИТУ  МИСиС,  РФ,  г.  Старый  Оскол

В  настоящее  время  имеет  широкое  распространение  такая  отрасль  промышленности  как  электрометаллургия.  Одним  из  агрегатов,  выплавляющим  сталь  является  дуговая  сталеплавильная  печь.  Доля  выплавленной  в  мире  электростали  с  каждым  годом  возрастает.  Рост  связан  как  с  увеличением  количества  печей  так  и  с  их  вместимостью.  Расплавление  шихты  в  этом  металлургическом  агрегате  происходит  за  счет  электрической  энергии,  которая  подается  на  электроды,  находящиеся  в  рабочем  пространстве  печи.  При  прохождении  по  электродам  тока  между  ними  возникает  дуговой  разряд.  Электрическая  дуга  горит  непрерывно  в  процессе  плавки  и  имеет  температуру  порядка  6000  °С  [1,  с.  442]  в  виду  чего  выделяется  большое  количество  тепла  в  рабочее  пространство  печи  и  происходит  расплавление  шихтовых  материалов.  Работа  электродов  происходит  в  тяжелейших  условиях  высоких  температур.  Поэтому  в  электропечах  применяют  неметаллические  графитовые  электроды.

Графитовые  электроды  имеют  цилиндрическую  форму.  Их  получают  путем  спекания  смеси  из  пекового  кокса,  термоантрацита,  коксика,  графитированных  отходов,  каменноугольного  пека  и  каменноугольной  смолы  с  последующей  графитизацией  при  температуре  2700—2900  ^◦С  в  течение  100  и  более  часов,  после  чего  они  приобретают  необходимые  свойства  которые  являются  различными  у  разных  электродов. 

К  графитовым  электродам  предъявляются  следующие  требования:

1.  Низкая  теплопроводность.

Коэффициент  теплопроводности  λ  (Вт/(м∙К))  является  физическим  параметром,  характеризующим  способность  тела  проводить  теплоту  или  интенсивность  переноса  теплопроводности  в  веществе  и  в  общем  случае  зависит  от  температуры,  количества  подводимого  или  отводимого  теплоты,  давления,  пористости,  влажности  и  рода  вещества.  Значения  коэффициента  теплопроводности  вещества  необходимо  для  аналитического  описания  процесса  теплопроводности  в  нем.

Нами  были  выточены  из  остатков,  действующих  на  производстве  электродов  экспериментальные  графитовые  электроды  длиной  200мм  и  диаметром  35мм  (рис.  1). 

Рисунок  1.  Экспериментальные  электроды  для  определения  свойств  графита

Определение  теплопроводности  проводилось  с  использованием  метода  динамического  λ  —  калориметра  на  приборе  ИТ-  λ-400  (рис.  2). 

Рисунок  2.  Прибор  для  измерения  теплопроводности  ИТ-λ-400

В  основе  работы  прибора  лежит  процесс  монотонного  нагрева  образца  и  фиксации  перепада  температуры.

В  данной  работе  исследовали  влияние  температуры  (от  25  ⁰С  до  225  ⁰С)  графита  на  электропроводность.  Для  определения  теплопроводности  и  теплоемкости  изготовлены  цилиндрики  из  графита  (по  инструкции  к  прибору)  размерами:  H=8  мм  D=15  мм.

Для  определения  тепловой  проводимости  тепломера  К_т  провели  серию  экспериментов  с  образцом  из  стекла  из  кварца  марки  КВ  ГОСТ  15130-69  и  определили  проводимость  по  следующей  формуле: 

(1)

где:  П₀  —  перепад  температуры  на  образце,  мкВ; 

П_т  —  перепад  температуры  на  рабочем  слое  тепломера, 

мкВ;λ_кв  —  коэффициент  теплопроводности  образца  из  кварца, 

Вт/(м·К);  h_кв  —  высота  образца  из  кварца,  м;

S  —  площадь  контакта, 

м;σ_с  —  поправка  учитывающая  теплоемкость  испытуемого  образца,  рассчитываемая  по  формуле  2.

(2)

где:  С₀  —  полная  теплоемкость  испытуемого  образца  из  кварца,  Дж/К;

С_с—  полная  теплоемкость  стержня  тепломера

Данные,  полученные  при  измерении  приведены  в  таблице  1.

  Зная  тепловую  проводимость  тепломера,  можно  провести  расчет  теплового  сопротивления  тепломера  R_к.  При  определении  теплового  сопротивления  провели  ряд  экспериментов  с  образцом  из  меди.  Расчет  проводили  по  формуле  3:

(3)

где:  П₀  —  перепад  температуры  на  образце,  мкВ; 

П_т  —  перепад  температуры  на  рабочем  слое  тепломера,  мкВ;

λ_м  —  коэффициент  теплопроводности  образца  из  меди,  Вт/(м·К);

h_м  —  высота  образца  из  меди,  м;

S  —  площадь  контакта,  м; 

σ_с  —  поправка  учитывающая  теплоемкость  испытуемого  образца,  рассчитываемая  по  формуле  2;

К_т—  тепловая  проводимость  тепломера  рассчитанная  по  формуле  1.

Таблица  1.

Определение  тепловой  проводимости  тепломера  К_Т

Данные  эксперимента  приведены  в  таблице  2.

Таблица  2.

Определение  теплового  сопротивления  тепломера  R_к

Далее  произвели  уточненный  расчет  тепловой  проводимости  тепломера  К^*_т  с  учетом  среднего  значения  теплового  сопротивления  R_кпо  формуле  (4):

  (4)

где:  П₀  —  перепад  температуры  на  образце,  мкВ;

П_т  —  перепад  температуры  на  рабочем  слое  тепломера,  мкВ; 

λ_кв  —  коэффициент  теплопроводности  образца  из  кварца,  Вт/(м·К);

h_кв—  высота  образца  из  кварца,  м;

S  —  площадь  контакта,  м;

σ_с  —  поправка  учитывающая  теплоемкость  испытуемого  образца  рассчитываемая  по  формуле  2;

К_т—  тепловая  проводимость  тепломера  рассчитанная  по  формуле  1;

σ_к—  поправка  учитывающая  тепловое  сопротивление  R_к.  рассчитанная  по  формуле  (5) 

(5)

где:  R_к—  тепловое  сопротивление  тепломера; 

λ_кв  —  коэффициент  теплопроводности  образца  из  кварца,  Вт/(м·К); 

h_кв  —  высота  образца  из  кварца,  м;

Результаты  расчета  приведены  в  таблице  3.

Таблица  3.

Уточненный  расчет  тепловой  проводимости  тепломера  К^*_т.

Параметры  К^*_т  и  R_к  не  зависят  от  свойств  испытуемого  образца  и  являются  постоянными  величинами.

Коэффициент  теплопроводности  графита  определяется  по  формуле  6:

  (6)

где:  h₀  —  высота  образца,  м;

R₀  —  тепловое  сопротивление  образца  определяемое  по  формуле  (7): 

(7)

Результаты  приведены  в  таблице  4

Таблица  4.

Расчет  теплового  сопротивления  и  теплопроводности  образца

Анализируя  полученные  данные  получили  зависимость  теплопроводности  от  температуры  λ=164,8-0,063∙t  ;  R²=0,98  (рис.  3).

Рисунок  3.Зависимость  теплопроводности  графита  от  температуры

Таким  образом,  имея  заранее  температуру  графита  можно  определить  его  теплопроводность  по  полученной  формуле.  Представленная  зависимость  показывает,  что  теплопроводность  графита  уменьшается  с  увеличением  температуры.

2.  Теплоемкость  графитового  электрода.

Для  определения  теплоемкости  графита  применяли  прибор  «Измеритель  теплоемкости  ИТ-С-400»  (рис.  4). 

Рисунок  4.  Внешний  вид  прибора  ИТ-С-400

По  определению  теплоемкость  это  физическая  характеристика,которая  определяется  отношением  полученного  телом  тепла,  к  приращению  его  температуры.  В  нашем  случае  тепловой  поток  пронизывающий  образец  будет  складываться  из  двух  величин:

(8)

Q_обр  —  тепловой  поток  идущий  на  разогрев  испытуемого  образца.  Q_амп  —  тепловой  поток  идущий  на  разогрев  ампулы.  О  величине  теплового  потока  можно  судить  по  перепаду  величин  :  тепловой  проводимости  ,  и  температуре  ∆Т.  Параметр  тепловой  проводимости  К_т  является  постоянным  для  прибора,  и  зависит  лишь  от  температуры  образца.

Для  правильного  определения  К_т  необходимо  провести  градуировку  ,которая  заключается  в  проведении  опыта  с  эталонным  образцом.  Согласно  ГОСТ  859-78,  в  качестве  эталонного  образца  может  быть  выбран  медный  образец.  Тогда  расчет  К_т  будем  проводить  по  следующей  формуле:

,

где:  С_.э.обр  —  удельная  теплоемкость  эталонного  образца,  Дж/(кгК); 

m_э.обр  —  масса  эталонного  образца  ;

       —  среднее  временя  запаздывания  в  экспериментах  с  эталонным  образцом,  с; 

         —  среднее  значение  времени  на  тепломере  в  экспериментах  с  пустой  ампулой,  с.

После  калибровки  необходимо  провести  эксперимент  с  образцом  из  графита.  По  результату  эксперимента  фиксировалось  значение  запаздывания  на  тепломере.  Реальную  удельную  теплоемкость  графита  рассчитывали  по  формуле  (9) 

    (9)

где:  среднее  время  запаздывания  на  тепломере  с  образцом, 

среднее  время  запаздывания  тепломера  с  пустой  ампулой, 

m_обр  —  масса  образца  из  графита. 

Результаты  измерения  и  расчётные  данные  приведены  в  таблице  5. 

Таблица  5.

Измерение  теплоемкости  графита

Обработав  полученные  данные  с  помощью  статического  аппарата,  была  установлена  функциональная  зависимость  С_обр=f(t_обр)  (рис.5  ),  с  коэффициентами  уравнения  b_o=728,459,  b₁=0,192  и  коэффициент  корреляции  r²  =0,86,  при  заданной  вероятности  95  %. 

Рисунок  5.  График  зависимости  удельной  теплоемкости  графита  от  температуры

Функциональная  зависимость  имеет  вид  .  Зная  функциональную  связь,  мы  можем  спрогнозировать  значение  удельной  теплоемкости  графита  в  зоне  рабочих  температур.  Погрешность  нашего  измерения  оставила: 

3.  Электропроводность  графитового  электрода.

Для  измерения  удельного  сопротивления  образца  использовались  экспериментальные  электроды  (рис.  1),  которые  входили  в  электрическую  схему  (рис.  6).  На  электроде  с  торцов  его  были  прикреплены  пластинки  из  меди  по  диаметру  электрода,  для  более  точного  снятия  значений  падения  напряжения.

Рисунок  6.  Электрическая  схема  для  определения  удельного  сопротивления.  1  —  электрод  графитовый,  2  —  источник  постоянного  тока,  3  —  реостат

Об  удельном  сопротивлении  электрода  судили  по  падению  напряжения  и  перепаду  тока  в  цепи.  Изменяли  падение  напряжения  5  раз  и  находили  усредненное  значение  удельного  сопротивления  электрода  по  формуле  [1]:  ρ  =U*S/(I*l),  где  U  —  напряжение  на  электроде,  I  —  величина  тока,  S  —  сечение  электрода.  Проведя  эксперимент,  получили  следующее  значение  сопротивления  образцов  из  графита  и  удельного  сопротивления  графита.

R=  0,792  Ом;  ρ=0,015  Ом∙м

Исследуемые  свойства  полезны  в  области  электрометаллургии.  По  ним  можно  судить  о  качестве  графитовых  электродов  используемых  в  дуговой  сталеплавильной  печи,  т.  е.  электрод  должен  обладать  как  можно  меньшим  коэффициентом  теплопроводности  и  теплоемкости  для  снижения  потерь  тепла  и  окисления  поверхности  электрода  воздухом;  для  того,  чтобы  электрод  мог  выдержать  токи  большой  мощности  он  должен  обладать  низким  удельным  сопротивлением.

Список  литературы:

1.Воскобойников  В.Г.,  Кудрин  В.А.,  Якушев  А.М.  в  76  Общая  металлургия  [Текст]:  учебник  для  вузов  /  Воскобой­ников  В.Г.,  Кудрин  В.А.,  Якушев  А.М.  6-изд.,  перераб  и  доп.  М.:  ИКЦ  «Академкнига»,  2005  —  768  с:  253  ил.  ISBN  5-94628-062-7.