Статья опубликована в рамках: XIV Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 28 ноября 2013 г.)

Наука: Технические науки

Секция: Металлургия

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Кузьменко Н.А., Самофалов Д.С., Акульшина И.И. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГРАФИТОВОГО ЭЛЕКТРОДА // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XIV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 14. URL: http://sibac.info/archive/technic/8(11).pdf (дата обращения: 26.01.2020)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику


"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). 


 


Описание: C:\Users\Никита\Documents\Bluetooth Folder\20131121_132826.jpg


Рисунок  1.  Экспериментальные  электроды  для  определения  свойств  графита


 


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


 


Описание: C:\Users\Никита\Documents\Bluetooth Folder\20131121_132934.jpg


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  Кт  провели  серию  экспериментов  с  образцом  из  стекла  из  кварца  марки  КВ  ГОСТ  15130-69  и  определили  проводимость  по  следующей  формуле: 


 


(1)


 


где:  П—  перепад  температуры  на  образце,  мкВ; 


Пт  —  перепад  температуры  на  рабочем  слое  тепломера, 


мкВ;λкв  —  коэффициент  теплопроводности  образца  из  кварца, 


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


S  —  площадь  контакта, 


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


 


(2)


 


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


Сс—  полная  теплоемкость  стержня  тепломера


Данные,  полученные  при  измерении  приведены  в  таблице  1.


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


 


(3)


 


где:  П—  перепад  температуры  на  образце,  мкВ; 


Пт  —  перепад  температуры  на  рабочем  слое  тепломера,  мкВ;


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


hм  —  высота  образца  из  меди,  м;


S  —  площадь  контакта,  м; 


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


Кт—  тепловая  проводимость  тепломера  рассчитанная  по  формуле  1.


Таблица  1.


Определение  тепловой  проводимости  тепломера  КТ



t



П0,  мкВ



Пt,  мкВ



λкв,  Вт/(м·К)



С0(t),  Дж/(кг·К)



См(t),  Вт/(кг·К)



Cс





σс



КТ



25



210



42



1,342



730



385



16,181



1,278



0,037



0,323



50



210



46



1,413



770



392



16,475



1,348



0,038



0,311



75



230



50



1,426



820



396



16,643



1,435



0,040



0,317



100



330



66



1,461



840



400



16,811



1,470



0,040



0,353



125



380



76



1,492



870



403



16,937



1,523



0,041



0,361



150



400



82



1,527



895



405



17,021



1,566



0,042



0,361



175



410



90



1,571



925



406



17,063



1,619



0,043



0,347



200



430



98



1,617



950



408



17,147



1,663



0,044



0,344



225



450



106



1,665



975



410



17,231



1,706



0,045



0,343


 


Данные  эксперимента  приведены  в  таблице  2.


Таблица  2.


Определение  теплового  сопротивления  тепломера  Rк



t



П0,  мкВ



Пt,  мкВ



λм,  Вт/(м·К)



КТ



C0



σс



Cс



Rк



Rк  ср.



25



230



210



384



0,323



6,05



0,136



16,2



0,00065



0,00057



50



220



200



381



0,311



6,16



0,136



16,5



0,00068



75



200



190



379



0,317



6,23



0,136



16,6



0,00064



100



240



220



377



0,353



6,29



0,136



16,8



0,00059



125



240



230



376



0,361



6,34



0,136



16,9



0,00055



150



200



190



375



0,361



6,37



0,136



17,0



0,00056



175



140



150



374



0,347



6,38



0,136



17,1



0,00051



200



110



130



373



0,344



6,41



0,136



17,1



0,00047



225



100



120



373



0,343



6,45



0,136



17,2



0,00046


 


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


 


  (4)


 


где:  П—  перепад  температуры  на  образце,  мкВ;


Пт  —  перепад  температуры  на  рабочем  слое  тепломера,  мкВ; 


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


hкв—  высота  образца  из  кварца,  м;


S  —  площадь  контакта,  м;


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


Кт—  тепловая  проводимость  тепломера  рассчитанная  по  формуле  1;


σк—  поправка  учитывающая  тепловое  сопротивление  Rк.  рассчитанная  по  формуле  (5) 


 


(5)


 


где:  Rк—  тепловое  сопротивление  тепломера; 


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


hкв  —  высота  образца  из  кварца,  м;


Результаты  расчета  приведены  в  таблице  3.


Таблица  3.


Уточненный  расчет  тепловой  проводимости  тепломера  К*т.



t



П0,  мкВ



Пt,  мкВ



λкв,  Вт/(м·К)



σк



К*т



Кт  ср



25



210



42



1,342



0,201



0,261



0,307



50



210



46



1,413



0,083



0,286



75



230



50



1,426



0,084



0,291



100



330



66



1,461



0,086



0,324



125



380



76



1,492



0,088



0,330



150



400



82



1,527



0,090



0,330



175



410



90



1,571



0,093



0,316



200



430



98



1,617



0,096



0,313



225



450



106



1,665



0,098



0,311


 


Параметры  К*т  и  Rк  не  зависят  от  свойств  испытуемого  образца  и  являются  постоянными  величинами.


Коэффициент  теплопроводности  графита  определяется  по  формуле  6:


 


  (6)


 


где:  h0  —  высота  образца,  м;


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


 


(7)


 


Результаты  приведены  в  таблице  4


Таблица  4.


Расчет  теплового  сопротивления  и  теплопроводности  образца



t



Cс



Cгр(t)



C0



σс



П0,  мкВ



Пt,  мкВ



R0



λ



25



16,18



704



1,76



0,0491



260



340



0,0002195



163,98



50



16,47



717



1,79



0,0491



260



340



0,0002235



161,04



75



16,64



724



1,81



0,049



260



340



0,0002255



159,62



100



16,81



732



1,83



0,0491



260



340



0,0002276



158,2



125



16,94



737



1,84



0,0491



260



340



0,0002295



156,83



150



17,02



741



1,85



0,0491



250



340



0,0002311



155,75



175



17,06



743



1,86



0,0491



250



340



0,0002331



154,41



200



17,15



746



1,87



0,049



240



330



0,0002362



152,43



225



17,23



750



1,88



0,0491



240



330



0,0002402



149,88


 


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)


 


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


Для  правильного  определения  Кт  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  Кт  будем  проводить  по  следующей  формуле:


 


,


 


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


mэ.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, 


mобр  —  масса  образца  из  графита. 


Результаты  измерения  и  расчётные  данные  приведены  в  таблице  5. 


Таблица  5.


Измерение  теплоемкости  графита


 



Пустая  ячейка



Ячейка  с  графитом



Ячейка  с  медью



Табл.  данные



 



 



Т,0С



t  0,сек



tобр



t  э,сек



Cэ.обр.Дж/(кг  К)



Кт



Сгр.ДЖ/(кг  К)



25



8,48



20,6



16,5



385



0,094



723,310



50



8,25



27,29



16,8



392



0,096



736,461



75



7,08



26,1



16,9



396



0,097



743,976



100



6,18



26,62



17,2



400



0,098



751,491



125



6



26,37



17,2



403



0,099



757,127



150



5,61



26,22



17



405



0,100



760,885



175



5,61



32



17,5



406



 



762,764



200



5,3



 



 



408



 



766,521



225



5,19



 



 



410



 



770,278


 


Обработав  полученные  данные  с  помощью  статического  аппарата,  была  установлена  функциональная  зависимость  Собр=f(tобр)  (рис.5  ),  с  коэффициентами  уравнения  bo=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.

Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

Комментарии (1)

# владимир 13.01.2016 00:00
удельное сопротивление измерено не правильно,судя по схеме .И поэтому результат не соответствует действительности.Обычно УЭС для графитов составляет 10-30 мкОм*м

Оставить комментарий