چرا مصرف مکانیکی الکترودهای گرافیتی در کوره‌های قوس الکتریکی بسیار پیچیده است؟
مصرف الكترودهاى گرافيتى در دو دسته اصلى طبقه‌بندى شده است. در نوك ستون الكترود و اكسيداسيون در ديواره‌هاى الكترود.
از منظر اقتصادی در تولید فولاد با کوره‌های قوس الکتریکی، دو هزینه را می‌توان با سهولت و دقت مشخص کرد. مصرف انرژی (کیلووات ساعت به ازای هر تن فولاد) از خواندن کنتور و مصرف الکترود گرافیتی (کیلوگرم الکترود در هر تن تولید فولاد) که از تعداد یا وزن الکترود مصرفی نسبت به فولاد تولید شده در طی یک بازه زمانی مشخص می‌گردد.
مهم است بدانیم که این موارد به بسیاری از متغیرهای دیگر در فرآیند بستگی دارد؛ گرچه مطلوب است هزینه‌ها را کاهش دهیم، اما حداقل بهای تمام شده برای تولید یک تن فولاد بوسیله کوره قوس الکتریکی لزوما زمانی که kwh/ton یا Kg electrode/ton به حداقل مقدار برسد، کاهش پیدا نمی‌کند.
مصرف الكترودهاى گرافيتى در دو دسته اصلى طبقه بندى شده است. در نـوك ستون الكترود قوس زدن به سرعت در حال ايجاد جريان است و سرباره و مذاب را بدون آنكه طول ستون به صورت ناگهانى كم شود حذف می‌كند. به همين ترتيب اكسيداسيون در ديواره‌هاى الكترود باعث ايجاد حالت مخروطى و باريك شدن الكترود گرافيت می‌شود. بيش‌ترين مصرف در نوك قوس به صورت خطى يا عمودى زمانى اتفاق می‌افتد كه كوره در حال كار است، در صورتيكه اكسيداسيون در ديواره الكترود به صورت افقى و در تمام زمانى كه الكترود داغ است رخ می‌دهد. اين تركيبى از مصرف الكترود، تكنولوژيكى اســت و تا حدودى توسط عمليات كوره كنترل می‌شود.
در مقايسه با اين نوع تدريجى مصرف بر روى سطح الكترود، طول ستون الكترود می‌تواند به طور ناگهانى از طريق شكستن، شكاف و افتادن الكترود تغيير كند. علت اين نوع مصرف می‌تواند عمدتا مربوط به عمليات كوره، نوع ضايعات، سيستم تنظيم الكترود، توالى فاز نادرست الكتريكى و مونتاژ نادرست الكترود باشد.
مصرف الکترود در نوک
بــراى درك مكانيسم مصرف در نوك قوس، ابتدا بايد الگوى جريان الكتريكى در يك ستون الكترود گرافيتى را مورد مطالعه قرار دهيم. جريان در سرتاسر سطح مقطع به صورت غيريكنواخت و بدليل تنوع اثرات الكترومغناطيسى (اثر پوسته يا اثر مجاورت)، توابع مقاومت ويژه دما و مقاومت ويژه حرارتى در سرتاسر نقاط مختلف ستون و مفاصل توزيع شده است.
شكل زیر اندازه چگالى جريان بر روى سطح الكترودهاى ســايز 610 و در نزديكى سوراخ‌هاى سقف يك كوره بزرگ با توان بالا را نشان می‌دهد. تراكم جريان به سمت محور كوره واضح است و منجر به افزايش چشمگير دماى الكترود در اين مناطق می‌شــود. (نتايج تنش‌‌هاى حرارتى ناشى از اين وضعيت غيرعادى است و ميزان اكسيداسيون ديواره الكترود به شدت تحت تاثير دما قرار می‌گيرد.)
در انتهاى ستون الكترود گرافيتى، در فاصله 150 ميلي‌مترى از نوك قوس، جريان شــروع به تمركز در جهت نقطه داغ قوس می‌كند، كه مقدار تقريبى اين جريان در بازهاى به انــدازه 35/6 ميلي‌متر تا 7/12 میلی‌متر در راستای قطر است (شکل زیر).
دماى اين منطقه سكه‌اى شكل 3600 الى 4000 درجه سانتي‌گراد اســت و بقيه محيط الكترود گرافيت 2000 تا 2300 درجه سانتي‌گراد است. بخش عمده‌اى از مصرف افزايشى خطى الكترود گرافيتی در اين نقطه قوس اتفاق می‌افتد. تجزيه و تحليل دقيق فيزيك قوس كوره با توجه به مصرف الكترود فراتر از محدوده اين نوشته است. براى اهداف عملى، كافى است كه اثرات قوس الكترود را به عنوان “تبخير” مشخص كنيم.
از مشاهدات يك قوس كوتاه و آزمايشي كه در كوره‌هاي قوس تجربي و همچنين واحدهاي توليدى بزرگ انجام مي‌شود، مي‌توان نتيجه‌گيري كرد كه ميزان مصرف خطي الكترود هنگامي كه عملكرد جريان و يا توان افزايش مييابد، بيشتر مي‌شود. از آن جايى كه افزايش توان و سطح فعلى معمولا منجر به افزايش بهره‌ورى كوره می‌شود اما با اين حال ممكن است مصرف هر كيلوگرم الكترود بــه ازاى هر تن فولاد گاهى اوقات بدون تغيير باقى می‌ماند.
علاوه بر مصرف الكترود توسط اثرات قوس، تجزيه و تحليل تصاوير متحرك قوس با سرعت بالا نشان داده است كه ذرات گرافيت از نقطه قوس و مجاورت آن حذف می‌شوند. همانطور كه در شكل زیر نشان داده شده است، انبساط حرارتى نقطه قوس باعث ايجاد نيروهاى شعاعى fr و محورى fa می‌شود كه ممكن است ذرات گرافيت را از بين ببرد. جريان الكتريكي كه از طريــق نوك قوس و نقطه داغ به ستون قوس جريان مييابد، نيروهاي شــعاعى و محورى را توليد مي‌كند. نيروى انقباضى fp با نيروى شعاعى fr مخالف است.
علاوه بر اين، يــك نيرو در جهــت محورى، مخالف نيروى انبســاطى، fc به دليل شــكل ساده خطوط جريان در قســمت پايين الكترود، وجود دارد. دانســتن اينكــه تا چــه اندازه حــذف اين نيروهاى متضاد با منشاء مختلف ممكن است رخ دهد، شناخته شده نيست. علاوه بر اين، فرسايش نوك الكترود بواسطه حضور مذاب و سرباره به مصرف خطــى الكترود كمك می‌كند و در نهايت، اكسيداسيون قسمت انتهايى الكترود به صورت بسيار جزئى اتفاق می‌افتد. نتيجه نيروهاى شعله‌اى قوس در كوره و الگوى قرارگرفتن الكترودها در يك مثلث متوازى‌الاضلاع در شــكل زیر نمايش داده شده است.
سه ناحيه مصرف در انتهاى وجه ممكن است متمايز باشد، با اين حال، خطوط مرزى آن‌ها ممكن است به طور قابل توجهى همپوشانى داشته باشند. قوس بلند يا شــعله ورشــدن قوى باعث می‌شود نوك قوس بــه صورت مورب با زاويه 20 تا 30 درجه ايجاد شــود، در حالى كه “پاشنه” قوس‌هاى كوتاه به طور قابل ملاحظه‌اى توسط سرباره و مذاب، فرسوده شده و منجر به قوس افقى بيشتر يا كمتر می‌شود.
قوس‌هاى جريان بالاى كوتاه تمايل به تشكيل يك نوك تقريبا مقعر دارند (شکل زیر).
مصرف دیواره الکترود گرافیتی:
در مقایسه با مصرف خطی، مصرف دیواره الکترود کم و بیش در جهت افقی اتفاق می‌افتد. این موجب می‌شود که بخش‌هایی از ستون الکترود که زیر سقف کوره قرار دارد تحت تاثیر بیشتر باریک شدن قرار بگیرد.
مهم‌ترین فاکتور مصرف دیواره الکترود عامل اکسیداسیون می‌باشد. مقدار اکسیژن بواسطه فشار هوای کوره قوس در ذوب‌های مختلف دستخوش تغییرات زیادی می‌شود. مقدار اکسیژن در فضای کوره معادل اکسیژن موجود در هوای آزاد محیط است مگر اینکه اکسیژن بیش از اندازه و توسط سیستم‌های تزریق اکسیژن یا لنس اکسیژن تزریق شود یا در مواردی که کوره مجهز به یک سیستم غبارگیر باشد، مقدار بیش از حد هوا وارد کوره شود. این مقدار ناچیز نیست و خطر چسبیدن بخار مذاب و سرباره بر روی سطح میانی الکترود به واسطه پدیده‌ای که باعث ایجاد قطرات کوچک می‌شود، وجود دارد.
قطرات، به واسطه وجود نیروی گرانش به پایین به سمت و نوک الکترود حرکت می‌کنند و با خود مقداری الکترود را با فرسایش به داخل حمام مذاب می‌برند. در طول عملیات ذوب با آرک‌های کوتاه، لبه بیرونی نوک الکترود به طور مداوم در نتیجه سایش از تماس با سرباره و فلز گرد می‌شود. در طول عملیات ذوب گیری با قوس‌های کوتاه، لبه بیرونی نوک الکترود به طور مداوم و در نتیجه سایش ناشی از تماس با سرباره و مذاب گرد می‌شود. این اثر زمانی بوجود می‌آید که به طور مداوم از آهن اسفنجی استفاده می‌شود.
اگر چه میزان اکسیداسیون الکترود گرافیتی تا حد زیادی به کیفیت گرافیت آن بستگی دارد، اما به شدت به دمای سطح الکترود، سرعت و آشفتگی گازها و میزان اکسیژن تزریقی بستگی دارد.
منبع: از نفت تا گرفت | از سری مطالعات تحلیلی نقشه هوایی راه حل بومی الکترود گرافیتی
