CN113340121A - 一种内嵌镁碳质材料的石墨电极 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涉及冶金交流电弧炉和LF精炼炉的新型电极。本发明提供了一种由石墨和镁碳质材料组成的电极，其中镁碳质材料内嵌在电极中心，与石墨质结构相互连接为一个整体，镁碳质材料通过与石墨层内凸点互紧密结合在一起，电极两端处石墨连接孔设置有带螺纹的凹槽。该电极结构简单，所需要的原料易于获得，通过电极内嵌镁碳质材料，不仅可降低冶炼过程中石墨材料的消耗和减少二氧化碳的排放，同时可提高电极抗热震性。

Description

一种内嵌镁碳质材料的石墨电极
技术领域
本发明涉及冶金电弧炉、LF精炼炉，尤其是涉及到将电流从挠性电缆导入到电弧的电极。
背景技术
电极在LF精炼炉、电弧炉冶炼中起到了至关重要的作用，不仅起到了导电作用，同时通过在电极底端电离气体和释放电子形成电弧来给钢液及渣料进行加热。
目前电弧炉和LF精炼炉采用的电极主要为实心石墨电极，采用的电源为交流电，交流电通过三相电极时，在电极周围产生磁场，对该电极和临近电极中的电流分布产生重要影响，导致电流主要分布在电极表面及其临近处，而电极中心处的电流密度较小，因此，电极内部石墨材料起到的导电作用较小；电极底端面与电弧接触，其温度高达3000℃以上，石墨在高温状态下与氧气反应及升华，造成石墨消耗增加，其中LF精炼炉中吨钢石墨电极消耗达到了0.3～0.5kg，电弧炉中吨钢石墨电极消耗达到了1～4kg，使生产成本升高；同时在高温下石墨电极中C与空气中O分子及渣中O原子接触反应生成了CO2，增加了冶炼过程CO2的排放量，不利于“碳达峰”“碳中和”目标的实现。
发明内容
为此，需要提供一种新型电极，以减少对炭素材料的消耗来降低生产成本和减少二氧化碳的排放。
为实现上述目的，本发明提供了一种内嵌镁碳质材料的石墨电极，其中，所述电极包括镁碳质材料1、石墨层2、石墨连接段3、石墨连接孔4和石墨层内凸点5，石墨层2、石墨连接段3、石墨连接孔4和石墨层内凸点5相互连接成一体，其特征在于，电极主体内部由镁碳质材料1组成，主体外部由石墨层2包裹，电极两端为石墨连接孔4，石墨连接孔4与主体间由石墨连接段3连接。
镁碳质材料1为圆柱体，镁碳质材料1关于石墨层2、石墨电极的中心呈同心圆分布。
镁碳质材料1主要由MgO、C组成。
石墨层内凸点5与镁碳质材料1表面凹点相对应，以增强石墨层2和镁碳质材料1的结合力，防止石墨层2和镁碳质材料1整体分离滑脱。
在石墨连接段3为石墨材质，以增大石墨连接孔4和石墨层2间的接触面积，降低电极间连接处电阻。
石墨连接孔4内壁为圆台形，内壁设置均匀内螺纹，该螺纹与石墨连接头外壁设置的螺纹相互齿合。
与现有技术相比，本发明中电极结构合理，具有以下优点：
(1)与目前主要采用的普通石墨电极相比较，通过在电极中嵌入镁碳质材料可减少生产电极过程中需要的炭素原料。
(2)与目前主要采用的普通石墨电极相比较，通过在电极内部嵌入镁碳质材料，减少了电极底面中的石墨面积，可减少冶炼过程中暴露在电弧中的石墨面积，减少了石墨电极在高温状态下的升华和氧化损耗。
(3)与目前主要采用的普通石墨电极相比较，嵌入镁碳质材料后电极在高温条件下被空气中氧气氧化反应生成的CO2减少，可减少CO2的排放。
(4)镁碳质材料具有良好的抗热震性能和耐热剥落性，石墨层与镁碳质材料呈现同心圆分布，二者结合紧密，可提高电极强度，减少电极折断损失，可降低冶炼成本。
(5)与目前主要采用的普通石墨电极相比，内嵌镁碳质材料对电极中的电流密度分布几乎无影响，同时对起弧过程中需要的时间更少，更有利于电弧的产生。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明内嵌镁碳质材料石墨电极结构示意图；
图1中：1-镁碳质材料，2-石墨层，3-石墨连接段，4-石墨连接孔，5-石墨层内凸点。
图2是本发明内嵌镁碳质材料石墨电极使用过程中横截面电流密度分布场云图；
图3是本发明普通石墨电极使用过程中横截面电流密度分布场云图；
图4是本发明内嵌镁碳质材料电极使用过程中的三维电流密度分布场云图；
图5是本发明普通石墨电极使用过程中的三维电流密度分布场云图；
图6是本发明内嵌镁碳质材料电极与普通石墨电极使用过程中的横截面上过电流最大值、最小值和中心点直线上电流密度分布曲线图；
图7是本发明内嵌镁碳质材料电极流注放电电子密度分布云图；
图8是本发明普通石墨电极流注放电电子密度分布云图；
具体实施方式
下面结合具体电极结构对本发明作进一步详细说明。本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例一
1、电极结构
如图1所示，该内嵌镁碳质材料电极包括镁碳质材料圆柱体1，石墨层2，石墨连接段3，石墨连接孔4，石墨层凸点5。所述内嵌镁碳质材料电极轴向总长2200mm，其中镁碳质材料1圆柱体1长度为1734mm，半径为100mm；石墨层2为空心圆柱体，其外径为450mm，内径为200mm，轴向长度为1734mm；石墨连接段3长度为50mm；石墨连接孔4大径为273mm，小径为264mm，长度为183mm；镁碳质材料1圆柱体上凹孔半径为10mm，其深度为10mm，凹孔间轴向间距为150mm；镁碳质材料1圆柱体主要为电熔镁砂、石墨组成，其中比例为85:15；电极中其余部分材质均为石墨。
2、流注放电计算
流注放电过程形成的通道为电弧形成过程的初期导电通道，流注放电通道一般为几百微米，电极施加电压为800V，电极间距为0.1mm，电极半径为2.25mm，内嵌镁碳质材料半径为1mm，形成流注放电通道需要2.64ns，即击穿过程需要2.64ns，电子密度分布云图如图7所示。
3、电流密度分布计算
以LF精炼炉中电极具体分布为例，电极直径为450mm，内嵌镁碳质材料半径为100mm，施加电流总额为40000A，采用多物理场耦合软件对三根内嵌镁碳质材料电极电流分布进行计算，电流密度分布如图2、图4、图6所示。
对比例一
1、电极结构
普通电极长度为2200mm，半径为225mm，石墨连接孔4大径为273mm，小径为264mm，长度为183mm；其材质主要为石墨。
2、流注放电计算
两电极间施加电压800V，电极间距为0.1mm，电极半径为2.25mm，形成流注放电通道需要5.4ns，即击穿过程需要5.4ns，电子密度分布云图如图8所示。
3、电流密度分布计算
以LF精炼炉中电极具体分布为例，采用多物理场耦合软件对三根内嵌镁碳质材料电极电流密度分布进行计算，施加电流总额为40000A，计算结果如图3、图5、图6所示。
表1
Figure BDA0003106440260000051
通过理论计算和采用数值模拟计算结果发现，与普通石墨电极相比较，内嵌镁碳质材料后每根电极可减少石墨材料78.7kg，而LF精炼炉、电弧炉中三根电极可同时可减少石墨材料消耗236.1Kg，减少1019.4kg CO2排放；与普通石墨电极相比较，本发明起弧时间大约缩短2.76ns，即采用内嵌镁碳质材料电极后更容易形成电弧，交流电弧中零休时间减小，电弧周期中加热时间增加，提高了加热效率；采用内嵌镁碳质材料电极在生产过程中电流密度最大值及电流密度分布场几乎不受影响，可正常使用。
以上结合附图对本发明的具体实施方法进行了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以不脱离本发明宗旨前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种内嵌镁碳质材料的石墨电极，其中，所述电极包括镁碳质材料(1)、石墨层(2)、石墨连接段(3)、石墨连接孔(4)和石墨层内凸点(5)，石墨层(2)、石墨连接段(3)、石墨连接孔(4)和石墨层内凸点(5)相互连接成一体，其特征在于，电极主体内部由镁碳质材料(1)组成，主体外部由石墨层(2)包裹，电极两端为电极连接孔(4)，电极连接孔(4)与主体间由石墨连接段(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌镁碳质材料的石墨电极，其特征在于，所述镁碳质材料(1)形状为圆柱体，电极为镁碳质材料(1)关于石墨层(2)、石墨电极的中心呈同心圆分布。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌镁碳质材料的石墨电极，其特征在于，镁碳质材料(1)主要由MgO、C组成。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌镁碳质材料的石墨电极，其特征在于，镁碳质材料(1)表面有与石墨层(2)内壁凸点(5)对应凹点，在石墨层内凸点(5)与镁碳质材料(1)的凹点相互扣合，以增强石墨层(2)和镁碳质材料(1)的结合力，防止石墨层(2)和镁碳质材料(1)在冶炼过程中分离滑脱。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌镁碳质材料的石墨电极，其特征在于，在石墨连接段(3)为石墨材质，以增大石墨连接孔(4)和石墨层(2)间的接触面积，以降低电极间连接处电阻。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌镁碳质材料的石墨电极，其特征在于，石墨连接孔(4)内壁为圆台形，内壁设置均匀内螺纹，该螺纹与石墨连接头外壁设置的螺纹相互齿合。
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