الکترود گرافیتی و راه های کاهش مصرف الکترود در کوره قوس الکتریکی

در این مقاله مروری بر قطعه استراتژیک الکترود گرافیتی خواهیم داشت. این قطعه عامل ایجاد حرارت در کوره های قوس الکتریکی است. دمای کاری الکترود گرافیتی بعضا تا ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد بالا میرود. از همین رو میزان اکسیداسیون و استهلاک الکترود درون کوره قوس بسیار زیاد است. در ادامه کلیات دقیق تری در این خصوص ارائه شده است.

الکترود گرافیتی چیست؟

کار الکترودها انتقال جریان از بازوهای الکترود به بار کوره از طریق ایجاد قوس الکتریکی است. امروزه الکترودها از گرافیت ساخته می شوند، اگر چه در ابتدا کربن آمورف در ساخت آن به کار می‌رود. ظرفیت انتقال جریان الکتریکی الکترودهای گرافیتی که در کوره های قوس الکتریکی مصرف می‌شوند بیشتر است.

در حین فعالیت کوره، الکترودها به دلیل اکسیداسیون، تصعيد و شکستگی با نرخ مشخصی مصرف می‌شوند. با توجه به مصرفی بود این قطعه مهم، و تحریم این قطعه برای ایران، الکترود گرافیتی یک قطعه استراتژیک به حساب می‌آید که در صنعت فولاد و قیمت مقاطع فولادی تاثیر فراوان دارد.

تصعید باعث فرسایش ۶ الی ۳۰ درصدی قسمت انتهایی الکترود می‌شود. در حالی که فرسایش بر اثر اکسیداسیون سطوح جانبی ۷۰ درصد کل فرسایش است. بنابراین اکسیداسیون سطوح جانبی الکترود را می‌توان عامل اصلی مصرف الکترود دانست. از این رو، اگر بتوان میزان اکسیداسیون سطوح جانبی را کاهش داد، فرسایش الکترود نیز به همین میزان کاهش خواهد یافت.

راه های کاهش مصرف الکترود گرافیتی

با توجه به میزان بالای استهلاک الکترود درون کوره اندیشیدن به تدابیری جهت کاهش استهلاک همواره یک موضوع مهم در واحدهای قوس الکتریکی است. کاهش مصرف الکترود خصوصا در شرایط سخت تحریم و تامین دشوا میتواند به سود آوری صنعت فولاد کمک شایانی کند. در ادامه تعدادی از این روش ها مورد بررسی قرار گرفته است.

پوشش دهی الکترود

اخیرا الكترودهای پوشش داری به بازار عرضه گردیده است، یک پوشش مفید و موفق باید دارای شرایط زیر باشد:

• حائلی بین گرافیت و اتمسفر کوره باشد تا مانع اکسیداسیون شود
• در تماس با سرباره مقاوم باشد و دچار خوردگی نشود
• در مقابل الکتریسیته مقاومت کمی داشته باشد تا هدایت الکتریکی الکترود را ضعیف نکند
• از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد

به طور عمده دو نوع پوشش، خصوصیات مذکور را دارد:

پوشش‌های فلزی

موفق‌ترین مواد برای این نوع پوشش، آلومینیوم و یا مخلوطی از آلومینیوم و کاربید سیلیسم است.

پوشش‌های غیر فلزی

سطح خارجی الکترود با مواد شیمیایی از جمله، نمک‌های باریم، اسید بوریک، بوراکس و یا ترکیبی از این مواد با مواد دیگر پوشش دهی می‌کنند.

خنثی سازی اتمسفر اطراف الکترود

با توجه به اینکه بیش از نیمی از مصرف الکترود مربوط به فرسایش جانبی آن می‌شود، در این روش با استفاده از گاز خنثی و ایجاد یک لایه محافظ اطراف الکترود که مانع از اکسید شدن آن می‌شود، مصرف الکترود کاهش پیدا می‌کند.

در این روش گاز خنثی به صورت جریان مایع به فضای بین الکترودها تزریق می‌شود، و با ورود به فضای داخل کوره بلافاصله تبخیر شده و یک لایه‌ی چگال از گاز خنثی اطراف الکترودها شکل می‌گیرد.

گاز خنثی که می‌تواند نیتروژن یا آرگون باشد، توسط یک نازل در فضای بین سه الکترود قرار می‌گیرد. نوک نازل معمولا در فاصله‌ی ۷ تا ۲۴ اینچی از سقف کوره قرار می‌گیرد. فاصله مناسب نازل از سقف برای یک کوره قوس ظرفیت متوسط ۱۵ اینچ می‌باشد.

همچنین برای یک کوره قوس جریان مستقیم با سه الکترود، نازل در موقعیت هندسی مرکز الکترودها قرار می‌گیرد مشابه شکل زیر که دید از بالای موقعیت الکترودها و نازل گاز خنثی است:

خنثی سازی اتمسفر اطراف الکترود

خنک کاری الکترود توسط اسپری

خنک کردن سطح الکترودها با استفاده از مایع خنک کننده یکی از راه‌های مهم برای جلوگیری کردن از اکسیدشدن سطحی الکترود‌ها است.

در این قسمت سیستم خنک کنندگی اسپری مایع به عنوان یکی از سیستم‌های موثر در کاهش مصرف الکترود معرفی شده است. این سیستم با خنک کردن مستقیم حد فاصل محل اتصال الکترود به سیستم جریان برق تا سقف کوره، باعث خنک کاری غیر مستقیم در قسمت‌های داخلی الکترود نزدیک به سقف کوره می‌شود، و اکسیداسیون جانبی کاهش پیدا می‌کند.

شکل زیر طراحی و شماتیک سیستم اسپری را برای الکترود گرافیتی نشان می‌دهد. همانطور که مشخص است در این سیستم تعدادی لوله انتقال آب جریان را به نازل‌های اسپری کننده مایع می‌آورند و آب از طریق نازل‌ها برروی سطح الکترود‌ها اسپری می‌شود و این عمل باعث خنک شدن سطح الکترود‌ها می‌شود. نازل ها به دو دسته‌ی عمودی و حلقه‌ای تقسیم می‌شوند که هر دوی آن‌ها در شکل قابل مشاهده هستند:

خنک کاری الکترود با اسپری آب

لوله‌های انتقال دهنده و نازل‌ها از فولاد زنگ نزن (stainless steel) طراحی شده‌اند. نتایج بررسی‌های مختلف نشان دهنده آن است که با استفاده از این روش می‌توان ۱۵ درصد مصرف الکترود را کاهش داد. همچنین استفاده از این روش، عمر نسوز‌های مرکزی سقف کوره را تا بیش از ۵۰ درصد افزایش می‌دهد. میزان جریان آب برای رسیدن به چنین عملکردی چیزی در حدود ۱.۴ تا ۵ مترمکعب به ازای هر ساعت است. فشار آب لازم ۱.۵ الی ۳.۵ کیلوگرم بر سانتیمتر مکعب است.

خنک کاری الکترود توسط سیستم آبگرد

در این روش هم با کاهش دمای بدنه‌ی الکترود واکنش اکسیداسیون جانبی الکترود کاهش می‌یابد و مصرف الکترود کم می‌شود. جهت سهولت تعویض الکترود، الکترود گرافیتی معمولا به صورت سه تیکه طراحی می‌شود. این تکه‌ها به کمک نیپل که ساختاری رزوه رزوه دارد به هم متصل می‌شوند. تعویض این قسمتهای الکترود از پایین انجام میشود. در واقع با رسیدن به حد استهلاک تکه‌ی پایینی جدا می‌شود و یک تکه به بالای الکترود اضافه می‌شود. در سیستم آبگرد سه تکه‌ به کمک تراشکاری مجهز به یک سری کانال می‌شود، نحوه طراحی این کانال‌ها به شکلی است آب وارد قسمت پایینی الکترود نمی‌شود و سیستم آبگرد در دو قسمت بالایی جریان پیدا می‌کند.

سیستم آبگرد باعث کاهش دمای سطح جانبی الکترود می‌شود و به این ترتیب اکسیداسیون کمتری در این قسمت از الکترود رخ می‌دهد.

به طور کلی در شرایط کنونی قیمت الکترود گرافیتی تاثیر مستقیمی بر قیمت ورق فولادی ، تیرآهن، پروفیل، نبشی، ناودانی، سپری و … دارد.