[发明专利]一种计算和选择石墨电极本体与接头机械加工配合参数的方法

说明书

本发明公开了一种计算和选择石墨电极本体与接头机械加工配合参数的方法，该方法包括石墨电极物性参数确定、超高功率石墨电极在使用中的温度场模拟、超高功率石墨电极在使用中的应力场模拟、超高功率石墨电极在使用中的应变及变形量计算、模拟系统软件可视化输出；本发明基于炭素材料的物性条件、使用条件和边界条件计算石墨电极本体与接头在所述条件下的温度场分布，根据温度场分布数据模拟石墨电极由于温度场所引起的应力场分布从而计算出石墨电极本体与接头的应变位移量，最终计算出能够满足上述应变位移量的石墨电极与接头的机械加工配合参数范围并选择最佳配合参数。

技术领域

本发明属于电炉炼钢技术领域，尤其涉及一种计算和选择石墨电极本体与接头机械加工配合参数的方法。

背景技术

钢铁行业发展很快，电炉容量越来越大，所要求石墨电极尺寸也越来越大。石墨电极在使用过程中容易出现折断等事故，大部分折断发生在螺纹连接部分，因此提高螺纹连接部分的强度成为难题。石墨电极螺纹连接强度主要取决于电极孔和接头之间的配合关系。石墨材料区别于一般螺纹用钢制材料，有其独有特性，而且石墨电极在炼钢过程中使用，属于不连续高温环境，存在高温-低温之间的变化，因此一般螺纹配合的设计方法不适用于石墨电极螺纹连接。

现有技术方案主要利用各种数学模型推导石墨材料在工作条件下的应力应变，从而反向计算常温下石墨电极应具有的尺寸外形，从而确定加工参数。现有加工配合参数的设定方法不适用于现有石墨电极的发展速度和石墨材料的自身及使用环境特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算和选择石墨电极本体与接头机械加工配合参数的方法，旨在解决现有加工配合参数的设定方法不适用于现有石墨电极的发展速度和石墨材料的自身及使用环境特点的问题。

本发明是这样实现的，一种计算和选择石墨电极本体与接头机械加工配合参数的方法，该方法基于炭素材料的物性条件、使用条件和边界条件计算石墨电极本体与接头在所述条件下的温度场分布，根据温度场分布数据模拟石墨电极由于温度场所引起的应力场分布从而计算出石墨电极本体与接头的应变位移量，最终计算出能够满足上述应变位移量的石墨电极与接头的机械加工配合参数范围并选择最佳配合参数。

进一步，所述的计算和选择石墨电极本体与接头机械加工配合参数的方法包括以下步骤：

步骤一、石墨电极物性参数确定；

根据石墨电极的热物理性质受温度的变化而变化的特性，结合超高功率石墨电极的工作温度达到3000度左右且石墨材料属于各向异性的特点，明确石墨电极的各项性质随温度的变化的函数关系，总结出径向和轴向热物理性质随温度的变化所呈的曲线关系，并将其表示为分段函数的形式；

步骤二、超高功率石墨电极在使用中的温度场模拟；

将石墨电极取为轴对称坐标系，将温度场表达为轴向和径向坐标以及电流热产生率的函数，根据数值传热学和热弹性力学，具体方法如下：

将石墨电极看成圆柱轴对称的几何计算模型。

考虑弧方向的稳定性，将电极看成一个中空的圆柱，即在轴中心具有一个空腔；其中内外半径比需遵守如下关系：a/b<0.1；a为石墨电极几何模型的内半径；b为石墨电极几何模型的外半径；

应力的分布的数值计算中，将石墨的各向异性的热物理性质看成是温度的函数。

石墨电极由于内部电流而产生的温度场分布的具体计算方法：

在石墨电极单位体积、单位时间产生的热量，用下式计算：

其中，I为电极中的电流强度A；

ρ为石墨电极材料的电阻率Ω；

S为石墨电极的截面积mm²；