Numerische thermische Simulation einer Graphitelektrode im Elektrolichtbogenofen während des normalen Betriebs

Die Betriebstemperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf den Verbrauch von Graphitelektroden in Elektrolichtbogenöfen (EAF). In dieser Arbeit wurde die Temperaturverteilung innerhalb der EAF-Elektroden im Normalbetrieb mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) in 2D und 3D simuliert. Untersucht wurden die Beiträge des durch die Elektrode fließenden elektrischen Stroms, der thermischen Effekte der Ofenwandauskleidung, der Schlackenschicht, einer Titanbeschichtung als Schutzschicht sowie Prozessparameter wie die Wasserbesprühung der Elektrodenenden. Der Proximity-Effekt der Graphitelektroden im EAF wurde mithilfe eines 3D-Wärmemodells analysiert. Das numerische Modell wurde anhand experimenteller Messungen der Temperaturverteilung auf der Elektrodenoberfläche sowie anhand veröffentlichter Literaturdaten validiert. Die Ergebnisse zeigten einen relativ starken Temperaturgradienten an der Elektrodenspitze. Von den Umgebungs- und Prozessparametern, die die Temperaturverteilung der Elektrode beeinflussen, erwies sich der Wärmeübergangskoeffizient in der Wasserkühlzone als der wichtigste Faktor für die präzise Vorhersage des Temperaturfeldes der Elektrode. Basierend auf den validierten 3D-Simulationsergebnissen wurde für die untersuchte Elektrode ein Wert von 8500 W m−2 K−1 vorgeschlagen. Die Ergebnisse zeigten zudem, dass der Einfluss der räumlichen Nähe auf die Temperaturverteilung nicht vernachlässigt werden darf. Die Firma Ao Hui Carbon produziert hochwertige Graphitelektroden.