工作电极

工作电极（共7篇）

工作电极 篇1

0 引言

数控电火花成形加工被称为放电加工 (electrical discharge machining, 简称EDM) , 加工过程与机械加工是不相同的。其加工原理是将电、热、光、声、化学等能量或将其组合施加到工件被加工的部位上, 瞬时间产生的高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉, 实现材料去除的目的。电火花加工的电极形状比较复杂而且容易损耗, 每次加工完成后需要更换电极。一般很难准确地找出电极的加工平面与电极柄之间的平行度、垂直度, 尤其使用老式电火花机床加工, 它是单轴数控 (Z轴) , 找正十分麻烦, 既浪费时间, 又保证不了加工效率, 加大了生产周期。

1 原电极加工找正过程

如图1所示的电极加工面与主轴头上、下方向之间的平行度, 也就是电极表面与工作台之间的垂直度。X方向的垂直度要用X方向的2个紧固螺钉与1个止动螺钉找出, Y方向的垂直度要用Y方向的2个紧固螺钉与1个止动螺钉找出。

1.法兰2.圆柱销X向3.Y向调整螺钉4, 5.调整板6.Y向圆柱销7.X向调整螺钉

2 改进重点

在上述结构中为了找出X方向的垂直度需要把Y向的2个螺钉松开, 调整X方向上的2个螺钉。为了找出Y方向的垂直度需要把X向的2个螺钉松开, 调整Y方向上的2个螺钉。这样很难同时找出X、Y方向的垂直度, 既费时又费力。

3 改进方案及办法

为了同时准确地找出X、Y方向的垂直度, 我们必须对以往的找正方式进行改进。

如图2所示, 利用调整板4、法兰1和调整用的圆柱销及X方向的调整螺钉来调整X方向的垂直度, 再利用调整板4、调整板5和Y方向的调整螺钉来调整Y方向的垂直度。

4 结语

通过简单的改进, 在调整X向和Y向的垂直度的同时, 与其他方向上的作业无关, 这就使找X、Y向的垂直度变得非常容易。并且节省了工作时间, 加快了工作效率, 缩短了生产周期, 改善和提高工件的加工精度。

工作电极 篇2

在冶炼过程中,电极不断消耗,插入深度逐渐变短,为了保证生产的顺利进行,必须及时调节电极的工作长度,使其保持在一个合理的范围内。依靠手工调节电极升降,很难达到操作要求,频繁的人工调节劳动强度大,容易因为疲劳造成误操作,并且因为各人的操作习惯与水平不同,电极的工作长度控制很难达到要求。基于以上原因,笔者开发出了一种能实时显示矿热炉电极工作长度、自动控制电极升降的系统来优化生产过程,以保障生产安全,降低操作人员的劳动强度。

1 电极参数检测原理*

通过测量电极当前自重、电极升降位移和电极压放长度3 个相关量计算得到电极的工作长度。

电极当前自重包括电极当前的实际重量和其他附属设备的重量之和。由于电极的附属设备是确定的,所以电极当前自重中的变量只包括电极重量和电极糊重量。由于电极糊的添加量是由矿热炉的炉况决定的,每次添加都有一定的时间间隔,在本次添加完直至下次添加前,整个电极自重中的变化量只有电极消耗量随时间的变化。通过安装在液压油缸的压力传感器可实时检测到电极的自重( 通过压力信号反应) ,电极的不断消耗反映到所测得的压力信号时,表现为随着电极的消耗,压力信号不断变小。因此,通过压力变化可以反映出电极的消耗情况,即可以实时反映电极的消耗量。设某相电极在时刻t0,采集的压力信号为p0; 在时刻t1,采集到的信号为p1。若假设t0到t1期间只有正常消耗,未加电极糊,则有p1<p0,压力信号与电极长度换算公式为:

L1= K( p1- p2)( 1)

式中K———电极糊密度,通过实验测得。

电极的升降通过控制把持器液压油缸的升降实现。在电极把持器上安装超声波传感器,通过1#单片机即可得到电极的实时位移数据。设某相电极在时刻t0采集的位移为h0; 在时刻t1采集得到的位移为h1,则位移差L2= h1- h0。假设期间电极无消耗,t1时刻相对于t0时刻电极增长L2( 当L2< 0 时,电极实际工作长度为缩短L2) 。

电极的压放是根据矿热炉进行定时自动压放或手动压放。在大立缸位置安装编码器,编码器和电极筒直接接触,当电极下降时,由于两者的摩擦带动编码器转动,记录所转动的角度,通过2#和3#单片机采集此部分数据,通过实测某30MVA硅锰炉,该炉电极每次的压放量为16 ~ 18mm,则有t0时刻至t1时刻,电极共压放n次,则压放总长度L3= L1+ L2+ … + Ln,在不考虑其他因素的情况下,在t1时刻相对于t0时刻,电极的插入深度增加量即为L3。

假设t0时刻电极的实时工作长度为L0,则t1时刻时,电极的实时工作长度H应该为t0时刻工作深度L0与t0时刻到t1时刻之间的消耗量、位移、压放量三者之和:

H = L0+ L1+ L2+ L3( 2)

2 电极工作长度监测系统构成

2. 1 硬件组成

电极工作长度监测系统的硬件主要包括工控机、压力传感器、数据采集卡、超声波测距传感器和单片机。由于矿热冶炼现场具有较强的电磁干扰,且灰尘较大,故采用具有较强抗电磁干扰、抗冲击、抗振动能力的工控机采集现场数据。电极消耗计算部分需要的压力信号由压力传感器经数据采集卡传入计算机进行处理,该系统选用研华PCI -1712 型号的数据采集卡,其主要特点有: 16路单端或8 路差分模拟量输入或组合方式输入;12bit A / D转换器,采样速率可达1MHz; PCI总线数据传输; 模拟量输入通道的数据采集触发方式可使用预触发、后触发、匹配触发和延时触发。压力传感器用于检测把持器液压缸内压力,从而通过计算得到电极的消耗状况,压力传感器选用PTJ206 型液压压力传感器,其量程为0 ~ 20MPa,输出信号选为0 ~ 5V电压信号,24V直流供电。

2. 2 软件结构

上位机采用Lab VIEW编程实现,具有界面友好、直观及便于操作等优点［4］。系统主要实现数据采集、传输、处理、电极参数实时显示、参数设置、数据存储与查询及报警等功能。

矿热炉电极工作长度监测系统如图1 所示。用数据采集卡将所采集的压力信号直接传往工控机; 以1#单片机( STC89C52) 为核心的超声波测距系统,采集所需的位移数据; 以2#单片机( STC89C52) 为核心的电极压放长度检测系统,采集电极的压放量和位移数据,它们均通过RS-485传给工控机,工控机将采集得到的数据,按电极工作长度计算原理计算后分别得出三相电极相应的实时工作长度。

2. 2. 1 电极工作长度监测

电极实时工作长度计算中涉及到3 类原始信号: 压力信号、位移信号、压放量。现场三相电极的压力信号由3 个压力传感器测得,通过数据采集卡进入主机,位移信号和压放量分别通过1#、2#和3#单片机采集,经串口发往主机; 最后,通过上述计算方法进行数据处理,最终得到电极参数并实时显示,电极参数实时显示界面如图2 所示。当电极工作长度超出设定的上、下限时,电极调节报警灯点亮,给出报警提示,并进行相关操作。

2. 2. 2 超声波测距系统

超声波测距系统以STC89C51 单片机为核心控制芯片,完成电极升降位移的检测。单片机与工控机采用RS-485 总线完成数据通信。三相电极各装一个超声波测距模块来检测各自的位移信号,以1#超声波测距模块为例,超声波测距流程如图3 所示,采用C语言编写单片机程序［5］。

2. 2. 3 压放量检测系统

电极压放量由2#和3#单片机配合检测得到,其中2#单片机主要检测压放电极时,把持器油缸继电器和卸油所用继电器的动作情况; 3#单片机用来检测编码器的计数值,以A相电极为例,压放量检测系统工作过程如图4 所示,其中1( 0) 代表继电器的通( 断) ; A( a) 为工控机接收到不同继电器的导通状态后,写入3#单片机的标示字; a123为3#单片机的返回数据,a表示A相电极,123 表示计数值,长度可以根据计数值和编码器所带轮子直径计算得到。

1#、2#和3#单片机都通过串口与主机通信,Lab VIEW调用串行端口配置如图5 所示。

2. 2. 4 参数设置

参数设置用于设置系统参数和电极参数,如电极工作长度的初值、电极工作长度上/下限及文件记录频率等。参数设置需要根据所安装矿热炉的实际情况确定,从而保证冶炼过程尽可能地工作在最优状态。参数设置界面如图6 所示。

2. 2. 5 数据存储与查询

数据存储用来记录矿热炉在相当长时间内的运行数据,为管理人员通过总结分析历史数据,了解矿热炉的长期运行状况提供依据,从而提高生产效率和提高产品质量。数据存储采用TDMS文件,系统按照日期和时间生成相应的数据文件。TDMS文件是NI主推的一种二进制记录文件,兼顾了高速、易存取及方便等多种优势,能够在NI的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互,也能够提供一系列API函数,供其他应用程序调用。

3 抗干扰措施

在硬件方面,数据采集卡采用了差分输入接法,共模抑制比高,使系统具有更好的抗干扰性;现场所有连接线均采用屏蔽线,防止由现场电磁环境对传输线路产生辐射干扰。

经过硬件处理后,由线路带来的干扰降低,其余的干扰主要为由于炉况对压力信号的干扰。冶炼过程中的出炉及塌料等都对压力信号的采集有一定的影响,为了减小压力信号的波动,系统采用了递推平均滤波算法: 将连续得到的N个采样值看作一个队列,长度固定为N,每次采样到一个新数据放入队尾,并丢掉原队首的数据( 先进先出原则) 。将队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。该方法使整个系统的抗干扰性有了很大的提高,有效抑制了随机干扰。

4 结束语

矿热炉电极参数实时监测系统应用于冶炼过程中电极工作长度的实时监测。该系统在优化冶炼生产过程、提高产品质量及降低能耗等方面具有重要的意义,同时也使生产安全有了进一步的保障。

摘要：由于电极工作长度无法直接测量得到,通过检测电极自重的变化、电极升降位移和压放长度,设计出一种电极工作长度监测系统,从而为操作人员操作电极提供可靠的依据。该系统采用LabVIEW开发操作界面,系统界面友好、简洁、便于操作,能够实时显示电极的工作长度。实际运行表明:该系统对于提高冶炼效率和产品质量以及保障安全生产都具有一定的意义。

工作电极 篇3

1 资料

2006年1月—2007年12月, 我院心内科对10例采用被动电极行右心室心脏起搏患者中的2例行RVOT起搏, 患者均为缓慢性心律失常, 符合起搏器置入的适应证。例1, 男, 62岁, 诊断Ⅱ度Ⅱ型房室传导阻滞。例2, 女, 73岁, 诊断Ⅲ度房室传导阻滞。应用Medtronic capsuresense 4074型被动电极导线。常规穿刺左锁骨下静脉送入心室被动固定电极, 导线到达右心房或下腔静脉后, 撤除直指引钢丝, 采用单弯曲指引导丝塑形, 行右室心尖部定位。例1因多次测试心尖部起搏阈值高, 遂放弃经心尖部起搏, 行RVOT起搏。例2因电极头至心尖部困难而行RVOT起搏。2例采取被动电极导线进行RVOT起搏, 常规采用单弯曲指引导丝塑形, 行RVOT部定位。电极头定位标准参照主动螺旋电极RVOT起搏定位标准[3,4]。①起搏心电图Ⅱ、Ⅲ、aVF导联主波向上, aVL导联主波向下;②X线左前斜位45°。使电极头垂直于室间隔, 前后位时位于肺动脉瓣下, 指向左上方;③测量参数值 (起搏阈值、R波振幅、阻抗) 要求与右室心尖部起搏标准一致, 并且不受呼吸、活动的影响。2例置入RVOT的电极头固定不变且各项起搏参数符合标准后固定电极。术后连续3 d作心电图检查, 术后1周进行X线检查, 术后1周、1个月、3个月行起搏器随访。

2 结果

2例患者RVOT起搏术中无并发症, 术中及术后1周、1个月、3个月随访, 阈值、R波振幅、电极阻抗均符合要求。随访心电图无变化。X线显示RVOT电极均无移位。

3 讨论

目前国内外多使用螺旋电极行RVOT起搏, 因主动电极既可以显示良好的灵活性和优越性, 又可借助于主动电极到特殊的位置以获得理想的参数, 成功率高[5,6,7]。偶有使用被动固定电极进行RVOT起搏效果良好的报道[8]。RVOT肌小梁少, 要使被动电极在此能固定良好应注意以下因素:电极应置入肺动脉瓣的下外缘与RVOT的前壁之间, 此处血流较平静, 是一相对平静的“港湾”。另外RVOT起搏的定位主要依靠起搏心电图和X线影像学特点进行判定, 除起搏心电图应表现为Ⅱ、Ⅲ、aVF导联主波向上, aVL导联主波向下外, X线投照的理想位置应在左前斜45°, 该位置能充分显示心脏的四个腔、室间隔和RVOT, 容易判断流出道电极导线的具体位置及与间隔形成的角度。电极到达该肺动脉瓣下时电极头弯曲自然不易脱位, 心室起搏能够有效、稳定夺获心室时, 则认为电极导线已到达肺动脉瓣下区域。

被动电极导线行RVOT起搏, 只要适当掌握操作方法和技巧, 操作起来简单方便。此处起搏既近似于生理性的起搏, 而且被动电极导线价格也较便宜。

参考文献

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电炉电极损耗原因浅析 篇4

广州珠江钢铁有限责任公司电炉炼钢所用的电极是能源转换工具, 价格大约30元/kg, 吨钢消耗1.0～1.8kg。该项成本偏差波动幅度达到在24元/吨钢, 按年产200万吨钢计算, 成本偏差总额接近4 800万元。如何全面优化电炉炼钢电极操作和维护, 降低生产成本, 显得十分重要。本文从化学损耗和物理损耗两方面分析影响电极寿命的主要因素, 找出其中可控制部分并采取相应的技术、管理措施, 降低电极消耗。

2 冶炼过程被氧化损耗

原来, 电炉电极的平均使用寿命只有14-15炉次/节, 造成电极消耗高的主要原因是电极表面氧化损毁严重。

2.1 原因分析

(1) 电炉侧壁氧枪的影响:

由于电炉炉内侧壁氧枪的长度和角度设计不合理, 吹出的氧气直接作用在电极上, 造成电极在高温下加速反应, 氧化损耗增加。

(2) 电炉炉门氧枪的影响:

由于电炉炉门氧枪流量控制在废钢料化清时期有增加流量的过程, 造成该过程氧气流量过大, 氧气的利用率低, 该区域氧化性气氛浓烈, 电极表面氧化严重。

2.2 改进措施

基于上述分析结果, 针对性地采取了如下改进措施:

(1) 24#炉役实现对1#侧壁氧枪角度的调整, 由原来偏15度调整为偏20 度。

(2) 优化炉门氧枪使用工艺, 调整炉门氧枪氧气流量, 最大流量控制在2 500m3/min。

3 物理断折造成的损耗

在电炉炼钢过程中发生电极断折是一种常见故障。电极断折一方面会直接产生电极损失和消耗增加, 增加冶炼成本;另一方面会导致生产中断, 停炉误产造成生产损失。

3.1 原因分析

电极在冶炼过程总是受到电磁力的作用, 电磁力的大小与电极电流成正比, 与三相电极之间的距离成反比。电极之间的相吸或相斥作用, 对电极总体上表现为以电极夹持器为支点的力矩作用。同时, 电极的自重作用在电极夹持点有一个向下的拉力。由于电极要在电极调节器的控制下进行上下调节运动, 因此电极断折原因可以分为机械原因和控制原因两大类。

3.1.1 机械原因

机械故障比较常见和直观, 故障现象表现为偶发性和单次性。

(1) 熔池塌料砸断电极。

从理论上看, 电极夹持点受到的作用力矩最大, 因此, 发生该事故时电极夹持点折断的几率最大。

(2) 电极立柱振动折断电极。

电极在冶炼过程中受到电磁力的作用是一定会产生振动的, 如果电极立柱发生的机械振动频率与电磁力振动频率接近或同步, 就会使电极发生共振作用, 容易导致电极疲劳折断。

(3) 电极本身机械强度不够造成断电极。

电极在电磁力矩、振动力矩或其他外力作用下, 其机械强度最薄弱的地方容易发生断裂。

(4) 电极夹持或驳接不良造成断电极。

电极夹持不良表现为电极与夹持器不垂直、电极存在附加水平分力作用和夹持面存在异物、使夹持点产生应力集中;电极驳接不良导致电极在驳接口的机械强度不能满足受力要求。上述不良操作容易造成电极在工作过程中折断。

3.1.2 控制原因

控制原因造成的故障现象通常表现为重复性和必然性。

(1) 炉内电极下方的顶部废钢有不导电物体。在电极自动下降过程中, 电极下端接触到废钢顶部的不导电物体后, 电极调节器不能判断电极已经下降到位, 于是电极调节器控制电极继续下降, 导致电极与废钢挤压折断。其故障特征是:

① 如果是第一相电极碰到废钢顶部的不导电物体, 不会起弧就直接断电极, 其原理与下面第2点相同 (电压不降低) 。

② 如果是第二相电极碰到不导电物体, 也不会起弧就直接断电极, 其原理与下面第3点相同 (检测不到电流) 。

③ 如果是第三相电极碰到不导电物体, 则第一、二相电极已经起弧, 但第三相电极不会起弧就直接断电极。

(2) 电炉二次短网侧测量电压的三相电压互感器中性点与电炉炉底外壳的连接线断开或接触不良。

① 在高压送电后二次短网空载电压三相平衡正常。在电极自动下降过程中, 某相电极下端接触到炉内废钢时, 本来该相二次电压应该下降到空载电压的20%以下或更低, 但由于电压互感器中性点与电炉炉底外壳的连接线断开后, 电极调节器检测不到该相对地电压的降低, 不能判断电极已经下降到位, 于是电极调节器控制电极继续下降, 导致电极与废钢挤压折断。这种故障表现为不起弧总是断第一根电极。第一相电极下降接触到废钢后, 该相电极二次电压基本保持不变。

② 在电极自动下降过程中, 某相电极下端接触到炉内废钢时, 该相二次对地电压立即会下降到空载电压的20%以下, 于是该相电极立即停止下降, 等待第二相电极下降直至起弧。如果电极起弧后而电极调节器检测不到电弧电流, 或者电弧电流很小, 则电极调节器将控制第二相电极继续下降, 于是将导致第二相电极与废钢挤压折断。这种故障表现为电极起弧后总是断第二根或第三根电极。

(3) 电极调节器执行机构——液压驱动机构状况异常。在电极自动下降过程中, 当某一相电极下端接触到炉内废钢时, 该相电极应该立即停止下降。如果液压驱动机构的制动力变小或者系统的延时系数变大, 则会延迟电极执行机构的动作及时到位, 电极端头与废钢可能发生较大碰撞, 导致电极折断。这种断电极故障也具有随机性。当电极液压驱动机构状况异常时, 往往表现为在正常冶炼过程中, 三相电极负荷电流不平衡、不稳定和波动大。

3.2 防范措施与操作建议

3.2.1 机械故障防范措施

(1) 合理的布料结构:各种钢铁料在料篮中的布料以及加入炉内的状况要合理, 避免轻薄型钢铁料在炉子顶部结成一团难以下行, 避免大块废钢塌料砸断电极。

(2) 冶炼时特别是接近熔清时要仔细观察未熔炉料的分布情况, 如果已经生成架桥结构, 要先通过吹氧或物理摆动或摇动的办法, 让炉料在停电和电极已经提升高位的情况下塌落下来, 避免塌料砸断电极。

(3) 电极要采用适合工艺要求的强度。驳接电极要采用合适强度的螺母, 并清理干净, 用专用的夹持器具。在更换电极起吊之前必须对吊环进行紧固, 保证吊环与电极接触紧密。为保证接口的清洁, 要求保留新电极的护端帽直到安装好吊环。

(4) 电极夹持器应避免夹在电极驳接处之间的白线内。电极驳接处不能在电极夹持器的上方。电极夹持器不能夹在敞开的套头上或者留有吊环的套头上。

3.2.2 控制故障防范措施

电炉主控在电炉冶炼时 (前) 应注意以下事项:

(1) 在高压送电后, 要观察二次短网空载电压三相是否平衡 (由三相短网对地绝缘电阻决定, 不平衡电压宜在10%以内) 。

(2) 在电极自动下降前, 确认电极正下方的废钢层没有不导电物体。

(3) 在第一相电极下降接触到废钢后, 观察该相电极二次电压是否立即下降。

(4) 在某相电极发生电弧时, 是否能看到该相电极的二次电流显示 (电流表指针有大摆动) 。

(5) 定期检测电极液压驱动机构的制动力和系统延时系数是否发生变化。

4 实施效果

通过采取相关措施, 在24#炉役上线后, 电极的使用寿命得到了较大程度的延长, 由原来的平均14.7炉次/节延长到18.3炉次/节;吨钢电极消耗1.44kg, 比原来的1.76kg下降了0.32kg。氧气利用率得到了初步的改善, 吨钢氧耗48.6m3, 比原来的50.3m3下降了1.7m3。

5 结论

(1) 造成电炉电极损耗的主要原因有:冶炼过程被氧化造成的化学损耗和电极断折造成的物理损耗。电炉炉内侧壁氧枪的长度和角度设计不合理以及废钢料化清时期炉门氧枪氧气流量过大是造成电极表面氧化严重、化学损耗增加的主要原因。

燃料电池电极反应的书写 篇5

燃料电池在高中阶段只要求掌握氢氧燃料电池和有机物燃料电池, 在书写过程中按以下步骤会好掌握一点。即分为三个步骤: (1) 写出总反应方程式; (2) 写正极反应式; (3) 再利用总反应减正极反应得到负极反应。

一 总反应的书写

其总反应和平时燃料燃烧的方程式大致相同, 但要注意两点: (1) 反应条件不能写点燃, 不要写反应条件。 (2) 看产物是否会与电解质溶液反应, 若会, 则要写两反应的总反应。

例1, 氢氧燃料电池以H2SO4溶液做电解质时:

总反应式:2H2+O2=2H2O

例2, 甲醇燃料电池以铂为两极KOH溶液为电解质:

2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O

CO2+2OH-=CO32-+H2O

总反应式:2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O

例3, 甲醇燃料电池以铂为两极K2CO3溶液为电解质:

2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O

CO2+CO32-+H2O=2HCO3-

总反应式:2CH3OH+3O2+2CO32-=4HCO3-+2H2O

二 燃料电池正极反应式的书写

因为燃料电池正极反应物一律是氧气正极反应的本质都是O2得电子生成。

O2-离子正O2+4e-=2O2-。O2-离子是没办法在电解质溶液中存在的, 它会与电解质溶液反应, 而电解质可能有酸性、中性、碱性。电解质不同, 则反应也不同。O2-我们对其反应原理不了解, 但我们熟悉Na2O。Na2O的反应实质和O2-的反应实质一样。

例4, 电解质是H2SO4溶液时:

例5, 电解质是Na OH溶液时, Na2O是不会与Na OH反应的, 但它会与水反应。

Na2O+H2O=2Na OH, 即O2-+H2O=2OH-。

例6, 电解质是Na Cl溶液时, Na2O是不会与Na Cl反应的, 但它会与水反应。

Na2O+H2O=2Na OH, 即O2-+H2O=2OH-。

由此可得出:在酸性条件下, O2+4e-=2O2-, O2-+2H+=H2O。

则正极反应是O2+4e-+4H+=2H2O。

在中性和碱性条件下, O2+4e-=2O2-, O2-+H2O=2OH-。

则正极反应是O2+4e-+2H2O=4OH-。

三 燃料电池负极反应式的书写

电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。

例7, 氢氧燃料电池 (以H2SO4溶液做电解质时) :

总反应式:2H2+O2=2H2O

正极反应式:O2+4e-+4H+=2H2O

则负极=总反应-正极得:2H2-4e-=4H+

例8, 氢氧燃料电池 (以KOH溶液做电解质时) :

总反应式:2H2+O2=2H2O

正极反应式:O2+4e-+2H2O=4OH-

则负极=总反应-正极得:2H2-4e-+4OH-=4H2O

例9, 氢氧燃料电池 (以Na Cl溶液做电解质时) :

总反应式:2H2+O2=2H2O

正极反应式:O2+4e-+2H2O=4OH-

则负极=总反应-正极得:2H2-4e-+4OH-=4H2O

例10, 丙烷燃料电池 (以H2SO4溶液做电解质时) :

总反应式:C3H8+5O2=3CO2+4H2O

正极反应式:O2+4e-+4H+=2H2O

则负极=总反应-5×正极得:C3H8-20e+6H2O=3CO2+20H+

例11, 丙烷燃料电池 (以KOH溶液做电解质时) :

总反应式:C3H8+5O2+6OH-=3CO32-+7H2O

正极反应式:O2+4e-+2H2O=4OH-

则负极=总反应-5×正极得:C3H8-20e-+26OH-=3CO32-+17H2O

例12, 丙烷燃料电池 (以K2CO3溶液做电解质时) :

总反应式:C3H8+5O2+3CO32-=6HCO3-+H2O

正极反应式:O2+4e-+2H2O=4OH-

则负极=总反应-5×正极得:C3H8-20e-+20OH-+3CO32-=6HCO3-+11H2O

电弧炉电极调节的研究 篇6

关键词：电弧炉炼钢,电极调节,稳定性

电弧炉是利用电弧放热产生的能量来冶炼金属的工业设备, 在冶金工厂和机械制造厂中得到普遍的应用。电弧炉炼钢工艺与平炉, 转炉炼钢工艺相比, 具有冶炼温度高, 炉内气氛能灵活控制, 能充分回收废钢中的贵重金属元素, 钢液中的化学成分容易控制等优点, 在特种钢, 高级钢的冶炼中占有重要地位, 对其工业过程进行方方面面的研究, 有一定的经济效益和社会效益。

电弧炉在生产过程中为提高产品质量和降低成本, 对于不同的炼钢阶段, 要求电弧功率保持在不同的为位置, 因此电弧长度在不同阶段要分别保持稳定。想要电弧长度不改变, 可以连续调节电极与炉料之间长度来达到, 也就是说改变电弧炉功率的最简单的方法是通过改变电极位置来调节电弧长度。电弧炉调节器的调节任务和调节条件相当复杂, 在冷料熔化时长度为几毫米的电弧可以在很小的范围内就可以产生数百万瓦的功率。电弧产生温度可以达几千度, 炉料在电极产生的高温下迅速的熔化, 电弧会转移到电极附近的金属块上, 电弧长度、功率及电弧电流会不断发生改变, 面对如此多的干扰, 为达到消除干扰, 保持稳定的目的, 就需要电极的自动调节装置。

电极升降调节系统是由控制系统、调节器及驱动执行装置组成的一个闭环控制系统。对反馈的弧流和弧压数据进行高速采集, 按照不同的控制参数实时计算分析, 同时对射电参数进行比较, 将最终的控制数据传给电弧炉电极升降控制机构, 从而达到控制目的。在进行控制运算的同时, 与上位机进行实时通讯, 利用其强大的运算和分析, 通过分析后, 把最佳的控制参数送给控制系统, 然后进行控制。

在实际中, 对于大容量的网路来说, 网路相电压近似于常数, 弧压降和弧电流的关系可简化为一元线性函数关系, 在实际工业控制中, 多只通过检测转换弧电流来给出控制信号, 即弧电流被读进计算机, 与给定流进行比较, 得到弧电流偏差, 偏差反映了弧长的变化, 由此, 计算机按某种控制律给出控制信号, 即发送伺服阀控制电流液压伺服阀输出相应的阀位移, 控制液压缸升降, 带动电极调节弧长。

模型中阀--电极部分的模型为%

σr:电极位置, ωr:电极烧损情况, k系统增益。

推出系统的仿真模型:

系统扰动为:ξ (t) =K (t) ΔL+ξr (t)

GPC算法具有下列优点:

(1) 采用增量控制模型, 在自适应控制中能自动消除常值偏差, 适用于系统干扰是非平稳随机过程。

(2) 有大于时滞和模型阶次的大范围预测长度, 对时滞变化不敏感。

(3) 目标函数中含有加权项, 提供了一些控制器的调节手柄。

(4) 用了一组预测方程和预滤波多项式, 能更好的消除扰动的影响。

(5) 使用了滚动优化的思想。

通常GPC的性能指标采用如下形式:

即对输出项进行适当加权, 以抑制超调.在理论上讲, 可以在求得控制量之后, 对控制对象施加此控制求得系统的闭环传函, 对GPC进行极点配置, 获得期望的动态特性。但在实际上, 这却几乎不可行, 可通过下面简单的例子说明:

设系统为如下简单的一阶系统

因此

直接对GPC进行极点配置有一定困难, 但只要对性能指标函数进行适当的改变, 就可以做到对闭环极点的任意配置。本文中的算法, 就是通过对性能指标函数进行巧妙的加权而实现对闭环极点的任意配置。

超级电容器电极材料 篇7

1.1 碳材料

碳材料是最早被用作电极材料的, 碳材料电极先后出现了多孔碳材料、活性炭材料、纳米碳纤维、碳纳米管等多种材料。碳材料的特征主要表现为双电层特性, 双电层电容器充电时在电极/溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列产生双电层电容储能, 其电荷及电位分布如图1 (a) 所述。加上直流电压后, 经过一段时间在2个极化电极与电解液的界面上就会形成新的双电层, 其电荷与电位分布如图1 (b) 所示。充电时通过外部电源, 电子从正极转移到负极, 同时, 溶液中的正负离子各自反向扩散到电极表面, 能量以电荷形式存储在电极材料与界面之间。由于电极电荷和溶液中反电离子的相互作用, 离子不会迁移到溶液中去, 保证双电层的稳定。

目前已经公开的有关碳基材的超级电容的申请有2560篇, 其中多孔碳因具有较高的比表面积和孔隙率, 且相对于碳纳米管、石墨烯等具有成本低廉、原料丰富、适合大规模生产等优点依然是超级电容器的热门电极材料。何孝军等人采用花生壳为原料、KOH为活化剂, 所得多孔炭材料作为超级电容器电极材料表现出较好的稳定性 (CN102417178) 。而且, 作为多孔碳的一种, 活性炭作为超级电容的电极材料有着更进一步的优势, 将具有1600cm2/g特定表面的活性碳细微粒子放入模具, 不使用任何粘结剂, 施加300kg/cm2的压强, 分别供给一个90秒钟的750A的离子脉冲电流和一个120秒钟的1000A的热电流, 从而产生一个薄圆盘形的细微碳粒子的多孔烧结体, 即得到活性炭电极 (JPH0378221 A五十铃汽车有限公司) 。然而, 活性碳系列的材料导电性较差, 所得电容器等效串联电阻大。而且该活性碳系列的比表面积实际利用率不超过30%, 电解质离子难以进入, 因此不适于用作超级电容器的电极材料。碳纳米管 (Carbon Nanotube, CNT) 的出现为超级电容器的开发提供了新的机遇, 它具有良好的导电性能且本身的比表面积大, 制得的超级电容器具有较高的比电容量和电导率。 (CN101425380清华大学)

然而, 无论怎样, 以碳材料作为电极材料虽然有诸多优点, 但是由于其只利用双电层储存能量, 在性能方面有所限制, 因此出现了金属氧化物材料的电极开发与研究。

1.2 金属氧化物材料

法拉第赝电容电极材料的研究主要集中在金属氧化物上, 比如氧化钌, 氧化镍, 二氧化锰等。他们不同于双电层电容器中碳材料电极那样存储能量, 而是在电容器进行充放电时, 金属氧化物与溶液的界面处发生可逆氧化还原反应, 从而获得更大的比容量。目前世界范围内关于金属氧化物材料的超级电容的专利申请量为413篇。刚开始研究的电极材料是氧化钌材料, 然而, 由于钌金属属于贵金属材料, 虽然其拥有良好的效果, 由于价格昂贵, 很大的程度上制约了钌金属电极材料的应用。所以, 后来人们开始将目光转向其他的廉价金属以替代氧化钌, 或者利用碳材料或其他金属化合物与其进行复合, 在提高电极材料的同时, 减少氧化钌的用量从而降低超级电容器的制造成本。比如, 以二氧化锰作为电极材料, 形成超级电容器 (JP3935814夏普公司) , 由于MnO2在充放电过程中发生了可逆的氧化还原反应, 其比电容远高于活性炭电极的比电容。

1.3 导电聚合物材料

导电聚合物超级电容器与金属氧化物电容器同属于赝电容型超级电容器, 因其良好的固有导电率和高能量密度, 同时又有相较于金属氧化物更低成本的特征, 成为了一种常用的电极材料。距今为止, 有关导电聚合物电极材料的专利有250篇。导电聚合物超级电容器的最大优点就是能够在较高的电压下进行工作, 克服金属氧化物超级电容器工作电压不高的问题。对阴极基材表面进行化学蚀刻, 如涂覆腐蚀性物质或实施电化学蚀刻等, 然后涂覆导电聚合物涂层, 所述导电涂层包含烷基取代聚 (3, 4-乙烯二氧噻吩) , 采用这种聚合物, 得到比许多传统涂层材料更高的电容 (CN103310985 AVX公司) 。通过使用规定的导电性高分子结合于表面, 并且具有规定的直径的细孔容积为特定的比率的多孔质碳材料作为电极材料, 可获得具有高静电容量, 循环特性优异的双电层电容器。所述电性高分子为选自聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶、聚喹啉、聚噻唑、聚喹喔啉以及它们的衍生物中的至少1种 (WO2012050104横滨橡胶株式会社) 。

1.4 复合材料

为了进一步增大超级电容器的能量存储, 使其具有赝电容性能以及双电层特性, 单一材料作为电极材料不再满足人们的需求。制备利用碳材料作为基体的复合材料不仅增加了活性材料的有效利用, 也增加了复合材料的导电率以及机械强度, 现今, 已有大量的文献和专利对碳材料作为基体来改善复合材料的电化学性能进行了研究, 仅涉及复合材料的专利申请量就达到了355篇。例如, 通过使氧化钌和特定的碳材料复合化, 可以使氧化钌的比表面积和电极物质的空间这两者扩大, 从而通过纳米复合化来实现电荷利用率的提高 (CN1964917B国立大学法人东京农工大学) 。因此, 未来对于超极电容器复合电极材料的研究可能会吸引越来越多的目光。

2 碳电极材料在超级电容器上的研究与应用

理论上, 电极材料的比表面积越大, 容量越大, 越适合作为电容器电极材料。实际上, 研究发现, 高比表面积的碳材料的实际利用率并不高, 因为碳材料的孔径分为微孔 (<20nm) 、中孔 (2-50nm) 、大孔 (>50nm) , 其中对于形成双电层有利可以作为超级电容器电极的只有大于20nm孔径的材料, 因此在提高比表面积的同时还要同时调控孔径的分布。目前, 已有多种不同类型的碳材料应用于超级电容器电极材料上, 关于碳电极材料的相关专利申请主要集中在活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个方面。如图2所示, 不同的碳电极材料有不同的特征。

2.1 活性炭

活性炭是一种由无定形碳和石墨微晶组成的多孔材料, 一般在多孔碳的比表面积大于500m2/g时被称为活性炭。由于活性炭的微孔而具有大的比表面积, 因此, 通常使用包含活性炭的电极材料用作超级电容器的电极, 使其表面与电解质接触 (KR20100011228LS美创有限公司) 。然而活性炭的导电性不强, 因此在利用活性炭制得电极时, 可以对普通活性炭进行化学改性, 使之具有良好的导电性、较高的表观密度和高比容量, 并加入乙炔黑等导电剂以增强活性炭电极的导电性 (CN1419256 A成都茵地乐电源科技有限公司) 。

而且, 活性炭的来源十分广泛, 作为超级电容器的关键材料直接影响到超级电容器的性能。目前, 常用的活性炭的制备原材料主要来自石油基原料、植物、甚至污泥等, 例如, 以甘蔗渣 (例如冲绳产或其它的来源) 获得的原料经碳化获得碳化物, 将碳化物进行碱活性化得到活性炭 (CN101503189产业技术研究所股份有限公司) ;以小麦面粉、玉米面等为原料制备超级电容器用活性炭 (US8318356B2康宁股份有限公司) ;利用低密度农业废弃物, 通过二氧化碳或者水蒸气活化从而制备活性炭 (US6537947B1迪尔公司) 。因此, 活性炭的来源广, 成本低, 也是其一直备受青睐的重要原因。

2.2 碳纤维

碳纤维属于高效吸附性材料, 由于其表面碳原子的不饱和性, 它可以以化学形式结合其他原子和原子团, 因此碳纤维具有更由于活性炭的吸附性能。利用高密度的高导电性碳纤维作为负极活性物质, 所制得的超级电容器的库仑效率将提高90%或者更高 (JP2811389B2 B2日本电池株式会社) 。通过添加细微碳纤维来改善充放电容量、改善电极极板强度, 这里提到的细微碳纤维, 一般是利用烃的热分解气相法制造的 (JPH5-321039昭和电工株式会社) , 这种碳纤维的直径通常为0.01-5um。然而, 为了提高电池或电容的充放电容量, 以提高负极材料的结晶性来提高容量时, 不仅仅是负极材料, 进而对添加材料也要求具有放电容量高的材料。因此, 对于其添加材料的碳材料, 提高其结晶性并获得导电性好的细微碳纤维是十分有必要的 (CN1343269 A昭和电工株式会社) 。现在, 关于碳纤维作为超级电容器电极领域的研究仍然吸引着众多学者的关注, 有关的专利申请量为157篇。

2.3 碳气凝胶

碳气凝胶是由美国人Pekala首先发现的一种新型纳米多孔材料, 一经出现立刻引起各国研究工作者的浓厚兴趣。通过调整碳气凝胶的孔隙大小, 其具有更优良的导电性 (JP2011159960三星电机株式会社) 。另外, 由于经过溶胶-凝胶化反应得到的碳气凝胶材料一般呈块状, 这时需要把块状气凝胶球磨成微米级粉末 (~10μm) , 不仅费时费力, 还费钱。因此出现了一种直接制得粉末状碳气凝胶的制备方法, 可以满足应用多样化的需求 (CN103449406 A中山大学) 。但是, 现阶段制备碳气凝胶的工艺较为复杂, 在制备碳气凝胶的前驱体时通常采用超临界干燥技术, 该方法成本高, 过程复杂, 生产周期长, 规模化生产难度大, 并且具有一定的危险性, 因此各国的研究者都在探索常压干燥代替超临界干燥的制备工艺。

2.4 碳纳米管

自1991年日本NEC公司的Iijima发现碳纳米管 (Carbon Nanotube, CNT) 以来, 其具有的优良的机械和光电性能, 被认为是复合材料的理想添加物。纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成, 因此, 按照石墨烯片的层数, 碳纳米管材料可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。为了获得更高的电容量, 将碳纳米管与一结合剂混合, 模制成一平板价型, 制得电极, 其中碳纳米管可以是单壁或者多壁碳纳米管 (CN1317809株式会社日进纳米技术) 。将碳纳米管将单壁碳纳米管与甲醇溶液混合搅拌制得单壁碳纳米管的分散液, 将此分散液在减压气氛中通过PTFE滤纸得到一纸膜压单壁碳纳米管片材, 将该片材放置于刻蚀铝箔的表面, 然后设置隔膜等, 制得超级电容器 (US2010259867 A1日本化工株式会社) 。以多壁碳纳米管为原料, 与浓硫酸和浓硝酸混合加热, 获得预氧化的碳纳米管, 清洗后与插层剂混合烘干后二次加热, 膨胀后得到石墨烯纳米带, 活化处理后得到多孔石墨烯纳米带制备超级电容器 (CN103332689中国科学院宁波材料技术与工程研究所) 。或者将单层碳纳米管与多层碳纳米管混合, 与粘结剂作用制得电极材料 (JP2008010681 A爱考斯研究株式会社) 。

2.5 石墨

单层石墨材料作为新型的超级电容器的电极材料, 是利用其二维结构, 具有极大的比表面积, 低比重, 单片片层厚度在0.34nm~2nm之间分布, 表面的官能团存在使单层石墨材料与电解液充分润湿。与传统的活性炭作为电极材料的超级电容器相比节省能源;与碳纳米管作为电极材料的超级电容器相比, 成本低廉。新型的超级电容器性能良好, 具有很高的比电容及高的能量密度 (可达50Whkg-1) , 其比功率更可高达40k Wkg-1 (CN101383231南开大学) 。

3总结

综上所述, 除了进一步提高现有体系的性能外, 今后超级电容器用碳电极材料仍然是通过对其储能机理与制备方式的研究与开发, 寻找更为理想的超级电容器电极材料, 为提高超级电容器的功率密度和能量密度制造出新型的商业化储能器件。而且, 就生产成本来说, 碳材料毋庸置疑是目前为止的超级电容器电极材料中最为廉价的电极材料, 对于众多产业和公司而言有着极大的吸引力, 对于此类材料的研究将一直是人们的重点。

摘要：本文主要对超级电容器领域的相关专利申请的分析进行了梳理, 并进行了举例说明。超级电容电极材料主要包括碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合材料, 本文主要介绍了碳材料在超级电容器领域的应用, 并具体从活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个分支分别介绍了超级电容器。