真空电弧钢铁表面除鳞中的电弧特性及其对除鳞性能的影响

基于本课题组在真空电弧理论方面的长期研究，以及在真空电弧钢铁表面除鳞方面初步研究的基础上，本项目面向我国"绿色冶金"对钢铁冶金工业环保和节能的迫切需求，针对酸洗等传统的钢铁表面除鳞工艺严重污染环境的问题，对真空电弧除鳞这一干式绿色的除鳞新技术进行系统和深入的应用基础研究。本项目从钢铁种类、表面氧化层特性，以及电弧电流、除鳞持续时间、阳极尺寸和电极开距、保护气体和还原气体种类、配比和压力、外加磁场等各类除鳞参数对真空电弧特性影响的角度着手，进一步研究各种因素对除鳞效果、速度和能耗的影响规律，以达到利用除鳞参数对真空电弧特性的调控来改善和优化除鳞性能的目的；此外，本项目也将建立描述除鳞过程的物理和数学模型，从而更好地掌握各种因素对除鳞过程影响的物理机制。通过本项目的研究，不仅可以丰富和发展真空电弧理论，而且可为我国进一步研制用于钢铁冶金工业的真空电弧除鳞设备提供直接的理论依据和实践经验。

本项目主要研究真空电弧在钢铁表面除鳞的应用。真空电弧钢铁表面除鳞技术是近年来提出的干式、绿色的新型除鳞技术。该技术主要利用了真空电弧阴极斑点的“高能量密度”和“选择性”运动的特性，在不损伤钢铁表面性质的前提下除去钢铁表面的氧化物，具有良好的环境友好性，因而有望替代传统的酸洗等污染环境的除鳞技术。项目执行过程中，首先设计了适合不同形状的钢铁材料的真空电弧除鳞腔体，并搭建了除鳞电路，利用火花触发方式产生电弧。研究了实验室制备氧化层的方法，通过调节烧制温度和烧制时间，可以在钢板表面生成不同厚度和不同物质组成的氧化层。项目研究了放电参数对阴极斑点运动的影响，发现真空电弧的阴极斑点主要做慢速的随机运动以及偶尔的快速运动，趋向于在功函数较低的氧化层上产生；电极开距的增大使得放电通道增大，斑点间磁场作用增强，从而使使斑点变得活跃；氧化层厚度减小会使阴极斑点变得活跃，斑点的运动范围扩大。项目重点研究了各种参数对真空电弧除鳞的效果和效率的影响。研究了除鳞过程中钢板表面的物质组分变化和微观形貌变化；研究了几种放电参数对除鳞速率的影响：除鳞速率随电弧电流的增大成比例增大，除鳞速率随保护气体压力的增大而减小，主要是气压抑制了斑点的运动并减小了阴极斑点的能量；电极开距会影响斑点的能量密度以及运动范围，从而影响除鳞速率。项目也研究了真空电弧除鳞在管材除鳞中的应用，研究表明，斑点只有在氧化层区域上存在一定的时间后才能将钢板表面的氧化物除去。项目还建立了真空电弧除鳞速率随放电参数变化的数学模型，经过计算，模型和实验结果基本吻合。