（化学工程专业论文）内串石墨化工艺的研究.pdf

人连理l ：人学硕十学位论文 摘要 内串石墨化炉是一种新型节能炉型，主要用于石墨电极高温热处理。与爱奇逊石墨 化炉比较，串接石墨化炉具有通电时问短，电耗低( 每吨石墨化品电耗下降1 0 0 0 k w h 左右) ，不用电阻料，炉芯温差小等特点。经石墨化的电极电阻率均质性好，如焙烧品 质量较好，串接及送电处理得当，基本不产生废品。由于内串石墨化炉的优点，内串石 墨化炉被困内外生产厂家关注和使用，研究内串石墨化生产工艺成为新的课题。 本论文主要针对中钢吉炭所用内串石墨化炉进行研究。由于第一、二代内串石墨化 炉炉体及砌筑材料、压力以及电流密度控制及接触方式、送电曲线的不同，导致送电过 程出现“窜火”现象，迫使中途停电、停产。而中钢吉炭所用内串石翠化炉为第三代石 墨化炉，是采用钢板结构，这种结构的优点是送电时间短，送电结束后铡板温度不超过 4 0 0 ，便于散热，出炉快，提高生产率。送电过程为计算机自动控制，同时液压系统 加压方式为两端加压( 第一、二代为一端加压) ，每台炉配有两端加压装置，由控制台 控制，在装入产品及产品收缩时能两端加压，保证电极串问压力不变。本文对内串石墨 化控制参数进行测试，包括确定初始各设备控制参数、压力、接触材质、冷却水流量温 度控制范围等。通过对各项参数的控制及进行测温实验，确定石墨化送电曲线，达到内 串石墨化炉送电时间短、产品质量均一、节能的目的。 关键词：内串石墨化炉；压力；柔性石墨；送电曲线 人连理i ：人学硕十学f 节论文 s t u d yo nl e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o np r o c e s s a b s t r a c t l e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o nf u r n a c ei san o v e ls a v i n ge n e r g yd e v i c ef o rg r a p h i t ee l e c t r o d e h i g ht e m p e r a t u r et r e a t m e n t c o m p a r e d w i t ha c h e s o n g r a p h i t i z a t i o nf u r n a c e ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h el e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o nf u r n a c ei s g r a p h i t i z a t i o nt i m ec o n t r a c t i o n ， p o w e rc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n ，w i t h o u ta d d i t i o no fe l e c t r i cr e s i s t a n c ea n dt h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo ft h ec o r eo ft h ef u r n a c ei sl o w ，t h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yo ft h eg r a p h i t i z e d p r o d u c t i o n s i sh o m o g e n e o u s t h ew a s t ep r o d u c tr a t i oi sl o wo rz e r oi ft h eq u a l i t yo ft h eb a k e d p r o d u c t s ，s e r i e sc o n n e c t i o nc o n d i t i o na n dp o w e rs u p p l yc a nr e a c ht h ed e m a n df o r t h e o p e r a t i o ns p e c i f i c a t i o no f i d e a lg r a p h i t ee l e c t r o d ep r o d u c t i o n b a s e do nt h ea b o v ea d v a n t a g e s ， l e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o nf u r n a c eh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o nb yt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a c o m p a n i e s ，a n dt h ep r o c e s sf o rt h el e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o ni san e wt a s k i nt h i sa r t i c l et h el e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o np r o c e s sw h i c hi sa p p l i e di ns i n o s t e e lj i l i n c a r b o nc o ，l t d i si n t r o d u c e d b e c a u s eo ft h ev a r i e t yo ff u r n a c es t r u c t u r e ，c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l ，p r e s s ，c o n t r o lo fc u r r e n td e n s i t y ，c o n n e c t i o nb e t w e e nt w og r a p h i t ee l e c t r o d e sa n d p o w e rs u p p l yo ft h ef i r s ta n ds e c o n dg e n e r a t i o nl e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o nf u r n a c e ，a r c i n gw a s c a u s e di np o w e rs u p p l yo fg r a p h i t i z a t i o np r o c e s s ，w h i c hc a nb er e s u l t e di np o w e rd u m p ，g o n e f u r t h e ri n t os t o p p i n gp r o d u c t i o n w h i l et h el e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o nf u r n a c ea p p l i e di n s i n o s t e e lj i l i nc a r b o nc o ，l t d i st h et h i r d g e n e r a t i o nl e n g t h w i s ef u r n a c e ，o fw h i c h c o n s t r u c t i o ni ss t e e lp l a t e t h et e m p e r a t u r eo ft h es t e e lp l a t ei sl o w e rt h a n4 0 0vw h e nt h e p o w e rs u p p l yi so v e r ，w h i c hc a nb eb e n e f i c i a lt oh e a t - s i n k ，a n di m p r o v et h es p e e do fd r a w i n g ac h a r g ea n dp r o d u c t i v i t y t h ec o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi s a d o p p e di np o w e r s u p p l y t h ep r e s s u r i z a t i o ni s d o u b l e e n d e dp r e s s i n g ，w h i l et h a to ft h ef i r s ta n ds e c o n d g e n e r a t i o nw a ss i n g l e - e n d e dp r e s s i n g t oa c h i e v et h eo p t i m u mt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s ，t h ep a r a m e t e r so ft h el e n g t h w i s e g r a p h i t i z a t i o np r o c e s si n c l u d i n gi n i t i a lc o n t r o lp a r a m e t e r so fa l lk i n d so fd e v i c e sf o rt h e g r a p h i t i z a t i o np r o d u c t i o n ，p r e s s ，c o n n e c t i o nm a t e r i a l s ，f l o wo fc o o l i n gw a t e r ，a r et e s t e da n d c o m p a r e dw i t h t h a to ft h eo v e r s e ac o m p a n i e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo b t a i n e d p a r a m e t e r sc a nm e e tt h et h ep r o d u c t i o no ft h eg r a p h i t ee l e c t r o d e s ，w h i c hi sc o n s i d e r e dt h e i d e a ls i t u a t i o n k e yw o r d s ：l e n g t h w i s eg r a p h i t i z a t i o nf u r n a c e ；p r e s s ；f l e x i b l eg r a p h i t e ；p o w e rc u r v e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明弓 用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 凼聋五显盘蛙兰堑鱼兰翌塑 作者签名： 髯童! 墅 日期： 趔年垒- 月l 甘 大连理工大学专业学位硬f - q ：4 立论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阕。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目 盘车五豸：血配星竺丝孓立l 一作者签名： 圭垒丑! 垂日期：型芒年上月互- 日 导师签名： 左纽落 日期：出名年生月五一日 人迮理i ：人学硕十学位论文 引言 石墨化是石墨电极生产过程中的关键工序，石墨电极的理化性能很大程度上是由石 墨化的温度决定的，石墨化温度应在2 5 0 0 以上。目前石墨电极生产使用的石墨化炉都 是电热炉，即用大量的电能将制品加热到石墨化所需的高温，生产1 t 石墨电极约耗电 6 0 0 0 k w h 。在石墨电极生产中，大约8 0 的电消耗在石墨化过程中。随着电炉炼钢技术 的发展，大型超高功率电炉逐年增加，超高功率电极的需求量也与同俱增。生产高质量 超高功率石墨电极的石墨化温度应达到2 8 0 0 - - 3 0 0 0 ，这样耗电会更大。因此，石墨化 生产工艺及石墨化炉应在不影响产品质量的前提下，最大限度地减少电能消耗。 石墨化的方法按加热方式可分为直接法和i 日j 接法。所谓直接法，就是指电流直接通 过被石墨化的焙烧品，制品本身就是导体通过电阻热使制品达到石墨化温度。生产石墨 电极所用的石墨化炉主要采用直接法。直接加热式石墨化炉有两种炉型，一种为有电阻 料的称爱奇逊石墨化炉，另一种为内热式串接石墨化炉英文简称l w g 炉。而间接法是 电源和制品不直接接触，热能是通过感应或辐射的途径传递，制品可在炉子中自由移动， 用这种方法的很少，它只能生产一些较小规格的电炭制品。 内热式串接石墨化炉是一种新型节能炉型，与爱奇逊石墨化炉相比，串接石墨化炉 具有通电时间短，电耗低( 每吨石墨化品电耗下降1 0 0 0 k w h 左右) ，不用电阻料，炉 芯温差小等特点。所以，可以说内热式串石墨化炉工艺是“优质、高效、低耗”的石墨 化生产工艺，是石墨化今后发展方向。目前，内串石墨化炉被国内外生产厂家所关注和 使用，而深入研究内串石墨化生产工艺，保证保量的生产出高性能石墨电极已成为新的 课题。 2 0 0 3 年，吉林炭素股份有限公司引进美国东大陆内串石墨化生产工艺技术，但由于 中途合作停止，只提供一些炉子结构材料，而没有提供任何有关生产工艺方面的技术和 资料。在国内大型内串石墨化炉工艺还没有掌握，尚属空白。吉林炭素厂自行试验，如 果研制成功，对国内炭素生产具有重大贡献。 内串石墨化炉是炭素行业热处理的一个重要环节，对改变电极结构具有重要意义， 研制与生产同时需要解决以下问题- ( 1 ) 产品在送电过程中不产生裂纹。 ( 2 ) 石墨电极问的压力大小。 ( 3 ) 送电曲线的制定。 ( 4 ) 填充料选择。 人连理i ：人学硕t ：学位论文 因此，我们成了研究石墨化生产工艺工作项目组，深入细致的研究探讨影响内串石 墨化炉工艺的各种原因，根据国内国外资料介绍，提出了解决方法。通过试验不断完善， 成功地解决了技术难题，并应用于大生产中。 本论文介绍了吉林炭素厂内串石墨化炉工艺的研究生产及实际生产中解决的一些 技术难题，探讨了影响产品质量因素，提出了一些具体解决办法。为大型内串石墨化生 产提供了依据。 大连理l ：人学硕十学位论文 1 文献综述 1 1 内串石墨化炉技术的简介 1 8 4 1 年，j a m e sp r o s c o tj o u l e v 发现了电流产生热的这种关系，人们用焦耳热 表示以这种方式所做的功川= 1 2 r t 。该定律是所有电阻加热装置的基本原理，并且 在技术领域内得到应用。把一物体接到电路上，将其加热或利用其释放的热量加热其它 介质。 上个世纪后半叶，除e d w a r dg o o d r i c ha c h s o n 外，h a m i l t o ny o u n gc a s t n e r d 在 美国也进行石墨的制造。在同一年，即1 8 9 6 年，a c h s o n 和c a s t n e r 申请了他们石墨化 方法的专利权。艾奇逊( a c h s o n ) 法是用需石墨化的材料和电阻料共同构成炉阻，而 c a s t n e r 法与之不同，只用需石墨化的碳制品作炉阻，把碳制品央在导电电极问，用绝 热材料覆盖。 图1 1c a s t n e r f i 墨化示意图 f i g 1 1c a s t n e rg r a p h i t i z a t i o ns h o wt h ec h a r t 艾奇逊原理在世界范围内得到应用且在许多细节上得到了进一步的丌发，而在最 初看来是很简单的c a s t n e r 石墨化方法则被忽略了。按当时的技术状况，很多问题尚得 不到解决，不能制造装置和供电用设备的大部件。1 9 1 2 年，美国电极公司提出一项专利， 内容涉及在c a s t n e r 炉内在石墨化过程中保持恒定接触压力的挤压装置。这样解决了一 个细节问题，但这一发明并没有使c a s t n e r 原理的应用取得突破。六十年代，艾奇逊炉 每次装炉5 0 - - 1 0 0 吨，电极直径达6 0 0 毫米，而c a s t n e r 炉的使用可能性仍限于小规格 和极小的装炉量。1 9 5 4 年，c c o n r a d t y 公司( n u r n b e r g ) 在制造高纯石墨时应用了 c a s t n e r 原理。把中1 0 0 5 0 0 毫米的圆棒夹在炉头的接触装置间，在保护气体气氛下经 直接电阻加热到3 0 0 0 以上。由于生产率低、缺乏经济性及不能满意地解决技术细节等 原因，几年后这种石墨化方法又被遗弃。 人连理：人学硕十学位论文 随着生产实践经验的积累和科学技术的进步，石墨化工艺也有了长足的发展，从小容量的 交流石墨化、大功率直流石墨化，一直到当今的内热串接石墨化( 简称内串) 工艺。我国 石墨化工艺大体经历了三个发展阶段。( 1 ) 小容揖交流石墨化工艺为初期阶段。在这一 段各炭素厂一般均采用交流石墨化炉完成石墨化【序生产。设备容量在50 0 0k v a ：输流 在4 0l e a 左右。后期有的厂家将设备增容到88 2 0k v a ；输出电流在8 0k a 。生产实践中 该石墨化工艺有许多弊病，且很难解决。如电损热损大，单耗高，效率低，炉芯温度低，产品质 量不佳，功率因数低，三相不平衡等。人们虽然想了不少的补救措施，如采用低压补偿提高 设备效率，进而提高炉芯温度；工艺上由传统的卧式装炉改为立式装炉；送电曲线逐渐加快， 送电时间由8 0 多h 改为6 5 , - , 7 5h 等，使产品用电单耗有所下降，产量也有所提高，但没有办 法彻底解决交流炉所存在的问题。在这段时间，我困的电炉钢产量不多，电炉容量也相对 较小，对电极质量要求不太高，加之原料资源比较丰富，质最也很好，特别是油页岩釜式焦 对石墨化炉温要求不高，一般石墨化炉均可满足。f h 到7 0 年代用户对电极质量要求r 趋 严格。另外，石油工业的发展，焦化工艺发，皇了变化，由延迟焦取代釜式焦，对石墨化炉的温 度要求越来越高。现有的装备和工艺方法已经满足不了尘产的要求，必须寻找提高炉温的 施。此时新的石墨化供电机组应运而尘。( 2 ) 直流石墨化机组的兴起和发展为石墨化工 艺展的第二阶段。从1 9 7 6 年丌始，交流石墨化炉在我幽逐渐被淘汰，取而代之的是直流石 墨化机组和强化石墨化工艺。在这二十几年的发展中，人们采用了大容量整流机组为石墨 化炉供电，创造出了“两高快”的工艺方法，即高功率、高电密、快曲线的强化石墨化 新工艺，取得了明显的成就，促进了炭素生产的发展。，采用直流石墨化机组对石墨制品的 产量、质量、综合能源利用率和效益都较交流石墨化炉有明显提高。在这期f h j ，人们重点 解决了两大问题，一是装备，二是强化石翠化工艺。新的装备主要足大容量的有载调压整 流变器与大功率变流技术的结合，构成了直流供电机组，为石墨化炉供电。直流供电机组 容量由小变大，多级有载调压、主调合一、高压直降，采用适合石墨化工艺特点的双反星 形整流电路，实现同相逆并联。整流元件也由2 0 0a 增大到30 0 0 a ，每臂并联元件大为减少， 加之采用一些其他有利提高功率因数的措施，使得大容量直流供电机组较好地满足了石 墨化的工艺要求。特别在最近几年，人们不断重视卣流石墨化机组与石墨化炉匹配的技术 i 口j 题，有了一套比较完整的匹配方案。在石墨化工艺方面也有很大突破，采用强化石墨化 工艺就足例证。所谓强化石墨化是指对艾其逊石墨化炉实行强化石墨化过程。其核心是 提高变压器容黾，通常每立方米炉芯占有容量在1 6 0k v a 左右：提高炉芯电流密度，使炉芯 电流密度保持在2 0 a c m 2 左右，这是强化石墨化工艺的必备条件。采用低电阻的石墨化 焦作电阻料町降低毛坯受热的不均匀性，即可以适当地改善毛坯在石墨化过程中的加热 条件：采用导热率和导电率低、含水分少的保温料，不论从保温性能，还是对电绝缘性能 人连理i ：人学硕十学位论文 都要好些，因而提高了炉子热效率，在快速升温的情况下电极毛坯也不易产生裂纹，当然电 极毛坯本身质量也要符合标准。实践表明，强化石墨化工艺过程中有不少难以克服的弱点， 制约石墨化工艺的再发展。首先，艾其逊炉的主要加热方式是外热，电阻料从外面为电极 毛坯加热( 在电极内部，电流产生的热量很少) ，这种加热过程毛坯本身就存在温度梯度和 热应力。改变装炉方法，只能使电阻料温度不均匀性有所改善，但其不均匀性不能彻底消 除，使得送电曲线不能过快，炉芯升温速率不能过高，因而送电时间较长，热损较大，产品质 量不够均匀，也不稳定。其次，艾其逊炉由于电阻料耗去大量电能，使电耗增高。即使是最 好的强化石墨化工艺，电耗也是理论电耗( 15 0 0k w h t ) 的2 1 5 3 倍。因此应用“内 串 石墨化新工艺就标志着石墨化工艺发展到了第三阶段。内串工艺的主要特点是内 热和串接。“内热”是不用电阻料，电流沿焙烧电极的轴向通入电极，以电极本身作为发 热体。“串接”是把电极沿其轴线头对头地串接起末。内串工艺从根本上克服了艾其逊 炉的弊端，与艾其逊炉相比，显示出许多优越性。表2 是“直流艾其逊与“内串 两种 工艺的对比。1 ) 内串炉升温速率高，送电周期短。由于它利用焙烧电极本身作发热体，电 极内部电流及温度分布比较均匀，热应力很小，这就使得内串工艺比直流艾其逊工艺有高 得多的升温速率而不致产生裂纹。内串炉工艺升温速率最快可达6 0 0 h ，这就大大缩短 了通电加热时间。2 ) 电耗很低。由于内串炉送电时问短，不用电阻料，这两者使得内串工 艺热损小，电耗大幅度降低，仅为25 0 0 32 0 0k w h t 。比直流艾其逊炉用电单耗每吨至 少节省10 0 0k w h 。对于年产50 0 0t 的中小炭素厂每年可节电5 0 0 力k w h ，每年还可 节省大量的用于作电阻料的冶会焦和石墨化焦，经济效益十分显著。3 ) 电极质量均匀而 且稳定。在内串石墨化过程中，电极温度可达30 0 0 ，电极边缘和中心间温度差别很小， 所以质量分布都很均匀。4 ) 特别适合生产大规格产品。用内串炉生产4 0 0m m 以上的石 墨化电极，一是使单炉产量提高；二是电极直径越大二 艺技术指标越好；三是可降低热损。 内串工艺最主要的热损是通过电极表面传给保温层的那一部分损耗，可称之为“保温热 损”。保温热损是与电极的比侧表面成f 比的，也就是说保温热损随电极比侧表面的缩小 而减少。而电极直径越大比侧表面越小，因而热损越低。我国将在今年陆续取缔1 0t 以下 小容量高能耗的电弧炼钢炉，3 5 0 m m 以下小规格石墨化电极的用量将会减少。大型高功 率、超高功率电弧炼钢炉将会发展很快，大规格高功率、超高功率石墨电极将增大需求。 而内串石墨化工艺恰恰能满足生产大规格高功率、超高功率石墨电极的需求。内串炉通 电最高电流密度在3 0 - 5 0 a c m 2 ，而电炉炼钢使用电极的最高电流密度也不大于此。所以 采用内串石墨化工艺与装备是我国石墨电极厂的必然趋势i z 7 1 。1 9 8 2 年吉林炭素厂丌始 进行串接石墨化的研究，历时8 年，试验基本成功，达到了预定的技术指标，以后修建 了组串接石墨化炉，连续生产了8 年左右，后因多种原因停产，但其主要技术成果已 人迕理i ：人学硕卜学位论文 为国内一些单位所效仿，建成了一批中小型串接石墨化炉。兰州炭素厂在上世纪2 3 年 代也进行过串接石墨化的研究，积累了一些数据。最近南通炭素厂及三门峡新鑫石墨电 极公司已经分别建成了大型串接石墨化炉，吉炭及开封正在引进国外技术基础上建设大 型串接石墨化炉。可以预料，中国相当一部分石墨化炉在未来数年内将由艾奇逊炉改为 串接石墨化炉。这不仅对节约电量发挥作用，而且对提高石墨电极的均质性起到推动效 果。串接石翠化要解决的技术问题炉体设计与砌炉用材料设计和砌筑串接石翠化炉时， 炉头导电电极应该使用电阻率较低的石墨电极，导电电极一般采用内冷方式，生产直径 7 0 0 m m 石墨电极的大型串接石墨化炉的导电电极直径达到7 5 0 m m ，长度达到2 1 0 0 m m 。 国外炭素厂主要生产采用针状焦为原料电极，配方中加入少量氧化铁粉( 抑制品胀) 。 焙烧温度较均匀，焙烧品电阻率筹别较小，焙烧品均质性好，体积密度差别也较小。焙 烧品的长度接近一致，两端按要求加工( 切平) ，端面与躯干垂直，所以成品率很高。 因内串接石翠化炉成品率较低及石墨化后电阻率较高孑焙烧品质鼍的不均质有关。保温 料有两方面的功能，一是保温、减少热损失，二是防止产品氧化。保温料的性能与热损 失直接有关。为了减少热损失可采用电阻率高及热导率低、低热容量：、并具有良好的 气体渗透性的材料为保温料。如果将保温料层加厚也能提高保温效果，但保温料层加厚， 会导致冷却时f t l j 延长，相应增加生产周期。国外有的大型串接石墨化炉，采用保温料的 粒度只有0 2 0 4 r a m 。，当炉：芯电极达到3 2 0 0 时，最外层保温料看不到燃烧或烧红现 象，离保温料外侧3 0 0 3 5 0 咖处，测量温度只有1 0 0 2 0 0 。保温料一般用冶金焦粒， 也有使用石油焦的，使用冶金焦时，灰分尽呵能低一些，保温料灰分高会产生两个问题， 一是狄分易形成结块，影响冷却时的吸料( 用多功能天车吸料) 。二是灰分中的杂质可 能在电极表面生成碳化硅等不易清理的粘结物。保温料的粒度也应给予重视，从保温性 能看，小颗料优于大颗粒，但取得小颗料要多次破碎，附带产生火晕粉尘，使用前必须 将粉尘筛去，不仅增加了保温料消耗量，也加大制各保温料的难度，所以困外串接石墨 化炉一般使用的保温料粒度为1 4t r l l l l ，其中大于4m m 及小于1 r a m 的最好都不要大于 1 0 。保温料的水分含量不要大于1 。 串接石翠化炉装入的焙烧品两端应切平，并与炉头导电电极中心对称。根据装入焙 烧品的直径，决定单柱串接还是多杜串接，柱串接时必须保持通过串接枉所需要的电流 密度，国外有的厂采用串接柱在预装台上预装( 焙烧电极前后对齐并在前后两根焙烧电 极间加端部接触材料) ，预装后央紧，用专用天车及央具将组装好的串接柱吊到炉内后， 在顶推装置的压力下固定位通过电极裸露送电发现( 两端面直接接触，无接触填料) ， 通电半小时后制品表面温度只有1 0 0 ，但端面接触处温度已经达到1 0 0 0 ，同时出现 裂纹。由此不难看到，制品产生裂纹的卡要原凶是由于端面接触处接触不良，局部过热 人连理i ：人学硕十学位论文 引起。为改善电极端面接触处的接触状况，由采用刚性介质改为可压缩介质置入电极端 面接触处，效果较好。除了接触介质本身性质以外，接触面积的大小，也直接影响到电 极外部及内部温度产生差异。因为在通电过程中，由于电极外表散热大，在同一时间外 表的温度低于中间部分，石墨电极的电阻与温度成反比，温度越高电阻越小，因此电流 会越来越集中到电极的中心部分，从而造成制品径向温差越来越大，最终导致制品在石 墨化过程中丌裂。如采取适当措施，将电流引向电极的外表面，缩小径向温差，使电极 内部的热应力减少，电极就不易开裂。内热串接石墨化的串接柱是由数根焙烧品从纵长 方向串联并紧压在一起，端面接触部位是个关键地方，当电流通过接触部位时，由于 接触电阻比较大，导致接触部位的温度升高，很容易在端面接触部位出现裂纹，接触 部位的接触好坏与焙烧品端面加工状态及加压压力有关。改善端面接触可是将焙烧品的 端面中心镗一个适当直径的浅槽，以迫使电流只能从焙烧品端面外缘的紧压面上通过， 这样可以减少串接柱的芯部与外圆的温度差；二是在两根焙烧品端部连接处的自j 隙内装 入石墨粒并捣实，但要有防止石墨粒漏掉的措施；第三种办法是使用适当厚度的柔性石 墨压成的挚片。生产电极时通过串接柱的电流密度一般达到2 5 3 5 安厘米2 。 兰州炭素厂曾对串接石墨化过程中焙烧电极的安全升温速率作过多次试验，认为自订期升 温速度控制在2 7 0 2 8 0 ，中期3 0 0 - 3 4 0 控制在，后期以变压器或整流的全功率投入。 目前串接石墨化炉大体上都是在通电初期功率上升可以很快，中期稍慢，后期又加快。 考虑到不同石油焦的气胀凶素，有的气胀较大的石油焦在1 7 0 0 - 2 5 0 0 期间功率上升也 不宜太快，但在以后可以加快( 全功率投入) 。艾奇逊石墨化炉由于炉芯各点温度的 差异较大，处于炉芯不同部位的焙烧电极升温速率相差很大，所以不能以高速率升高温 度，否则将产生大量裂纹废品。串接石墨化炉炉芯每根电极的温度差异很小，不存在炉 芯温度差异大这一问题。根据生产经验，装入串接石墨化炉的产品直径大小仍然是考虑 功率上升的因素之_ 二，大直径产品特别是直径大于5 0 0 一的电极功率上升应当适当放 慢。升温速率也和生产电极的原料质量有关，国外生产石翠电极，都使用热膨胀系数较 低的针状焦为原料，如果足用普通石油焦生产的普通功率石墨电极，由于普通石油焦的 热膨胀系较大，因此同样规格产品在串接石墨化炉中也要适当降低升温速率。同样是针 状焦，虽然热膨胀系数相似，但气胀性质有差异，如煤系针焦的热膨胀系数与油系针焦 差别不大，但气胀较大，所以用煤系针焦的的石墨电极用于串接石墨化炉中也要控制升 温速率，以防止大量裂纹废品的产生。) 生产高质量的石墨电极石墨化的最终温度应该 达到3 0 0 0 3 2 0 0 ，从室温时通电丌始到温度上升至3 0 0 0 3 2 0 0 对中等规格产品大约 需要7 1 0 小时，对大规格产品一般需要1 0 1 6 小时石墨化过程中原料石油焦或焙烧电极 的线尺寸、体积都在不断变化，这种变化对石墨化工艺至关重要， 如币确制定石墨化 人连理i ：人学硕十学何论文 的升温速度，确定生坯的尺寸，把毛坯在焙烧及石器化过程中的线尺寸和体积收缩考 虑进去，而且毛坯线尺寸的变化在极毛坯的径向和轴向是不同的，其中径向尺寸变化尤 其重要，这一点在用串接石墨化方法生产大规格电极时必须特别注意。对串接柱加压由 焙烧电极组成的串接柱应是一个尽可能均匀的导体，为此，电极端面问的接触只允许 有较低的过渡电阻，过渡电阻的小和接触面的大小、接触面的表面状态以及接触压力 有关，接触压力的大小起很关键的作用f 2 6 】。 电极整体纵裂足内串石墨化生产中经常遇到的质黾问题，也是影响电极生产成本的 大问题。造成电极整体纵裂的主要原因有以下几个方面：1 送电升温曲线设计不合理所 致。如因为送电升温曲线中前期设计的运行功率过高或时间过短，快速提高功率的时问 过早或过快，都会导致电极升温速度过快，致使电极内部应力的变化超出制品本身膨胀 的极限应力而形成纵裂。般在设计送电曲线时，温度在1 0 0 0 1 7 0 0 阶段应严格控制 升温速率，在2 0 0 0 左右提高功率时也不宜过快! 。从困内目前焙烧品的质量情况来看， 中小规格低品质要求的产品总的送电时间一般控制在l o h 左右即可，而中大规格高品质 要求的产品应适当延长，根据具体情况一般控制在1 0 1 6h 为宜。2 电极装炉操作不当 所致。如电极与电极两端面导电接触面积过大，致使电极中心部位通过的电流过大制品 内部的热膨胀应力犬于表层而形成纵裂。制品多柱装炉时柱与柱之m 的焙品平均电阻率 偏差过大或顶紧压力不均匀，也会导致炉芯偏流，使电极各部温差过大而造成纵裂。通 常的做法是应当让电极表层通过的电流密度大于中心部位的电流密度，使电极表层先膨 胀，为中心部位的升温膨胀做好准备。目前较好的方法是采用适当厚度和密度的柔性石 墨挚环作端面接触介质，其特点是本身电阻率低，导电端面接触性能好。石墨挚环形 成的导电接触面积以控制在电极端面面积的5 0 左右为宜。坯品多柱装炉时应确保柱与 柱之间平均电阻率尽可能接近，支与支的之i 口j 的电阻率偏筹以控制在5uq m 范罔为 宜，同一受力面的炉内各电极柱的累积长度应通过石墨挚块调整。一致。3 保温料的石墨 化程度过高所致。由于保温料石墨化程度过高，导致保温料电阻率明显降低，漏电现象 严重，使通过电极本体的电流相对变小，在中自订期送电时电极升温速率相对降低，在送 电后期快速提升功率送电时，炉内电极尚未达到丌始石墨化的结构转变温度，急剧升温 使电极超出热膨胀的极限应力而造成纵裂。凶此，在生产操作过程中应定期补充和更换 处理保温料。电极焙品本身存在质量缺陷所致。如电极焙品特别是二烧品本身电阻率及 体积密度离散性过大，浸渍过程：1 ：艺条件不稳定导致部分产品浸不透，二烧品出炉时的 温度过高等，都会导致电极纵裂现象的发生。电极端部裂纹也是内串石墨化生产中比较 常见的质量问题，虽然不至于造成整支电极报废，但对成率还是有较大影响的。 造成电极端部裂纹的主要原因有以下几个方面：1 焙烧品电极端面处理不平整。主要是 人连理1 ：人学硕十学位论文 指电极平端面处理后，电极端面与电极轴线不垂直的程度过大或电极端面凹凸不平，造 成电极与电极连接处接触电阻不均匀，通电后流分布不均导致局部过热而形成端部裂 纹。2 电极与电极连接面顶紧压力不均匀。如装炉时电极与电极中心不在一条直线上， 加压顶紧后接触面受力情况不均匀，压力偏大的部位接触电流偏大，导致热应力过于集 中而形成端部裂纹。当系统压力不足或偏低时，中部串接柱接触电阻明显大于两端部位 串柱的接触电阻，导致中部串接电极接触匝温度过高而出现端部裂纹。在电极装炉操作 时应控制各串接柱中心在一组平行线上，确保加压顶紧后各接触面不同部位受力情况均 匀，同时应保证系统有足够的压力，确保各接触面的受力情况接近一致。3 送电后期顶 紧压力滞后或不足。焙品电极在进入石墨化阶段快速收缩时，有时因系统顶紧压力没有 及时调整跟进，导致顶紧压力滞后或不足，使电极端面的接触电阻增大，端部温升速率 过快导致端部裂纹。电极端部氧化主要是冷却阶段造成的，当电极顶部覆盖保温料被抓 走后，电极表面覆盖料不足，随着温度的降低，电极长度出现明显收缩，导致电极与电 极接触面出现较大缝隙，覆盖料漏下使问隙处暴露在空气中或保温料厚度太薄透气性 好，导致产生端面氧化。另外，当炉内电极在进入石墨化快速收缩阶段时，如果顶紧压 力过于滞后或不足，电极接触面将会产生缝隙使炉阻明显增大，巨大的电流也会导致电 极端部产生电弧氧化。电极表面氧化往往是冷却阶段保温料覆盖过薄所致。在冷却阶段 注意控制好覆盖料的厚度即可得到较好的解决。此外，温度过高的电极出炉后挤靠在一 起也会导致表面严重氧化，因此，电极出炉温度较高时要让电极与电极之间保持一定的 间隙，以便于电极快速冷却，减轻氧化现象的发生。内串石墨化运行一段时问扁随着 保温料的反复使用，石墨化电极表面会出现一些不规则的条沟状氧化现象，氧化严重的 电极，只能改制小一规格的电极，造成很大的损失。形成该种氧化的主要原因是保温料 反复使用后细粉料比例过高，导致保温料透气性不好造成的。其预防的做法是定期对保 温料进行筛粉处理，及时补充新料，保证保温料的粒度，使其具有一定的透气性，确保 石墨化过程中产生的挥发性气体能够均匀排出。般情况下保温料中小于1m m 细粉料 比例应小于2 0 。同时建议在选用保温料时选用灰份较低的原料( 相对来讲不易粉化) 。 内串石墨化生产中有时也会遇到电极表面被侵蚀的质量问题，有的冈电极表面侵蚀而改 制成小一规格的电极，有的直接报废。出现这一问题的原因主要是保温料中混入了较大 粒度的杂质，杂质与电极相接触，在高温条件下与电极发生反应造成表面侵蚀。预防的 办法是加强保温料的管理与控制，防止保温料中混入杂质( 如耐火砖、水泥块、金属块 等) 。如果发现保温料已混入杂质，应及时进行拣选分离。石墨化后电极的电阻率偏高 又是一个比较经常碰到的质量问题，出现这类质量问题的主要原因有以下几个方面： 人连理l ：人学硕十j 学位论文 1 电极工艺电耗定额偏低。工艺电耗定额制定得过低，炉阻稳定时间过短便停止送 电，导致炉内电极整体温度还没有完全均衡，使部分电极的电阻率偏高。一般和情况下 应保证终炉炉阻稳定时间达到2 小时左右，耗电量应根据不同产品的质量要求及炉芯电 流密度等情况综合考虑给定。当电极装炉截面过大时，导致炉芯电流密度偏低，电极最 终温度达不到理想的石墨化温度，导致电极的电阻率偏高。内串石墨化炉芯最大电流密 度一般设计在2 5 3 5 安厘米2 ，实际生产中根据咆极规格晶种不同可控在中下限控制即 可，而大规格高品质要求产品应选择在中上限控制。保温料反复使用后石墨化程度较高， 导致保温料消耗的电能比例增大，虽然送电后期炉阻稳定的时i 丑j 也较长，但电极最终温 度并未达到理想的石墨化温度，导致电极电阻率偏高。因此，在生产操作过程中应及时 补充新保温料，尤其是炉底保温料应定期更换。与，- 产电极所选用的原料和电极? t 产工 艺控制水平有关。用优质焦生产的电极较易石墨化，石墨化后电阻率较低，反之则偏高。 压型体积密度较低的产品相比压型体积密度较高的产品而苦电阻率也明显偏高i2 4 1 。 内串石墨化的主要设备是整流变压器，变压器各参数选择是否合理，关系到内串石 墨化工艺的结果是否理想，因此，必须合理选择变压器的参数。那么，选择变压器的参 数时应考虑哪几方面的因素? 变压器的二次输出电压参数包括：最低电压、最高电压、 凋压级数和级差电压。输出电雎的范围，主要根据炉型尺寸、炉型结构来算确定，炉子 长，电压要选得高一点，炉子短，电压要选得低一点；炉型结构分直线型和u 型两种， 直线型相比t l 型电压略低。一般情况下，最低直流输出电压在每米炉芯1 5 伏左右，最 高直流输出电压在每米炉芯4 5 伏左右。而艾奇逊石墨化机组的最高j 直流输出电压一般 在每米炉j 吝左右6 5 伏，这是由于内串式炉芯电阻明显低于艾奇逊式炉芯电阻所决定的。 在计算出电压输出范围后，还应考虑到电网电压的波动影响和不同规格、不同品种的电 极制品对电压要求的差异，对计算输出电压做一定幅度的调整，以满足实际生产的要求 电压的调压必须满足工艺升温的控制要求。在满足工艺要求的前提下最大限度的减少调 压级数，以确定调压级数时，要考虑到产品的质量指标、降低变压器的造价。调压级数 一般情况下变压器容量在1 0 0 0 千伏安以上时，应在3 6 级以上，最好大于4 8 级，以方 便工艺控制。级差电压包括两个冈素：一是出电压之间的差值是等差还是不等差，二是 输出电压的筹值范围。级差电压可以足等差值，也可以是不等差差值。为了减少调j | i 级 数，级差电压差值可以根据内串石翠化送电曲线的特点没计为不等差的形式。在输出电 压范围内，中间偏前一段的级差电压差值应设计的小一点，一般应在2 伏以下，前后两 段的级差电压差值可以设计的大一点，的后两段的级差电压差值设计一般在3 伏左右， 以降低变瓜器的总造价和更好地满足送电曲线调整的需要。随着钢铁企业电弧炉向大容 量、高功率发展，配套的墨电极规格也逐步增大，其次，随着钢铁企业冶炼效率的提高， 人连理i ：人学硕十学位论文 对电极质量要求越来越高，这就要求电极石墨化加工时提高电流密度，降低电阻率。因 此，变压器输出电流应满足石墨化工艺对电流密度的要求。电极规格越大，截面积也越 大，需要的电流便大，要求的电阻率越低，要求的电流密度也越大。当然，变压器输出 电流也不能选择的太大，根据石墨化产品的规格和品种情况合理确定。炉芯最大电流密 度一般应设计为3 0 5 0 安厘米2 ，即可满足各种规格和品种电极的石墨化需要，目前国内 生产的直流电炉用特种整流变压器的最大直流输出电流可达到2 0 千安左右，可以满足 国内最大规格7 0 0m m 电极的石墨化需要。因此，为降低变压器的造价和制作的难度， 输出电流不宜超过2 0 千安。变压器容量与装炉量或设计产能有密切的关系，装炉量或 设计产能越大，变压器容量也越大。合理的容量是保证石墨电极产能和具有良好质量指 标的皋础。在确定了变压器的电压输出范围和最大输出电流后，应根据艺需求和设计产 能实际情况，计算出变压器的容量。变压器容量选择得既不能过大，也能过小。过大， 设备造价大幅上升，设备能力得不到充分利用，造成不必要的浪费；过小，影响石墨化 的质量，达不到工艺的设计要求。因此，应充分考虑各方面的因素，确定一个合理的设 备容量【3 0 1 。 1 2 内串石墨化过程中电热应用的技术原理 内串石墨化的生产是以焦耳效应为基础，如果电流通过焙烧品，就不断地产生 种不可逆的热过程一焦耳热，产生提高导体温度的热。石墨化过程需要2 6 0 0 以上，直 至3 0 0 0 温度。为了对由5 0 0 毫米由7 0 0 毫米的标准尺寸焙烧电极进行石墨化，宜找 出电热技术的先决条件。为创造出和实际接近的状况，考虑到一定的建造可能性，我们 用串接柱长度2 1 7 米规定炉子尺寸，并用其确定每次丌始和结束时的电阻比。碳的负 温度系数使比电阻降到原始值的1 0 左右。根据上述条件，在要求装炉电极截面积的单 位负荷约为2 4 2 6 安厘米2 的情况下，就可以得到需要的直流装置的电气参数。由于 串接柱内和大电流母线、大电流开关内大量的接触电阻，以及引线的导体电阻，串接炉 电路的电阻明显增大。 1 1 1 加热速度 串接石墨化的优点是：人们可以在几小时内把装炉品加热到所需要的石墨化温度。 能够实现这样高的加热速度是由于经相当高的电流励磁直接被加热的电极的高均质性。 理想的情况是：无损失地对电极进行石墨化，即串接柱内产生的热量完全地用来提高电 极的温度。事实上，串接柱丌始被加热就产生了损失，低温时对其可忽略不计，这样， 加热速度d0 ：d t 几乎与在无损失加热时的速度相等。可用下式表示： 人连理i ：人学硕十学位论文 式中：p 一功率l i r 制品数