淺析電爐石墨電極耗損的原因及控制措施

楊光作者簡介：楊光（1988-），男，冶煉技術(shù)員，云南建水人，主要從事有色冶煉技術(shù)工作；袁海濱；熊銀寶作者簡介：楊光（1988-），男，冶煉技術(shù)員，云南建水人，主要從事有色冶煉技術(shù)工作（云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司，云南個(gè)舊市，661000）摘要：本文簡要研究了電爐石墨電極的耗損原因，研究結(jié)果表明，電極的額外耗損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其實(shí)際使用量，電極的側(cè)面氧化與電極的折斷占了很大的比例。本論文就如何通過改變操作方式來降低石墨電極消耗做了研究。關(guān)鍵詞：石墨電極;側(cè)面氧化;折斷耗損;熱剝落DiscussiontheReasonontheElectricfurnaceGraphiteelectrodeConsumptionandControlmeasuresYANGGuang，YUANHai-bin，XIONGYin-bao(CopperbranchofYunnanTinGroupLimitedCompany,YunnanGejiu,661000,China)Abstract:Theconsumptionreasonsontheelectricfurnacegraphiteelectrodehavebeenanalyzed.Theresultsshowthatadditionallossofgraphiteelectrodeisfurtherbeyondthanitsrealusage,becausethegraphiteelectrodeofsideoxidationandelectrodebreakaccountedforalargeproportion.Controlmeasuresforreducetheconsumptionofgraphiteelectrodebychangeoperationmodehavebeenanalyzed.Keywords:Graphiteelectrode;Sideoxidation;Electrodebreak;Thermalspalling1引言石墨電極耗損是主要制約電爐生產(chǎn)成本的一個(gè)關(guān)鍵因素，對于研究降低石墨電極耗損不僅可以實(shí)現(xiàn)低投入高產(chǎn)出，更重要的是能產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益，響應(yīng)國家低碳環(huán)保的號召。目前我廠的電爐使用的是高功率石墨電極，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，電極單耗在∕t銅锍，而其同行業(yè)的電極單耗大約在∕t銅锍。相比同行業(yè)我廠的電極單耗明顯偏高，所以對于降低石墨電極消耗對我廠在節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本方面來說是十分重要的。2影響石墨電極耗損的原因石墨電極的特性石墨電極是將石油焦等骨料和瀝青等粘結(jié)劑混合在一起壓型成規(guī)定的形狀，經(jīng)焙燒、浸漬、石墨化等工序處理后，再經(jīng)機(jī)械加工而成。電爐采用石墨電極作為發(fā)熱體是由于它耐高溫、加工容易、價(jià)格便宜。而且它有較高的電阻，且隨溫度的變化不大，在2500℃以下石墨電極的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的上升而提高，可作為在加熱體斷面積較大的情況下采用低電壓高電流的電源，固都采用石墨電極作為電爐的加熱體。石墨電極易損的原因分析2.2.1側(cè)面損耗電極側(cè)面耗損，主要是由于爐膛存在有負(fù)壓，進(jìn)而爐內(nèi)有大量的流動(dòng)空氣，空氣中的氧與石墨作用生成CO與CO2，氧化時(shí)的生成物隨環(huán)境溫度的不同而不同：2C+O2=2CO（1000℃以上）C+O2=CO2（1000℃以下）其消耗占電極總消耗的50～70%。但是爐膛負(fù)壓的存在是不可消除的。因?yàn)闋t膛負(fù)壓是由于環(huán)保風(fēng)機(jī)將爐內(nèi)的煙氣抽走而形成的。較大的爐膛負(fù)壓有利于減少煙氣的泄露，工作環(huán)境的改善，但高負(fù)壓會(huì)使?fàn)t內(nèi)氣體流動(dòng)速度加快、氧勢升高、溫度上移，從而造成電極表面氧化過快，加快電極消耗；較低的爐膛負(fù)壓能降低電極表面氧化的加劇，降低電極額外耗損，但低負(fù)壓又易造成大量煙氣聚集在爐內(nèi)，發(fā)生煙氣大量泄露，對周圍工作環(huán)境造成影響，降低爐子使用壽命，而且大量的煙塵也會(huì)使電極的導(dǎo)電率下降，增加了電能的額外耗損。針對負(fù)壓對電極表面的氧化情況的影響程度大小，對負(fù)壓較大的三組電極與負(fù)壓較小的三組電極消耗情況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查情況見表1。表1電極消耗對比負(fù)壓影響較小負(fù)壓影響較大序號1#2#3#4#5#6#電極根數(shù)（根）535676電極總重（kg）351820803429403247354070此外，冶煉時(shí)間、冶煉工藝、爐渣爐況、電極在爐內(nèi)的表面積、爐內(nèi)氣氛及速流等對電極側(cè)面氧化均有不同程度的影響。2.2.2尖端耗損沉降電爐對熔體升溫的唯一方式是通過插入熔體的石墨電極，通入較大的電流對熔體進(jìn)行加熱。通入的電流會(huì)在電極與熔體接觸面上形成電弧，通過理論研究，這會(huì)使電極的尖端造成耗損。電極的尖端耗損包括了電極蒸發(fā)、熔體吸收、熱剝落三個(gè)方面（見圖1）。電極的蒸發(fā)主要是由高強(qiáng)度電弧柱體的輻射與電流引起的。電極蒸發(fā)是以電流的大小成正比，所以較強(qiáng)的電流會(huì)使電極蒸發(fā)加快。圖1電極的熱剝落針對這種情況，對2013年某時(shí)間段內(nèi)沉降電爐電流使用情況與電極消耗量進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查情況見表2。表2電流大小與電極消耗情況對比時(shí)間段編號1234電流大?。ˋ）760081001180012000電極消耗量（kg）21864233782752727763通過上表對照顯示：電流的大小對電極的消耗量有極大的影響，當(dāng)電流較高時(shí)電極的消耗量會(huì)有明顯增加。2.2.3折斷耗損電極斷裂屬于突發(fā)事故，其原因有：電極在插入熔池中要承受很大的電磁應(yīng)力，此應(yīng)力的方向和大小交替變化，并應(yīng)起電極夾持器的擺動(dòng)和電極本身的振動(dòng)，當(dāng)機(jī)械應(yīng)力，電磁力和電極體內(nèi)熱應(yīng)力之和超過電極本身的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電極斷裂，根據(jù)對大量現(xiàn)場情況分析，此類折斷多發(fā)生在電極柱中部附近的接頭處主要原因在于此處徑向溫差較大，存在的內(nèi)應(yīng)力也較大的緣故；電弧、渣子產(chǎn)生的高熱梯度引起頻繁出現(xiàn)的熱沖擊，破環(huán)電極的熱穩(wěn)定性；接頭松動(dòng)；此外操作不當(dāng)也會(huì)引起電極的斷裂。針對石墨電極的折斷消耗狀況進(jìn)行了調(diào)查分析，調(diào)查情況見表3。表32012年石墨電極消耗統(tǒng)計(jì)表序號項(xiàng)目頻數(shù)（kg）累計(jì)頻數(shù)（kg）累計(jì)百分?jǐn)?shù)（%）1折斷消耗58223582232自然消耗433731015963殘頭消耗10231026194其他消耗3815106434100通過統(tǒng)計(jì)表可知，電極的消耗主要集中在折斷消耗和自然消耗上。2.2.4電極加工安裝質(zhì)量電極加工質(zhì)量和安裝質(zhì)量對電極的使用壽命同樣起到重要影響。電極以及電極接頭的連接螺紋加工粗劣或公差配合不符合標(biāo)準(zhǔn)，均會(huì)造成電極與接頭連接時(shí)過松或過緊，過松會(huì)出現(xiàn)接觸不良拉弧燒壞，電極接頭過緊則容易在裝配時(shí)損壞螺紋。在裝配電極的過程中，如果不對電極的頭尾清灰或是接入不到位，同樣會(huì)對電極的導(dǎo)電性產(chǎn)生影響，極易造成斷裂。3降低電極耗損的途徑合理控制爐膛負(fù)壓冶煉爐存在負(fù)壓是為了將冶煉過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體通過煙道進(jìn)入余熱鍋爐降溫，最后進(jìn)入電收塵器進(jìn)行煙、塵分離，從而達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。負(fù)壓的存在必然會(huì)將大量空氣帶入爐膛，加快石墨電極的氧化程度。所以合理的爐膛負(fù)壓不論是對于周圍環(huán)境，還是節(jié)能降耗都有著至關(guān)重要的作用。于是，針對爐膛負(fù)壓進(jìn)行了研究。表4沉降電爐爐膛負(fù)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果負(fù)壓-3～-9Pa-9～-15Pa-15～-21Pa電極側(cè)面氧化程度正常生產(chǎn)氧化較少有一定程度氧化氧化嚴(yán)重保溫作業(yè)基本無氧化氧化較少氧化較嚴(yán)重周圍環(huán)境狀況正常生產(chǎn)煙氣外溢無煙氣外泄作業(yè)環(huán)境較好保溫作業(yè)煙氣無外泄無煙氣外泄作業(yè)環(huán)境較好電極側(cè)面氧化效果圖經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在正常生產(chǎn)情況下，可將爐膛負(fù)壓控制在-9～-15Pa之間，這樣既可以降低石墨電極的氧化程度，也可保證爐前作業(yè)環(huán)境；當(dāng)爐子處于保溫作業(yè)狀態(tài)，我們可適當(dāng)降低爐膛負(fù)壓，使?fàn)t膛負(fù)壓保持在-3～-9Pa之間，并降低電極功率，使電極氧化程度得到降低。合理控制電流大小通過對熔體溫度的及時(shí)掌握，合理控制變壓器的輸出功率，確保冶煉過程中的電流合理。根據(jù)冶煉手冊要求，冰銅溫度控制在1200～1250℃，爐渣溫度控制在1250～1300℃。所以電流大小的控制，必須基于對冰銅、爐渣溫度的準(zhǔn)確掌控。熔體溫度較高，則相應(yīng)的降低功率，減小電流；溫度較低，則升高功率，提高電流。表5電流大小與電極消耗情況對比電流大?。ˋ）12000118001160011400電極消耗量（kg）27763275272695126315通過對比發(fā)現(xiàn)，低電流可減少電極的消耗量。規(guī)范夾持器的合理操作若電極與夾持器不能保持垂直，電極將存在附加水平分力；若夾持面存在異物，夾持點(diǎn)易產(chǎn)生應(yīng)力集中；若兩根電極存在較大的直徑公差，壓放電極過程中易造成電極下滑或夾持器鋼繩斷裂。這些在冶煉過程中都極易造成電極折斷。對此，夾持器的規(guī)范操作十分重要。電極夾持器應(yīng)盡量避免夾在電極連接處之間的白線內(nèi)。在壓放電極過程中，要注意觀察夾持器與電極間的磨損程度。若磨損較大，說明電極直徑偏大，應(yīng)相應(yīng)的松開夾持器；若無磨損，說明電極直徑偏小，容易造成電極下滑，相應(yīng)的調(diào)緊夾持器。確保電極質(zhì)量和安裝質(zhì)量安裝電極之前，仔細(xì)檢查電極和電極接頭的螺紋質(zhì)量，并吹掃干凈電極和電極接頭。在安裝時(shí)，用電葫蘆將電極吊至安裝電極上方，與相對應(yīng)的電極連接口對好位，用力矩扳手將電極旋緊到位，確保電極與電極之間無松動(dòng)。涂層、浸漬保護(hù)抑制電極氧化石墨在較低溫度下，特別是在真空條件下，其氧化程度比許多金屬緩慢。但是由于反應(yīng)生成物是二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，容易逸散，不可能像其他金屬可在表面形成氧化保護(hù)膜，所以氧化反應(yīng)是持續(xù)的。比較常用的方法就是碳化硅涂層和磷酸鹽浸漬防止氧化，磷酸鹽浸漬效果要更為明顯。4總結(jié)（1）側(cè)面損耗、尖端損耗、折斷損耗、電極加工安裝質(zhì)量等因素都可能造成石墨電極的耗損量大。（2）通過對爐膛負(fù)壓的合理控制、電流大小的合理控制、夾持器的合理規(guī)范操作、電極質(zhì)量和安裝質(zhì)量的保障、電極的涂層、浸漬抑制氧化保護(hù)采取相應(yīng)的技術(shù)和管理措施，電極消耗量大的情況就能得到有效抑制。（3）加強(qiáng)員工崗位職責(zé)的教育培訓(xùn)工作，使每一位員工切實(shí)做到精心操作，從而減少誤操作對石墨電極的消耗率；加強(qiáng)各班組之間的交流，及時(shí)詳細(xì)的將本班工作過程中電極使用的各種情況進(jìn)行告知；加強(qiáng)技術(shù)交