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电极在钢铁工业中的应用
发布时间:2019-09-28 02:36    文章作者:澳门葡京现场

  电极在钢铁工业中的应用_工学_高等教育_教育专区。重点介绍钢铁生产中所用的石墨电极、炭素电极、电极糊,以及直流电弧炉炉底电极。

  电极在钢铁工业中的应用 电极在钢铁工业中的应用 在钢铁冶金工业中,经常用的电极主要有:石墨电极、炭电极(炭素电极) 、 自焙电极(电极糊) 。石墨电极的应用领域主要是在电弧炉或精炼炉中作为导电 材料,加热金属。而在冶炼铁合金的矿热炉中,以上三种电极均有应用,通过电 极将电能传递到炉料内依靠炉料的电阻发热将炉料自身熔化。 电极在生产过程中 承受高温、高应力和烟尘破坏的作用,因此研究电极的制造工艺、使用性能,从 而改善电极的各项使用指标,对提高电极寿命、较低成本具有很重要的意义。 下面本文将分别论述石墨电极、炭电极、电极糊和一些特殊电极的制造、加工过 程,以及在使用中出现的问题及处理。 一、石墨电极 使用石油焦、沥青焦为颗粒料,煤沥青为粘结剂,经过成型、焙烧、石墨化 和机械加工而制成的一种耐高温的石墨质导电材料,称人造石墨电极,简称石墨 电极。 石墨电极是电炉炼钢的重要高温导电材料, 通过石墨电极向电炉输入电能, 以电极端部和炉料之间产生的电弧为热源进行炼钢, 其他一些电冶炼设备也常使 用石墨电极为导电材料。 石墨电极材料与其他导电材料相比, 其最大优点在于具有良好的导电导热性 能和较好的韧性, 能够接受较大电流的冲击, 在高温下不软化也不会熔化等特点。 炼钢电弧炉上以它为导电材料,通过弧光放电将热能传递到炉料上将废钢熔化; 在冶炼黄磷和工业硅等矿热炉上通过电极将电能传递到炉料内依靠炉料的电阻 发热将炉料自身熔化。 1.1 发展简史 早在 1810 年汉佛莱·戴维利用木炭制成通电后能产生电弧的炭电极,开辟 了使用炭材料作为高温导电电极的广阔前景。1896 年卡斯特纳获得了使用电力 将炭电极直接通电加热到高温而生产出比天然石墨电极导电性能更好的人造石 墨电极的专利权。19 世纪末法国人海洛脱发明了直流电弧炉,开始用于冶炼电 石和铁合金,1899 年首次用于炼钢。20 世纪初期电炉炼钢主要使用以无烟煤为 原料的炭电极或以天然石墨为原料的天然石墨电极, 生产炭电极、 天然石墨电极 的工艺比较简单。第二次世界大战以后生产石墨电极的原料、质量、设备和制造 工艺不断改进,随着电炉炼钢输入电功率不断提高的需要,于 20 世纪 60 年代和 70 年代又研制成功了高功率及超高功率石墨电极,由于石墨电极质量不断提高 及电炉炼钢工艺的改进,超高功率直流电弧炉每吨钢的石墨电极消耗可降低到 2kg 以下。 1.2 品种 根据所用原料的不同和成品物理化学指标的区别,石墨电极分为 3 个品种: 普通功率石墨电极(NP) ,高功率石墨电极(HP) ,超高功率石墨电极(UHP) 。高 功率和超高功率电炉使用的石墨电极在更加苛刻的条件下运行,由于通过电极的 电流密度明显增大。 因此高功率和超高功率石墨电极的物理机械性能必须优于普 通功率石墨电极, 如电阻率较低, 体积密度较大及机械强度较高, 热膨胀系数 要小, 有良好的抗震性能。 直流电弧炉用石墨电极 直流电弧炉是 20 世纪 80 年代初发展成熟的新型电 炉炼钢设备,直流电弧炉多数只用 1 根石墨电极,和相同功率使用 3 根石墨电极 的交流电弧炉相比,在高温下受到氧化的电极总表面积大大减少。同样以超高功 率运行的直流电弧炉,每吨钢的石墨电极的消耗可以降低 50%左右,直流电弧炉 电流通过电极时不产生集肤效应及邻近效应,在电极横截面上电流分布均匀,而 且直流电弧的稳定性好,行中机械振动较小,电炉噪音也较低。直流电弧炉配用 石墨电极的直径也是根据电炉容量和电极容许电流密度计算出来的, 对相同输入 功率的超高功率电炉而言,使用 1 根石墨电极的直流炉,电极直径要大一些,直 流电弧炉对石墨电极的质量要求与交流电弧炉相同。 1.3 生产特点及工艺流程 生产石墨电极主要原料为石油焦(包括针状焦) ,粘结剂为煤沥青。石墨电 极的生产特点有:①生产工序多、生产周期长,超高功率石墨电极的生产周期需 60 天以上,而需要多次浸渍的接头生产周期更长。②能源消耗较高,1 普通功率 石墨电极需消耗电力 6000kWh 左右;煤气或天然气数千立方米,冶金焦粒及冶金 焦粉约 1t。③生产石墨电极工序多,需要许多专用机械设备和特殊结构的窑炉, 建设投资较大、投资回收期较长。④石墨电极生产过程产生一定数量的粉尘和有 害气体,因此需要采取完善的通风降尘及消除有害气体的环境保护措施。 石墨电极生产的几个主要工艺流程如下: ①锻烧。石油焦或沥青焦都需要进行锻烧,锻烧温度应达到 1300℃,以充 分除去原料中挥发分,提高焦炭的真密度及导电性。 ②破碎、筛分及配料。将锻烧过的原料破碎及筛分成指定尺寸的骨料颗粒, 一部分原料磨成细粉,按照配方称量后集聚组成各种颗粒的混合料。 ③混捏。在加热状态下将定量的各种颗粒的混合料与定量的粘结剂混合、捏 合成可塑性糊料。 ④成型。在外加压力作用下(模压成型或挤压成型)或振动作用下(振动成 型)将糊料压制成具有一定形状及较高密度的生坯。 ⑤焙烧。将生坯置于专门设计的高温炉中,生坯用填充料(焦粉或河砂)覆 盖,逐步升温至 900~1100℃左右,使粘结剂炭化,从而获得焙烧品。 ⑥浸渍。为了提高产品的体积密度和机械强度,焙烧品装入高压釜中,将液 体浸渍剂压入焙烧品的孔隙中,浸渍后应进行再次焙烧,为了得到高密度及高强 度的接头,浸渍需进行 2~3 次。 ⑦石墨化。将焙烧品装入石墨化炉内(需用保温料覆盖) ,用直接通电的加 热方法,使焙烧品转化为石墨晶质结构,从而获得人造石墨电极所需要的物理化 学性能。 ⑧机械加工,按照使用要求,对石墨化后的毛坯进行表面车削、端面加工及 连接用的螺孔的加工、另外再加工用于连接的接头。 ⑨检验合格后进行包装即为成品。 1.4 电极质量 衡量石墨电极质且的主要指标有电阻率、 体积密度、 机械强度、 热膨胀系数、 弹性模量等,石墨电极在使用中的抗氧化性与抗热震性都与以上几项指标有关, 产品机械加工的精确度和连接的可靠性也是重要检测项目。 ⑴电阻率 石墨电极的电阻率是一项重要的物理性能指标,通常用电压降法测 量,电阻率的大小可以衡量石墨电极石墨化度的高低,石墨电极的电阻率越低其 热导率越高,抗氧化性能越好。石墨电极使用时的允许电流密度与其电阻率及电 极直径有关,石墨电极的电阻率越低,允许电流密度相应提高,但允许电流密度 并不是正比于电极直径而增加,而是随电极(同一品种)直径增大而减少,这是 因为电极直径越大、电极横截面内中心部位与表层的温差增大,由此产生热应力 的提高将引起电极产生裂纹或表面剥落,所以电流密度的增加受到限制。 ⑵体积密度 增加体积密度有利于降低孔隙率和提高机械强度,改善抗氧化性 能,但同时抗热震性能下降了,为此需要采取其他措施弥补这一不足,如提高石 墨化温度以增加电极的热导率和采用针状焦为原料降低成品的热膨胀系数。 ⑶机械强度 石墨电极的机械强度分为抗压、抗折和抗拉三种,主要测定抗折强 度,抗折强度是石墨电极在使用时与折断有关的性能指标。在电炉上,当电极和 不导电物体接触时,或由于受到塌料的碰撞、强烈振动的破坏作用等原因,石墨 电极经常有被折断的危险,抗折强度高的石墨电极不容易被折断。数根电极串接 成电极柱使用时,连接受到很大的拉力,所以接头最好规定抗拉强度指标。 ⑷弹性模量 是反映材料刚度的一个指标,通常石墨电极只测定杨氏弹性模量 (纵弹性模量) ,即材料受到压缩或拉伸时产生单位弹性变形需要的应力,石墨 电极的弹性模量与其抗热震性直接有关, 石墨电极的弹性模量与其体积密度成正 比,并且弹性模量随温度上升而增力口。 ⑸抗热震性 其表现在温度急剧变化时抵抗热应力破坏的能力。 石墨电极的抗拉 强度越高和弹性模量越低, 其抗热震性能越好, 另一方面石墨电极的热导率越小, 热膨胀系数越大则抗热震性越差,电极在温度急剧变化时产生龟裂、表面剥落的 可能性越多。 ⑹热膨胀系数 一般只测定线膨胀系数,石墨电极的热膨胀系数与采用原料有 关,也与配方的粒度组成、石墨化温度等因素有关。热膨胀系数小的石墨电极, 抗热震性能比较好, 所以生产超高功率石墨电极应选用热膨胀系数较低的针状焦 为原料,并且石墨化温度应该达到 2800~3000℃。石墨电极的热膨胀系数与测 定温度范围有关, 因此同样产品在不同温度范围内测定的热膨胀系数不能直接比 较。 石墨电极质量的优劣取决于原料性能、工艺技术和生产装备三个方面,其中 原料性能是首要条件。高功率石墨电极采用优质石油焦(或低级别的针状焦)生 产,其物理机械性能比普通功率石墨电极要高一些,允许通过较大的电流密度, 而超高功率石墨电极一定要使用高级别的针状焦生产。 高功率及超高功率石墨电 极的接头质量特别重要,不仅接头坯料的电阻率及热膨胀系数要小于电极本体, 而且接头坯料应有较高的抗拉强度及热导率,为了加强电极连接的可靠性,接头 上应配有接头拴。 1.5 使用性能与消耗机理 石墨电极作为电弧炉冶炼中的导电材料, 其消耗随着电功的消耗而成正比关 系。现代电弧炉炼钢以电能和化学能为热能源,来实现炼钢过程中四脱(C、P、 S、O) 、二去(气、夹杂) 、二调(成分、温度)的目的,石墨电极的使用性能在 用户中主要体现在是否适用和消耗多少,而电极的消耗除与自身质量有关外,还 与冶炼设备、工艺水平及送电操作有着直接关系。石墨电极在电弧炉冶炼中的消 耗主要由以下几部分组成。 ⑴电炉内的石墨电极端部与外圆表面的消耗 石墨电极在电弧炉内送电中产生的电弧有长、中、短弧之分,而熔化炉料和 升温则取决于电弧功率。弧长与二次电压成正比关系,与二次电流和升温速度成 反比。 为提高冶炼速度而大幅度缩短冶炼时间, 均采用强制吹氧的高化学能操作, 这对石墨电极的抗氧化性和抗热震性提出了更高要求。 冶炼中石墨电极的端部消 耗包括—电弧高温中产生的升华,与钢水和钢渣接触中产生的化学反应。石墨电 极的外圆氧化消耗是随着端部消耗而延伸的。 石墨电极的氧化损失约占总消耗的 2/3 左右,其氧化损失是单位氧化速率与面积的积且与时间有正比关系,冶炼中 加热时间越长消耗越大,所以在电弧炉电极上安装水冷喷淋系统是十分必要的。 正常冶炼中石墨电极进入钢水的含碳量一般为 0.01%左右,其端部消耗形状呈非 锥尖状为正常现象。 ⑵在冶炼中产生的石墨电极的残体消耗 残体消耗是指冶炼中最下支电极因故掉入炉内并成为最终废品而脱离生产 过程的非生产性消耗部分。残体的产生不仅与接头和电极的内在质量有关,而且 还与炉内布料分布、炉内气氛和送电操作等因素有着直接关系。主要的外观现象 有:残体底端部有“人”字型裂纹且有大型纵裂或劈裂;连接处不严密致使接头 先行氧化而脱落或折断;连接不到位或公差配合不好而产生脱落或折断;电极受 外力作用发生接头或孔底部折断; 炉内布料不合理致使穿井后塌料面积大或送电 曲线操作不合理均能造成电极严重折断;电极本身质量差等。这部分损失在保证 电极质量的前提下,正常生产中产生的量不大,但直接使用者对此却很重视。 ⑶电极表面氧化剥落并伴有开裂和掉块的消耗 在正常冶炼生产中,若石墨电极表面出现凸凹不平或伴有剥落和掉块现象, 那么在钢水中就存在了增碳问题。 这种现象一方面反映出了电极的抗氧化性能和 抗热震性能差; 另一方面则是冶炼中水平吹氧时间过长或吹氧量过大而造成炉内 和炉上严重富氧,致使电极过氧化损失加大;第三是如果存在严重的脱落现象, 还必须要考虑到电极的相序问题。 这种非正常消耗是对炭素产品内在质量和技术 服务水平的一种考验。 ⑷冶炼中石墨电极折断所造成的直接损失 石墨电极在所有的电炉冶炼中产生折断是常见现象, 也是影响消耗的最主要 因素。在复杂的环境中连续消耗使用偶尔发生折断是正常现象,但连续发生折断 就不正常了。究其原因与诸多因素相关。总体看可分为:人为折断和机械折断。 人为折断主要包括:吊运中磕碰、划伤,连接不到位或方法不当,夹持器中滑动 不当,硬碰撞或传动控制灵敏度差等。机械折断中除机械故障外,电极质量问题 和操作问题往往是同时存在而且很难分清。 1.6 冶炼中降低石墨电极消耗的主要途径 ⑴采用新型电炉技术 大型 UHP 和 LF 电炉的建立为钢铁行业的规模发展奠定了坚实的基础。产能 大、能量消耗低是新型冶炼技术的特点。大型电弧炉科学地采用了大流量的化学 能(占总耗能的 60~70%) ,炉底烧咀和自动氧枪及预热竖井的使用有效地降低 了电耗与电极消耗的 60%以上;水冷系统的应用大大地提高了炉龄和降低材料的 消耗,特别是喷淋水冷使石墨电极的单耗至少降低了 1/3;化学能的利用至少缩 短了一半的冶炼周期,大幅度提高了产量,所以电极的单耗在下降。 电极喷淋装置 (图 1 所示) 的主要 作用是阻止高温下石墨电极的氧化反 应。 通过喷淋管圈向电极表面喷水, 水 流沿电极表面下降时, 使电极表面与空 气隔绝, 减少空气与电极表面的接触面 积,从而阻止其氧化反应。同时,由于 水流的不断蒸发, 电极表面温度有效降 低,电极氧化反应的温度条件无法成 立,从而消除了石墨电极的侧面氧化。 该装置的应用降低电极消耗效果明显, 吨钢电极消耗降低了 0.76kg/t 取得良好效益。由于电极消耗下降,延长了加接 电极的周期,提高了电炉作业率。 ⑵采用热装冶炼工艺 钢铁行业在发展大型电炉的同时,转炉和高炉也向大型化延伸;铁水转炉化 冶炼配 LF 和电炉热装铁水(一般在 40~60%)已成为普及的冶炼工艺技术;热 装铁水有效地缩短了冶炼周期,降低了电能和化学能及各种材料的消耗,特别是 把石墨电极的单耗和需求量都降了下来。 ⑶严控送电制度 严控送电制度是保证正常冶炼的前提, 不同的钢种和冶炼工艺有相对应的起 弧电压及电流挡位,防止电流波动过大并严控电流峰值工作时间。从而有效地防 止了电极发红和无功氧化消耗及炉内折断。 ⑷必须规范使用 炭素厂家必须严格要求或现场指导用户对电极的储运保管和电极的联接。 特 别是电极的联接技术,原则上大规格电极必须要求炉下连接;连接时避免冲撞产 生螺纹碎块且一定保持上支电极的始终垂直状态; 均匀旋合到 8~10mm 时再用惯 性锁紧, 而后再用长臂扳手施加预紧力矩拧至不能旋合为止, 有缝电极不能上炉; 若相序没有问题且连接很好时,最好不要打固定销子。这些基本要求的目的是为 了避免产生折断和脱落损失。 1.7 冶炼技术的发展趋势及电极需求 中国钢铁行业的电弧炉向大型化方向迅速发展已成趋势, 其特点是输出功率 大,稳定功率系数,送电为长弧操作并向节电降耗方向发展。因此新型大电炉与 过去的传统电弧炉相比均有很大变化。现代电炉技术十分关注电炉能源问题,采 用的煤气射流枪和自动碳氧枪使吨钢可降低电极消耗 0.3~0.5kg;伴随热装技 术工艺的推行,使冶炼时间明显缩短,电耗和电极消耗明显下降。 大型电弧炉均采用大容量变压器而且超载能力均在 20%。由此来看,钢铁冶 炼中对石墨电极的要求越来越高,特别是对电极的质量均衡性、导电性、抗热震 性,抗氧化性。对于中型或偏大型电弧炉及 LF 电炉却出现了功率性下线问题, 即:UHP 电炉走下线用高功率电极,HP 电炉走下线用普通功率电极,这种电炉的 出现是对炭素企业的挑战和对传统炭素制品的考验, 也是迫使炭素厂家提供出低 价优质的准高功率和准超高功率的产品。因钢铁发展已过了量的关,在向精品和 特殊品种方向发展。 现在市场对石墨电极的需求已向多品种和增量方向发展。其中:UHP 石墨电 极的年需求量将达到 10 万 t ;HP 石墨电极的年需求量至少 18 万 t。 二、炭电极 使用炭质原料经成型、焙烧和机械加工制成的导电电极,曾称炭素电极。典 型的炭电极使用无烟煤为骨料、冶金焦为粉料和煤沥青为粘结剂制成。广义的炭 电极包括焙烧后不经石墨化的各种电极, 如以天然石墨为原料生产的天然石墨电 极,用石墨碎(石墨电极的废品或切削碎屑)为原料制造的再生电极。铝电解槽 使用的炭阳极,用石油焦或沥青焦生产,按其使用性质也可归入炭电极一类。20 世纪初电弧炼钢炉主要使用炭电极或天然石墨电极。 而石墨电极的物理化学性能 优于炭电极及天然石墨电极,因而电弧炉逐渐改用石墨电极,以无烟煤和冶金焦 或天然石墨为原料生产的炭电极产量日益减少。 目前只有少数国家还生产少量以 无烟煤和冶金焦为原料的炭电极,用于生产铁合金、黄磷的矿热电炉中。 2.1 特性及原料 以无烟煤和冶金焦为原料生产的炭电极耐高温、耐腐蚀,而且有较好的高温 强度, 室温下抗压强度在 20MPa 以上, 灰分通常小于 8%, 电阻率为 40~50μΩ· m, 在矿热电炉上使用时允许电流密度一般不大于 8A/c ㎡。以石油焦或沥青焦为原 料生产的炭电极,焙烧后灰分小于 1%,电阻率为 35~45μΩ·m,抗压强度一般 在 35MPa 以上,以石墨碎为原料制成的再生电极的灰分一般小于 1%,电阻率为 20~30μΩ·m 。 生产以无烟煤为骨料、冶金焦为粉料的炭电极应选用灰分低、结构致密和热 性能好的块状无烟煤和灰分低的冶金焦为原料, 为提高炭电极的导电性能可加入 少量天然石墨或石墨碎,生产炭电极的粘结剂为煤沥青。 2.2 生产工艺 以无烟煤和冶金焦为原料生产炭电极,烟煤应先进行锻烧,以提高原料的真 密度、导电性和抗氧化性。无烟煤破碎成 20 ㎜以下的粒子,经筛分得到配料所 需的几种颗粒的骨料,冶金焦磨成细粉,以后按配方配料,在混捏机中与定量的 粘结剂(煤沥青)混捏成可塑性糊料,糊料挤压成型(或振动成型)制得生坯, 再将生坯装入焙烧炉中加热到 1100℃ 左右,使煤沥青炭化,焙烧后的半成品进 行机械加工,并另外加工相应规格连接用的接头,也可使用无需接头的凸凹型连 接,加工后经检验合格再包装出售,生产周期约 30 天。以石油焦或沥青焦为原 料生产电极槽使用的炭阳极, 焙烧和焙烧以前的生产工艺与生产石墨电极基本相 同。以石墨碎为原料生产炭电极时、石墨碎不需要缎烧。以天然石墨为原料生产 天然石墨电极时,天然石墨应经过精选(降低灰分)及脱水,焙烧及焙烧以前的 生产工艺与生产炭电极基本相同。 三、电极糊 使用无烟煤、冶金焦及石墨碎等炭质原料为骨料和粉料,煤沥青为粘结剂, 经过破碎、配料、混捏、铸块即为成品,作为矿热电炉自焙电极的材料。自焙电 极又称索德伯格电极,这个名称来自发明人索德伯格,首先用于挪威奥斯陆的一 个电化冶炼厂,电极糊在铁合金及电石工业中需用量很大。生产 1 吨硅铁或锰铁 合金一般要消耗 30~50 公斤电极糊, 生产 1 吨电石一般要消耗 25~30 公斤电极 糊。 3.1 工作原理 ⑴使用特点 矿热电炉为埋弧操作,导电电极直接插入炉料中,依靠通电后产生 的电弧和炉料的电阻热熔化炉料,电流密度一般为 4~8A/c ㎡。因而可以采用价 格低廉的电极糊作为电极材料直接在矿热电炉上焙烧成一导电电极使用, 这一焙 烧过程不需要外加热量, 利用电极自身电阻在通电时产生的热量和炉面辐射热完 成焙烧,所以称为自焙电极。而且这种焙烧过程是随着电极的消耗连续进行的, 因此又称连续自焙电极。 连续自焙电极的外壳是由钢板焊成的圆筒(也有椭圆形的) ,事先破碎成小 块的电极糊定期从圆简上方加入,筒内的电极糊在热量的作用下,逐渐焙烧成具 有较好导电性及相应机械强度的炭电极,发挥导电作用,在电弧的高温氧化及参 加炉料化学反应等情况下,电极的下端不断的消耗掉,因此整个电极筒要定期下 放,电极筒上部也要适时接上新筒及补充电极糊,由于炭电极的允许电流密度较 低,而矿热电炉需要一定的电极工作面积,因此电极的直径都比较大。 ⑵焙烧过程 电极糊在钢筒内从软化及熔化开始一直到焙烧成炭质电极可分为 3 个阶段。 如图 2 所示, ①软化和熔化阶段, 电极糊本身的温度由常温升高到 150℃ 左右,电极糊呈塑性流动状态,位置大约在导电夹持器上方 500 ㎜处。②煤沥青 分解挥发阶段,充分熔化的电极糊 沿筒内横截面流动并充填钢筒内的 空隙,随着温度的不断升高,煤沥 青分解和挥发速度加快、逐渐形成 半焦化状态,此时温度已经达到 650~700℃,位置在导电夹持器的 上部及接近夹持器的上方。③焙烧 阶段, 电极糊由半焦化到完全焦化, 电阻率不断下降、机概强度逐步提 高,基本上完成焙烧的部位是在导 电持夹器的中下部,此时电极本身 温度达到 800~900℃大部分输入 炉内的电流是在导电夹持器的中下 部通过焙烧好的电极导入的。电极 糊焙烧速度应与端部消耗速度相适 应,如果焙烧速度过快或过慢,可能导致自焙电极的“软断”或“硬断” ,一旦 发生自焙电极“软断”或“硬断” ,矿热电炉将被迫停产。 “软断”是电生较大裂 纹或电极机械强度较低,或者长时间停电后再次通电负荷增加过快,产生较大的 热应力,导致自焙电极断裂。 “软断” 或“硬断”与电极糊质量有关,也与电炉 操作有关。 3.2 生产工艺 无烟煤、石油焦等原料应先进行锻烧,提高原料的真密度、抗氧化能力及导 电性。生产优质密闭糊的无烟煤应经过电炉煅烧,煅烧温度达到 1500~2000℃, 以便获得导电性能和导热性能更好的无烟煤。 这些煅烧过的原料按照配方要求分 别破碎、筛分或磨粉以获得所需要的各种顺粒度的骨料和细粉,煤沥青要先溶化 脱水。生产中小型敞开式矿热电炉用的电极糊参考配方为:无烟煤 46%、冶金焦 32%、中温煤沥青 22%。生产密闭式矿热电炉用的电极糊参考配方为:电煅无烟 煤 43%、石墨碎 8%、石油焦 27%、煤沥青 23%。糊料混捏温度为 130℃左右,混 捏时间 45~60min,混捏的糊料经过成型机铸成小块或按用户要求铸成一定高度 的圆柱(与电炉上的电极筒内径相同) 。 3.3 电极糊分类 根据矿热电炉的容量及炉型(炉面敞开式还是密闭式)对电极糊质量的不同 要求,可将电极糊分成 3 个类别。 ⑴第一类电极糊用于炉面为敞开式的中小型铁合金炉及电石炉, 在这一类电炉中 电极糊的焙烧条件比较好,通过的电流密度较低。因此对原料的选择不太严格, 原料灰分高一些也可以,通常使用软化点(环球法)为 75~90℃的中温沥青为 粘结剂。 ⑵第二类电极糊主要用于大型敞开式电石炉,通过的电流密度较大。这种炉型要 求电极糊的焙烧速度快一些,电极糊的灰分尽可能低一点,因此需要采用灰分较 低的原料或加入适量的天然石墨或石墨碎,并适当降低粘结剂的软化点。如在中 温沥青内加入一定量的煤焦油或蒽油、将软化点(环球法)降低到 60℃左右,骨 料和粉料的粒度组成与第一类电极糊相同。 ⑶第三类为密闭式矿热电炉所用的优质电极糊,炉面密闭是矿热电炉的发展方 向。炉面密闭后可以回收大量可燃气体有利于节约能源和改善操作环境,但是炉 面密闭后不利于电极糊的焙烧。因此要求生产一种灰分小,热导率较高和电阻率 较低、有利于提高焙烧速度的电极糊。国内外生产的密闭炉用电极糊主要从 5 个方面改进。①采用优质无烟煤为骨料,无烟煤经过电炉煅烧。②粉料使用石油 焦或沥青焦,不使用冶金焦,以降低电极糊的灰分。③加入适量的石墨碎等材料 以提高电极糊的导热性能和导电性能。④适当降低粘结剂的软化点。⑤根据使用 需要适当增加电极糊的分析测试项目。如侧定糊料的体积密度、比热、塑性和焙 烧试样的热导率、弹性模量、抗折强度等,大型密闭式矿热电炉所用的优质电极 糊的质量数据如下。 糊料分析 灰分 5.0~6.0%,挥发分 12.0~15.5% 焙烧试样 体积密度 ﹥1.50g/cm?,电阻率 50~70μΩ·m,抗压强度﹥17MPa 热导率﹥8W/(m·k),比热 1.8kJ/㎏·K,弹性模量﹥3.5GPa,抗折强度﹥3.8MPa 其他种类 种类电极 四、其他种类电极 4.1 其他类别的石墨电极 ⑴抗氧化涂层石墨电极 减少电极外圆表面的氧化损失是降低电极消耗的有效 途径,石墨电极的抗氧化涂层工艺国内外都进行过大量的研究工作。如在电极表 面涂一层抗氧化材料或将电极在特殊的溶液中浸渍, 目前已被国内外若干工厂所 采用的抗氧化涂层工艺是铝和耐火物料在电极表面的“交替喷涂-烧熔法” ,这种 工艺方法的要点是:先在石墨电极外圆表面加工一些浅沟,再将电极置于加热炉 内加热到 250℃左右,然后用金属喷枪在电极表面喷一薄层铝,再在铝层外面喷 一层耐火泥浆,最后用电弧产生的高温使铝和耐火泥浆烧熔在一起,形成既能导 电又能抗高温氧化的金属陶瓷层。为了使涂层达到一定厚度,喷铝及喷耐火泥浆 和随之进行的电弧烧熔要反复 2~3 次。 实际使用结果中, 带有抗氧化涂层的石墨电极与同样质量但没有抗氧化涂层 的石墨电极比较,可降低每吨电炉钢的电极净耗 20~30%,并可降低每吨钢的电 耗 5%左右,增加抗氧化涂层所需费用大约是石墨电极销售价格的 10%左右。 ⑵空心石墨电极 是中空的电极, 生产这种产品是在电极成型时直接压制成中空 的管子形状,以后的生产工序与生产一般电极的过程相同。空心石墨电极可以节 省原料,在冶炼过程中减少吊装电极的重量,利用电极的中空区形成的通道加入 炼钢时所需的合金料及其它材料,或从中空通道向炉内输入不同用途的气体。空 心石墨电极虽有不少优点,但对电极制造厂来说生产空心石墨电极挤压工艺复 杂、原料节约有限而成品率低,因此空心石墨电极没有得到广泛应用。 ⑶水冷复合石墨电极 这是石墨电极与特制的一段钢管接合后使用的导电电极。 水冷复合电极上段 是一根不消耗的无缝钢管,约占复合电极总长度的三分之一,钢管为双层,内部 通水冷却,下段为石墨电极,通过一个水冷却的金属接头与上段钢管连接。水冷 钢管外表面光滑,和电极夹持器接触良好,由于石墨电极在水冷却钢管的下面, 所以连接电极必须将整根钢竹连带电极从炉中拔出, 送到一个专门的装配站连接 新电极,特殊设计的快装式软管保证迅速接通或断开水路,以防止产生蒸汽或因 过热而损坏上段水冷钢管。 水冷复合电极所以能节约石墨电极消耗, 是因为大幅度减少了暴露在空气中 石墨电极的外表面积,大约可减少 45%左右。但是连接电极的操作比较麻烦,对 电炉的生产效率有一定影响。 4.2 直流电弧炉炉底电极 直流电弧炉是将三相交流电经晶闸管整流变成单相直流电,在炉底电极(阳 极)和石墨电极(阴极)之间的金属炉料上产生电弧进行冶炼。直流电弧炉与交流 电弧炉设备的主要区别:增加整流装置、炉顶石墨电极由三根变成一根及增设炉 底电极等。其中炉底电极的设置是直流电弧炉的最大特征。 炉底电极是直流电弧炉技术的关键, 目前世界上运行的几种有代表性的直流 电弧炉的基本形式,其主要区别在于炉底电极的结构。按炉底电极结构特点可大 致分为以下几种: 法国的 CLECIM 等公司开发的钢棒式水冷底电极, 德国的 GHH 等 公司开发的触针式风冷底电极,奥地利的 DVAI 公司开发的触片式底电极以及瑞 士的 ABB 公司开发的导电炉底式风冷底电极。 以下从安全性、导电性、砌筑与维护、炉底寿命及成本等方面,对这几种形式炉 底电极进行综合比较与评价。 导电炉底风冷底电极直流电弧炉(称之为 ABB 式)是由瑞士的 ABB 集团开发 的,其中炉底用的导电耐火材料是由奥地利的 Radex 公司提供。由于此种导电炉 底的砌筑、 维护方法与传统交流 电弧炉的极其相似, 很容易被人 们接受, 而且安全可靠、 寿命高、 砌筑与维护容易、 钢水的搅拌效 果好等倍受关注。 导电炉底电极 的结构如右图。 导电炉底电极由导电的耐 火材料、 阳极铜板、 出线端子及 风冷系统组成。 要求导电耐火材 料本身除具有良好的高温性能 外,还要具有良好的导电性能。 根据国内外的研究, 适当含碳量 的镁碳质耐火材料经特殊的预 处理基本上可以满足要求。 常用 的导电耐火材料有镁碳砖、 捣打 料、接缝料和修补料等。导电炉底的砌筑方式是在铜板上直接侧砌 1~2 层导电 镁碳砖作为永久层,立砌 1 层导电镁碳砖为工作层,各层之间填充石墨粉,以减 少接触电阻,上面用导电镁碳质捣打料打结。 由于所用的导电耐火材料主要靠进口,进口价格昂贵。不但提高生产成本, 浪费大量外汇,也阻碍大型直流电弧炉在国内的推广。因此有必要加强对这种导 电耐火材料的研究开发工作,利用国内丰富的镁砂资源,早日实现国产化,促进 直流电弧炉在我国的发展。 四、结束语 我国电极生产存在着以下几个方面的问题:产能严重过剩,影响电极企业的 正常运行; 产品结构不合理, 影响电极企业国际市场竞争力; 专业化分工不明确, 影响产品质量的均衡性;主要原料对外依存度大,影响进一步发展。电弧炉炼钢 的发展前途光明,电炉炼钢技术将越来越先进,对电极的质量和品种要求将随之 提高,我们必须要提高自己的生产技术,调整产品结构,以适应钢铁冶金生产大 型化、高功率化的需求。


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