淺析電爐石墨電極損耗的原因及控制措施

楊 光， 袁海濱， 熊銀寶

(云南錫業股份有限公司銅業分公司， 云南 個舊 661000)

設備及控制

淺析電爐石墨電極損耗的原因及控制措施

楊 光， 袁海濱， 熊銀寶

(云南錫業股份有限公司銅業分公司， 云南 個舊 661000)

分析了電爐石墨電極損耗的原因，結果表明，電極的額外損耗量遠遠超過其實際使用量，其中電極的側面氧化與電極的折斷占很大的比例。本文對改變操作方式降低石墨電極消耗進行了研究。

電爐； 石墨電極; 損耗； 側面氧化; 折斷; 熱剝落

0 前言

石墨電極損耗是影響電爐生產成本的一個關鍵因素，降低石墨電極損耗不僅可以實現低投入高產出，更重要的是能產生巨大的社會效益，響應國家低碳環保的號召。

云南錫業股份有限公司銅業分公司的電爐使用的是高功率石墨電極，電極單耗在2.5 kg/t銅锍，而同行的電極單耗約為1.2 kg/t銅锍，本廠的電極單耗明顯偏高。因此，降低石墨電極消耗對于公司節能降耗、降低生產成本十分重要。

1 石墨電極損耗原因分析

1.1 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劑混合在一起壓型成規定的形狀，經焙燒、浸漬、石墨化等工序處理，再機械加工而成。石墨電極耐高溫、加工容易、價格較便宜，而且其具有較高的電阻，且隨溫度的變化不大，在2 500 ℃以下石墨電極的機械強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，故電爐都采用石墨電極作為加熱體。

1.2 造成石墨電極損耗的主要原因

1.2.1 側面損耗

電極側面損耗主要是由于爐膛存在負壓，爐內有大量的流動空氣，空氣中的氧與石墨作用生成CO與CO2。氧化時的生成物隨環境溫度的不同而不同：

(1)

(2)

該消耗占電極總消耗的50%～70%。然而爐膛負壓是不可消除的，爐膛負壓是由于環保風機將爐內的煙氣抽走而形成的。較大的爐膛負壓有利于減少煙氣的泄露，改善工作環境，但高負壓會使爐內氣體流動速度加快、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；較低的爐膛負壓能降低電極表面氧化，降低電極額外損耗，但低負壓易造成大量煙氣聚集在爐內，煙氣大量泄露，對周圍工作環境造成影響；而且大量的煙塵也會使電極的導電率下降，額外增加電能損耗。

為了了解負壓對電極表面氧化情況的影響，對負壓較大的三組電極與負壓較小的三組電極的消耗情況進行統計，結果見表1。

此外，冶煉時間、冶煉工藝、爐渣爐況、電極在爐內的表面積、爐內氣氛及速流等對電極側面氧化均有不同程度的影響。

1.2.2 尖端損耗

沉降電爐對熔體升溫的唯一方式是向插入熔體的石墨電極通入較大的電流對熔體進行加熱。通入的電流會在電極與熔體接觸面上形成電弧，這會使電極的尖端造成損耗。電極的尖端耗損包括電極蒸發、熔體吸收、熱剝落三個方面(見圖1)。電極蒸發主要是高強度電弧柱體的輻射與電流引起的。電極蒸發與電流的大小成正比，所以較強的電流會使電極蒸發加快。

表1電極消耗對比

項目單位負壓影響較小負壓影響較大1#2#3#4#5#6#電極數量個535676電極總重kg351820803429403247354070

圖1 電極的熱剝落

2013年某時間段沉降電爐電流大小與電極消耗情況見表2。

表2實際生產中電流及電極消耗情況

電流/A760081001180012000電極消耗量/kg21864233782752727763

由表2可見，電流大小對電極的消耗量影響極大，電流較高時電極的消耗量明顯增加。

1.2.3 折斷損耗

電極斷裂屬于突發事故，出現的原因為：電極插入熔池中承受很大的電磁應力，此應力的方向和大小交替變化，并引起電極夾持器的擺動和電極本身的振動。當機械應力、電磁力和電極體內熱應力之和超過電極本身強度時，將導致電極斷裂。對大量現場情況進行分析，此類折斷多發生在電極柱中部附近的接頭處，主要原因是：此處徑向溫差較大，存在的內應力也較大；電弧、渣產生的高熱梯度引起的熱沖擊頻繁，破環電極的熱穩定性；接頭松動；此外操作不當也會引起電極斷裂。

石墨電極折斷消耗狀況統計見表3。

表32012年石墨電極消耗統計表

項目頻數/kg累計頻數/kg累計百分數/%折斷消耗582235822354.7自然消耗4337310159695.5殘頭消耗102310261996.4其他消耗3815106434100

通過表3可知，電極的消耗主要集中在折斷消耗和自然消耗上。

1.2.4 電極加工以及安裝質量差

電極加工質量和安裝質量對電極使用壽命的影響同樣重要。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準，均會造成電極與接頭連接時過松或過緊，過松會出現接觸不良拉弧燒壞，電極接頭過緊則在裝配時容易損壞螺紋。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，也會對電極的導電性產生影響，極易造成斷裂。

2 減少電極損耗的途徑

2.1 合理控制爐膛負壓

冶煉爐呈負壓是為了使冶煉過程中產生的有毒有害氣體通過煙道進入余熱鍋爐降溫，然后進入電收塵器進行煙、塵分離，最終達標排放。負壓狀態必然導致大量空氣進入爐膛，加快石墨電極的氧化。所以控制爐膛合理的負壓無論對于周圍環境，還是節能降耗都至關重要。針對爐膛負壓的研究結果見表4。

通過試驗得出結論：正常生產情況下，可將爐膛負壓控制在-9～-15 Pa之間，這樣既可以降低石墨電極的氧化，也可保證爐前作業環境；爐子處于保溫作業狀態時，可適當降低爐膛負壓，使爐壓保持在-3～-9 Pa之間，并降低電極功率，以使電極氧化程度降低。

2.2 合理控制電流

及時掌握熔體溫度，合理控制變壓器的輸出功率，確保冶煉過程中的電流合理。按照冶煉手冊要求，冰銅溫度控制在1 200～1 250 ℃，爐渣溫度控制在1 250～1 300 ℃。所以電流大小的控制，必須基于對冰銅、爐渣溫度的準確掌控。熔體溫度較高，則相應地降低功率，減小電流；溫度較低時，則升高功率，提高電流。電流大小與電極消耗情況對比見表5。

表4沉降電爐爐膛負壓試驗結果

-3～-9Pa-9～-15Pa-15～-21Pa電極側面氧化程度正常生產氧化較少有一定程度氧化氧化嚴重保溫作業基本無氧化氧化較少氧化較嚴重周圍環境狀況正常生產煙氣外溢無煙氣外泄作業環境較好保溫作業煙氣無外泄無煙氣外泄作業環境較好電極側面氧化效果圖

表5電流大小對電極消耗的影響

電流/A12000118001160011400電極消耗量/kg27763275272695126315

通過對比發現，低電流可減少電極的消耗量。

2.3 夾持器規范操作

當電極與夾持器不能保持垂直，電極將存在附加水平分力；如果夾持面存在異物，夾持點易產生應力集中；兩根電極存在較大的直徑公差時，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。

因此，夾持器的規范操作十分重要。電極夾持器應盡量避免夾在電極連接處之間的白線內。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，應相應松開夾持器；若無磨損，說明電極直徑偏小，容易造成電極下滑，應相應調緊夾持器。

2.4 確保電極加工質量和安裝質量

安裝電極之前，仔細檢查電極和電極接頭的螺紋質量，并吹掃干凈電極和電極接頭。安裝時，用電葫蘆將電極吊至安裝電極上方，與相對應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。

2.5 涂層、浸漬抑制電極氧化

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。但是由于反應生成物是二氧化碳和一氧化碳氣體，不能像其他金屬在表面形成氧化保護膜，所以氧化反應是持續的。針對這種情況，比較常用的方法是碳化硅涂層和磷酸鹽浸漬防止氧化，磷酸鹽浸漬效果更為明顯。

3 結論

(1)側面損耗、尖端損耗、折斷損耗、電極加工安裝質量差不合格等因素都可造成石墨電極大量損耗。

(2)通過合理控制爐膛負壓和電流大小、規范操作夾持器、保障電極質量和安裝質量、對電極涂層、浸漬抑制氧化等相應的技術和管理措施，電極消耗量大的情況可得到有效抑制。

(3)加強員工崗位職責的教育培訓工作，使每一位員工切實做到精心操作，減少誤操作對石墨電極的消耗；加強各班組之間的交流，及時詳細地將本班工作過程中電極使用的各種情況進行告知；加強技術交流活動，使操作員工在彼此身上發現優點，查找自身的不足，從而學到更多的工作經驗，更加出色地完成各項生產任務，用低能耗、低成本達到高效率、高產出，使產品質量得到有效保障。

[1] 陳文來,呂紅兵,賈慶遠. 電弧爐冶煉中石墨電極折斷原因分析[J]. 炭素技術，2010,(3):36-38.

[2] 吳浩. 真空爐石墨電極消耗高的原因分析[J].有色冶煉，2001,(2):43-46.

[3] 傅崇說. 有色冶金原理[M]. 北京：冶金工業出版社，1984.

Discussion on reasons of electric furnace graphite electrode consumption and its control measures

YANG Guang，YUAN Hai-bin，XIONG Yin-bao

The reasons of the electric furnace graphite electrode consumption were analyzed. The results showed that additional loss of graphite electrode is further beyond its real usage, because the side oxidation of graphite electrode and electrode break accounted for a large proportion. Control measures for reducing the consumption of graphite electrode by change operation mode were analyzed.

electric furnace; graphite electrode; consumption; side oxidation; electrode break; thermal spalling

楊光(1988—)，男，云南建水人，冶煉技術員，主要從事有色冶煉技術工作。

2015-12-25

TF811

B

1672-6103(2016)02-0032-03