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75MVA鉻鐵爐電極糊的應用研究75MVA鉻鐵爐電極糊的應用研究 海秉良1 夏金童2 黃永壽1 呼友明1 （1、蘭州陽光炭素集團公司 蘭州 甘肅 730079） （2、材料科學與工程學院 湖南大學 長沙 湖南 410082） 摘要：為提高75MVA鉻鐵爐的生產效率，分析在當前的操作條件下發生電極事故的原因，探討如何在電極糊和技術管理兩方面解決電極事故。通過選擇合適的電極糊以及改變生產技術等科學措施，可以避免電極事故的發生，使生產正常運行。 關鍵詞：鉻鐵、電極糊、爐型特點、操作技術 Electrode Paste Application Research of 75 MVA Ferrochrome Furnace Hai Bing-liang1 Xia Jin-tong2 Huang Yong-shou1 Hu You-ming1 （1、Lanzhou Sunshine Carbon Group Co., LTD Lanzhou Gansu 730079） （2、College Of Materials & Engineering Hunan University Changsha Hunan 410082） Abstract: In order to improve the production efficiency of 75 MVA ferrochrome furnace，the reasons of electrode accident were analyzed in the current operating conditions，discussion on how to solve the electrode accidents in two aspects which are electrode paste and technology management。Electrode accidents can be avoided by the scientific measures of choosing the suitable electrode paste and changing the production technology，and then，the production can been run smoothly。 Keywords: ferrochrome，electrode paste，furnace characteristic，operation technology 鐵合金是冶金、機械工業的重要原料，是資源、能源消耗的大戶[1、2]，我國鐵合金行業的發展，帶動了電極糊產品生產技術的進步。在鐵合金爐中，電極是礦熱電爐的“心臟”，電極的好壞直接影響鐵合金產品的生產，電極是以電極糊為主要原料，由鐵合金生產技術管理者操作焙燒而成，電極糊的質量和鐵合金生產技術管理者的操作水平共同影響著電極質量[3-5]。 ———————————————————————————————————————————————————— 1作者：海秉良 男 1949年5月出生，蘭州陽光炭素集團公司董事長； 2通訊作者：呼友明 男 1985年12月出生，2011年畢業于湖南大學材料學專業，碩士研究生，中級工程師，現從事炭素技術的研發工作，214422099@qq.com。 75MVA鉻鐵爐（爐型基本信息如表1所示）的建設和投產是我國鉻鐵冶煉大型化、密閉化、環�；^程中重要的一步，我公司（以下稱為B公司）結合各類鐵合金爐的實際操作經驗，積極探索75MVA鉻鐵爐在使用過程中存在的問題及其解決方案。 表1 75MVA鉻鐵爐
1、開爐初期存在的問題 75MVA鉻鐵爐為目前世界最大冶煉鉻鐵的礦熱電爐，自投產以來，不斷的出現電極掉頭、掉瓣、硬斷、消耗高等現象，始終不能達到設計的產能和電耗。應國外技術人員要求，該礦熱電爐一直使用A公司生產的電極糊產品，經過A公司多次調節電極糊配方及指標，仍然不能達到其使用要求，2014年7月，75MVA鉻鐵冶煉企業與B公司聯系并要求制備符合大型鉻鐵爐冶煉要求的電極糊。 2、電極糊質量參數 優質的電極糊必須具有連續的穩定性，適宜的流動性[6]，良好的導熱性，同時焙燒而成的電極具有高度的抗氧化性和優良的導電性，耐高溫，熱膨脹系數要小，具有較小的氣孔率，較低的電阻率以降低電能損耗，還要具有較高的機械強度，不致因機械、電氣負荷的影響和爐料崩塌導致的輕微沖擊使電極折斷[7]。電極糊產品的質量參數直接影響著電極的焙燒質量和使用效果，因此，要確定電極糊產品的質量參數，必須對礦熱電爐的各項幾何及電氣參數進行深入的分析，并對冶煉操作工藝進行了解，才能制定與具體礦熱電爐相匹配的電極糊質量參數[8、9]。 對75MVA鉻鐵爐使用的四個批次的A公司電極糊進行了測試分析，其質量參數的變化如表2所示。
由表2可知，根據批次的變化，A公司電極糊灰分呈下降趨勢，其他數據變動不大，推測變化的主要原因是增加電煅無煙煤添加量用來替代普煅無煙煤，但爐子實際使用情況未達預期目標。 3、75MVA鉻鐵爐的爐型特點 75MVA鉻鐵爐為芬蘭設計安裝，熱料入爐，全密閉低煙罩；具有10KW加溫控制系統；具有全自動控制系統，可實時記錄各類電氣參數；電極筒可承受安全電流100KA；三相電極升降缸處具有重力傳感裝置，能直觀判斷電極長度以及是否出現掉頭、掉瓣、斷電極等現象；電極糊為圓柱型，其設計直徑900mm、高1000mm，圓柱糊便于測量液態糊柱的高度。 4、事故原因的分析探討 電極糊焙燒成電極的熱源主要為電阻熱、輻射熱和傳導熱，針對75MVA鉻鐵密閉爐，幾乎沒有輻射熱，電極糊焙燒熱源主要依賴其電阻熱。通過對2014年6、7月份1#、2#爐三相平均實際操作電流的統計，兩臺礦熱電爐平均實際操作電流在80KA左右，計算平均電流密度在3.0~3.4 A/cm2，實際操作的平均電流及平均電流密度明顯低于設計值（設計電極電流125KA，設計電流密度4.9A/cm2）。 實際操作電流低導致電極糊焙燒速度慢于正常設計的焙燒速度，電極糊沒有足夠熱源，得不到完全焙燒，焙燒后的電極氣孔率高，強度差，易產生消耗快和掉頭等各類現象。同時，高消耗和掉頭需增加電極壓放量來維持正常的電極工作長度，更減少了電極糊的焙燒時間，降低了電極焙燒的質量[10、11]。 針對以上現象，解決方案主要分兩方面。一方面，調整電極糊配方，提高電極糊的焙燒速度，使以下三方面得以改善：①確定合理的電極糊軟化點和揮發分指標；②降低電極糊灰分，減慢消耗速度，延長焙燒時間；③采用合理的配方及工藝條件，增加電極焙燒后的強度。另一方面，操作技術及設備改造，提高焙燒溫度，主要具體措施有：①增加加溫控制系統加熱器的功率；②提高液面糊柱高度；③增加圓柱型電極糊的直徑，降低圓柱型電極糊的高度；④降低循環水流量、流速，提高循環水溫度。 5、技術調整后的使用情況 通過溝通交流，B公司制定新電極糊配方及操作方法并與A公司電極糊進行對比使用，B公司電極首先加入2#爐3號電極中，2014年8月末新電極下放到電極端頭，通過9、10月的使用情況對比，總結如下：①兩臺爐子累計停電20次，共216h，B公司2#爐3號電極均沒有發生任何電極事故，A公司在停電46h送電后1根電極發生硬斷事故；②B公司9、10月2#爐3號電極日平均壓放量257mm，相比A公司2#爐3號電極6~8月日平均壓放量降低130mm，折合每天電極糊消耗量減少560kg，根據產量計算電極糊單耗降低了4.2kg/t；③A公司電極糊在使用過程中，由于焙燒不完全，存在掉頭、掉瓣現象，電極長度短，導致電爐負荷低，二次電流平均為80KA左右，單臺爐子最高日產量為358噸；B公司電極焙燒良好，長度足夠，電爐負荷高，二次電流平均為86KA左右，電耗相比A公司降低180kwh/t，其中10月份2#爐平均日產量389噸，達到歷史最高月產量，電極糊單耗為11.5kg/t。 6、高負荷爐況電極糊使用存在的問題分析及解決方案 因B公司電極糊使用情況達到預期效果，其用量逐漸增加到5根電極，僅剩1根A公司電極糊焙燒的電極作為對比，自75MVA鉻鐵密閉爐冶煉過程中不斷增加了B公司電極糊用量以來，有功功率由不足40MVA逐漸提高到50MVA以上，2015年1月份單臺爐子平均日產量達到400噸以上，電極糊單耗為9 kg/t左右，基本達到了設計的產能及電耗。但2015年2、3月份，電極就開始不斷出現掉瓣、掉頭甚至斷電極現象，尤其是停爐重新送電后，電極事故出現的概率有較大幅度的提高。 6.1現場分析 通過現場了解情況并進行分析討論，發現電極出現新問題的主要原因為：①加入爐子中的原料還原劑炭粒度在2、3月份時期偏大，還原劑炭粒度越大，反應接觸面積小，反應速度慢，電極炭參與反應的多，電極消耗的快；②二次電流過高，平均二次電流在90KA以上，階段性的二次電流經常達到100KA以上，超過了電極筒承受的安全電流，使電極筒下放到大套以后燒損，降低了電極筒對電極的保護和焙燒作用；③圓柱糊在熔融過程中存在偏析，因筋板的存在，圓柱糊直徑相比電極筒直徑要小得多，在電極糊熔融過程中，圓柱糊相比小塊糊要有更遠的流動遷移，遷移過程中存在電極糊骨料和粉料的偏析；④停電后送電速度偏快，停爐會導致電極降溫，因熱應力的作用導致焙燒好電極的強度損失是無法彌補的，并且破壞了焙燒區間的溫度梯度，使重新送電時對電極的考驗急劇增大，停爐時電極的維護和送電時的正確操作非常重要。 6.2實驗室分析 根據炭素材料特性，圓柱糊發生偏析現象的風險相對比較高，偏析現象是指易于流動的部分（黏結劑和炭質粉料）在軟化熔融過程中，會攤開向外流動，而中心部分留下大顆粒的炭質骨料偏多。偏析現象會導致不正常的電極質量，使電極內外側質量存在一定的差異，尤其是電極中心部分由于缺少黏結劑和炭質粉料，會焙燒成為沙礫狀、非常脆弱的電極塊，此部分電極在冶煉過程中極易參與反應而提前消耗掉，使電極端頭中心為疏散的孔洞，外圍電極由于筋板的分隔，形成一段段獨立的小電極頭，在整個電極內部的提前消耗的情況下，小電極頭承受著高電流的沖擊，很容易齊根斷裂形成掉瓣，如圖1所示。
圖1 電極端頭掉落的碎塊 Fig1 Some shedding pieces of electrode tip 為了驗證圓柱糊在使用過程中的偏析，在實驗室進行比例尺為10:1的模擬實驗，模擬的圓柱糊與電極筒如圖2所示，為了比較直觀檢驗偏析情況，電極糊配方以電煅、普煅無煙煤為骨料，石油焦、石墨粉為粉料，焙燒成炭質電極的橫切面如圖3所示。
圖2 模擬的圓柱形電極糊和電極筒 Fig2 Simulation of the cylindrical electrode paste and electrode tube
圖3 電極的橫切面 Fig3 Cross-section of the electrodes 由圖3可清晰的看出焙燒后的電極橫切面存在一定的偏析，內部的骨料居多，粉料多數存在于電極外圍。為了比較客觀的對比偏析的差異，將焙燒后的電極進行車加工，按照圖3橫切面圓圈之間取得車削碎，分別收集編號內電極并測試其灰分及真密度，如表3所示。
由圖3可知，A區域至F區域為焙燒后電極的內側至外側，電極糊的骨料為電煅、普煅無煙煤，骨料的灰分高而真密度低，電極糊的粉料為石油焦、石墨粉，粉料的灰分低而真密度高。由表3可知，測試電極糊焙燒后電極的內側至外側，灰分呈逐漸下降趨勢，真密度呈逐漸上升趨勢，由測試數據則可推斷，圓柱糊在熔融過程中確實存在一定的偏析。 6.3解決方案 通過現場觀察斷頭，分析電極端頭形態進行判斷，主要原因還是內部焙燒不完全所致，其次是由于熱應力導致電極強度下降，解決方案主要分兩方面。一方面，繼續調整電極糊配方和工藝：①加快電極糊的焙燒速度；②增加混捏時間，提高均勻性，增加電極焙燒后的強度。另一方面，調整爐子生產工藝要求及操作習慣：①嚴格要求冶煉原材料的各項質量達到標準；②根據電極位置調整有功功率和二次電流；③根據停電時間調整送電后提升負荷的速度；④對電極筒的筋板進行技術改造，增加焙燒后電極的強度。 6.4目前使用效果 2015年5月末各項解決方法均實施到位，經統計，2015年6月-11月兩臺75MVA鉻鐵密閉爐的電極一切正常，電極糊單耗、單位產品電耗和產量均滿足設計值，也完全達到了冶煉要求。 7、結語 1)了解冶煉爐型的各項參數和冶煉特性是制定電極糊配方和工藝的重要依據。 2)要保證冶煉生產工藝要求的嚴格性。當冶煉生產工藝條件進行改變時，冶煉企業應及時與電極糊生產企業溝通交流，判斷是否需要調整電極糊配方。 3)發生電極事故，應從多方面因素尋找原因，找到生產工藝的改變之處，分析并判斷其對電極的影響。 4)對電極的焙燒情況的判斷非常重要，根據電極情況調整相應的操作方法，保證電極穩定才能保證生產穩定。 8、參考文獻 1)許傳才．鐵合金冶煉工藝學[M]．北京：冶金工業出版社，2008． 2)石富、王鵬、孫振斌．礦熱爐控制與操作[M]．北京：冶金工業出版社，2010． 3)夏金童．我國電極糊現狀與實際使用中的問題綜合分析[J]．炭素，1995，20（5）：21-28． 4)吳世峰．電極糊的使用與質量事故[J]．鐵合金，2000，31（4）：40-43． 5)張志斌、王偉、劉招俊、徐雙煒．大型礦熱爐電極事故原因分析與預防措施[J]．鐵合金，2015，（245）：10-15． 6)曹培峰．電極糊的流動性對電極燒結的影響[J]．鐵合金，2013，（229）：17-19． 7)王慶剛、張躍瑞．電極糊在鐵合金電爐上的燒結機理及特種糊的質量特性[J]．鐵合金，2009，（206）：28-33． 8)海秉良、黃永壽、海秉龍、呼友明．電極糊在電石行業的應用研究[J]．中國電石工業，2012，（3）：17-29；2012，（4）：11-19． 9)海秉良、夏金童、黃永壽、海秉龍、呼友明．電極糊的生產與應用[M]．北京：化學工業出版社，2015． 10)許斌，潘立慧．炭材料用煤瀝青的制備、性能和應用[M]．湖北：湖北科學技術出版社，2002． 11)蔣文忠．炭素工藝學[M]．北京：冶金工業出版社，2009． |
