杨 光， 袁海滨， 熊银宝

(云南锡业股份有限公司铜业分公司， 云南 个旧 661000)

设备及控制

浅析电炉石墨电极损耗的原因及控制措施

杨 光， 袁海滨， 熊银宝

(云南锡业股份有限公司铜业分公司， 云南 个旧 661000)

分析了电炉石墨电极损耗的原因，结果表明，电极的额外损耗量远远超过其实际使用量，其中电极的侧面氧化与电极的折断占很大的比例。本文对改变操作方式降低石墨电极消耗进行了研究。

电炉； 石墨电极; 损耗； 侧面氧化; 折断; 热剥落

0 前言

石墨电极损耗是影响电炉生产成本的一个关键因素，降低石墨电极损耗不仅可以实现低投入高产出，更重要的是能产生巨大的社会效益，响应国家低碳环保的号召。

云南锡业股份有限公司铜业分公司的电炉使用的是高功率石墨电极，电极单耗在2.5 kg/t铜锍，而同行的电极单耗约为1.2 kg/t铜锍，本厂的电极单耗明显偏高。因此，降低石墨电极消耗对于公司节能降耗、降低生产成本十分重要。

1 石墨电极损耗原因分析

1.1 石墨电极的特性

石墨电极是将石油焦等骨料和沥青等粘结剂混合在一起压型成规定的形状，经焙烧、浸渍、石墨化等工序处理，再机械加工而成。石墨电极耐高温、加工容易、价格较便宜，而且其具有较高的电阻，且随温度的变化不大，在2 500 ℃以下石墨电极的机械强度随温度的上升而提高，可作为在加热体断面积较大的情况下采用低电压高电流的电源，故电炉都采用石墨电极作为加热体。

1.2 造成石墨电极损耗的主要原因

1.2.1 侧面损耗

电极侧面损耗主要是由于炉膛存在负压，炉内有大量的流动空气，空气中的氧与石墨作用生成CO与CO2。氧化时的生成物随环境温度的不同而不同：

(1)

(2)

该消耗占电极总消耗的50%～70%。然而炉膛负压是不可消除的，炉膛负压是由于环保风机将炉内的烟气抽走而形成的。较大的炉膛负压有利于减少烟气的泄露，改善工作环境，但高负压会使炉内气体流动速度加快、氧势升高、温度上移，从而造成电极表面氧化过快，加快电极消耗；较低的炉膛负压能降低电极表面氧化，降低电极额外损耗，但低负压易造成大量烟气聚集在炉内，烟气大量泄露，对周围工作环境造成影响；而且大量的烟尘也会使电极的导电率下降，额外增加电能损耗。

为了了解负压对电极表面氧化情况的影响，对负压较大的三组电极与负压较小的三组电极的消耗情况进行统计，结果见表1。

此外，冶炼时间、冶炼工艺、炉渣炉况、电极在炉内的表面积、炉内气氛及速流等对电极侧面氧化均有不同程度的影响。

1.2.2 尖端损耗

沉降电炉对熔体升温的唯一方式是向插入熔体的石墨电极通入较大的电流对熔体进行加热。通入的电流会在电极与熔体接触面上形成电弧，这会使电极的尖端造成损耗。电极的尖端耗损包括电极蒸发、熔体吸收、热剥落三个方面(见图1)。电极蒸发主要是高强度电弧柱体的辐射与电流引起的。电极蒸发与电流的大小成正比，所以较强的电流会使电极蒸发加快。

表1电极消耗对比

项目单位负压影响较小负压影响较大1#2#3#4#5#6#电极数量个535676电极总重kg351820803429403247354070

图1 电极的热剥落

2013年某时间段沉降电炉电流大小与电极消耗情况见表2。

表2实际生产中电流及电极消耗情况

电流/A760081001180012000电极消耗量/kg21864233782752727763

由表2可见，电流大小对电极的消耗量影响极大，电流较高时电极的消耗量明显增加。

1.2.3 折断损耗

电极断裂属于突发事故，出现的原因为：电极插入熔池中承受很大的电磁应力，此应力的方向和大小交替变化，并引起电极夹持器的摆动和电极本身的振动。当机械应力、电磁力和电极体内热应力之和超过电极本身强度时，将导致电极断裂。对大量现场情况进行分析，此类折断多发生在电极柱中部附近的接头处，主要原因是：此处径向温差较大，存在的内应力也较大；电弧、渣产生的高热梯度引起的热冲击频繁，破环电极的热稳定性；接头松动；此外操作不当也会引起电极断裂。

石墨电极折断消耗状况统计见表3。

表32012年石墨电极消耗统计表

项目频数/kg累计频数/kg累计百分数/%折断消耗582235822354.7自然消耗4337310159695.5残头消耗102310261996.4其他消耗3815106434100

通过表3可知，电极的消耗主要集中在折断消耗和自然消耗上。

1.2.4 电极加工以及安装质量差

电极加工质量和安装质量对电极使用寿命的影响同样重要。电极以及电极接头的连接螺纹加工粗劣或公差配合不符合标准，均会造成电极与接头连接时过松或过紧，过松会出现接触不良拉弧烧坏，电极接头过紧则在装配时容易损坏螺纹。在装配电极的过程中，如果不对电极的头尾清灰或是接入不到位，也会对电极的导电性产生影响，极易造成断裂。

2 减少电极损耗的途径

2.1 合理控制炉膛负压

冶炼炉呈负压是为了使冶炼过程中产生的有毒有害气体通过烟道进入余热锅炉降温，然后进入电收尘器进行烟、尘分离，最终达标排放。负压状态必然导致大量空气进入炉膛，加快石墨电极的氧化。所以控制炉膛合理的负压无论对于周围环境，还是节能降耗都至关重要。针对炉膛负压的研究结果见表4。

通过试验得出结论：正常生产情况下，可将炉膛负压控制在-9～-15 Pa之间，这样既可以降低石墨电极的氧化，也可保证炉前作业环境；炉子处于保温作业状态时，可适当降低炉膛负压，使炉压保持在-3～-9 Pa之间，并降低电极功率，以使电极氧化程度降低。

2.2 合理控制电流

及时掌握熔体温度，合理控制变压器的输出功率，确保冶炼过程中的电流合理。按照冶炼手册要求，冰铜温度控制在1 200～1 250 ℃，炉渣温度控制在1 250～1 300 ℃。所以电流大小的控制，必须基于对冰铜、炉渣温度的准确掌控。熔体温度较高，则相应地降低功率，减小电流；温度较低时，则升高功率，提高电流。电流大小与电极消耗情况对比见表5。

表4沉降电炉炉膛负压试验结果

-3～-9Pa-9～-15Pa-15～-21Pa电极侧面氧化程度正常生产氧化较少有一定程度氧化氧化严重保温作业基本无氧化氧化较少氧化较严重周围环境状况正常生产烟气外溢无烟气外泄作业环境较好保温作业烟气无外泄无烟气外泄作业环境较好电极侧面氧化效果图

表5电流大小对电极消耗的影响

电流/A12000118001160011400电极消耗量/kg27763275272695126315

通过对比发现，低电流可减少电极的消耗量。

2.3 夹持器规范操作

当电极与夹持器不能保持垂直，电极将存在附加水平分力；如果夹持面存在异物，夹持点易产生应力集中；两根电极存在较大的直径公差时，压放电极过程中易造成电极下滑或夹持器钢绳断裂。这些在冶炼过程中都极易造成电极折断。

因此，夹持器的规范操作十分重要。电极夹持器应尽量避免夹在电极连接处之间的白线内。在压放电极过程中，要注意观察夹持器与电极间的磨损程度。若磨损较大，说明电极直径偏大，应相应松开夹持器；若无磨损，说明电极直径偏小，容易造成电极下滑，应相应调紧夹持器。

2.4 确保电极加工质量和安装质量

安装电极之前，仔细检查电极和电极接头的螺纹质量，并吹扫干净电极和电极接头。安装时，用电葫芦将电极吊至安装电极上方，与相对应的电极连接口对好位，用力矩扳手将电极旋紧到位，确保电极与电极之间无松动。

2.5 涂层、浸渍抑制电极氧化

石墨在较低温度下，特别是在真空条件下，其氧化程度比许多金属缓慢。但是由于反应生成物是二氧化碳和一氧化碳气体，不能像其他金属在表面形成氧化保护膜，所以氧化反应是持续的。针对这种情况，比较常用的方法是碳化硅涂层和磷酸盐浸渍防止氧化，磷酸盐浸渍效果更为明显。

3 结论

(1)侧面损耗、尖端损耗、折断损耗、电极加工安装质量差不合格等因素都可造成石墨电极大量损耗。

(2)通过合理控制炉膛负压和电流大小、规范操作夹持器、保障电极质量和安装质量、对电极涂层、浸渍抑制氧化等相应的技术和管理措施，电极消耗量大的情况可得到有效抑制。

(3)加强员工岗位职责的教育培训工作，使每一位员工切实做到精心操作，减少误操作对石墨电极的消耗；加强各班组之间的交流，及时详细地将本班工作过程中电极使用的各种情况进行告知；加强技术交流活动，使操作员工在彼此身上发现优点，查找自身的不足，从而学到更多的工作经验，更加出色地完成各项生产任务，用低能耗、低成本达到高效率、高产出，使产品质量得到有效保障。

[1] 陈文来,吕红兵,贾庆远. 电弧炉冶炼中石墨电极折断原因分析[J]. 炭素技术，2010,(3):36-38.

[2] 吴浩. 真空炉石墨电极消耗高的原因分析[J].有色冶炼，2001,(2):43-46.

[3] 傅崇说. 有色冶金原理[M]. 北京：冶金工业出版社，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

杨光(1988—)，男，云南建水人，冶炼技术员，主要从事有色冶炼技术工作。

2015-12-25

TF811

B

1672-6103(2016)02-0032-03