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電極糊在電石行業中的應用研究

電極糊在電石行業中的應用研究

蘭州陽光炭素有限公司

作者:海秉良、黃永壽、海秉龍、呼友明

緒論

我國電石行業起步于上世紀30年代,1958年起,原國家化工部統一布點設計,在全國建成了十幾臺10000KVA的開放式電石爐;上世紀80年代,國家化工部從挪威埃肯公司引進組合式把持器的矮煙罩25500KVA密閉爐,進一步推進了電石密閉爐在我國的發展;進入21世紀,受原油價格的持續上漲,以電石法乙炔為原料的有機合成工業快速發展,煤炭資源相對豐富的新疆、內蒙、寧夏、陜西等省相繼建成集發電、焦化、電石生產和化工生產為一體的高效節能、循環式,規模化產業結構鏈,使我國電石工業進入井噴式的發展高潮。我國的電石行業經過80余年的發展,現在已經成為化學工業的一個重要組成部分。

我國電石行業的發展,帶動了我公司的炭素產品生產技術的進步,我公司技術進步和創新的同時也對電石行業的快速發展作出了應有的貢獻。蘭州陽光炭素集團公司自建立以來,在董事長和總經理的正確領導下,積極探索電極糊產品的原料、配方、生產及工藝流程,使我公司電極糊產品有了長足的發展與進步,現階段有200多臺電石爐使用我公司電極糊,其中大型密閉電石爐市場占有率達50%以上。公司建立初期,我公司電極糊產品僅供5000KVA和6300KVA的電石爐使用,但我們并沒有被當時的模式所束縛,而是積極探索中、大型電石爐使用的產品。在不斷的探索實驗和虛心采納同行專家的意見及建議的基礎上,不斷改進技術,電極糊的生產從小作坊式半機械化生產發展到現在的PLC電腦自動化控制配料,使得陽光炭素的產品獲得周邊電石企業的認可和好評。2001年新疆環鵬10000KVA電石爐、甘肅博祥10000KVA電石爐和甘肅維尼綸廠20000KVA等電石企業使我公司電極糊走出小型爐,邁向中型電石爐,新疆天業16500KVA、青海東勝25500KVA以及中泰化學30000KVA等電石爐企業的訂單又迫使我們成功開發出大型電石爐用電極糊產品。

我公司董事長海秉良先生,以超常的智慧和理念創建了研發優質電極糊的科研團隊,成立了研發部,并與湖南大學共同設立節能自焙電極研發基金,不斷進行產品的技術創新和升級換代。在2010年和2012年,分別在烏海和新疆建成烏海陽光炭素有限公司和新疆陽光炭素有限公司,產能高達100萬噸,確保我公司生產的電極糊數量夠、質量好。為了讓客戶能夠放心使用我公司電極糊,公司成立了專為客戶解決電極使用問題的服務團隊,相互學習技術經驗,加大與客戶溝通交流,誠信、熱情、周到的為客戶服務,以客戶的滿意為宗旨。現在我公司已經可以生產供48000KVA電石爐使用的電極糊,并有能力研發生產出更加大型化電石爐使用的優質特種電極糊。

在電石爐設備中,電極是電石爐的“心臟”,電極的好壞直接影響電石生產,電極是以電極糊為主要原料,由電石生產者焙燒而成,電極糊的質量和電石生產者的操作水平共同影響著電極質量。電極在電石爐中起著傳導電流和將電能轉換成熱能的作用,在電石生產中,電流通過電極輸入爐內產生電弧,主要利用電弧能釋放熱量并高溫冶煉生產電石產品。電石爐生產運行效果的好壞直接取決于電極是否處于正常工作狀態,電極如果出現問題,如硬斷、軟斷、過短、過長、破裂、漏糊、刺火等事故,都會影響電石的正常生產,有時會造成幾小時甚至幾天的停爐,嚴重時可能發生人身事故,對人力、物力、財力都是極大的浪費。因此,了解和掌握電極上的設備及電石爐的電氣參數對電極的工作狀態的影響非常重要,只有掌握了這些知識,才能讓電極使用正常,減少電極事故,降低經濟損失,如果不重視電極的管理,就會導致電極事故,造成不必要的停電,給安全和正常生產帶來不良后果。

電極糊的產品質量直接影響著電極的焙燒質量和使用效果,因此,電石生產管理者對于密閉式電石爐使用的電極糊產品質量不斷提出更高的要求。優質電極糊必須具有連續的穩定性,適宜的流動性,良好的導熱性,高度的抗氧化性和優良的導電性;同時電極應能夠耐高溫,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。


第一章自焙電極概述

礦熱電爐生產(電石、鐵合金、黃磷和工業硅等產品)所用的電極多為炭和石墨電極,其具有良好的導電、導熱性和抗熱震性能,在高溫時熱膨脹系數小、機械強度高、熱導率高。這類電極可分為三種:石墨電極、炭電極和自焙電極。


石墨電極以石油焦和瀝青焦為主要原料先制成炭素電極,再放到溫度為2000~2500℃的石墨化電阻爐中,經石墨化制成石墨電極,石墨電極由于成型機的限制,其直徑一般不超過800mm,滿足不了大電爐的要求,而且價格居高不下,石墨電極每噸13000~40000元。

炭電極以無煙煤、殘極、冶金焦和石油焦為原料,按一定的比例混合再加入粘結劑瀝青和焦油,在適當的溫度下攪拌均勻后壓制成型,最后在焙燒爐經30天左右的時間緩慢焙燒制得,炭電極每噸8000~15000元。

自焙電極(糊)以無煙煤、殘極、石墨碎、石油焦和瀝青為主要原料,通過一定工藝流程制備而成,把電極糊裝入已經安裝在電石爐上的電極筒中,在電石爐生產的過程中依靠電流通過時所產生的焦耳熱和爐內的傳導熱,自行焦化燒結。自焙電極可連續使用,邊使用邊接長邊燒結成型。制做自焙電極的工藝較為簡單,生產周期較短,但其對原料和配料配方以及技術指標控制等要求很高。電極糊已廣泛地應用于電石、鐵合金、黃磷等各種礦熱電爐的生產中。

1.自焙電極

自焙電極也稱索德伯格電極,其發展歷史可追溯到1909年,當時挪威工程師索德伯格做了這樣一個實驗,將未經焙燒的炭素材料放在電爐中,利用輸入電流的焦耳熱和電爐表面輻射熱來焙燒,結果成功獲得自焙電極。

自焙電極由電極筒及其內部的電極糊組成,電極筒由厚1~2.5mm的鋼板卷制焊接而成,內有翅片和鐵筋,起到傳遞電流并增加電極強度的作用。電極筒的立筋和橫截面的開孔,解決了電極糊與電極筒的脫離問題,使得電極筒和電極糊結合得更牢固,便于電流傳導。電極筒安裝在電極把持器內,通過電極夾緊裝置延伸到爐中反應區內。電極在爐內工作時不斷地消耗,所以要不斷地下放電極、填裝電極糊和焊接新的電極筒。

電極糊裝入電極筒內,與電極筒同時向下移動,不斷地消耗,不斷地補充,在此過程中,電極糊要經過三個相態變化,即固態—液態—固態。在室溫(25℃)時電極糊為固態,當溫度由25℃上升到120~250℃時,電極糊融化成稀糊狀,同時電阻增大,溫度再升至300~750℃時電極糊中的揮發分物質揮發而逐漸變粘稠,成焦狀物質,電阻逐漸變小,當溫度達到800~900℃時,電極糊基本燒結成電極,在此轉化過程中電極糊的電阻率逐漸降低至100μΩm以下。

經過1000℃以上的高溫焙燒,電極糊完全炭化而成炭電極,在電石爐熔池內起到導電并轉化能量的作用,因為電極筒在不停電的情況下焊接,電極糊也是在不停電的情況下加入,電極不斷消耗,電極糊連續進行焙燒而形成電極,所以叫做連續自動焙燒電極,簡稱自焙電極。自焙電極廣泛用于電石爐和鐵合金爐,這種電極的特點是直徑可增大到2m,為應用到大負荷容量的礦熱爐創造了有利條件,并且價格低廉,操作簡單。

2.自焙電極的指標要求

     我國黑色冶金行業對電極糊質量要求的標準于上世紀八十年代制定,將電極糊分為密閉糊、標準電極糊和化工電極糊,經過電石行業大型密閉電石爐在國內突飛猛進的發展,以及各種技術日新月異地的創新和升級,現有的電極糊國家標準早已經遠遠不能滿足電石行業對電極糊的質量要求。根據國家對環保要求及落后產能的調控政策,現在6300KVA以下的電石爐都在逐步淘汰,電極糊中的標準電極糊和化工電極糊已經基本淘汰,更大型化的電石爐對電極糊質量有著更高的要求。


蘭州陽光炭素集團公司十幾年來一直致力于密閉電石爐使用電極糊的研發,針對電石爐爐型、幾何參數、電氣參數、工藝參數、設備特性及電極殼尺寸等詳細的電爐信息,為客戶的各種電石爐量身定做出使用合適的電極糊,并根據客戶實際生產的使用效果進行微調,使電極糊的各項指標與客戶的爐型、工藝操作得到很好地匹配,現在形成了自己的五類指標的電極糊,以方便各種客戶的選擇。


第二章自焙電極生產原料

電極糊的理化指標在很大程度上取決于所用的原料,同類原料若產地和制備方法不同,所生產的成品質量也有很大的差異,因此,必須正確的選擇原料,才能生產出符合技術指標要求的電極糊。制備電極糊的原料基本有以下兩類:固體炭素原料(無煙煤、殘極、石油焦、石墨碎)和粘結劑(瀝青、煤焦油、蒽油)。各原料的性質和指標簡述如下。

1.煅后無煙煤

煅后無煙煤是電極糊的主要成分,含碳量一般在90%以上,具有較高的機械強度。煅后無煙煤可分為電煅無煙煤和普煅無煙煤,它們都結構致密、局部石墨化、導電性能好、收縮率小。當電極燒結后,它就成為電極的骨架,其特點是含碳量高,機械強度大,揮發分少,價格低,資源豐富,具有良好的導電性能和熱穩定性。

采用通電加熱方式煅燒出來的無煙煤稱之為電煅無煙煤。電煅爐內周圍最高溫度約2200℃,靠近爐襯附近的溫度大于1350℃,爐內平均溫度1800℃左右,無煙煤經電煅燒后已經局部半石墨化,以此電煅無煙煤做骨料,可提高有關炭制品的強度和導電性。



用普通燃料燃燒方法煅燒的無煙煤稱為普煅無煙煤,其煅燒溫度一般低于1300℃。普煅無煙煤電阻率比電煅無煙煤高且灰分也較大,但強度較好,電極糊里添加部分普煅無煙煤有利于提高強度。


2.殘極

殘極是預焙陽極在電解槽上使用以后的殘余部分。在預焙陽極的使用周期內,隨著炭陽極被逐漸消耗,陽極炭塊變得很薄(13~18cm),為防止陽極鋼爪被電解質熔化,必須更換新的陽極炭塊組,為此而取出的這些殘余炭塊即為殘極。殘極量一般占預焙陽極量的15%~20%。

殘極長期與電解質接觸,含有較高的電解質成分,外表常附有電解質所形成的硬殼。對于更換下來的殘極組,應先清除殘極表面的電解質硬殼,然后用殘極壓脫機或人工操作使殘極與鋼爪分離。

為了在電極糊生產中重新利用殘極,殘極上的殘余電解質應認真清理,因為電解質會影響電極糊的焙燒性能及電極的強度和抗氧化性。清理后的殘極經過破碎、篩分,分成不同的粒度,在電極糊的生產配料時,殘極顆粒作為一種骨料顆粒加入。

3.煅后石油焦

石油焦是石油提煉時的殘渣經過高溫處理而炭化的產物。其特點是灰分雜質含量低,高溫下液相排列,易石墨化,它是石油煉制過程中的副產品之一。

從煉油廠出來的石油焦一般是生焦,內含約10~14%左右的揮發分,石油焦需要1350℃高溫煅燒去除揮發分后才能作為炭素原料使用,石油焦的煅燒質量可通過測定煅后石油焦的真密度、電阻率、灰分、揮發分和水分等項指標來評價,這些質量指標的高低主要取決于煅燒溫度和高溫下的持續時間。高溫及持續時間越長,相應的電阻率越低,真密度越大。煅后石油焦在高溫下具有膨脹系數小、熱穩定性好、易石墨化等特點,是制造電極糊的優質材料。

4.石墨碎

石墨碎是在生產各種石墨制品時,生產時的廢品以及加工時產生的切削碎屑。灰分含量低、電阻率小、導電性能好。生產電極糊時加入一定比例的石墨碎,可以增加電極的導電系數和熱穩定性,但強度有一定程度的下降。

5.冶金焦

冶金焦是用煉焦煤按一定配比在焦爐中高溫干餾焦化而得到的焦炭。冶金焦可用于生產各種炭塊和電極糊等炭制品,還可作為焙燒爐的填充料以及石墨化爐的保溫料和電阻料,冶金焦一般情況下與無煙煤混合使用,冶金焦能與粘結劑緊密結合,從而提高炭素制品的機械強度。冶金焦灰分較高,炭素制品用冶金焦主要質量指標如下。



冶金焦生產出來時含大量的水分,需要曬干后才能使用,由于冶金焦生產工藝是在近1000℃結焦,所以不需要進一步煅燒,曬干后可以直接用于電極糊生產,添加少量冶金焦有利于提高產品強度,但同樣也會一定程度提高產品電阻率,適用于低功率爐型,增加電阻熱,提高燒結速度。

石墨化冶金焦是用于石墨化爐的保溫料和電阻料的冶金焦經石墨化溫度加熱之后的產品,石墨化冶金焦保留原冶金焦高強度的基礎上,極大的降低了電阻率,粉末電阻率有時低至260μΩm以下,是一種非常好的電極糊原料,在應用于高功率電石爐的電極糊中可適量添加。

6.煤瀝青

煤瀝青為煤焦油蒸餾后的殘余物,主要含有稠環芳烴,脂肪族化合物很少,硫分和灰分都很低,煤瀝青是熱塑性物質,在常溫下為固體,稍加熱就能熔化成液體,在適當溫度下熔化成液態的煤瀝青,具有良好的粘結性能。煤瀝青屬于親油憎水物質,混捏時能很好地浸潤和滲透各種炭質物料的表面和孔隙,使炭質物料塑化而形成具有良好塑性狀態的糊料,容易壓制成一定形狀、具有足夠密度和強度的生坯,生坯冷卻后即能硬化而固定。

煤瀝青中高分子芳烴含量較多(即C/H原子比高),具有較高的含碳量和結焦值,焙燒時煤瀝青熱解縮聚生成較多的瀝青焦,把炭質骨料牢固地粘結成整體。煤瀝青炭化后形成的瀝青焦不僅將炭質骨料粘結在一起,同時賦予焙燒品較高的機械強度和導電導熱性能。煤瀝青炭化生成的瀝青焦具有與骨料相似的理化性能,具有較好的石墨化性能,是炭素材料生產中最理想的粘結劑材料。

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7.蒽油

蒽油為煤焦油在加熱溫度為280~360℃之間蒸餾出來的褐色粘稠物體,主要用來調節煤瀝青的軟化點及粘度。粘度影響電極糊生產中糊料的混捏及成型,確定糊料混捏時粘結劑與骨料的相互作用及炭糊料的塑性,需要了解粘結劑的粘度,一般炭材料生產只需測定粘結劑在100~200℃范圍內的粘度。

表111.jpg

煤瀝青作為主要粘結劑,除了其本身的組成和結構對混捏、成型及燒結的影響外,煤焦油、蒽油等外加的其他物質也能夠降低瀝青的表面張力和軟化點,增加煤瀝青與粉料的潤濕性,提高產品質量。

第三章自焙電極的生產工藝

1.原料要求

(1)嚴格控制原料灰分及電阻率指標,保證車車化驗,對質量不合格原料堅決退貨,確保使用優質原料;

(2)不同原料倉庫里分類儲存,嚴格管理,嚴禁混入其他物質;

(3)殘極嚴格篩選,確保去除電解質及灰分高的細粉料;

(4)粉料確保細度及純度,封閉式管理,杜絕粉塵污染;

(5)穩定瀝青指標,使用液體瀝青,控制保溫溫度。

2.設備要求

(1)采用高效節能且便于維護的顎式破碎機進行中碎,球磨機進行磨粉,振動篩進行原料篩分;

(2)采用PLC電腦控制系統進行精確配料,杜絕配料誤差;

(3)采用日本專利技術的雙軸攪拌捏合機進行混捏,攪拌刀相交過半徑,使糊料得到了充分的均勻混合;

(4)采用導熱油加熱鍋爐進行混捏鍋加熱,提高熱效率及熱穩定性;

(5)各生產設備要定期檢查使用狀況,及時進行設備維修或更換。

3.工藝流程


圖1 電極糊生產工藝流程圖

電極糊原料在配料、混捏和成型前,必須要經過破碎、磨粉和篩分等重要環節,才能得到電極糊生產所需要的各種粒度和純度的炭素顆粒,通常把固體物料由大塊破碎成小塊的操作稱為破碎,將小塊細碎成細粉的操作稱為磨粉。炭素顆粒的大小及數量的準確性對電極糊的性能都有很大的影響,所以必須將各種原料破碎、篩分和球磨成各種粒度級別后才能進行配料使用。將球磨機調節到適合的轉速和合理的裝球量,使球磨機內在物料以拋落式狀態進行研磨,提高磨粉效率,我公司球磨機容量大并且采用抽風機進行負壓操作,確保粉料的數量和純度。

配料主要指干料的搭配,是電極糊配方的重要組成部分,選擇什么原料作為細粉料對電極糊質量有直接影響。骨料中的大、中、小顆粒應合理搭配,提高堆積密度,控制粒度組成的目的是為了得到致密、強度高和導電性好的自焙電極。粉料添加量應與粘結劑添加量相匹配,使電極糊的塑性在一個規定范圍內,既能相互融合密實的填充整個電極筒,又不會因為太易流動而產生分層現象。如果粘結劑用量過多,電極糊燒結的速度跟不上消耗的速度,容易出現軟斷,不易燒結,容易產生固體顆粒與粘結劑分層現象。如果粘結劑用量偏低,電極糊燒結過快,就會出現過焙燒現象,使顆粒間結合力變差,致密性差,孔隙率高,強度低,導致易氧化,消耗高,并且容易出現電極硬斷事故。

我公司配料系統采用行業領先的PLC電腦控制配料系統,此系統具有很強的抗干擾能力,在惡劣的工作環境下能夠穩定的工作,配料準確,并能有效的提高生產質量、加快生產速度。

將炭素材料(顆粒料和粉料)與粘結劑一起,在一定的溫度和時間下攪拌和混合成為可塑性糊料,這一工序稱為混捏。混捏必須在一定的溫度下進行,并保持足夠的攪拌時間,混捏分為干混和濕混兩步,干混的主要目的是使不同粒度的固體炭質物料均勻混合和填充,提高混合料的堆積密度,并加熱物料,提高到和粘結劑相近的溫度,將原料中含有的少量內在水分蒸發,增強與粘結劑的潤濕性。濕混的目的是使粘結劑均勻涂布和浸潤炭質顆粒表面,并在所有炭質骨料和粉料表面吸附一層 “膠連膜”,依靠粘結劑的粘結力把所有炭質物料互相粘結在一起,賦予糊料一定的塑性,使之在常溫下固化成型,高溫時揮發分揮發,高分子縮聚、焦化形成“焦連膜”,提高強度,增加致密性,降低電阻率。

我公司混捏設備采用日本專利技術的雙軸攪拌捏合機,攪拌刀相交過半徑,混捏均勻,糊料在鍋內不斷受到兩根攪拌刀的反復翻動,中間突起部分再次被劈分,反復捏合,使糊料得到了充分的攪拌混合,并且鍋體外有導熱油的夾套,升溫效果好,熱穩定性高。

第四章自焙電極的檢測標準

電極是電石爐的心臟,而電極糊質量的各項指標是確保電極自焙成功的前提,目前國內生產電極糊的生產廠家眾多,生產的質量各異,如果對電極糊質量的各項指標不能做出正確的檢測,必將影響電極的焙燒性能,那將對電石爐的生產有嚴重影響,如果使用了不合格的電極糊,將很有可能發生電極事故。

電石生產操作和管理者如果對電極糊的質量認識膚淺或者電極焙燒管理不當,極易發生電極事故,加強技術力量才能有效的對事故進行正確的分析,不能只采取更換電極糊的辦法來避免電極事故的發生,由于更換電極糊時無方向性、科學性、更換后可能仍不見效果,甚至事故更多。所以,了解電極糊質量的檢測方法以及清楚爐型與電極糊的匹配對電石生產操作和管理者非常重要。

蘭州陽光炭素有限公司作為“中國電極糊研發基地”,檢測經驗豐富,技術實力雄厚,擁有國內最先進的檢測儀器設備和整套完善的科學的關于電極糊指標的檢測方法,嚴格按照最新的國家檢驗標準進行炭素原料及電極糊產品檢驗。

第五章自焙電極的焙燒

自焙電極是以電極糊為原料經電石爐生產者操作焙燒(燒結)成導電的炭質電極,生產實踐證明,電極燒結過程中電極糊性質的變化比電極糊燒結后的性質具有更重要的意義,對于質量優異的電極糊,要求焙燒時不軟斷、硬斷,焙燒后的電極要求電阻率小、消耗低,電極一旦燒結就很少發生事故,嚴重影響生產的電極軟斷流糊事故都發生在電極燒結之前,因此對電極糊在燒結過程中的性質變化要給予充分的重視。

1.自焙電極的焙燒階段

在電石冶煉過程中,隨著電極糊的溫度逐漸升高,揮發物不斷排出,電極糊中的粘結劑逐漸變為粘結焦,同時將炭素原料粘結連成堅固的電極,電極糊就燒結成為導電的炭電極。根據焙燒溫度的分布,電極糊的燒結大體可分三個階段:軟化及熔融階段、揮發階段、燒結階段,這三個階段無明顯的界限。

第一階段—軟化及熔融階段

此時,固體電極糊逐漸軟化,電阻增大,強度降低,最后全部呈半流體狀態,溫度由室溫上升至250℃,位置大約在導電夾上部400~600mm,在此期間,電極糊中的水分、低組分揮發物開始揮發并有少量黃煙冒出。

第二階段—揮發階段

此時,電極糊已充分熔化,電極糊逐漸變稠,沿著電極筒的內截面流動并填充糊塊之間的孔隙,使電極筒內電極糊質量均勻,由于導電接觸器冷卻作用使外部溫度比中心溫度較低,并保持溫度以較慢的速度上升,這樣可使電極糊中的揮發分充分并平穩的排出,不急于焦化,使電極糊保持一定的塑性,緊密填充使電極致密強度高。隨溫度的升高,電阻不斷降低,瀝青縮聚分解反應并排除揮發分,最后呈半焦化狀態,在此階段,溫度由200℃上升至550~600℃,位置大約在導電夾上部的3/5處。此階段是電極焙燒的關鍵階段,如果此溫度偏低,電極壓放過快,電流、負荷大就易產生電極流糊或軟斷事故。如果此溫度偏高,電極壓放過慢,可能將要發生電極硬斷或電極設備事故。

第三階段—燒結階段

此時溫度由600℃升至800~1000℃,電極糊中的粘結劑由半焦化到全焦化,還有少量揮發分繼續排出,強度不斷增加,電阻逐漸降低,基本上完成燒結過程,形成導電性較好的炭素材料的電極。位置大約在導電夾下部的2/5處,進入料面形成半石墨化、低電阻率的電極,當電極完全從導電夾壓出時,此處電流密度大,爐口輻射熱也增大,使電極周圍溫度較快上升,中心和外部溫度趨于一致,進行部分石墨化轉變,導電性和強度進一步增加。

電極燒結過程中溫度由上至下逐步升高,三個階段的燒結位置是不固定的,位置有時高有時低,界限也不明顯,是個不定數,若操作人員操作水平高、經驗豐富,則電極燒結位置上下變化不大,電極事故少。反之,若操作人員操作水平低、缺乏經驗,三個階段上下位置變化很大,電極事故就會頻繁發生,操作者應該根據焙燒狀況適量下放電極。

2.自焙電極的焙燒熱源

電極糊在燒結過程中需要一定的熱量,熱量主要來自于電流通過電極糊本身產生的電阻熱、電極本身的熱傳導和爐面的輻射熱。

電阻熱是電流流經電極而產生的熱量,電流通過自焙電極時,由于電極糊本身有一定的電阻,所以輸入電能的一部分轉化成熱能,為焙燒電極提供了一定的熱量。它與通過電極的電流的平方、電極的電阻和送電時間成正比,也就是說,相同的電極糊,功率越大的電石爐燒結速度越快,所以,同等設備條件下,高功率電石爐一般采用高揮發分電極糊,維持燒結速度和消耗速度平衡。燒結電極所用的電能大約占總輸入功率的4~5%。

電極端頭由于產生電弧,溫度可達3500℃左右,熱量從電極本身由下向上傳導,生產壓放電極時,電極糊自上而下移動,逐漸被傳導熱加熱燒結成電極,離電弧區越遠,傳導的熱量越少。

輻射熱來自電石爐料面煙氣,內燃式電石爐生產過程中會產生大量的CO氣體,CO氣體在爐面燃燒,放出大量熱量,對電極的焙燒也起到一定作用,密閉電石爐煙氣溫度在300~600℃左右,開放電石爐溫度高達700~800℃左右。輻射熱由電極表面向內部傳導,對電極的焙燒提供少量熱能,使電極的進一步致密化。輻射熱在密閉爐中占電極燒結熱量的比例小,在開放爐中占較大比例。

對于高功率密閉電石爐,由于其電功率大,主要燒結(焙燒)熱源為電阻熱,其次是電弧的傳導熱,爐面輻射熱只起到一定的輔助作用。對于低功率開放型電石爐,電阻熱提供熱量的比例減少,而傳導熱和輻射熱所提供的熱量占電極糊燒結所需的總熱量比例相應提高。

3.自焙電極焙燒過程的性能變化

在電極糊完全燒結前,從其原料組成及其內部結構來看,可以認為電極糊是一種復合材料,隨著使用溫度和環境氣氛的劇變,這個復合體內將會有著復雜的物理化學變化。電極糊內的各種材質,各種粒子的相互作用力,有弱范德華力存在,但此處粒子間的最根本的“凝聚力”主要依賴于粘結劑的瀝青“膜”產生的多種接合力行為,無數這樣的“膜” (初始為瀝青膜,最終為瀝青焦炭膜)形成了一個連續的強大的橋網結構,支撐和凝結起無數的大小不一的各種炭粒,進而形成了一個密實的、復合的整體狀電極糊。

電石爐對電極糊的要求較高,希望電極糊在使用過程中,隨著溫度和環境氣氛的變化,電極糊的任何橫截面和縱截面能呈現梯度均勻的變化。即使在各個溫區內,電極糊仍能形成熱力學相對穩定的空間結構。通俗的講,要求電極糊的各種材質各種粒度應有很好的聚合體系的穩定性,也就是電極糊在使用過程中,其內部的各種粒子不能偏析,不能分層,具備了這樣一種連續穩定性空間結構的電極糊,隨著溫度的升高,其物理性能均勻變化。

電極糊必須具有連續的穩定性,適宜的流動性,良好的導熱性能,還必須具有高度的耐氧化性和導電性。因此,電極在生產中應能夠耐高溫,同時熱膨脹系數要小;具有較小的氣孔率,受高溫輻射及熔池物質沖擊時的抗氧化性強;具有較小的電阻系數,以降低電能損耗;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。

自焙電極的揮發分隨溫度升高而減少,所以電極在燒結過程中,位置越向下揮發物含量越少,電極越致密。電極糊中的揮發分主要從兩個地方排出來,在軟化熔融過程,室溫至250℃,電極糊中沸點比較低的揮發分從電極筒上口少量排出,在電極燒結過程中,隨著粘結劑熱縮聚分解過程的加劇、低組分揮發分排出,高分子縮聚成焦,電極體積收縮,電極與電極筒之間便產生縫隙,在300~500℃有大量的揮發煙氣產生,從縫隙中排出,電極糊揮發分急劇降低,揮發分從10%以上降低到4%以下,當溫度高于650℃后,揮發物含量緩慢降低至零,此時電極溫度將近1000℃,電極糊已經燒結(焙燒)成致密的電極。

自焙電極的電阻率隨溫度升高而降低。電極糊中的粘結劑主要是煤瀝青,煤瀝青是電的不良導體,但煤瀝青經過縮聚焦化后的瀝青焦是電的良導體,焙燒過程主要是粘結劑縮聚焦化,將電極糊中的固體物料粘結為致密體的過程,電極糊在200℃以內,電阻率相對較高,是焙燒好電極的2000~5000倍,當溫度在300~500℃時,隨著揮發分的揮發,電阻率大幅降低,當溫度繼續升高到500~800℃時,電阻率平穩降低至100μΩm以下,溫度達到800℃以上時,電阻率基本趨于穩定,大部分電流通過已燒結好的電極輸入爐內。

自焙電極的機械強度隨溫度升高先下降而后升高。電極糊在焙燒成電極的過程中,溫度低于350℃時電極糊逐漸變軟,機械強度下降,當溫度從350℃升至800℃時,由于粘結劑焦化,機械強度急劇上升到最大值,500℃時電極開始硬化,并且與電極筒緊密結合,當溫度逐漸增加到800℃以后,強度變化不大。炭材料在高溫時強度高,冷卻后強度下降,因長時間停電而造成電極降溫,其強度不如正常使用時強度的一半,故應該盡量減少熱停次數,停電后要做好電極保溫措施,重新啟用電極時,要緩慢增加負荷,降低熱、電沖擊,避免硬斷。

4.影響自焙電極燒結速度及消耗速度的因素

電石爐工作良性循環的關鍵是維持電極燒結速度與消耗速度的平衡。電極燒結速度過慢,焙燒好的電極跟不上消耗,電極工作端短,電極偏軟,容易發生軟斷、流糊等電極事故。電極燒結速度過快,電極固體顆粒結合性差,孔隙率增加,電極的導電性和機械強度都有所降低。

影響電極燒結速度的因素有以下幾方面:

(1)電極下放的長度和間隔時間,壓放長度越長,時間間隔越短則燒結越慢。

(2)冷卻風量、水量的大小和送風、送水時間的長短,風量、水量越大,時間越長則燒結越慢。

(3)加熱器的運行擋位,檔位越高則燒結越快。

(4)焙燒電極時實際負荷的高低,二次電流越大則燒結越快。

(5)爐內料面溫度和電極溫度的高低,料面溫度越高則燒結越快。

(6)電極位置的高低,電極位置越高則燒結越快。

(7)電極糊的質量,揮發分高,燒結慢;軟化點高,燒結慢。

(8)糊柱高度,糊柱越高則燒結越慢。

自焙電極的消耗是指生產單位電石所消耗的電極糊質量,降低電極糊的消耗是電極糊生產者和電石工作者不斷追求的目標,電極消耗不僅要從電極糊質量上抓,更要提高電石爐的設備管理和電石工作者的操作水平。

影響電極消耗速度的因素有以下幾方面:

(1)電極糊的質量。電極糊質量要求是焙燒性能要好,不軟斷、硬斷,有良好的導熱性;焙燒后的電極要有足夠的強度,優良的抗熱震性、抗電沖擊性,氣孔率低,電阻率低,抗氧化性好。這樣的自焙電極在相同的電石爐下消耗量低。

(2)電爐使用的原料及產品質量。炭素材料粒度越小,電阻越大;電極插入爐料越深,爐溫高,反應快,生產效果好,電極氧化得越慢,電極糊消耗的越慢;炭素材料含碳量越高,爐料配比越高,電極炭參加反應得越少,電極糊消耗得越慢;如果生石灰、過燒石灰多,配比低,電極炭參與反應多,電極消耗就快;石灰粒度越大,電極消耗越慢;生產電石的發氣量越高,電極消耗越慢。

(3)電流、電壓等工藝因素的調節。低電壓、高電流運作,電極糊消耗慢;電極的功率因數小,電極糊消耗慢。

(4)電極操作管理水平。操作中經常添加副石灰時,電極糊的消耗會加快;電極經常發生硬斷、軟斷事故會增加電極糊的消耗;電極糊的高度高低會影響電極糊的消耗量,電極糊的高度太低會造成電極燒結密度的減小,從而使電極糊消耗加快;操作中經常明弧干燒會增加電極糊的消耗;如果電極糊管理不當,灰塵落到電極糊上,導致灰分的增加,也會使電極的消耗增加。

電極越長消耗越慢,電極越短消耗就越快,保持電極工作端的長度,就會使電極的消耗進入良好的循環,電極工作端短就打破了這個良性的循環,消耗越快,電極壓放越多,時間一長,那么就使電極的燒結段下移,容易出現電極下滑、抽芯、漏糊、軟斷等現象。生產實踐經驗證明,生產效果越不好,負荷低,產量低,則電極糊的消耗量越多,生產效果越好,電極糊的消耗量越少。因此,加強電石操作者的技術水平和電極糊的使用管理是減少電極事故和減少電極糊消耗的根本措施,也是電石操作者工作中必須掌握的基本技能。

第六章自焙電極的管理

除電極糊本身的指標和質量問題會產生各種電石爐電極事故外,管理、控制和操作好電爐的電極也很至關重要,電極糊燒結質量的好壞、各種電極事故直接與電極的管理、控制和操作有關。要減少電極事故,就必須熟知影響電極燒結和消耗速度的各種因素;必須準確的掌握電極電極工作長度和入爐深度;必須科學操作三相電極,使電極燒結和電極消耗達到相對穩定;合理的控制好電極的工作端長度和入爐深度,使電極有序均勻的壓放和燒結,減少電極事故是每一個電石爐和電極糊操作管理和生產管理者們堅持不懈努力的方向!電石爐電極的操作管理包括電極糊的使用;電極殼的制作和對接;電極糊柱的控制和電極糊添加;電極壓放量和消耗量的控制;停爐時自焙電極的維護保養。

1.電極糊的使用管理

(1)電極糊按批次分別堆放整齊,堆放場地必須是干凈的水泥地面,嚴禁外界的泥土和雜質混入,用篷布遮蓋,嚴禁露天堆放,定期用清水沖洗表面浮塵和污漬。

(2)電極糊使用前必須檢驗化驗單中的各項質量指標是否合格,針對指標(主要看揮發分和灰分的指標)來調整電極的壓放管理。

(3)電極糊裝入電極筒前必須檢查其粒度的大小,防止粒度過大或過小,粒度過大容易架空,粒度過小容易蓬料,架空和蓬料都容易造成電極事故。

(4)落實電極糊的使用制度,嚴格按照安全操作規程進行裝電極糊的操作。

2.電極筒的制作和對接

(1)電極筒的材料用Q235的冷軋鋼板嚴格按制作工藝圖紙尺寸制作,弧板和筋板分別用2mm、3mm厚的Q235的冷軋鋼板在專門的制作車間精制而成,采用Ф18的普通圓鋼作加強筋。

(2)電極筒筋板焊縫和電極筒的對接焊縫一定要焊透,不能有砂眼氣孔,確保焊接強度,電焊的焊縫要打磨光滑,不能有凹凸不平,尤其是接觸元件的接觸面部分。

(3)電極殼筋片在電極殼內一定均勻分布電極殼的圓周,且垂直于電極殼的內壁,電極殼的筋片數和筋片的寬度與電極直徑大小有關,但在爐子生產過程中可根據電極的焙燒快慢,調整增加或減少1~2片的筋片,焙燒快可減少筋片,若焙燒慢可增加筋片。

(4)裝焊前電極筒必須是合格的電極筒,電極殼的對接、焊接及打磨要有專門的檢驗員進行質量檢查,發現問題及時通知有關人員進行處理。

3.電極糊的添加和電極糊柱的控制

電極糊柱的高度是指電極導電夾子上端到電極糊頂端的高度。糊柱的高度和爐子容量、電極直徑的大小運行負荷高低有關,爐子大直徑大糊柱就高,爐子小直徑小糊柱就低,運行負荷高糊柱就高,負荷低糊柱就低,一般應控制在3.5~5m之間。如果電極糊過高,電極糊中粗細顆粒易出現分層現象,或者由于糊柱壓力太大而脹壞電極筒,如果糊柱太低,則由于糊柱壓力太小,填充性差,難以獲得致密的電極,抗氧化性差,電極糊消耗過快。合理的電極糊柱高度,有利于提高電極焙燒質量,減少消耗。

(1)從采購、運輸、裝卸、保管和加糊各個環節保持電極糊干凈、清潔,杜絕雜物和粉塵的污染,將電極糊破碎一定粒度,防止粒度過大而懸糊,加完糊后,蓋好電極筒蓋防止灰塵、雜物落入電極筒。

(2)確保電極糊柱高度控制在工藝要求范圍內,規定每天由專門操作人員跟班對電極糊進行添加和對糊柱高度進行測試,每天3次,少加勤加,確保電極糊高度的穩定,并且每天對每相電極的用糊量做好原始記錄,發現異常需查明原因并進行相應的處理。

(3)新開爐或長時間停爐后重新開爐時因爐溫低、電流、負荷上升慢,最初糊柱應控制低點,勤測勤加(每2小時測一次),隨爐溫、電流、負荷的逐步上升而提高到正常糊柱高度。

(4)電極過燒時糊柱可適當增加500~600mm,減慢電極燒結;電極欠燒時糊柱可適當降低500~600mm,加快電極燒結;夏季比冬季糊柱提高500~600mm,減緩因氣溫對燒結的影響;發生電極事故,重新焙燒電極時,可適當降低糊柱。

4.電極壓放量和消耗量的控制

電石爐正常生產時,電極的燒結速度和消耗速度達到動態平衡,科學合理的控制好電極壓放量和消耗量的關系,是從根本上消除各種電極事故,提高電爐效率,降低各種消耗,提高經濟效益的關鍵。

(1)堅持每天測電極時,注意觀察三相電極的焙燒情況,正常情況下,底環下部300毫米左右,電極筒弧板及筋板應該是完好的,電極呈灰白或暗而不紅的顏色;若電極底環下電極筒弧板及筋板燒損嚴重,且電極呈亮白或紅色,則說明電極有過燒現象;若電極表面電極筒完好,電極發黑發暗,底環根部有黑煙昌出,則說明電極焙燒不足,電極偏軟。通過觀察上述現象,制定合理的電極壓放時間間隔及電流控制,杜絕電極事故的發生。

(2)正常運行時電極電流控制在工藝要求范圍內,保證電極的長度,電爐滿負荷生產時,電極深入料層的長度一般是電極直徑的0.9~1.1倍,根據爐況制定合理的壓放周期;從源頭抓好原料入廠質量關,保證入爐原料各項指標滿足工藝要求;炭素材料的烘干也必須滿足工藝要求,原料的篩分必須做到將粉末篩凈。

(3)電極壓放應定期進行(約20毫米以下補償消耗),電極的壓放時間間隔要均勻,在短時期內應避免壓放過多,因為這樣會干擾建立的溫度區,并可能引起電極事故,如果需要做大的壓放,則應減少電極電流,重新建立起溫度區后,再逐漸增大電極電流。

(4)某相電極過短時,應該縮短每次壓放電極的時間間隔;適當增大該相電極的電流,提高燒結速度;配料時適當增加該相電極的還原劑用量;如電極過短,需采用下放電極,進行焙燒電極的操作。

(5)某相電極過長時,應該延長該相電極的壓放時間間隔;在電極入爐深度滿足工藝要求的前提下,提升電極,降低該相電極的操作電流,加大該相電極的作功及消耗;根據爐況,適當降低該相電極爐料還原劑的配比;加大該相電極所對應出爐口的出爐次數;加大該相電極的冷卻。

(6)杜絕在燒結段下移后壓放操作;杜絕干燒或開弧的情況下壓放電極;杜絕缺料或在即將塌料時壓放電極;電極壓放時要有人到現場壓放處檢查三相電極壓放是否正常,壓放量是否滿足要求,若出現電極壓放量不足或電極下滑,必須查明原因并進行處理。

5.停爐時自焙電極的維護保養

自焙電極在高溫時的強度是常溫下的一倍,停爐會導致自焙電極降溫,因熱應力導致焙燒好電極的強度損失是無法彌補的,而且破壞了焙燒區間的溫度梯度,使重新開爐時焙燒難度急劇增大,所以,停爐時自焙電極的維護和重新開爐時的正確操作非常重要。一般情況下,停爐盡量避免超過3小時,經驗表明,這一原則是防止電極硬斷的最有效保障措施。

(1)停爐不超過3h時,負載斷開前唯一必要的保護措施,是保證電極把持器位置比下限位置高不到500毫米;負載斷開后,電極應立即向下壓放250~500毫米;再啟動時按規定的要求提升負荷。

(2)停爐3~8h時,負載斷開前兩班應減少電極壓放(約正常壓放量的30%),目的是為了減少電極長度和在負載斷開時使把持器位置下降到最低位置;負載斷開后,應立即將電極下壓到最低位置,而后壓放200~250毫米;再啟動時按規定的要求提升負荷。

(3)停爐8~168h時,停爐前必須把電石出凈,停爐前2~3班壓放,應減少到足以使電極把持器位置在負載斷開前達到最低位置;停爐前5小時應該將功率降到全負載的50%左右。負載的減少應借助于降檔位,無需太多移動電極;壓放電極100~200mm(根據停爐時間來確定壓放多少),把三相電極插到最低位置,用爐料將電極埋好,防止氧化;每2小時活動一次電極,先降后升,活動幅度在20mm,防止電極粘死;停電72小時后可以關停循環水,消除導電夾上、下電極的溫差,防止送電后產生電極事故;再啟動時按規定的要求提升負荷。

(4)停爐168h以上時,停爐前盡量降低料面,把爐內電石出干凈;停爐后將三相電極拔出料面,自然均勻冷卻降溫,停爐72小時后可停循環水;再啟動時按規定的要求提升負荷。

(5)電極斷裂后的再開爐時,剩下的兩根電極必須壓放到把持器位置的最低處(通常不到750毫米),如果達到把持器位置的最低位置,電極還得壓放200~250毫米;電極斷裂部分應該下壓或用炸藥爆破,清除爐料內的電極碎塊后,應盡快啟動爐子;斷裂電極必須稍微下滑,但下滑長度不應大于為獲得電極與爐料之間正確接觸所需要的長度,應增加壓放速度來代替可能的壓放;再啟動時按規定的要求提升負荷。

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2012-5-22


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