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两种石墨化炉型的比较 林 浩 太原市晋利坚炭素电子有限公司 王树文 长治县山河巨能有限公司 前言 艾奇逊石墨化炉生产历史的长短不再论了，串接石墨化炉技术引进国内的时间也已经有将近30年了，我们无法说哪种炉型是最好的，只能说哪种炉型更对应哪些产品，它的优势能更好的发挥出来。而在几十年的生产实践中，哪种炉型的优势可能大家论述的够多了，今天我们想讨论一下哪种炉型更有哪些缺点，为我们在加工产品或先期投资时更好的选择炉型更为方便一些。 石墨化炉发展小历史 串接石墨化（Lengthwise graphstzarion）在国内又称为内热串接石墨化，内热石墨化，也有从英文直译为纵向石墨化的。这一石墨化方法是美国人卡斯特纳（H.Y.Castmer）发明的，并于1896年取得了专利权。十分巧合的是，同是美国人的艾奇逊（E.G.Achqson）在同一年也取得了他的后来被称为艾奇逊石墨化方法的专利权,在此后的半个世纪里，艾奇逊石墨化炉得到了长足的发展，而卡斯特纳的串接石墨化炉虽然在1896-1878年间相继有很多关于串接炉的文献和专利发表和公开，但在工业化方面却一直停顿不前。直到二十世七十年代末期，这一方法才逐渐为炭素业内的人士所重视，我国对串接石墨化炉的引进也到了九十年代了。如今，串接炉的使用上也积累了一定的经验，可以说串接炉有哪些缺陷也有所知晓了。 一、艾奇逊石墨化工艺的缺陷性 艾奇逊石墨化炉从整体上看是外热式的，即由被石墨化的电极坯料和电阻料构成的炉芯作为一个发热体，电流通过炉芯时，产生焦耳热，使整个炉芯逐渐加热到2500-3000℃，达到电极坯料被石墨化的目地。但是从炉芯内部来看， 1、 加热温度不均匀造成的石墨电极品质不良的问题。 石墨化炉加热温度分布的不均匀，使得石墨电极不同部位的物理-力学性质，如电阻率、热膨胀系数、热导率、强度、杨氏模量等产生差别。这种外部加热的不均匀性使石墨电极在使用过程中内部温度分布不均匀，产生较大的热应力，使电极容易断裂，炸裂、掉块等问题。在小直径电极用于普通功率电极炼钢时，这一问题表现得不明显，而在大直径石墨电极应用于超高功率炼钢电炉时，这一问题就凸显了出来。 2、 电极轴向温度分布不均匀问题 在艾奇逊石墨化炉内，无论电极坯料是立装还是卧装，在沿电极坯料轴向的电阻料填充的不均匀性，会造成沿坯料轴向的温度分布不均匀。这种温度的不均匀性是随机的，是很难用装炉操作消除的。另外，在整个炉芯截面上，由于四周向外散热会造成炉芯截面中心区温度高，而周边温度底。这样的温度分布使得石墨电极坯料处于炉芯中心的部位石墨化程度高，而处于周边部位的石墨化程度底。结果会造成坯料两端石墨化程度低于中段。这是一种轴向的不均匀性，这种不均匀性是系统性的。 3、 电极周向的不均匀性问题 电极坯料大都是园截面的。这使得在电流方向上电阻料的厚度不均匀（图1-A）从而造成不同部位的电阻大小不同，在A部位，电阻料厚度大，而电 如果这一现象在小直径石墨电极中尚不明显的话，哪么随着电极直径的增大，这一现象越来越明显，其在A、B部位的电阻率有时抽检差会达到30%以上，结果使在艾奇逊炉内石墨化的大直径电极产生极大的不均匀性，导致 虽然我们可以在装炉时增加各排电极坯料之间的距离以减轻这一现象，但这将会影响装炉量而减少产能。同时，由于电阻料的增加而使大量电能用在了加热电阻料上。使艾奇逊炉的热效率进一步降低。 从以上分析可以看出，艾奇逊石墨化炉已经不适合大直径电极的石墨化了。 二、串接石墨化生产工艺的特点 1、串接石墨化炉可得到品质较均匀的石墨电极。 串接炉中电极是一根根，头顶头地串接在一起，沿电流的方向排列，且没有电阻料。电流直接从电极坯料中通过，在其中产生焦耳热，是一个内热过程，坯料受热较为均匀。虽然坯料本身也并非是均质的，其各部位的电阻率也存在差别。但是，一方面这种不均匀性的部位差别较小，而且局部之间的热传导会使这一差异趋于减小，从而缩小了这一现象的扩大化。通过前部工序—混捏、成型、焙烧等工序的均质化措施，也可最大限度地减少这一不均质现象。与此不同的是，在艾奇逊炉中，即使均质化程度很高的坯料，也消除不了石墨电极在加热过程中的非均质性。这是因为艾奇逊炉中造成非均质现象的主要原因是外在的，并非在坯料自身。 当然，串接石墨化炉中，电极坯料头顶头地直接接触，尽量端头经过加工平整，并在接触部位采用石墨垫等接触材料，且对坯料构成的串接柱施加一定压 但是这种电极坯料接触部位温度过高的现象会使串接石墨化炉中坯料两端出现裂纹，严重时，电极端部裂纹的发展会造成坯料的通体裂纹。这是串接石墨化炉出现裂纹废品的主要原因，乃至唯一的原因。 在高功率、超高功率电极炼钢方法出现以后，对低电阻率，高抗热震性的均质石墨电极的需求日益迫切。这也急切地呼唤串接石墨化方法的发展。一些工业化国家如美国、日本、法国等从上世纪70年代开始，即对串接石墨化进行了大量的研究工作，使得这一方法在70年代末以后得到了大力的发展。 2、800以上石墨电极的发展为串接炉提供了可靠的市场 工业硅生产催生了大电极的应用，近年以来随着光伏工业的发展，冶炼工业硅生产所需的大电极从800mm到960mm直到现在实际应用的1272/1320mm电极的应用导致了艾奇逊石墨化炉生产大电极的不可行性。所以说，烧制大电极更有可能的是使用串接炉。至于串接炉生产工艺上的装出炉方便等优势这里也不再一一列举了。 三、串接石墨化炉生产工艺缺陷 实际上，百年来串接石墨化没有得到长足的发展，应该说有技术发展的原因，也有应用需求的问题。以下几点来说明串接炉生产的局限问题。 小直径电极不适合串接炉生产，为什么这样说呢？实际上是一个电极散热的问题，我们可以取几个同等截面和电极进行一下比较一下，便可以看出来当同截面积（以Φ960mm长度2000米的同截面积进行比较）进行比较时同截面积电极，表面积可是相差几倍哦。 以960电极作为比较单位进行同截面积不同表面积的相差进行比较表1
从上表可以看出，当同截面积时，电极根数最大差了92支，而表面积相差了9.59倍。所以说，散热面积的不同会导致用电量的差别。这也是串接炉不适用于小电极加工的一种原因吧。 第二个原因是串接炉装炉时需要对所加工电极进行端面平整，如果对小电极进行平整端面工作，则对于加工电极的装炉前的准备工作增加了工作量，这和艾奇逊炉装炉前的准备工作形成工作量大小的区别，所以说，这也是小电极不适用于串接炉的另一种原因吧。当然了，多支小电极进行同时顶紧时，受力的均匀性也会受到影响的。 第三个“潜在的”原因是供电基本电费影响了串接炉的发展，在这里我们不想对这个问题进行展开讨论，仅想通过几个数据来说明一下。 在超高功率电极进行加工时，我们需要通电电极的电流密度高达35Ａ/cm2,这时需要选择大功率变压器来送电，而加工焙品电极的直径却不能太大，这里便出现一下问题，是否石墨化工序还能赚钱呢？利益自然不会向串接炉倾斜哦。原因在哪里呢，是基本电费在作祟哦。（这里再注明一点，在国外用电单位是没有基本电费的） 第四个原因是串接炉平端面对于电极的损耗，损耗这部分以普通功率进行计算损耗，如果以1%计算 电极焙品价格5000元/吨 则加工100吨电极我们会产生5000元的损失 而我们需要加工的针状焦为原材料的超高功率电极时，焙品价格会按1万元来计算，可以说损耗会增加2倍，所以说从经济上来计算也是企业要考虑的主要因素哦。 从另一个角度上来说800以上的焙品电极加工却更适合于串接炉的加工形式。简单的讲如果一定要用艾奇逊石墨化炉来加工大电极，变压器的功率至少要到30MVA以上，这也加大了石墨化炉的基本建设投资，也是不经济的项目了。 说到这里看官会问，你讲了半天，倒底是哪种炉型更好呢？我来回答说，只能说哪一种产品更适应哪一种炉型来加工，不能简单的理解为哪一种炉型为最好。 近年来国内电极加工炉型用途基本分类表2
国内石墨化炉的生产实践中，艾奇逊炉，串接炉是否加工哪一种产品，这确实是要根据企业身的优势而定，今天我们在这里仅仅给出一个大概的介绍，企业是否使用哪一种炉型还望见仁见智的朋友自已决定了。 结论：本文从两种炉型的缺陷上讨论了究竟是哪一种炉型好的问题，过去我们总是想哪一种炉型有几多优点，今天我们从它的缺点出发来看一下哪种炉型好，这也为我们的思维开通了另一个通道。其实视角的不同会得出不同的结论，这也是我们在实践中经常遇到的问题，究竟是哪一种炉型好呢？看官你明白了吗？ 非常感谢流览本文朋友。 作者简介：林浩-少时未读，国学开禁后，毕业于武汉钢铁学院炭素材料专业，高经工程师，太原市晋利坚炭素电子有限公司总经理。电话：13903515079 作者简介：王树文-长治县山河巨能有限责任公司总经理，工学经济师。 电话：13903515079 |
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