毕业设计——高功率石墨化设备的研究

1、沈阳理工大学学士学位论文 摘 要为提高材料的导热导电性、热稳定性耐滑性耐磨性等，将碳石墨材料经过高温热处理变为石墨化制品。焙烧品经石墨化后，电阻率降低，约为原来的1/31/4；真密度约提高10%；导热性提高10倍左右；线膨胀系数降低约1/2；氧化开始温度也有所提高；杂质汽化逸出、灰分降低；机械强度有所降低。目前国内广泛应用的石墨化设备主要有两种，一种是艾奇逊炉；另一种是内串石墨化炉。两种炉型都有各自的优缺点。艾奇逊炉设备结构简单，操作方便，坚固耐用, 容易维修, 但有通电周期长，热效率也很低，制品的石墨化电耗高等缺点。相对于艾奇逊炉，内串石墨化炉具有加热温升快、电耗低制品石墨化程度均匀、不用电

2、阻料，生产成本低等优点。所以本次设计中，具体介绍了石墨化的目的、作用、机理等，并且对几种炉型进行了分析，最后根据年产2万吨的年产量，选定内串石墨化炉为主要设备，并对炉体尺寸进行了计算，且对配套设备铜排铝排以及变压器进行了选型，最后得出结论。关键词：石墨化；艾奇逊；内串；IIAbstractIn order to improve the thermal conductivity, thermal stability and wear resistance of the materials, carbon graphite material is changed into graphite pro

3、ducts by high temperature heat treatment.After baking goods are graphitised and decrease of resistivity, is about the original 1 / 3 to 1 / 4; true density increased about 10%; thermal conductivity increased by ten times or so; linear expansion coefficient decreased by approximately 1 / 2; oxidation

4、 onset temperature also increased; impurity vaporization escaping, low ash content; mechanical strength decreased.At present, there are two main types of the graphite equipment, one is Acheson furnace, the other is the LWG.Acheson furnace device structure is simple, operation is convenient and durab

5、le, easy maintenance, but power cycle is long, the thermal efficiency is very low, product graphitization power consumption disadvantages.With respect to the Acheson furnace, on graphitization furnace with heating temperature rises fast, uniform power consumption products low graphitization degree,

6、no resistance materials, low production cost and other advantages. So in the design, concretely introduces the graphitization of the purpose, function, mechanism, and has carried on the analysis to the several types of furnace, finally according to an annual output of 20 thousand tons of annual outp

7、ut, within the selected on graphitization furnace is the main equipment and to the furnace body size were calculated, and to form a complete set of equipment of copper aluminum row and transformer selection, finally draws the conclusion. Key word: Graphitization;Ahs;LWG 目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题背景1

8、1.2石墨电极简介11.3国内外石墨行业发展现状21.3.1国内发展现状21.4.2国外发展现状21.5石墨电极生产工艺流程简介32石墨化原理及设备72.1石墨化的目的与作用72.2石墨化方法82.3石墨化过程与石墨化程度82.4石墨化机理92.4.1碳化物转化机理92.4.2再结晶理论92.4.3微晶成长理论93石墨化设计113.1设计任务113.2炉型介绍113.2.1石墨化炉的加热原理113.2.2石墨化炉的分类124参数计算184.1炉体尺寸计算184.2炉体设计194.2.1保温料的用途及选择 194.2.2装保温料尺寸204.2石墨化炉的供电装置的选择204.2.1最大电流的计算2

9、04.2.2最大电压的计算214.3铜铝排的选择224.3.1铜铝排规格的计算234.4辅助设备设计选型234.4.1吸料天车的设计选型234.4.2行车的设计选型244.4.3平头锯的设计选型24结论26致谢27参考文献28附录A：英文原文29附录B：中文翻译34 V1 绪论1.1课题背景当今社会中出现了很多新兴材料，例如有机硅材料、有机氟材料、超导材料纳米材料、储氢合金、炭材料等。而炭材料的用途非常广泛。炭材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。其中石墨电极是钢铁、机械化工、电炉冶炼不可缺少的导电材料，随着科技、国防等简短领域的发展，石墨材料的应用

10、越来越广泛。石墨材料有很多优点，例如：石墨材料加工速度快，不易变形，升华温度高；重量轻，易研磨及抛光；材料成本低，价格稳定；放电消耗小等。石墨电极也渐渐出现在了人们的眼中。碳素行业已经不是一个新兴的行业，其产品主要包括石墨电极、碳砖、炭糊、碳纤维等，其中石墨电极的产量占炭素产业年产量的大部分。石墨电极是钢铁生产所需的重要耗材之一，近年来在钢铁行业的快速发展带动下，我国以石墨电极为主的碳素制品产能产量不断增长。石墨电极具有良好的导热、导电性能。它具有在高温下不熔化、机械强度高， 耐抗热、震性能好且灰分含量低，抗氧化耐腐蚀性能良好等特点，故石墨电极已成为发展电冶炼工业中不可缺少的导电材料。1.2石

11、墨电极简介石墨电极，主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。 （1）普通功率石墨电极 允许使用电流密度低于 17A/的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。（2）高功率石墨电极允许使用电流密度为1825A/的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。（3）超高功率石墨电极允许使用电流密度大于 25A/的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。 1.3国内外石墨行业发展现状 1.3.1国内发展现状 我国炭素工业起步比较晚

12、。解放初期由于电炉炼钢的需要，炭素行业处于低水平、粗放型生产经营状态，是国家钢铁建设的需求促生了炭素行业的雏形。 20世纪80年代，我国进入改革开放，冶金工业快速发展，炭素材料的市场需求迅猛增长，产品品种增加，产量增大，市场需求异常旺盛，这个时期可以称作是发展期。在20世纪80年代炭素材料丰厚的利润驱动下，炭素制品生产能力过快增长。企业装备水平低，产品质量档次低。引进的国外设备由于原料与工艺不配套、设备与设备不配套、工艺与设备不配套等诸多因素的影响，形成了低端产品供过于求，高端产品依赖进口的被动局面。这一个时期可以称为炭素材料的增长期。 在上世纪末至本世纪初，炭素行业由于结构失衡，出现行业性大

13、面积亏损。主要表现特征：低档产品严重供过于求，高档产品缺少技术支持；原料供应短缺，价格不断高涨；产品价格持续低迷；产品市场价格与成本价格严重背离。各种不确定因素使企业生产经营举步维艰，我国炭素行业正处于这样一种无序竞争期。 炭素行业利用改制改组之机，产业结构调整、产业技术升级的时期已经到来。整合重组可以是多种形式的。通过整合重组，实现资源、能源、技术、设备、管理、人才的优化组合，优势互补。从炭素产业的原料供应、能源供给、设备人才配置、产品结构优化、市场划分、营销渠道的整合等环节建立快捷、高效、低成本的生产经营流程，打造良好的产业价值链，进入可持续发展期。1.4.2国外发展现状 石墨材料作为战略

14、性主导材料受到各国政府的高度关注。美、德、英、法日等国家因本国石墨资源匮乏，天然石墨原料供应一方面是依靠进口，另一方面投资开发资源国的石墨资源。在石墨材料的应用领域，主要发达国家的发展方向集中在石墨深加工领域的耐火材料、石墨烯、超硬材料和高纯柔性材料等方面。2009年，德国重点发展锂离子电池用石墨阳极材料等；2011年，欧盟重点发展基于纳米硅离子，激光反应沉积，纳米技术，石墨、石墨烯等关键材料的应用；2012年，欧盟将石墨材料作为关键原料被列入其中，考虑中国的因素重新定位稀土和石墨材料；2013年，英国将石墨烯作为战略主导领域和重点发展方向，通过建立石墨烯产业联盟，进一步推进先进材料发展。1.

15、5石墨电极生产工艺流程简介 石油焦 煅 烧粉粒制备粘结剂（破碎、筛分、磨粉）配 料混合及混捏浸渍剂成 型浸渍（挤 压）焙 烧石墨化成品 机加工超高功率石墨电极的制作工艺分为：煅烧，中碎（配料），成型，浸渍，焙烧，石墨化，机加工七个步骤。现分别作介绍：（1）煅烧石油焦原料在高温下进行热处理，排出所含的水分和挥发份，并相应提高原料理化性能的生产工序称为煅烧。最高温度可达1250- 1350。 煅烧使炭质原料的组织结构和物理化学性能发生深刻变化，主要体现在提高了焦炭的密度、机械强度和导电性，提高了焦炭的化学稳定性和抗氧化性能，为后序工序奠定了基础。（2）中碎（配料）在配料之前，须对大块煅后石油焦和针

16、状焦进行中碎、磨粉、筛分处理。中碎通常是将50mm左右的物料通过颚式破碎机、锤式破碎机、对辊破碎机等破碎设备进一步破碎到配料所需的0.5-20mm的粒度料；磨粉是通过悬棍式环辊磨粉机（雷蒙磨）、球磨机等设备将炭质原料磨细到0.15mm或0.075mm粒径以下的粉末状小颗粒的过程；筛分是通过具有均匀开孔的一系列筛子，将破碎后尺寸范围较宽的物料分成尺寸范围较窄的几种颗粒粒级的过程，现行电极生产通常需要4-5个颗粒料粒级和1-2个粉料粒级。最终的配料是按配方要求，对各种粒度的骨料和粉料、粘 结剂分别计算、称量和聚焦的生产过程。配方的科学性适宜性和配料操作的稳定性是影响产品质量指标和使用性能的最重要因

17、素之一。 配方需确定5方面内容： 选择原料的种类； 确定不同种类原料的比例；确定固体原料粒度组成； 确定粘结剂的用量；配料完成后进行混捏。在一定温度下将定量的各种粒度炭质颗粒料和粉料与定量的粘结剂搅拌混合均匀，捏合成可塑性糊料的工艺过程称为混捏。 混捏的过程可分为：干混（20-35 min）湿混（40-55 min），其作用为干混时使各种原料混合均匀，同时使不同粒度大小的固体炭质物料均匀地混合和填充，提高混合料的密实度； 加入煤沥青后使干料和沥青混合均匀，液态沥青均匀涂布和浸润颗粒表面，形成一层沥青粘结层，把所有物料互相粘结在一起，进而形成均质的可塑性糊料，有利于成型；部分煤沥青浸透到炭质物料

18、内部空隙，进一步提高了糊料的密度和粘结性。 （3）成型 炭材料的成型是指混捏好的炭质糊料在成型设备施加的外部作用力下产生塑性变形，最终形成具有一定形状、尺寸、密度和强度的生坯（或称生制品）的工艺过程。（4） 浸渍 炭石墨材料是多孔性材料，一般的气孔率在15%20%左右，因此，在炭素生产中，为了提高制品的体积密度、不透性、润滑性、强度及其他特殊性能，要求对制品在焙烧或石墨化及机械加工后，采取浸渍工艺措施。用于浸渍的物质，就称为浸渍剂。常用的浸渍剂有：煤焦油、蒽油、煤沥青、人造树脂、金属或合金。油脂类及无机化合物。（5）焙烧 炭制品生坯在填充料保护下、装入专门设计的加热炉内进行高温热处理, 使物料

19、生坯中的煤沥青炭化的工艺过程。炭化后的煤沥青形成的是沥青焦将炭质骨料和粉料颗粒固结在一起, 焙烧后的炭制品具有较高的刚度和强度、较低的电阻率、较好的热稳定性以及化学稳定性。 焙烧是炭素制品生产的主要工序之一, 也是石墨电极生产三大热处理过程中的重要一环。焙烧生产周期较长, 而且能耗较高。生坯焙烧的质量对成品质量和生产成本都有一定影响。 二次焙烧是焙烧品浸渍后进行再次焙烧，使浸入焙烧品孔隙中的沥青炭化的工艺过程。生产体积密度要求较高的电极（除RP以外的所有品种）和接头坯料需进行二焙，接头坯料还需进行三浸四焙或二浸三焙。 焙烧炉主要炉型： 连续作业-环式炉（带盖、不带盖）、隧道窑 间歇作业-倒焰窑

20、、车底式焙烧炉、箱式焙烧炉（6）石墨化炭石墨材料与制品的生产工艺的特点是多工序，而其中最复杂、最关键的工序是石墨化。所谓石墨化，是把焙烧品置于高温炉内，在保护介质中加热到23002500以上，使六角碳原子平面网格从二维空间的无序排列（乱层结构，或称即无定形炭），转变为三维空间的有序排列的石墨结构的高温热处理过程。焙烧毛坯石墨化是石墨电极生产过程中的关键工序, 石墨电极的理化性能很大程度上是由石墨化的温度决定的, 石墨化温度应在2500 以上。目前石墨电极生产使用的石墨化炉都是电热炉, 即用大量的电能将制品加热到石墨化所需的高温, 生产1t 石墨电极约耗电6000kW .h 。在石墨电极生产中,

21、 大约80 %的电消耗在石墨化过程中。因此, 石墨化生产工艺及石墨化炉应在不影响产品质量的前提下,最大限度地减少电能消耗。 石墨化的方法按加热方式可分为直接法和间接法;按石墨化炉和供电装置的相对位置, 可分为移动式和固定式;按运行方式可分为间歇式和连续式;按用电性质可分直流电石墨化和交流电石墨化。所谓直流法, 就是指电流直接通过被石墨化的焙烧品, 制品本身就是导体通过电阻热使制品达到石墨化温度。生产石墨电极所用的石墨化炉主要采用直接法。直接加热式石墨化炉有两种炉型, 一种为有电阻料的称爱奇逊石墨化炉, 另一种为内热式串接石墨化炉(英文简称LWG 炉)。所谓间接法是电源和制品不直接接触, 热能是

22、通过感应或辐射的途径传递, 制品可在炉子中自由移动, 用这种方法的很少, 它只能生产一些较小规格的电炭制品。石墨电极的导电、导热性能远优于炭质电极，石墨电极的抗热震性能和化学稳定性也好于炭质电极，由于石墨化的高温使部分杂质气化逸出，因而石墨电极的灰分很低，石墨电极的硬度较低、易于切削加工。（7）机械加工 炭石墨材料机械加工的目的是依靠切削加工来到达所需要的尺寸、形状、精度等，制成符合使用要求电极本体和接头。 （1） 石墨电极加工分为电极本体和接头两个独立加工过程。（2）加工精度的控制：螺纹锥度偏差、螺纹螺距、接头（孔）大径偏差、接头孔同轴度、接头孔垂直度、电极端面平整度、接头四点偏差等。用专用

23、环规和板规等检查。 （3）成品电极的检查：精度、重量、长度、直径、体积密度、电阻率、预装配合精度等。2石墨化原理及设备2.1石墨化的目的与作用碳石墨材料和制品的生产工艺特点就是多工序，其中最为复杂与关键的工序便是石墨化。所谓的石墨化，是把焙烧品放置于高温炉内，在保护介质中加热到23002500以上，使六角碳原子平面网络从二维空间的无需排列（乱层结构，也称无定型炭），转变为三维空间的有序排列的石墨结构的高温热处理的过程。石墨化的目的与作用有以下几点：1、 提高材料的导热性能和导电性能。2、 提高材料的热稳定性和耐热冲击性以及化学稳定性。3、 提高材料的润滑性和耐磨性能。4、 排除材料中的杂质，提

24、高其纯度。5、 降低材料的硬度，可以方便作机械加工。 表1.1焙烧品与石墨化理化指标对比表（青岛西特碳素有限公司数据）项目焙烧品石墨化品电阻率4060612真密度2.002.052.202.23体积密度1.051.601.501.65抗压强度24.534.315.729.4孔隙率20252530灰分0.50.3热导率3.66.7（175675）74.5(150300)线胀系数）开始氧化温度4505506007002.2石墨化方法1） 按加热方式，可分为直接法和间接法。所谓直接法，通常是指电源与制品直接接触，制品本身就是导电体，通过电阻加热，使制品达到石墨化温度。这种方法又有有电阻料的艾奇逊法和

25、无电阻料的卡斯特纳法（或称内热串接石墨化）。所谓间接法，是电源与制品不直接接触，热能是通过感应或辐射的途径传递，一般说来，制品可以在炉子中移动。例如：连续化石墨化炉。2） 按运行方法可分为间歇式和连续两种，艾奇逊炉和串接式炉都是间歇式石墨化。3） 按电流的整流与否分交流石墨化和直流石墨化。2.3石墨化过程与石墨化程度 石墨化过程是加热热处理过程，在石墨化过程中的各温度阶段，游戏热也有放热过程，可分为以下三个阶段：第一阶段（10001800K）：在此焙烧更高的温度下，制品进一步排出挥发分，所有残留下来的脂肪族链都在这一温度范围内先后断裂；乱层结构层间的碳原子、氢、氧、氮、硫等单体或简单分子（CH

26、、CO、等）也在这时排出，一部分杂乱分散的平面分子结合成大分子，同时也有物理过程。由X射线分析可知，在这一温度范围内，碳原子层面的堆积没有明显的增大，它们的有序排列是在二维平面内进行的，二维平面尺寸不超过8nm，大分子仍是乱层结构的。第二阶段（18002400K）：这一阶段有两种情况，一是随着温度的上升，体系获得更多能量。碳原子热振动频率增加放出潜热。2000K时，体系的熵增量到了最低点，它将延续到2000K以上。另一种与此平行的反应是，在20002400K，有些杂质在更高温度下分解为金属蒸汽和石墨。除此以外，在接近2400K时碳开始蒸发，出现热缺陷，这些都要消耗能量。由于这些过程在20002

27、400K间进行得较多，体系吸收热能，表现为熵变的重新增大。第三阶段（2400K以上）：一般的石油焦和沥青焦等易石墨化炭在2400K温度下，由于上阶段的有序化，引起晶粒的收缩，晶粒间也不能互相靠拢，无法黏结成更大的晶粒，此时晶粒的成长要靠新的机理来实现，即再结晶过程。这种再结晶过程，一方面，是碳平面分子内部或分子间的碳原子移动，另一方面，在2400K以上的高温，碳物质的蒸发率随温度的升高指数式地增大。2.4石墨化机理2.4.1碳化物转化机理 该理论是美国艾奇逊以在合成碳化硅时，发现了结晶粗大的人造石墨为依据而提出来的。他认为炭质材料的石墨化首先是通过与各种矿物质(如SiO2、Fe2O3、Al2O

28、3)。形成碳化物，然后再在高温下分解为金属蒸气和石墨。这些矿物质在石墨化过程中起催化剂的作用。由于石墨化炉的加热是由炉芯逐渐向外扩展，因此，焦炭中所含的矿物质与碳的化合首先在炉中心进行。以生成金刚砂为例，发生如下化学反应：2.4.2再结晶理论 塔曼提出了石墨化的再结晶理论，该理论有下列主要论点：(1)炭素原料中原来就存在着极小的石墨晶体，在石墨化过程中，由于热的作用，这些晶体通过碳原子的位移而“焊接”在一起成为较大的石墨晶体；(2)石墨化时，有新的晶体形成，新晶体是在原晶体的接触界面上吸收外来的碳原子而生成的，这种再结晶生成的新晶体保持了原晶体的定向性；(3)石墨化度与晶体的生长有关，但主要取

29、决于石墨化温度，维持高温时间的影响有限；(4)石墨化的难易与炭质材料的结构性质有关，对于多孔和松散的原料，由于碳原子的热运动受到阻碍，所以就难于石墨化；反之，结构致密的原料，由于碳原子热运动受到的空间阻碍小，所以就易于石墨化；(5)石墨晶体的尺寸随着温度升高而增大，但只是数量上的变化，而无本质上的转变。再结晶理论在一定程度上解释了晶体的成长与石墨化温度的关系，原料性质对石墨化度的影响，比碳化物转化理论有所前进。2.4.3微晶成长理论 德拜和谢乐提出了石墨化的微晶成长理论。该理论认为，石墨化原料的母体物质都是稠环芳烃化合物，这些化合物在热的作用下，经过在不同温度下连续发生的一系列热解反应，最终生

30、成巨大的平面分子的聚集，即杂乱堆砌的六角碳网平面，这就是所谓“微晶”。在石墨化条件下，由于碳原子的相互作用，微晶的碳网平面可做一定角度的扭转而趋向于互相平行。微晶是无定形碳转化为石墨结构的基础。绝大多数无定形碳中都含有微晶，但并不是这些无定形碳都可在一般石墨化条件下转化为石墨。例如，石油焦、无烟煤等由于微晶基本平行定向，所以易于石墨化，称为可石墨化炭(或称易石墨化炭)；糖碳、骨炭或木炭等由于微晶随机取向，杂乱无序，又多微孔，并含大量氧或羟基团，所以难于石墨化，称为难石墨化炭。介于以上两种情况之间的有冶金焦等。 3石墨化设计3.1设计任务 目前国内生产石墨电极多为小规格石墨电极，直径在600mm

31、以上的电极大多靠进口来完成，现设计某厂年产2万吨高功率石墨电极方案，首先选择石墨化炉的种类，其次根据焙烧毛坯的规格计算出石墨化炉的尺寸，然后根据装炉方式及截面积计算出最大电流，输出电压等数值以确定变压器的规格，最后计算出铜铝排的尺寸。3.2炉型介绍3.2.1石墨化炉的加热原理石墨化炉有多种类型。按加热方式分类有直接加热炉和间接加热炉两种。按运行方式分类，又可分为间歇炉和连续炉两类。直接加热炉以受热处理的半成品为发热体；而在间接加热炉中，半成品只是受热体，热量来自于半成品外围的发热体。但是无论哪种石墨化炉，其加热原理都是一样的，都遵循电-热转换的焦耳-楞次定律。 焦耳-楞次定律可表述如下：电流通

32、过导体时所产生的热量与通过电流的平方、导体本身的电阻以及通电时间成正比。其数学表达式为： （3.1）式中 Q热量， J； I电流， A； R电阻， ； T时间， S；石墨化炉在运行中，电流、电阻都是时间的函数，随时间的变化。因此，在0t时间内，导体产生的热量可采用下式计算： （3.2）或 （3.3）式中 0t时间内的平均功率，。3.2.2石墨化炉的分类（1）艾奇逊石墨化炉（见图1） 艾奇逊石墨化炉在石墨化过程中, 电阻料和焙烧品一起加热到石墨化温度。电阻料的电阻很大, 只能采用较小的升温速率, 设备本身消耗的能量相对增大。在加热阶段, 炉芯和保温料之间须保持热平衡, 这样, 进入石墨化炉的能量

33、中有很大一部分通过保温料和炉墙散到炉外白白浪费掉。因此, 实际上仅有大约30 %的能量是用于碳的石墨化过程, 其余能量均未发挥应有作用, 造成电能的消耗过大。艾奇逊石墨化炉的另一缺点是, 石墨化产品的质量不稳定、不均匀, 波动很大。石墨化炉内径向和轴向上温度梯度是造成这一现象的主要原因。随着制品截面积的增大, 这一缺点更加明显爱奇逊石墨化炉炉芯温度的不均匀性、致使整炉电极质量不均匀, 包括每炉之间,同炉内每根电极之间,同根电极内部和外侧、两端头之间质量的不均匀。特别是电极端头石墨化程度差, 使用时接头处断裂、掉块。石墨制品的性能主要取决于石墨化的最高温度, 几乎不受保温时间长短的影响。艾奇逊炉

34、炉的第三个缺点是, 有害气体难以回收, 粉尘大。艾奇逊炉在加热期间, 从炉中挥发的有害气体, 如一氧化硫、二氧化硫, 几乎全部进入大气中。艾奇逊炉的第四个缺点是生产能力低, 每台石墨化炉加热时间为55 60 小时, 冷却时间为5 12 天, 加热和冷却之比约为15 。艾奇逊炉单位面积和单位体积的生产能力就比较低。 石墨化炉是炭素制品生产的关键设备之一，也是耗能最大的设备之一。自从1895年，艾奇逊在美国获得了一个关于生产石墨制品的专利以来，以艾奇逊原则为基础的艾奇逊式电阻炉广泛应用于碳-石墨制品的石墨化生产，虽然这种方法具有设备简单，操作方便的优点，但其通电周期长，热效率也很低，制品的石墨化电

35、耗高，内热串接石墨化炉的许多优点是艾奇逊炉无法比拟的，虽然目前国内也有企业采用内热串接石墨化。但内热串接石墨化炉现在还不能完全取代艾奇逊炉，艾奇逊炉仍然是碳石墨制品生产的主要热工设备之一。这种炉的特点是结构简单, 坚固耐用, 容易维修, 一直是炭素工业中不可缺少的设备。因此，充分发挥艾奇逊炉的潜力，降低其石墨化生产过程中的能源消耗，对于炭素制品生产企业来说，也是降低生产成本，提高经济效益的有效手段之一。 艾奇逊炉采用直接加热间接生产方式，主要由炉体和炉芯两大部分组成。炉体一般包括炉头端墙、导电电极、炉侧墙、炉底槽、槽钢支柱等几个部分。位于炉槽两端的导电端墙，称为炉头端墙。炉头端墙的外墙常用多灰

36、炭块砌筑，也可以用耐火黏土砖，高铝砖等砌筑。内墙用石墨块砌筑。内外墙之间有一定的空间（350550mm），用捣固法密实地填充石墨粉，以达到密封和保温的目的。石墨粉要求粒度在05mm之间，灰分小于1.5%，水分小于0.5%，粉末电阻率不大于。为了加强炉头的保护，使其在热膨胀和机械力的冲击下，不致引起大的变形和损坏，炉头两侧设有拉筋固定的槽钢或角钢支架。 图1 艾奇逊石墨化炉 导电电极贯穿内外墙，与炉头端墙构成一个整体。导电电极的内端是与炉芯连接的接触面，外端与导电铜板连接。导电电极可采用石墨电极或碳电极。石墨电极有很高的导电系数，其允许电流密度可达1012A/，可适应直流石墨化工艺的要求，所以目

37、前多采用石墨电极。导电电极的截面形状有圆形和方形两种。为使组并方便，采用400×400的居多。按GB 307282规定，石墨电极的电阻率应不大于（1011），抗压强度不小于17.65MPa。为了保证将电流均匀地送到炉芯的整个截面上去，一般由多根电极组成电极组，电极组的电极数量和配置形式视石墨化炉的大小而定。石墨化炉的炉温，在运行末期高达2300以上，导电电极的内端就是在这样的高温下工作。而外端暴露在空气中，必须使其保持尽可能低的温度，以防止氧化，并尽可能减小导电电极与导电铜板之间的电压降。因此，导电电极必须进行强制冷却。（2）内热串接石墨化炉（见图2）内热串接石墨化是目前世界上最先进

38、的工业石墨化工艺。“内热”就是不用电阻料，电流直接在电极内部由轴向通过电极，电极本身既是热加工的对象，又是提供热量的发热体。“串接”是把电极沿其轴线头对头地串接起来。图2 内热串接石墨化炉与艾奇逊炉相比，主要优点有：(1)加热温升快，从开始通电至达到石墨化高温只需716小时；(2)电耗低，以同样品种，同一规格制品作比较，每吨石墨化品的耗电量比艾奇逊炉节省30 左右；(3)制品石墨化程度均匀；(4)不用电阻料，降低了生产成本。“串接”就是若干根电极按照一定的排列顺序沿其轴线首尾相连。内热串接石墨化有时也简称为内串石墨化。与强化石墨化相比，内串石墨化不仅通电时间更短，石墨化温度更高，电耗更低，并且

39、电极质量也更均匀。 （1）内串石墨化的原理与特点：内串石墨化与艾奇逊的主要区别是内热，所以带来一系列的特点，主要有加热速度快、产品质量好、散热少，电耗低；串接柱需保持一定压力，使电极之间的接触面保持紧密接触等。1）加热速度。采用内串石墨化方法，可在数小时或十几小时内把制品加热到所需石墨化温度。这是由于制品通过相当高的电流密度被直接加热。试验表明，由于采用内热加热，串接柱中的电流分布均匀。以直径500mm电极为例，电极内最小电流与最大电流之比在通电初期大于0.99，在结束通电之前仍大于0.8。电流分布均匀必然带来温度分布均匀，因此，在电极抗热震性允许的前提下，尽快加热是可行的。2）能量消耗。内串

40、石墨化不用电阻料，工艺用电除了加热制品外，其余部分用于弥补热损失。内串石墨化炉的热损失主要取决于制品的散热性和隔热保温条件，热导率一定时，比侧表面是影响制品散热的主要因素。比侧表面是指单位质量制品所具有的侧表面积。对于圆柱型制品，比侧表面可由下式计算： （3.4）式中 F比侧表面，； D电极直径，m 电极体积密度，当体积密度一定时，比侧表面与电极直径成反比。比侧表面愈大，单位质量的散热面愈大，损失热量愈多。因此，内串石墨化的工艺电耗，大规格制品小于小规格制品。内串石墨化与艾奇逊法相比，能量利用效率提高一倍以上，主要节能因素有：不用电阻料，电损失和散热损失小等。从炭素制品比热容的温度关系可以计算

41、出石墨化的理论消耗约为1600KW·h/t，如内串石墨化炉的能量利用效率达到上限，即50%65%时，工艺用电单耗应为32002500kW·h/t。 （2）电极间的加压接触。内串石墨化时，串接柱应是一个电气性能尽可能均匀的整体，为此，电极端面间要求较低的电阻。采用石墨布或柔性石墨片垫在接触面间，并通过加压装置施以一定压力，使之密实，可以有效地降低这种狭窄点电阻。 表3.1 艾奇逊石墨化炉与内串石墨化炉热平衡的比较对比项目艾奇逊石墨化炉内串石墨化炉电损失，%2418.5炉子表面损失热量，%2215水蒸气带走热量，%2.52.5耐火材料吸收热量，%44保温材料吸收热量，%1211

42、电阻料吸收热量，%12.50热量损失小计，%7751热量利用率，%2349 表3.2 艾奇逊石墨化和内串石墨化工艺的比较技术指标艾奇逊石墨化工艺内串工艺技术关键工艺特点外热、并接内热、串接通电时间，h4560812电耗，kWh/t3800440028003200热损失，通电周期炉芯最高温度，250027002700加热方式炉芯电流密度，1.82.03050电阻料有无电极内温度分布不均匀，升温速度越快越不均匀较均匀，受升温速度影响不大加热方式电极质量难均匀，较差易均匀，较好电极尺寸影响电极越大电极越大，工艺技术指标越好加热方式余热回收回收困难回收容易炉型，结构连续化难易困难容易工作环境易污染能避

43、免污染炉型，结构发展余地已接近极限，进一步发展困难较大已取得进展，有很大前途（3）连续石墨化 传统的艾奇逊炉或是新型内串石墨化炉，一般都采用间歇法生产，其共同特点是制品装炉后位置不移动，而炉温随着送电功率的变化而变化，因此，达到石墨化终温后炉体（包括炉芯）所积蓄的大量显热不能利用。此外，装炉、降温、出炉期间石墨化炉不能通电进行有效生产，设备利用率低。若采用连续石墨化，可以克服上述不足。连续石墨化保持了串接石墨化电耗低的优点，按相同直径电极相比，其石墨化周期缩短约70%，大大提高了生产效率，各工艺操作环节均可定点进行，便于实现机械化和自动控制，也有利于改善环境。若能将这类工艺与设备用于大规格、高

44、品位电极的石墨化，将是一种有发展前途的选择。但在实现工业化时，尚有一些技术问题需解决。表3.3 交、直流石墨化炉指标比较技术指标直流炉交流炉效果通电时间3675缩短52%电耗40005750节电29%功率因数9172显著提高优级品率9996提高3%电阻率7.48.95降低17%从产品规格来选择（1）石墨化时宜选艾奇逊炉：400 mm 规格以下石墨电极制品、电弧炉炼钢时在冶炼炉上使用的450500 mm 超高功率石墨电极制品。（2）石墨化时须选内串炉：大于550 mm 规格超高功率石墨电极制品、电弧炉炼钢时在冶炼炉上使用的450500 mm 石墨电极制品，且在抗热应力、增碳控制含量以及消耗等方面

45、有特殊要求的较大规格和型号产品。（3）长度大于2.4 m 的产品宜选内串炉。艾奇逊炉若选择长度大于2.4 m 的产品， 立装时产品的电阻料装填不易上下均匀和填实，加上高峰期送电时间较长，极易产生横裂和电弧废产品。从制品所用原料及理化指标要求上来选择（1）使用油系针状焦生产大规格（大于600mm）超高功率石墨电极应选择内串炉； 使用煤系针状焦生产的中小规格（小于550 mm）超高功率石墨电极可以选择艾奇逊炉。（2）对石墨电极的均质性有实际要求，电阻率须控制在±0.25 ·m 范围， 承受电流密度大于25A/cm2 的产品宜选内串炉。否则，其他产品可以选择艾奇逊炉。根据对比以上

46、三种炉型，可得知连续石墨化炉虽然周期短，效率高，但是技术不完善，要实现工业化还比较困难。而艾奇逊与内串两种炉型，通过表3.1及3.2来看，可以比较出内串炉加热速度快、产品质量好、散热少，电耗低，所以选择内串炉。结论：炉型选择为内串石墨化炉4参数计算4.1炉体尺寸计算 （4.1）式中 W产量 （t） 废品率（经验值为85%） Z装炉量 （t）（1） 理论年装炉量的计算：本次设计课题为年产2万吨，根据公式（4.1）代入数据：20000t÷85%=23000t计算出年装炉量为23000吨。一年工作300天，则每天装炉量为：23000t÷30076t结合实际情况，首先根据待加工产品

47、的尺寸来计算石墨化炉的尺寸。目前待加工产品的尺寸有以下几个规格：300mm、400mm、500mm、600mm，而每种直径都有长1950mm与2250mm两种尺寸。根据产品尺寸，大概可确定出内串石墨化炉长40米，宽2.3米，高2.6米。 表4.1内串石墨化装炉量规格（直径mm)柱数支数吨数1950/182250/1619502250300916214444.0045.134005908042.2043.285003544839.0140.016002363236.7437.69 （4.2）式中 T一台内串炉生产一炉产品的生产周期（d） X一台内串炉的装炉量（t） a 炉子台数 实际装炉量（t）

48、 3030天为一个月；10一年共工作10个月（2） 生产周期的计算：A.装炉与出炉需要1天时间；B.通电时间最长为24小时；C.凉炉需要大概7天左右。通过计算得知，每炉产品的生产周期为9天。现根据直径为600mm的装炉吨数，在综合其他尺寸电极的装炉量，可估算为每炉大概装电极40吨，用18台内串石墨化炉，一年工作天数300天，根据公式（4.2）可大概估算出内串炉的年产量为： 经比较，设计合理。 4.2炉体设计 4.2.1保温料的用途及选择 保温料有两方面的功能，一是保温、减少热损失，二是防止产品氧化。保温料的性能与热损失直接有关。为了减少热损失可采用热绝缘能力强（电阻率高及热导率低、低热容量）、

49、并具有良好的气体渗透性的材料为保温料。如果将保温料层加厚也能提高保温效果，但保温料层加厚，会导致冷却时间延长，相应增加生产周期。国外有的大型串接石墨化炉，采用保温料的粒度只有0.20.8mm，当炉芯电极达到3200时，最外层保温料看不到燃烧或烧红现象，离保温料外侧300450mm处，测量温度只有100200。保温料一般用冶金焦粒，也有使用石油焦的，使用冶金焦时，灰分尽可能低一些，保温料灰分高会产生两个问题，一是灰分易形成结块，影响冷却时的吸料（用多功能天车吸料）。二是灰分中的杂质可能在电极表面生成碳化硅等不易清理的粘结物。保温料的粒度也应给予重视，从保温性能看，小颗料优于大颗粒，但取得小颗料要

50、多次破碎，附带产生大量粉尘，使用前必须将粉尘筛去，不仅增加了保温料消耗量，也加大制备保温料的难度，所以国外串接石墨化炉一般使用的保温料粒度为14mm，其中大于4mm 及小于1mm的最好都不要大于10%。保温料的水分含量不要大于1%。4.2.2装保温料尺寸 保温料一般装在炉底和炉顶，一般厚度为700mm，炉底炉顶各700mm厚度，炉高2.6米，除去保温料厚度，中间装料为1.2米。见图1。4.2石墨化炉的供电装置的选择 石墨化炉的供电特点：石墨化炉的温度必须达到2500以上，而高功率石墨化的温度更要达到2800，因此，导入炉内的电流强度是很大的。比较大的石墨化炉，通电后期的电流强度可达105 A以

51、上。每一组石墨化炉（一般由58台炉组成）共用一套供电装置，生产中只对其中一台石墨化炉供电。因此，石墨化炉的电气特性与供电装置的供电参数直接互相影响。在石墨化过程中，制品从低温到高温，需要有一定的升温速度，而且炉阻又呈负特性（温度愈高，炉阻愈小）。这就要求供电装置能够按照石墨化工艺的要求，对电流和电压进行频繁的调整，以达到调节负荷，控制炉温的目的。根据输入石墨化炉电流形式的不同，石墨化炉可分为交流石墨化炉和直流石墨化炉两种，相应的供电装置也可以分为交流石墨化供电装置和直流石墨化装置。交流供电装置设备简单，投资少，操作方便，易于维护，但成品工艺电耗高，功率因素低。而且交流石墨化炉多为单项供电，对电

52、网的三相平衡有影响。直流供电装置设备复杂，投资较多，管理要求严，维护费用高，但成品工艺电耗低，并为三相供电，不影响电网三相平衡。从我国的实践来看，直流石墨化的各项技术经济指标明显优于交流石墨化。4.2.1最大电流的计算 （4.3）式中 输出电流 （A） S截面积 （） J电流密度 （） 其中 (4.4)式中 S截面积 （） 半径 （cm） 常数，这里约等于3以表3-5中直径600mm为例，每炉装两柱，代入公式（4.4）得： 将上式得出的截面积代入公式（4.3）并根据表3-2，选择内串石墨化炉中电流密度数值为30得： 上式计算出162000A为输出电流。 （4.5）式中 I输出电流 （A） 最大电流 （A） 1.1