电极糊和电极烧结

电极糊和电极烧结课件第一页，共十五页，2022年，8月28日第一节概述连续式自动焙烧电极（简称自烧电极）是由电极糊和铁壳组成的。电极在电石炉内工作时是要不断消耗的，所以需要继续不断地下放电极，以资补充。当电极下放到导电颚板下部时，经过1000℃左右的高温焙烧，使电极糊碳化而成电极。因为电极铁壳可以在电炉不停电的情况下继续焊接，电极糊不断地向铁壳内加入，而且又是在电石炉内烧结而成的，所以叫做连续式自动焙烧电极。自烧式电极广泛地用于电石炉和铁合金炉。这种电极的特点是直径可以扩大到2米，不用螺丝接头，在电石炉上连接时非常方便，而且价格低廉，这就给电石炉向大容量发展创造了有利的条件。在整个电石炉的设备中，电极就是心脏。在电石生产中，电流是通过电极输入炉内，产生电弧，进行冶炼电石，电极在整个电炉中是占有着极其重要的地位。在设计电石炉中，有许多参数是参考电极直径进行的。电极直径之大小，由通过电极截面积上的电流所允许的电流密度来决定，如直径小，则允许的电流密度大，直径大，则允许的电流密度小。电流密度与电极直径选择恰当与否，对整个电炉来讲是非常重要的。电极直径大小的决定，对设计中考虑电极同心圆直径、电极间距、炉膛内径、炉膛深度，甚至于炉膛外径，炉底厚度等都有很大的指导意义。因为这些尺寸的数据均参考与电极成倍数关系的经验数据。三相电炉电极，一般多采用三角形布置，设计时，既要考虑电极之间的距离，使它有足够而均匀的温度分布，并能形成相互串通的更大高温区，又要考虑电极与炉壁之间有足够的距离，使它对炉壁辐射均匀，避免炉壁过快烧坏。电极同心圆直径与炉壁内径之比，一般为0.44（炉之内径为电极同心圆直径的2.25倍）。第二页，共十五页，2022年，8月28日关于电极同心圆直径与电极直径的比例，所采用的经验数据，目前大多数为2.7倍较好。炉膛深度是电极直径的2.3倍。另外，电炉直径、电极插入炉料深度，炉底厚度、炉底面积、炉子容量等的计算都和电极有关系，这里不一一叙述了。由此可见，电极在设计整个电炉的设备中，占着极其重要的地位。现在国内电炉之电极大部均采用自烧电极，而在整个电炉设备中，我们经常遇到的事故是电极事故。这些事故是：电极软断、硬断，电极壳破裂、电极漏糊，电极“刺火”，电极放不下等等。凡电极出了事故，影响电炉正常生产，有时会造成停产几十小时或几天，要浪费大量人力物力，甚至还有严重的人身伤亡事故发生。总之，电极在电石炉中占有重要地位。没有它，电炉就无法产生作用，如果它出了问题，就要造成整个炉子生产无法正常进行，甚至瘫痪。因此，作为电石生产工作者，有必要了解电极糊的成份、性能，生产方法、作用及对电炉的影响。第三页，共十五页，2022年，8月28日第二节电极的特性连续式自烧电极既是电炉中的重要组成部分，又是电炉的心脏，它起着导电和传热的作用。因此，对电极糊应有一定的技术条件和使用要求。用冶炼条件相同的电炉来熔炼同一种规格的电石，如采用不同组的，导致不同物理性能的电极糊，电极工作端的烧结速度及功率损耗，电炉的热工也不相同。前面已经讲过，电石炉电流是依靠电极输入炉内转化为热能，要使电极在电弧所产生的高温下正常工作，必须具有高度的耐氧化性及导电性，只有碳素原料制成的电极，才有这种性质。因为碳素电极可承受高达3000℃的电弧温度，在此温度下仅缓慢氧化。电弧炉对电极要求很高：（1）能耐高温，同时热膨胀系数要小。因为它一端遭受电弧高温，另一端则露于料面上与被水冷却的电极把持器相接触，所以要求在温度急剧变化的情况下，具有一定的坚固性。（2）具有比较小的电阻系数，可以降低电能的损耗。（3）具有较小的气孔率，可以使加热状态的电极氧化缓慢。（4）具有较高的机械强度，才不致因机械与电气负荷的影响使电极折断。此外，还必须经受得住生产过程中炉料崩塌的轻微的侧击。第四页，共十五页，2022年，8月28日电极糊的控制项目有固定碳、挥发份、灰份和水份等，一般只要分析挥发份、灰份和水份三项就可以把四项全都计算出来了。挥发份必须控制在一定的范围内，否则会造成以下结果。1.如挥发份太高时，会造成下列不良结果：（1）不易烧结，强度差，容易软断。（2）收缩性大，强度也差，又可能发生硬断。（3）氧化快，电极糊消耗快。（4）容易分层烧结成异形，除下放电极困难外，也易折断。（5）放电极时减负荷多，增负荷慢，影响产量。2.如挥发份过低时，会造成下列不良结果：（1）过早烧结，强度差，容易硬断。（2）粘结性不够，强度差，也易硬断。（3）电极与导电颚板接触电阻大，影响电耗及颚板寿命。如果把上述的情况对比起来，挥发份过高比过低后果更为恶劣。因此，对电极糊的挥发份必须控制在一定的范围内，具体指标详见第四节。电极糊中灰份含量要求越低越好，但限于原料来源，一般要不高于5%，灰份过高，会使强度差，电阻大、电耗高，相应电极消耗量也高。因此，灰份也是电极糊的重要指标之一。第五页，共十五页，2022年，8月28日以上指标作为制造厂的出厂标准，但仅仅知道了灰份和挥发份的多少，来判断电极糊的质量的好坏是不够的。要鉴定电极糊质量是否合乎要求，只有将试样在试验室作烧结检验，通过机械强度，电阻系数、气孔率等检验，才算合乎电极糊质量鉴定标准。可是由于此项检验方法，从取样到获得测定结果时间长，速度缓慢。因此，制造厂仅作为参考指标，但也是一个重要指标。第六页，共十五页，2022年，8月28日第三节电极糊的原料电极糊的原料主要组成部分是碳。碳具有以下性质，因而使它能成为制造电极糊的基本原料：（1）承受在工业技术上必要的高温；（2）其氧化物为气体；（3）导电性能良好；（4）与许多化学物质不易反应。制造电极糊使用的原料有以下两类。（1）固体碳素原料（无烟煤、石油焦和人造石墨等）；（2）粘结剂（沥青、与煤焦油）。在这里应该指出，用作粘结剂的原料，经焙烧后要能够转变为坚固的焦炭钢，起焦结作用，形成自烧电极整体。一、固体炭素原料1.无烟煤无烟煤乃是电极糊的主要部分，当电极烧成后，它就成为电极的骨架，和钢筋混凝土中的鹅卵石所起的作用很相似。采用无烟煤不仅是因为其价格便宜，更主要的是使用它能改进电极糊的使用质量。无烟煤是致密的、带有金属光泽的黑色油脂矿物。无烟煤与其它矿藏煤的不同点是：含碳量高，机械强度大，挥发物少，无烟煤仅有少量的灰分，均匀分布于碳内，其灰第七页，共十五页，2022年，8月28日份基本上以薄层及斑点状存在的矿物质。制造电极糊用的无烟煤，其灰分含量一般不大于10%，因此，进厂以后经过拣选，一般灰份稳定在8%以下。当煤成片状及长形块，在加热煅烧时，因热爆易碎裂成片。在煅烧的时候，无烟煤的收缩与挥发量的大小成线性关系，因此，制造电极糊所用之无烟煤，其所含之挥发物要少（小于7%为宜）。2.焦炭焦炭是制造电极糊，尤其是生产石墨化电极的最重要的原料之一。最有价值的焦炭为低灰份的焦炭（有时称为无灰份焦炭），其灰份含量不超过1%。这些焦炭包括有石油焦和沥青焦。第一种是石油渣油经过焦化而得到的焦炭，第二种是化学炼焦工业炉用煤沥青加工制成的焦炭。石油焦：石油渣油经高温处理得到的固体含碳产物叫做石油焦。由于原料及制造方法的不同，这些产物之成分也不同。目前看来，有两种性质不同的石油焦，一种是釜式石油焦，另一种是延迟焦化石油焦。前者含挥发分3～7%，后者含挥发分达10～18%。沥青焦：将煤沥青放在与煤焦化炉相同的焦炉内焦化所得残渣，其挥发份含量只有0.8～1%。一般同石油焦混合煅烧，用于生产。3.人造石墨根据研究和实践，在电极糊中加入灰份含量不超过1%的人造石墨，可以增加制品的导电系数，导热系数和热稳定性。第八页，共十五页，2022年，8月28日人造石墨有易于附着在坚硬表面上的特性，这种特性好像液体润湿于固体表面一样形成薄膜，同时对沥青的吸附力也比较大，这对使用来说，有着它的现实意义。二、粘结剂作为粘结剂的原料当电极糊在自焙烧结时，所剩下之焦化残渣能使电极的强度增加和质地均匀。最好的粘结剂为煤沥青和煤焦油。1.煤焦油煤焦油是比煤沥青分馏温度低的一组馏分，是一种粘滞液体，颜色由深棕色到黑色，相对密度1.05～1.25。焦油的质量主要取决于焦化的温度条件和炉子结构。在同一结构炉子内，温度条件相同，焦化不同成分的配合煤时，也能得到成分和物理性质相同的焦油。本节所讲煤焦油，经过热处理后用于密闭炉电极糊调整软化点用。2.煤沥青沥青是一种黑色有光泽的固体物质，相对密度为1.245～1.299。当蒸馏温度为360℃以上时将焦油内其他馏份提取后所剩下的残渣，即为沥青。根据软化点的大小，沥青可分为：软沥青（油质的）40～50℃，中沥青)65～75℃，硬沥青高于80℃，本节所讨论的是中沥青。中沥青进厂标准为：软化点（水银法）℃65～75℃游离碳（C）18～25%水分（W）≯5%灰分≯0.5%第九页，共十五页，2022年，8月28日挥发分55～70%沥青的水分包括机械悬浮状和被吸收两部分，经过130℃以上数昼夜的热处理，排除水分，减少膨胀而后方可用于生产。沥青的成分中含有游离碳，它是从焦油中带到沥青里来的，而另一部分则是由高分子化合物在蒸馏焦油时分解而成。沥青和焦油最珍贵的部分为结焦部分，即粘结焦炭。由焦化残渣中除掉游离炭，即可得出粘结焦炭。第四节电极糊的烧结一、焙烧电极糊的热源电极糊在电极壳内烧结，热源来自三个方面：（1）电极本身热量传导。电极端头由于产生电弧，温度可达3500℃左右，而热量自下向上传导，故电极糊由上向下降落时受热越来越高，逐渐烧结。电弧热的传导是焙烧电极所需热量的主要来源。（2）电流通过电极本身所产生的电阻热。电流通过电极，由于电极糊烧结电阻大，输入功率一部分变成电阻热，为焙烧电极提供了一定的热量。（3）炉料面火焰热的传导与辐射。炉面温度很高，一般在500～600℃左右，它的热量能传导和辐射到电极，尤其对电极下放后，电极表面温度迅速增高，同电极完全烧结关系很大。二、电极糊烧结过程电极烧结时的变化过程，虽无明显的界限，但根据焙烧温度及部位，大体可以分为三个阶段，这个过程是在无外加压力，单靠糊本身重量下进行的（图1-13-2）。第十页，共十五页，2022年，8月28日第十一页，共十五页，2022年，8月28日（1）软化阶段。此时固体电极糊熔化，电阻增大，强度降低，最后电极糊全部成为液体状态。在此阶段温度由25℃上升至120～200℃，大约在导电颚板上面500毫米处。（2）挥发阶段。此时电极糊充分熔化，沿着壳内截面流动，充填空隙，并使质量均匀，同时开始明显地挥发而逐渐粘稠，电阻不断降低，挥发急剧而呈糊状。在此阶段，温度由120～200℃上升至650～750℃，大致在半环部位。（3）烧结阶段。此时少量挥发物继续挥发，并开始进一步烧结，导电性大大增加，成为坚硬整体。完全烧结高度为导电颚板下部200～400毫米处，此阶段的温度由650～750℃上升至900～1000℃。电极由于表面氧化，炉内反应的作用，以及电弧燃烧时电极逐渐烧损，故需按其消耗情况控制烧结，并且把已烧结的电极往炉内下放，使它保持适当的工作长度与位置。三、质量的判断电极焙烧质量的好坏，主要根据肉眼的观察。判断电极烧结是否正常，如发现放下来的电极表面呈灰白色或暗而不红，则焙烧良好。如发红则太干，如发黑或冒烟甚多，则太软。为了保持电极一定的长度，电极糊在烧结过程中必须掌握烧结速度和消耗速度的平衡。如烧结慢，消耗快，则电极工作长度不够就会出现过软。如烧结快、消耗慢则电极又太干，容易硬断。为了使电极烧结质量良好，必须满足以下要求。（1）符合质量标准又合乎块度要求的电极糊，充填时要保持一定的高度。（2）电极制作与焊接必须符合要求，导电颚板的冷却条件以及电极的接触必须良好。第十二页，共十五页，2022年，8月28日（3）尽量避免，缩短电炉停电次数和时间。（4）注意电极烧结质量并及时调整电极的冷却条件。第五节电极事故及处理一、电极软断1．电极软断的原因（1）电极糊所含挥发物过多。（2）电极壳铁板太薄或太厚。太薄了经不起外界较大的作用力而破裂，造成电极铁壳在压放时折叠或漏糊而软断，太厚了则会造成铁壳和电极芯子接触不紧密而串芯，也会引起软断。（3）电极铁壳制作不良或焊接质量欠佳，引起破裂，就会导致漏糊或软断。（4）下放电极时没有降低电炉负荷或降低得太少，放电极后负荷增长得太快，也会引起电极软断（大型炉除外）。（5）下放电极太频繁，间隔时间太短或下放电极后，电极过长而引起软断。（6）电极糊加入不及时，加电极糊的位置过高或过低，也会引起电极软断。（7）电极糊块过大，加糊时粗枝大叶，在筋片上搁住而架空，也可能引起软断。第十三页，共十五页，2022年，8月28日（8）操作不规范，电流强度过大，超过了电极承载能力。2．处理电极软断的方法（1）一旦发现电极软断，应立即停电，操作人员不要太集中，由主要操作人员处理，迅速将电极降下，深入炉内，设法不使电极糊外流，并迅速松开电极使其和断头相连接，把电极附近的电极糊撬开扒掉，然后送电，以低负荷焙烧。软断的那一相电极不许提升，负荷可根据电极焙烧情况而增加，大约6～8小时可焙烧好。（2）如果断头接不上，电极糊已干涸，无流动的可能。此时将电极放出一些（数量根据电极尺寸决定）。低负荷焙烧，方法同前。（3）如果电极头接不上，电极糊很稀，还可能大量涌出或电极糊流出太多，近于流空，此时应再焊接一节有底的铁壳与新炉开炉时采用的电极头相似，加入新电极糊，仍按前法焙烧，但应特别注意电极送风量和导电颚板的冷却水量。3．如何预防电极软断事故（1）电极送风量和导电颚板的冷却水量要合理控制。这就要