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电极糊在电石行业中的应用研究

电极糊在电石行业中的应用研究

兰州阳光炭素有限公司

作者:海秉良、黄永寿、海秉龙、呼友明

绪论

我国电石行业起步于上世纪30年代,1958年起,原国家化工部统一布点设计,在全国建成了十几台10000KVA的开放式电石炉;上世纪80年代,国家化工部从挪威埃肯公司引进组合式把持器的矮烟罩25500KVA密闭炉,进一步推进了电石密闭炉在我国的发展;进入21世纪,受原油价格的持续上涨,以电石法乙炔为原料的有机合成工业快速发展,煤炭资源相对丰富的新疆、内蒙、宁夏、陕西等省相继建成集发电、焦化、电石生产和化工生产为一体的高效节能、循环式,规模化产业结构链,使我国电石工业进入井喷式的发展高潮。我国的电石行业经过80余年的发展,现在已经成为化学工业的一个重要组成部分。

我国电石行业的发展,带动了我公司的炭素产品生产技术的进步,我公司技术进步和创新的同时也对电石行业的快速发展作出了应有的贡献。兰州阳光炭素集团公司自建立以来,在董事长和总经理的正确领导下,积极探索电极糊产品的原料、配方、生产及工艺流程,使我公司电极糊产品有了长足的发展与进步,现阶段有200多台电石炉使用我公司电极糊,其中大型密闭电石炉市场占有率达50%以上。公司建立初期,我公司电极糊产品仅供5000KVA和6300KVA的电石炉使用,但我们并没有被当时的模式所束缚,而是积极探索中、大型电石炉使用的产品。在不断的探索实验和虚心采纳同行专家的意见及建议的基础上,不断改进技术,电极糊的生产从小作坊式半机械化生产发展到现在的PLC电脑自动化控制配料,使得阳光炭素的产品获得周边电石企业的认可和好评。2001年新疆环鹏10000KVA电石炉、甘肃博祥10000KVA电石炉和甘肃维尼纶厂20000KVA等电石企业使我公司电极糊走出小型炉,迈向中型电石炉,新疆天业16500KVA、青海东胜25500KVA以及中泰化学30000KVA等电石炉企业的订单又迫使我们成功开发出大型电石炉用电极糊产品。

我公司董事长海秉良先生,以超常的智慧和理念创建了研发优质电极糊的科研团队,成立了研发部,并与湖南大学共同设立节能自焙电极研发基金,不断进行产品的技术创新和升级换代。在2010年和2012年,分别在乌海和新疆建成乌海阳光炭素有限公司和新疆阳光炭素有限公司,产能高达100万吨,确保我公司生产的电极糊数量够、质量好。为了让客户能够放心使用我公司电极糊,公司成立了专为客户解决电极使用问题的服务团队,相互学习技术经验,加大与客户沟通交流,诚信、热情、周到的为客户服务,以客户的满意为宗旨。现在我公司已经可以生产供48000KVA电石炉使用的电极糊,并有能力研发生产出更加大型化电石炉使用的优质特种电极糊。

在电石炉设备中,电极是电石炉的“心脏”,电极的好坏直接影响电石生产,电极是以电极糊为主要原料,由电石生产者焙烧而成,电极糊的质量和电石生产者的操作水平共同影响着电极质量。电极在电石炉中起着传导电流和将电能转换成热能的作用,在电石生产中,电流通过电极输入炉内产生电弧,主要利用电弧能释放热量并高温冶炼生产电石产品。电石炉生产运行效果的好坏直接取决于电极是否处于正常工作状态,电极如果出现问题,如硬断、软断、过短、过长、破裂、漏糊、刺火等事故,都会影响电石的正常生产,有时会造成几小时甚至几天的停炉,严重时可能发生人身事故,对人力、物力、财力都是极大的浪费。因此,了解和掌握电极上的设备及电石炉的电气参数对电极的工作状态的影响非常重要,只有掌握了这些知识,才能让电极使用正常,减少电极事故,降低经济损失,如果不重视电极的管理,就会导致电极事故,造成不必要的停电,给安全和正常生产带来不良后果。

电极糊的产品质量直接影响着电极的焙烧质量和使用效果,因此,电石生产管理者对于密闭式电石炉使用的电极糊产品质量不断提出更高的要求。优质电极糊必须具有连续的稳定性,适宜的流动性,良好的导热性,高度的抗氧化性和优良的导电性;同时电极应能够耐高温,热膨胀系数要小,具有较小的气孔率,较低的电阻率以降低电能损耗;还要具有较高的机械强度,不致因机械、电气负荷的影响和炉料崩塌导致的轻微冲击使电极折断。


第一章自焙电极概述

矿热电炉生产(电石、铁合金、黄磷和工业硅等产品)所用的电极多为炭和石墨电极,其具有良好的导电、导热性和抗热震性能,在高温时热膨胀系数小、机械强度高、热导率高。这类电极可分为三种:石墨电极、炭电极和自焙电极。


石墨电极以石油焦和沥青焦为主要原料先制成炭素电极,再放到温度为2000~2500℃的石墨化电阻炉中,经石墨化制成石墨电极,石墨电极由于成型机的限制,其直径一般不超过800mm,满足不了大电炉的要求,而且价格居高不下,石墨电极每吨13000~40000元。

炭电极以无烟煤、残极、冶金焦和石油焦为原料,按一定的比例混合再加入粘结剂沥青和焦油,在适当的温度下搅拌均匀后压制成型,最后在焙烧炉经30天左右的时间缓慢焙烧制得,炭电极每吨8000~15000元。

自焙电极(糊)以无烟煤、残极、石墨碎、石油焦和沥青为主要原料,通过一定工艺流程制备而成,把电极糊装入已经安装在电石炉上的电极筒中,在电石炉生产的过程中依靠电流通过时所产生的焦耳热和炉内的传导热,自行焦化烧结。自焙电极可连续使用,边使用边接长边烧结成型。制做自焙电极的工艺较为简单,生产周期较短,但其对原料和配料配方以及技术指标控制等要求很高。电极糊已广泛地应用于电石、铁合金、黄磷等各种矿热电炉的生产中。

1.自焙电极

自焙电极也称索德伯格电极,其发展历史可追溯到1909年,当时挪威工程师索德伯格做了这样一个实验,将未经焙烧的炭素材料放在电炉中,利用输入电流的焦耳热和电炉表面辐射热来焙烧,结果成功获得自焙电极。

自焙电极由电极筒及其内部的电极糊组成,电极筒由厚1~2.5mm的钢板卷制焊接而成,内有翅片和铁筋,起到传递电流并增加电极强度的作用。电极筒的立筋和横截面的开孔,解决了电极糊与电极筒的脱离问题,使得电极筒和电极糊结合得更牢固,便于电流传导。电极筒安装在电极把持器内,通过电极夹紧装置延伸到炉中反应区内。电极在炉内工作时不断地消耗,所以要不断地下放电极、填装电极糊和焊接新的电极筒。

电极糊装入电极筒内,与电极筒同时向下移动,不断地消耗,不断地补充,在此过程中,电极糊要经过三个相态变化,即固态—液态—固态。在室温(25℃)时电极糊为固态,当温度由25℃上升到120~250℃时,电极糊融化成稀糊状,同时电阻增大,温度再升至300~750℃时电极糊中的挥发分物质挥发而逐渐变粘稠,成焦状物质,电阻逐渐变小,当温度达到800~900℃时,电极糊基本烧结成电极,在此转化过程中电极糊的电阻率逐渐降低至100μΩm以下。

经过1000℃以上的高温焙烧,电极糊完全炭化而成炭电极,在电石炉熔池内起到导电并转化能量的作用,因为电极筒在不停电的情况下焊接,电极糊也是在不停电的情况下加入,电极不断消耗,电极糊连续进行焙烧而形成电极,所以叫做连续自动焙烧电极,简称自焙电极。自焙电极广泛用于电石炉和铁合金炉,这种电极的特点是直径可增大到2m,为应用到大负荷容量的矿热炉创造了有利条件,并且价格低廉,操作简单。

2.自焙电极的指标要求

     我国黑色冶金行业对电极糊质量要求的标准于上世纪八十年代制定,将电极糊分为密闭糊、标准电极糊和化工电极糊,经过电石行业大型密闭电石炉在国内突飞猛进的发展,以及各种技术日新月异地的创新和升级,现有的电极糊国家标准早已经远远不能满足电石行业对电极糊的质量要求。根据国家对环保要求及落后产能的调控政策,现在6300KVA以下的电石炉都在逐步淘汰,电极糊中的标准电极糊和化工电极糊已经基本淘汰,更大型化的电石炉对电极糊质量有着更高的要求。


兰州阳光炭素集团公司十几年来一直致力于密闭电石炉使用电极糊的研发,针对电石炉炉型、几何参数、电气参数、工艺参数、设备特性及电极壳尺寸等详细的电炉信息,为客户的各种电石炉量身定做出使用合适的电极糊,并根据客户实际生产的使用效果进行微调,使电极糊的各项指标与客户的炉型、工艺操作得到很好地匹配,现在形成了自己的五类指标的电极糊,以方便各种客户的选择。


第二章自焙电极生产原料

电极糊的理化指标在很大程度上取决于所用的原料,同类原料若产地和制备方法不同,所生产的成品质量也有很大的差异,因此,必须正确的选择原料,才能生产出符合技术指标要求的电极糊。制备电极糊的原料基本有以下两类:固体炭素原料(无烟煤、残极、石油焦、石墨碎)和粘结剂(沥青、煤焦油、蒽油)。各原料的性质和指标简述如下。

1.煅后无烟煤

煅后无烟煤是电极糊的主要成分,含碳量一般在90%以上,具有较高的机械强度。煅后无烟煤可分为电煅无烟煤和普煅无烟煤,它们都结构致密、局部石墨化、导电性能好、收缩率小。当电极烧结后,它就成为电极的骨架,其特点是含碳量高,机械强度大,挥发分少,价格低,资源丰富,具有良好的导电性能和热稳定性。

采用通电加热方式煅烧出来的无烟煤称之为电煅无烟煤。电煅炉内周围最高温度约2200℃,靠近炉衬附近的温度大于1350℃,炉内平均温度1800℃左右,无烟煤经电煅烧后已经局部半石墨化,以此电煅无烟煤做骨料,可提高有关炭制品的强度和导电性。



用普通燃料燃烧方法煅烧的无烟煤称为普煅无烟煤,其煅烧温度一般低于1300℃。普煅无烟煤电阻率比电煅无烟煤高且灰分也较大,但强度较好,电极糊里添加部分普煅无烟煤有利于提高强度。


2.残极

残极是预焙阳极在电解槽上使用以后的残余部分。在预焙阳极的使用周期内,随着炭阳极被逐渐消耗,阳极炭块变得很薄(13~18cm),为防止阳极钢爪被电解质熔化,必须更换新的阳极炭块组,为此而取出的这些残余炭块即为残极。残极量一般占预焙阳极量的15%~20%。

残极长期与电解质接触,含有较高的电解质成分,外表常附有电解质所形成的硬壳。对于更换下来的残极组,应先清除残极表面的电解质硬壳,然后用残极压脱机或人工操作使残极与钢爪分离。

为了在电极糊生产中重新利用残极,残极上的残余电解质应认真清理,因为电解质会影响电极糊的焙烧性能及电极的强度和抗氧化性。清理后的残极经过破碎、筛分,分成不同的粒度,在电极糊的生产配料时,残极颗粒作为一种骨料颗粒加入。

3.煅后石油焦

石油焦是石油提炼时的残渣经过高温处理而炭化的产物。其特点是灰分杂质含量低,高温下液相排列,易石墨化,它是石油炼制过程中的副产品之一。

从炼油厂出来的石油焦一般是生焦,内含约10~14%左右的挥发分,石油焦需要1350℃高温煅烧去除挥发分后才能作为炭素原料使用,石油焦的煅烧质量可通过测定煅后石油焦的真密度、电阻率、灰分、挥发分和水分等项指标来评价,这些质量指标的高低主要取决于煅烧温度和高温下的持续时间。高温及持续时间越长,相应的电阻率越低,真密度越大。煅后石油焦在高温下具有膨胀系数小、热稳定性好、易石墨化等特点,是制造电极糊的优质材料。

4.石墨碎

石墨碎是在生产各种石墨制品时,生产时的废品以及加工时产生的切削碎屑。灰分含量低、电阻率小、导电性能好。生产电极糊时加入一定比例的石墨碎,可以增加电极的导电系数和热稳定性,但强度有一定程度的下降。

5.冶金焦

冶金焦是用炼焦煤按一定配比在焦炉中高温干馏焦化而得到的焦炭。冶金焦可用于生产各种炭块和电极糊等炭制品,还可作为焙烧炉的填充料以及石墨化炉的保温料和电阻料,冶金焦一般情况下与无烟煤混合使用,冶金焦能与粘结剂紧密结合,从而提高炭素制品的机械强度。冶金焦灰分较高,炭素制品用冶金焦主要质量指标如下。



冶金焦生产出来时含大量的水分,需要晒干后才能使用,由于冶金焦生产工艺是在近1000℃结焦,所以不需要进一步煅烧,晒干后可以直接用于电极糊生产,添加少量冶金焦有利于提高产品强度,但同样也会一定程度提高产品电阻率,适用于低功率炉型,增加电阻热,提高烧结速度。

石墨化冶金焦是用于石墨化炉的保温料和电阻料的冶金焦经石墨化温度加热之后的产品,石墨化冶金焦保留原冶金焦高强度的基础上,极大的降低了电阻率,粉末电阻率有时低至260μΩm以下,是一种非常好的电极糊原料,在应用于高功率电石炉的电极糊中可适量添加。

6.煤沥青

煤沥青为煤焦油蒸馏后的残余物,主要含有稠环芳烃,脂肪族化合物很少,硫分和灰分都很低,煤沥青是热塑性物质,在常温下为固体,稍加热就能熔化成液体,在适当温度下熔化成液态的煤沥青,具有良好的粘结性能。煤沥青属于亲油憎水物质,混捏时能很好地浸润和渗透各种炭质物料的表面和孔隙,使炭质物料塑化而形成具有良好塑性状态的糊料,容易压制成一定形状、具有足够密度和强度的生坯,生坯冷却后即能硬化而固定。

煤沥青中高分子芳烃含量较多(即C/H原子比高),具有较高的含碳量和结焦值,焙烧时煤沥青热解缩聚生成较多的沥青焦,把炭质骨料牢固地粘结成整体。煤沥青炭化后形成的沥青焦不仅将炭质骨料粘结在一起,同时赋予焙烧品较高的机械强度和导电导热性能。煤沥青炭化生成的沥青焦具有与骨料相似的理化性能,具有较好的石墨化性能,是炭素材料生产中最理想的粘结剂材料。

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7.蒽油

蒽油为煤焦油在加热温度为280~360℃之间蒸馏出来的褐色粘稠物体,主要用来调节煤沥青的软化点及粘度。粘度影响电极糊生产中糊料的混捏及成型,确定糊料混捏时粘结剂与骨料的相互作用及炭糊料的塑性,需要了解粘结剂的粘度,一般炭材料生产只需测定粘结剂在100~200℃范围内的粘度。

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煤沥青作为主要粘结剂,除了其本身的组成和结构对混捏、成型及烧结的影响外,煤焦油、蒽油等外加的其他物质也能够降低沥青的表面张力和软化点,增加煤沥青与粉料的润湿性,提高产品质量。

第三章自焙电极的生产工艺

1.原料要求

(1)严格控制原料灰分及电阻率指标,保证车车化验,对质量不合格原料坚决退货,确保使用优质原料;

(2)不同原料仓库里分类储存,严格管理,严禁混入其他物质;

(3)残极严格筛选,确保去除电解质及灰分高的细粉料;

(4)粉料确保细度及纯度,封闭式管理,杜绝粉尘污染;

(5)稳定沥青指标,使用液体沥青,控制保温温度。

2.设备要求

(1)采用高效节能且便于维护的颚式破碎机进行中碎,球磨机进行磨粉,振动筛进行原料筛分;

(2)采用PLC电脑控制系统进行精确配料,杜绝配料误差;

(3)采用日本专利技术的双轴搅拌捏合机进行混捏,搅拌刀相交过半径,使糊料得到了充分的均匀混合;

(4)采用导热油加热锅炉进行混捏锅加热,提高热效率及热稳定性;

(5)各生产设备要定期检查使用状况,及时进行设备维修或更换。

3.工艺流程


图1 电极糊生产工艺流程图

电极糊原料在配料、混捏和成型前,必须要经过破碎、磨粉和筛分等重要环节,才能得到电极糊生产所需要的各种粒度和纯度的炭素颗粒,通常把固体物料由大块破碎成小块的操作称为破碎,将小块细碎成细粉的操作称为磨粉。炭素颗粒的大小及数量的准确性对电极糊的性能都有很大的影响,所以必须将各种原料破碎、筛分和球磨成各种粒度级别后才能进行配料使用。将球磨机调节到适合的转速和合理的装球量,使球磨机内在物料以抛落式状态进行研磨,提高磨粉效率,我公司球磨机容量大并且采用抽风机进行负压操作,确保粉料的数量和纯度。

配料主要指干料的搭配,是电极糊配方的重要组成部分,选择什么原料作为细粉料对电极糊质量有直接影响。骨料中的大、中、小颗粒应合理搭配,提高堆积密度,控制粒度组成的目的是为了得到致密、强度高和导电性好的自焙电极。粉料添加量应与粘结剂添加量相匹配,使电极糊的塑性在一个规定范围内,既能相互融合密实的填充整个电极筒,又不会因为太易流动而产生分层现象。如果粘结剂用量过多,电极糊烧结的速度跟不上消耗的速度,容易出现软断,不易烧结,容易产生固体颗粒与粘结剂分层现象。如果粘结剂用量偏低,电极糊烧结过快,就会出现过焙烧现象,使颗粒间结合力变差,致密性差,孔隙率高,强度低,导致易氧化,消耗高,并且容易出现电极硬断事故。

我公司配料系统采用行业领先的PLC电脑控制配料系统,此系统具有很强的抗干扰能力,在恶劣的工作环境下能够稳定的工作,配料准确,并能有效的提高生产质量、加快生产速度。

将炭素材料(颗粒料和粉料)与粘结剂一起,在一定的温度和时间下搅拌和混合成为可塑性糊料,这一工序称为混捏。混捏必须在一定的温度下进行,并保持足够的搅拌时间,混捏分为干混和湿混两步,干混的主要目的是使不同粒度的固体炭质物料均匀混合和填充,提高混合料的堆积密度,并加热物料,提高到和粘结剂相近的温度,将原料中含有的少量内在水分蒸发,增强与粘结剂的润湿性。湿混的目的是使粘结剂均匀涂布和浸润炭质颗粒表面,并在所有炭质骨料和粉料表面吸附一层 “胶连膜”,依靠粘结剂的粘结力把所有炭质物料互相粘结在一起,赋予糊料一定的塑性,使之在常温下固化成型,高温时挥发分挥发,高分子缩聚、焦化形成“焦连膜”,提高强度,增加致密性,降低电阻率。

我公司混捏设备采用日本专利技术的双轴搅拌捏合机,搅拌刀相交过半径,混捏均匀,糊料在锅内不断受到两根搅拌刀的反复翻动,中间突起部分再次被劈分,反复捏合,使糊料得到了充分的搅拌混合,并且锅体外有导热油的夹套,升温效果好,热稳定性高。

第四章自焙电极的检测标准

电极是电石炉的心脏,而电极糊质量的各项指标是确保电极自焙成功的前提,目前国内生产电极糊的生产厂家众多,生产的质量各异,如果对电极糊质量的各项指标不能做出正确的检测,必将影响电极的焙烧性能,那将对电石炉的生产有严重影响,如果使用了不合格的电极糊,将很有可能发生电极事故。

电石生产操作和管理者如果对电极糊的质量认识肤浅或者电极焙烧管理不当,极易发生电极事故,加强技术力量才能有效的对事故进行正确的分析,不能只采取更换电极糊的办法来避免电极事故的发生,由于更换电极糊时无方向性、科学性、更换后可能仍不见效果,甚至事故更多。所以,了解电极糊质量的检测方法以及清楚炉型与电极糊的匹配对电石生产操作和管理者非常重要。

兰州阳光炭素有限公司作为“中国电极糊研发基地”,检测经验丰富,技术实力雄厚,拥有国内最先进的检测仪器设备和整套完善的科学的关于电极糊指标的检测方法,严格按照最新的国家检验标准进行炭素原料及电极糊产品检验。

第五章自焙电极的焙烧

自焙电极是以电极糊为原料经电石炉生产者操作焙烧(烧结)成导电的炭质电极,生产实践证明,电极烧结过程中电极糊性质的变化比电极糊烧结后的性质具有更重要的意义,对于质量优异的电极糊,要求焙烧时不软断、硬断,焙烧后的电极要求电阻率小、消耗低,电极一旦烧结就很少发生事故,严重影响生产的电极软断流糊事故都发生在电极烧结之前,因此对电极糊在烧结过程中的性质变化要给予充分的重视。

1.自焙电极的焙烧阶段

在电石冶炼过程中,随着电极糊的温度逐渐升高,挥发物不断排出,电极糊中的粘结剂逐渐变为粘结焦,同时将炭素原料粘结连成坚固的电极,电极糊就烧结成为导电的炭电极。根据焙烧温度的分布,电极糊的烧结大体可分三个阶段:软化及熔融阶段、挥发阶段、烧结阶段,这三个阶段无明显的界限。

第一阶段—软化及熔融阶段

此时,固体电极糊逐渐软化,电阻增大,强度降低,最后全部呈半流体状态,温度由室温上升至250℃,位置大约在导电夹上部400~600mm,在此期间,电极糊中的水分、低组分挥发物开始挥发并有少量黄烟冒出。

第二阶段—挥发阶段

此时,电极糊已充分熔化,电极糊逐渐变稠,沿着电极筒的内截面流动并填充糊块之间的孔隙,使电极筒内电极糊质量均匀,由于导电接触器冷却作用使外部温度比中心温度较低,并保持温度以较慢的速度上升,这样可使电极糊中的挥发分充分并平稳的排出,不急于焦化,使电极糊保持一定的塑性,紧密填充使电极致密强度高。随温度的升高,电阻不断降低,沥青缩聚分解反应并排除挥发分,最后呈半焦化状态,在此阶段,温度由200℃上升至550~600℃,位置大约在导电夹上部的3/5处。此阶段是电极焙烧的关键阶段,如果此温度偏低,电极压放过快,电流、负荷大就易产生电极流糊或软断事故。如果此温度偏高,电极压放过慢,可能将要发生电极硬断或电极设备事故。

第三阶段—烧结阶段

此时温度由600℃升至800~1000℃,电极糊中的粘结剂由半焦化到全焦化,还有少量挥发分继续排出,强度不断增加,电阻逐渐降低,基本上完成烧结过程,形成导电性较好的炭素材料的电极。位置大约在导电夹下部的2/5处,进入料面形成半石墨化、低电阻率的电极,当电极完全从导电夹压出时,此处电流密度大,炉口辐射热也增大,使电极周围温度较快上升,中心和外部温度趋于一致,进行部分石墨化转变,导电性和强度进一步增加。

电极烧结过程中温度由上至下逐步升高,三个阶段的烧结位置是不固定的,位置有时高有时低,界限也不明显,是个不定数,若操作人员操作水平高、经验丰富,则电极烧结位置上下变化不大,电极事故少。反之,若操作人员操作水平低、缺乏经验,三个阶段上下位置变化很大,电极事故就会频繁发生,操作者应该根据焙烧状况适量下放电极。

2.自焙电极的焙烧热源

电极糊在烧结过程中需要一定的热量,热量主要来自于电流通过电极糊本身产生的电阻热、电极本身的热传导和炉面的辐射热。

电阻热是电流流经电极而产生的热量,电流通过自焙电极时,由于电极糊本身有一定的电阻,所以输入电能的一部分转化成热能,为焙烧电极提供了一定的热量。它与通过电极的电流的平方、电极的电阻和送电时间成正比,也就是说,相同的电极糊,功率越大的电石炉烧结速度越快,所以,同等设备条件下,高功率电石炉一般采用高挥发分电极糊,维持烧结速度和消耗速度平衡。烧结电极所用的电能大约占总输入功率的4~5%。

电极端头由于产生电弧,温度可达3500℃左右,热量从电极本身由下向上传导,生产压放电极时,电极糊自上而下移动,逐渐被传导热加热烧结成电极,离电弧区越远,传导的热量越少。

辐射热来自电石炉料面烟气,内燃式电石炉生产过程中会产生大量的CO气体,CO气体在炉面燃烧,放出大量热量,对电极的焙烧也起到一定作用,密闭电石炉烟气温度在300~600℃左右,开放电石炉温度高达700~800℃左右。辐射热由电极表面向内部传导,对电极的焙烧提供少量热能,使电极的进一步致密化。辐射热在密闭炉中占电极烧结热量的比例小,在开放炉中占较大比例。

对于高功率密闭电石炉,由于其电功率大,主要烧结(焙烧)热源为电阻热,其次是电弧的传导热,炉面辐射热只起到一定的辅助作用。对于低功率开放型电石炉,电阻热提供热量的比例减少,而传导热和辐射热所提供的热量占电极糊烧结所需的总热量比例相应提高。

3.自焙电极焙烧过程的性能变化

在电极糊完全烧结前,从其原料组成及其内部结构来看,可以认为电极糊是一种复合材料,随着使用温度和环境气氛的剧变,这个复合体内将会有着复杂的物理化学变化。电极糊内的各种材质,各种粒子的相互作用力,有弱范德华力存在,但此处粒子间的最根本的“凝聚力”主要依赖于粘结剂的沥青“膜”产生的多种接合力行为,无数这样的“膜” (初始为沥青膜,最终为沥青焦炭膜)形成了一个连续的强大的桥网结构,支撑和凝结起无数的大小不一的各种炭粒,进而形成了一个密实的、复合的整体状电极糊。

电石炉对电极糊的要求较高,希望电极糊在使用过程中,随着温度和环境气氛的变化,电极糊的任何横截面和纵截面能呈现梯度均匀的变化。即使在各个温区内,电极糊仍能形成热力学相对稳定的空间结构。通俗的讲,要求电极糊的各种材质各种粒度应有很好的聚合体系的稳定性,也就是电极糊在使用过程中,其内部的各种粒子不能偏析,不能分层,具备了这样一种连续稳定性空间结构的电极糊,随着温度的升高,其物理性能均匀变化。

电极糊必须具有连续的稳定性,适宜的流动性,良好的导热性能,还必须具有高度的耐氧化性和导电性。因此,电极在生产中应能够耐高温,同时热膨胀系数要小;具有较小的气孔率,受高温辐射及熔池物质冲击时的抗氧化性强;具有较小的电阻系数,以降低电能损耗;具有较高的机械强度,不致因机械、电气负荷的影响和炉料崩塌导致的轻微冲击使电极折断。

自焙电极的挥发分随温度升高而减少,所以电极在烧结过程中,位置越向下挥发物含量越少,电极越致密。电极糊中的挥发分主要从两个地方排出来,在软化熔融过程,室温至250℃,电极糊中沸点比较低的挥发分从电极筒上口少量排出,在电极烧结过程中,随着粘结剂热缩聚分解过程的加剧、低组分挥发分排出,高分子缩聚成焦,电极体积收缩,电极与电极筒之间便产生缝隙,在300~500℃有大量的挥发烟气产生,从缝隙中排出,电极糊挥发分急剧降低,挥发分从10%以上降低到4%以下,当温度高于650℃后,挥发物含量缓慢降低至零,此时电极温度将近1000℃,电极糊已经烧结(焙烧)成致密的电极。

自焙电极的电阻率随温度升高而降低。电极糊中的粘结剂主要是煤沥青,煤沥青是电的不良导体,但煤沥青经过缩聚焦化后的沥青焦是电的良导体,焙烧过程主要是粘结剂缩聚焦化,将电极糊中的固体物料粘结为致密体的过程,电极糊在200℃以内,电阻率相对较高,是焙烧好电极的2000~5000倍,当温度在300~500℃时,随着挥发分的挥发,电阻率大幅降低,当温度继续升高到500~800℃时,电阻率平稳降低至100μΩm以下,温度达到800℃以上时,电阻率基本趋于稳定,大部分电流通过已烧结好的电极输入炉内。

自焙电极的机械强度随温度升高先下降而后升高。电极糊在焙烧成电极的过程中,温度低于350℃时电极糊逐渐变软,机械强度下降,当温度从350℃升至800℃时,由于粘结剂焦化,机械强度急剧上升到最大值,500℃时电极开始硬化,并且与电极筒紧密结合,当温度逐渐增加到800℃以后,强度变化不大。炭材料在高温时强度高,冷却后强度下降,因长时间停电而造成电极降温,其强度不如正常使用时强度的一半,故应该尽量减少热停次数,停电后要做好电极保温措施,重新启用电极时,要缓慢增加负荷,降低热、电冲击,避免硬断。

4.影响自焙电极烧结速度及消耗速度的因素

电石炉工作良性循环的关键是维持电极烧结速度与消耗速度的平衡。电极烧结速度过慢,焙烧好的电极跟不上消耗,电极工作端短,电极偏软,容易发生软断、流糊等电极事故。电极烧结速度过快,电极固体颗粒结合性差,孔隙率增加,电极的导电性和机械强度都有所降低。

影响电极烧结速度的因素有以下几方面:

(1)电极下放的长度和间隔时间,压放长度越长,时间间隔越短则烧结越慢。

(2)冷却风量、水量的大小和送风、送水时间的长短,风量、水量越大,时间越长则烧结越慢。

(3)加热器的运行挡位,档位越高则烧结越快。

(4)焙烧电极时实际负荷的高低,二次电流越大则烧结越快。

(5)炉内料面温度和电极温度的高低,料面温度越高则烧结越快。

(6)电极位置的高低,电极位置越高则烧结越快。

(7)电极糊的质量,挥发分高,烧结慢;软化点高,烧结慢。

(8)糊柱高度,糊柱越高则烧结越慢。

自焙电极的消耗是指生产单位电石所消耗的电极糊质量,降低电极糊的消耗是电极糊生产者和电石工作者不断追求的目标,电极消耗不仅要从电极糊质量上抓,更要提高电石炉的设备管理和电石工作者的操作水平。

影响电极消耗速度的因素有以下几方面:

(1)电极糊的质量。电极糊质量要求是焙烧性能要好,不软断、硬断,有良好的导热性;焙烧后的电极要有足够的强度,优良的抗热震性、抗电冲击性,气孔率低,电阻率低,抗氧化性好。这样的自焙电极在相同的电石炉下消耗量低。

(2)电炉使用的原料及产品质量。炭素材料粒度越小,电阻越大;电极插入炉料越深,炉温高,反应快,生产效果好,电极氧化得越慢,电极糊消耗的越慢;炭素材料含碳量越高,炉料配比越高,电极炭参加反应得越少,电极糊消耗得越慢;如果生石灰、过烧石灰多,配比低,电极炭参与反应多,电极消耗就快;石灰粒度越大,电极消耗越慢;生产电石的发气量越高,电极消耗越慢。

(3)电流、电压等工艺因素的调节。低电压、高电流运作,电极糊消耗慢;电极的功率因数小,电极糊消耗慢。

(4)电极操作管理水平。操作中经常添加副石灰时,电极糊的消耗会加快;电极经常发生硬断、软断事故会增加电极糊的消耗;电极糊的高度高低会影响电极糊的消耗量,电极糊的高度太低会造成电极烧结密度的减小,从而使电极糊消耗加快;操作中经常明弧干烧会增加电极糊的消耗;如果电极糊管理不当,灰尘落到电极糊上,导致灰分的增加,也会使电极的消耗增加。

电极越长消耗越慢,电极越短消耗就越快,保持电极工作端的长度,就会使电极的消耗进入良好的循环,电极工作端短就打破了这个良性的循环,消耗越快,电极压放越多,时间一长,那么就使电极的烧结段下移,容易出现电极下滑、抽芯、漏糊、软断等现象。生产实践经验证明,生产效果越不好,负荷低,产量低,则电极糊的消耗量越多,生产效果越好,电极糊的消耗量越少。因此,加强电石操作者的技术水平和电极糊的使用管理是减少电极事故和减少电极糊消耗的根本措施,也是电石操作者工作中必须掌握的基本技能。

第六章自焙电极的管理

除电极糊本身的指标和质量问题会产生各种电石炉电极事故外,管理、控制和操作好电炉的电极也很至关重要,电极糊烧结质量的好坏、各种电极事故直接与电极的管理、控制和操作有关。要减少电极事故,就必须熟知影响电极烧结和消耗速度的各种因素;必须准确的掌握电极电极工作长度和入炉深度;必须科学操作三相电极,使电极烧结和电极消耗达到相对稳定;合理的控制好电极的工作端长度和入炉深度,使电极有序均匀的压放和烧结,减少电极事故是每一个电石炉和电极糊操作管理和生产管理者们坚持不懈努力的方向!电石炉电极的操作管理包括电极糊的使用;电极壳的制作和对接;电极糊柱的控制和电极糊添加;电极压放量和消耗量的控制;停炉时自焙电极的维护保养。

1.电极糊的使用管理

(1)电极糊按批次分别堆放整齐,堆放场地必须是干净的水泥地面,严禁外界的泥土和杂质混入,用篷布遮盖,严禁露天堆放,定期用清水冲洗表面浮尘和污渍。

(2)电极糊使用前必须检验化验单中的各项质量指标是否合格,针对指标(主要看挥发分和灰分的指标)来调整电极的压放管理。

(3)电极糊装入电极筒前必须检查其粒度的大小,防止粒度过大或过小,粒度过大容易架空,粒度过小容易蓬料,架空和蓬料都容易造成电极事故。

(4)落实电极糊的使用制度,严格按照安全操作规程进行装电极糊的操作。

2.电极筒的制作和对接

(1)电极筒的材料用Q235的冷轧钢板严格按制作工艺图纸尺寸制作,弧板和筋板分别用2mm、3mm厚的Q235的冷轧钢板在专门的制作车间精制而成,采用Ф18的普通圆钢作加强筋。

(2)电极筒筋板焊缝和电极筒的对接焊缝一定要焊透,不能有砂眼气孔,确保焊接强度,电焊的焊缝要打磨光滑,不能有凹凸不平,尤其是接触元件的接触面部分。

(3)电极壳筋片在电极壳内一定均匀分布电极壳的圆周,且垂直于电极壳的内壁,电极壳的筋片数和筋片的宽度与电极直径大小有关,但在炉子生产过程中可根据电极的焙烧快慢,调整增加或减少1~2片的筋片,焙烧快可减少筋片,若焙烧慢可增加筋片。

(4)装焊前电极筒必须是合格的电极筒,电极壳的对接、焊接及打磨要有专门的检验员进行质量检查,发现问题及时通知有关人员进行处理。

3.电极糊的添加和电极糊柱的控制

电极糊柱的高度是指电极导电夹子上端到电极糊顶端的高度。糊柱的高度和炉子容量、电极直径的大小运行负荷高低有关,炉子大直径大糊柱就高,炉子小直径小糊柱就低,运行负荷高糊柱就高,负荷低糊柱就低,一般应控制在3.5~5m之间。如果电极糊过高,电极糊中粗细颗粒易出现分层现象,或者由于糊柱压力太大而胀坏电极筒,如果糊柱太低,则由于糊柱压力太小,填充性差,难以获得致密的电极,抗氧化性差,电极糊消耗过快。合理的电极糊柱高度,有利于提高电极焙烧质量,减少消耗。

(1)从采购、运输、装卸、保管和加糊各个环节保持电极糊干净、清洁,杜绝杂物和粉尘的污染,将电极糊破碎一定粒度,防止粒度过大而悬糊,加完糊后,盖好电极筒盖防止灰尘、杂物落入电极筒。

(2)确保电极糊柱高度控制在工艺要求范围内,规定每天由专门操作人员跟班对电极糊进行添加和对糊柱高度进行测试,每天3次,少加勤加,确保电极糊高度的稳定,并且每天对每相电极的用糊量做好原始记录,发现异常需查明原因并进行相应的处理。

(3)新开炉或长时间停炉后重新开炉时因炉温低、电流、负荷上升慢,最初糊柱应控制低点,勤测勤加(每2小时测一次),随炉温、电流、负荷的逐步上升而提高到正常糊柱高度。

(4)电极过烧时糊柱可适当增加500~600mm,减慢电极烧结;电极欠烧时糊柱可适当降低500~600mm,加快电极烧结;夏季比冬季糊柱提高500~600mm,减缓因气温对烧结的影响;发生电极事故,重新焙烧电极时,可适当降低糊柱。

4.电极压放量和消耗量的控制

电石炉正常生产时,电极的烧结速度和消耗速度达到动态平衡,科学合理的控制好电极压放量和消耗量的关系,是从根本上消除各种电极事故,提高电炉效率,降低各种消耗,提高经济效益的关键。

(1)坚持每天测电极时,注意观察三相电极的焙烧情况,正常情况下,底环下部300毫米左右,电极筒弧板及筋板应该是完好的,电极呈灰白或暗而不红的颜色;若电极底环下电极筒弧板及筋板烧损严重,且电极呈亮白或红色,则说明电极有过烧现象;若电极表面电极筒完好,电极发黑发暗,底环根部有黑烟昌出,则说明电极焙烧不足,电极偏软。通过观察上述现象,制定合理的电极压放时间间隔及电流控制,杜绝电极事故的发生。

(2)正常运行时电极电流控制在工艺要求范围内,保证电极的长度,电炉满负荷生产时,电极深入料层的长度一般是电极直径的0.9~1.1倍,根据炉况制定合理的压放周期;从源头抓好原料入厂质量关,保证入炉原料各项指标满足工艺要求;炭素材料的烘干也必须满足工艺要求,原料的筛分必须做到将粉末筛净。

(3)电极压放应定期进行(约20毫米以下补偿消耗),电极的压放时间间隔要均匀,在短时期内应避免压放过多,因为这样会干扰建立的温度区,并可能引起电极事故,如果需要做大的压放,则应减少电极电流,重新建立起温度区后,再逐渐增大电极电流。

(4)某相电极过短时,应该缩短每次压放电极的时间间隔;适当增大该相电极的电流,提高烧结速度;配料时适当增加该相电极的还原剂用量;如电极过短,需采用下放电极,进行焙烧电极的操作。

(5)某相电极过长时,应该延长该相电极的压放时间间隔;在电极入炉深度满足工艺要求的前提下,提升电极,降低该相电极的操作电流,加大该相电极的作功及消耗;根据炉况,适当降低该相电极炉料还原剂的配比;加大该相电极所对应出炉口的出炉次数;加大该相电极的冷却。

(6)杜绝在烧结段下移后压放操作;杜绝干烧或开弧的情况下压放电极;杜绝缺料或在即将塌料时压放电极;电极压放时要有人到现场压放处检查三相电极压放是否正常,压放量是否满足要求,若出现电极压放量不足或电极下滑,必须查明原因并进行处理。

5.停炉时自焙电极的维护保养

自焙电极在高温时的强度是常温下的一倍,停炉会导致自焙电极降温,因热应力导致焙烧好电极的强度损失是无法弥补的,而且破坏了焙烧区间的温度梯度,使重新开炉时焙烧难度急剧增大,所以,停炉时自焙电极的维护和重新开炉时的正确操作非常重要。一般情况下,停炉尽量避免超过3小时,经验表明,这一原则是防止电极硬断的最有效保障措施。

(1)停炉不超过3h时,负载断开前唯一必要的保护措施,是保证电极把持器位置比下限位置高不到500毫米;负载断开后,电极应立即向下压放250~500毫米;再启动时按规定的要求提升负荷。

(2)停炉3~8h时,负载断开前两班应减少电极压放(约正常压放量的30%),目的是为了减少电极长度和在负载断开时使把持器位置下降到最低位置;负载断开后,应立即将电极下压到最低位置,而后压放200~250毫米;再启动时按规定的要求提升负荷。

(3)停炉8~168h时,停炉前必须把电石出净,停炉前2~3班压放,应减少到足以使电极把持器位置在负载断开前达到最低位置;停炉前5小时应该将功率降到全负载的50%左右。负载的减少应借助于降档位,无需太多移动电极;压放电极100~200mm(根据停炉时间来确定压放多少),把三相电极插到最低位置,用炉料将电极埋好,防止氧化;每2小时活动一次电极,先降后升,活动幅度在20mm,防止电极粘死;停电72小时后可以关停循环水,消除导电夹上、下电极的温差,防止送电后产生电极事故;再启动时按规定的要求提升负荷。

(4)停炉168h以上时,停炉前尽量降低料面,把炉内电石出干净;停炉后将三相电极拔出料面,自然均匀冷却降温,停炉72小时后可停循环水;再启动时按规定的要求提升负荷。

(5)电极断裂后的再开炉时,剩下的两根电极必须压放到把持器位置的最低处(通常不到750毫米),如果达到把持器位置的最低位置,电极还得压放200~250毫米;电极断裂部分应该下压或用炸药爆破,清除炉料内的电极碎块后,应尽快启动炉子;断裂电极必须稍微下滑,但下滑长度不应大于为获得电极与炉料之间正确接触所需要的长度,应增加压放速度来代替可能的压放;再启动时按规定的要求提升负荷。

参考文献

1.张培武.密闭电石炉电极管理[M].化学工业出版社,2011.

2.上海吴松化工厂.电石生产[M].新华书店北京发行所,1972.

3.蒋文忠.炭素工艺学[M].冶金工业出版社,2009.

4.许斌,潘立慧.炭材料用煤沥青的制备、性能和应用[M].湖北科学技术出版社,2002.

5.许斌,王全锋.炭材料生产技术600问[M].冶金工业出版社,1991.

6.熊谟远.电石生产及其深加工产品[M].化学工业出版社,1989.

7.夏金童.我国电极糊现状与实际使用中的问题综合分析[J].炭素,1995, 20(5):21-28.

8.吴世峰.电极糊的使用与质量事故[J].铁合金,2000,31(4):40-43.


2012-5-22


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