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75MVA铬铁炉电极糊的应用研究

75MVA铬铁炉电极糊的应用研究

海秉良1  夏金童2  黄永寿1  呼友明1

(1、兰州阳光炭素集团公司  兰州  甘肃  730079)

(2、材料科学与工程学院  湖南大学  长沙  湖南  410082)

摘要:为提高75MVA铬铁炉的生产效率,分析在当前的操作条件下发生电极事故的原因,探讨如何在电极糊和技术管理两方面解决电极事故。通过选择合适的电极糊以及改变生产技术等科学措施,可以避免电极事故的发生,使生产正常运行。 

关键词:铬铁、电极糊、炉型特点、操作技术


Electrode Paste Application Research of 75 MVA Ferrochrome Furnace

Hai Bing-liang1  Xia Jin-tong2  Huang Yong-shou1  Hu You-ming1

(1、Lanzhou Sunshine Carbon Group Co., LTD  Lanzhou  Gansu  730079)

(2、College Of Materials & Engineering  Hunan University  Changsha  Hunan  410082)

Abstract: In order to improve the production efficiency of 75 MVA ferrochrome furnace,the reasons of electrode accident were analyzed in the current operating conditions,discussion on how to solve the electrode accidents in two aspects which are electrode paste and technology management。Electrode accidents can be avoided by the scientific measures of choosing the suitable electrode paste and changing the production technology,and then,the production can been run smoothly。

Keywords: ferrochrome,electrode paste,furnace characteristic,operation technology


铁合金是冶金、机械工业的重要原料,是资源、能源消耗的大户[1、2],我国铁合金行业的发展,带动了电极糊产品生产技术的进步。在铁合金炉中,电极是矿热电炉的“心脏”,电极的好坏直接影响铁合金产品的生产,电极是以电极糊为主要原料,由铁合金生产技术管理者操作焙烧而成,电极糊的质量和铁合金生产技术管理者的操作水平共同影响着电极质量[3-5]。

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1作者:海秉良 男 1949年5月出生,兰州阳光炭素集团公司董事长;

2通讯作者:呼友明 男 1985年12月出生,2011年毕业于湖南大学材料学专业,硕士研究生,中级工程师,现从事炭素技术的研发工作,214422099@qq.com。

75MVA铬铁炉(炉型基本信息如表1所示)的建设和投产是我国铬铁冶炼大型化、密闭化、环保化过程中重要的一步,我公司(以下称为B公司)结合各类铁合金炉的实际操作经验,积极探索75MVA铬铁炉在使用过程中存在的问题及其解决方案。

表1  75MVA铬铁炉

表1.jpg

1、开炉初期存在的问题

75MVA铬铁炉为目前世界最大冶炼铬铁的矿热电炉,自投产以来,不断的出现电极掉头、掉瓣、硬断、消耗高等现象,始终不能达到设计的产能和电耗。应国外技术人员要求,该矿热电炉一直使用A公司生产的电极糊产品,经过A公司多次调节电极糊配方及指标,仍然不能达到其使用要求,2014年7月,75MVA铬铁冶炼企业与B公司联系并要求制备符合大型铬铁炉冶炼要求的电极糊。

2、电极糊质量参数

优质的电极糊必须具有连续的稳定性,适宜的流动性[6],良好的导热性,同时焙烧而成的电极具有高度的抗氧化性和优良的导电性,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[7]。电极糊产品的质量参数直接影响着电极的焙烧质量和使用效果,因此,要确定电极糊产品的质量参数,必须对矿热电炉的各项几何及电气参数进行深入的分析,并对冶炼操作工艺进行了解,才能制定与具体矿热电炉相匹配的电极糊质量参数[8、9]。

对75MVA铬铁炉使用的四个批次的A公司电极糊进行了测试分析,其质量参数的变化如表2所示。

表2.jpg

由表2可知,根据批次的变化,A公司电极糊灰分呈下降趋势,其他数据变动不大,推测变化的主要原因是增加电煅无烟煤添加量用来替代普煅无烟煤,但炉子实际使用情况未达预期目标。

3、75MVA铬铁炉的炉型特点

75MVA铬铁炉为芬兰设计安装,热料入炉,全密闭低烟罩;具有10KW加温控制系统;具有全自动控制系统,可实时记录各类电气参数;电极筒可承受安全电流100KA;三相电极升降缸处具有重力传感装置,能直观判断电极长度以及是否出现掉头、掉瓣、断电极等现象;电极糊为圆柱型,其设计直径900mm、高1000mm,圆柱糊便于测量液态糊柱的高度。 

4、事故原因的分析探讨

电极糊焙烧成电极的热源主要为电阻热、辐射热和传导热,针对75MVA铬铁密闭炉,几乎没有辐射热,电极糊焙烧热源主要依赖其电阻热。通过对2014年6、7月份1#、2#炉三相平均实际操作电流的统计,两台矿热电炉平均实际操作电流在80KA左右,计算平均电流密度在3.0~3.4 A/cm2,实际操作的平均电流及平均电流密度明显低于设计值(设计电极电流125KA,设计电流密度4.9A/cm2)。

实际操作电流低导致电极糊焙烧速度慢于正常设计的焙烧速度,电极糊没有足够热源,得不到完全焙烧,焙烧后的电极气孔率高,强度差,易产生消耗快和掉头等各类现象。同时,高消耗和掉头需增加电极压放量来维持正常的电极工作长度,更减少了电极糊的焙烧时间,降低了电极焙烧的质量[10、11]。

针对以上现象,解决方案主要分两方面。一方面,调整电极糊配方,提高电极糊的焙烧速度,使以下三方面得以改善:①确定合理的电极糊软化点和挥发分指标;②降低电极糊灰分,减慢消耗速度,延长焙烧时间;③采用合理的配方及工艺条件,增加电极焙烧后的强度。另一方面,操作技术及设备改造,提高焙烧温度,主要具体措施有:①增加加温控制系统加热器的功率;②提高液面糊柱高度;③增加圆柱型电极糊的直径,降低圆柱型电极糊的高度;④降低循环水流量、流速,提高循环水温度。

5、技术调整后的使用情况

通过沟通交流,B公司制定新电极糊配方及操作方法并与A公司电极糊进行对比使用,B公司电极首先加入2#炉3号电极中,2014年8月末新电极下放到电极端头,通过9、10月的使用情况对比,总结如下:①两台炉子累计停电20次,共216h,B公司2#炉3号电极均没有发生任何电极事故,A公司在停电46h送电后1根电极发生硬断事故;②B公司9、10月2#炉3号电极日平均压放量257mm,相比A公司2#炉3号电极6~8月日平均压放量降低130mm,折合每天电极糊消耗量减少560kg,根据产量计算电极糊单耗降低了4.2kg/t;③A公司电极糊在使用过程中,由于焙烧不完全,存在掉头、掉瓣现象,电极长度短,导致电炉负荷低,二次电流平均为80KA左右,单台炉子最高日产量为358吨;B公司电极焙烧良好,长度足够,电炉负荷高,二次电流平均为86KA左右,电耗相比A公司降低180kwh/t,其中10月份2#炉平均日产量389吨,达到历史最高月产量,电极糊单耗为11.5kg/t。

6、高负荷炉况电极糊使用存在的问题分析及解决方案

因B公司电极糊使用情况达到预期效果,其用量逐渐增加到5根电极,仅剩1根A公司电极糊焙烧的电极作为对比,自75MVA铬铁密闭炉冶炼过程中不断增加了B公司电极糊用量以来,有功功率由不足40MVA逐渐提高到50MVA以上,2015年1月份单台炉子平均日产量达到400吨以上,电极糊单耗为9 kg/t左右,基本达到了设计的产能及电耗。但2015年2、3月份,电极就开始不断出现掉瓣、掉头甚至断电极现象,尤其是停炉重新送电后,电极事故出现的概率有较大幅度的提高。

6.1现场分析

通过现场了解情况并进行分析讨论,发现电极出现新问题的主要原因为:①加入炉子中的原料还原剂炭粒度在2、3月份时期偏大,还原剂炭粒度越大,反应接触面积小,反应速度慢,电极炭参与反应的多,电极消耗的快;②二次电流过高,平均二次电流在90KA以上,阶段性的二次电流经常达到100KA以上,超过了电极筒承受的安全电流,使电极筒下放到大套以后烧损,降低了电极筒对电极的保护和焙烧作用;③圆柱糊在熔融过程中存在偏析,因筋板的存在,圆柱糊直径相比电极筒直径要小得多,在电极糊熔融过程中,圆柱糊相比小块糊要有更远的流动迁移,迁移过程中存在电极糊骨料和粉料的偏析;④停电后送电速度偏快,停炉会导致电极降温,因热应力的作用导致焙烧好电极的强度损失是无法弥补的,并且破坏了焙烧区间的温度梯度,使重新送电时对电极的考验急剧增大,停炉时电极的维护和送电时的正确操作非常重要。

6.2实验室分析

根据炭素材料特性,圆柱糊发生偏析现象的风险相对比较高,偏析现象是指易于流动的部分(黏结剂和炭质粉料)在软化熔融过程中,会摊开向外流动,而中心部分留下大颗粒的炭质骨料偏多。偏析现象会导致不正常的电极质量,使电极内外侧质量存在一定的差异,尤其是电极中心部分由于缺少黏结剂和炭质粉料,会焙烧成为沙砾状、非常脆弱的电极块,此部分电极在冶炼过程中极易参与反应而提前消耗掉,使电极端头中心为疏散的孔洞,外围电极由于筋板的分隔,形成一段段独立的小电极头,在整个电极内部的提前消耗的情况下,小电极头承受着高电流的冲击,很容易齐根断裂形成掉瓣,如图1所示。

图1  电极端头掉落的碎块

Fig1  Some shedding pieces of electrode tip

为了验证圆柱糊在使用过程中的偏析,在实验室进行比例尺为10:1的模拟实验,模拟的圆柱糊与电极筒如图2所示,为了比较直观检验偏析情况,电极糊配方以电煅、普煅无烟煤为骨料,石油焦、石墨粉为粉料,焙烧成炭质电极的横切面如图3所示。

图2  模拟的圆柱形电极糊和电极筒

Fig2  Simulation of the cylindrical electrode paste and electrode tube

图3  电极的横切面

Fig3  Cross-section of the electrodes

由图3可清晰的看出焙烧后的电极横切面存在一定的偏析,内部的骨料居多,粉料多数存在于电极外围。为了比较客观的对比偏析的差异,将焙烧后的电极进行车加工,按照图3横切面圆圈之间取得车削碎,分别收集编号内电极并测试其灰分及真密度,如表3所示。

表3.jpg

由图3可知,A区域至F区域为焙烧后电极的内侧至外侧,电极糊的骨料为电煅、普煅无烟煤,骨料的灰分高而真密度低,电极糊的粉料为石油焦、石墨粉,粉料的灰分低而真密度高。由表3可知,测试电极糊焙烧后电极的内侧至外侧,灰分呈逐渐下降趋势,真密度呈逐渐上升趋势,由测试数据则可推断,圆柱糊在熔融过程中确实存在一定的偏析。

6.3解决方案

通过现场观察断头,分析电极端头形态进行判断,主要原因还是内部焙烧不完全所致,其次是由于热应力导致电极强度下降,解决方案主要分两方面。一方面,继续调整电极糊配方和工艺:①加快电极糊的焙烧速度;②增加混捏时间,提高均匀性,增加电极焙烧后的强度。另一方面,调整炉子生产工艺要求及操作习惯:①严格要求冶炼原材料的各项质量达到标准;②根据电极位置调整有功功率和二次电流;③根据停电时间调整送电后提升负荷的速度;④对电极筒的筋板进行技术改造,增加焙烧后电极的强度。

6.4目前使用效果

2015年5月末各项解决方法均实施到位,经统计,2015年6月-11月两台75MVA铬铁密闭炉的电极一切正常,电极糊单耗、单位产品电耗和产量均满足设计值,也完全达到了冶炼要求。

7、结语

1)了解冶炼炉型的各项参数和冶炼特性是制定电极糊配方和工艺的重要依据。

2)要保证冶炼生产工艺要求的严格性。当冶炼生产工艺条件进行改变时,冶炼企业应及时与电极糊生产企业沟通交流,判断是否需要调整电极糊配方。

3)发生电极事故,应从多方面因素寻找原因,找到生产工艺的改变之处,分析并判断其对电极的影响。

4)对电极的焙烧情况的判断非常重要,根据电极情况调整相应的操作方法,保证电极稳定才能保证生产稳定。

8、参考文献

1)许传才.铁合金冶炼工艺学[M].北京:冶金工业出版社,2008.

2)石富、王鹏、孙振斌.矿热炉控制与操作[M].北京:冶金工业出版社,2010.

3)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.

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

5)张志斌、王伟、刘招俊、徐双炜.大型矿热炉电极事故原因分析与预防措施[J].铁合金,2015,(245):10-15.

6)曹培峰.电极糊的流动性对电极烧结的影响[J].铁合金,2013,(229):17-19.

7)王庆刚、张跃瑞.电极糊在铁合金电炉上的烧结机理及特种糊的质量特性[J].铁合金,2009,(206):28-33.

8)海秉良、黄永寿、海秉龙、呼友明.电极糊在电石行业的应用研究[J].中国电石工业,2012,(3):17-29;2012,(4):11-19.

9)海秉良、夏金童、黄永寿、海秉龙、呼友明.电极糊的生产与应用[M].北京:化学工业出版社,2015.

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

11)蒋文忠.炭素工艺学[M].北京:冶金工业出版社,2009.


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