真空炉石墨电极损耗的原因分析及减损措施

真空炉石墨电极损耗的原因分析及减损措施

 摘要：石墨电极的使用寿命在～定程度上决定了硬锌真空蒸馏炉的生产能力和生产成本，文章对 真空炉使用的石墨电极损耗的原因进行了分析，结合生产实际，提出降低石墨电极损耗的措施，收 到良好效果。

关键词：真空炉；石墨电极；氧化损耗

韶关冶炼厂采用卧式真空炉处理硬锌，回收锌、 锗、铟等有价金属，与原有处理工艺隔焰炉一电炉法 相比，有价金属的回收率、安全环保等指标有了大大 提高，创造了可观的经济与社会效益。硬锌真空蒸 馏炉采用石墨电极作为发热体，将电能转化为热能， 是真空蒸馏炉中十分关键的部件，它在一定程度上 决定了真空炉的工作能力。在真空蒸馏炉处理硬锌 的生产过程中，尽管石墨电极是易消耗部件，但如果 其使用寿命太短，更换电极过于频繁，不仅增加了维 护工作量及生产成本，而且严重影响生产炉次的顺 利延续，从而大大降低硬锌处理量。

因此分析影响石墨电极寿命的因素，找出行之有 效的对策，提高电极的使用寿命，对保证生产顺利进 行，提高硬锌处理量和降低生产成本具有重要意义。

１石墨电极易损原因分析

１．１石墨电极的特性 石墨电极是将石油焦等骨料和沥青等粘结剂混 合在一起压型成规定的形状，经焙烧、浸渍、石墨化 等工序处理后，再经机械加工而成。真空蒸馏炉采 用石墨电极作为发热体是由于它耐高温、加工容易、 价格便宜。石墨材料的电阻较小，可以在加热体断 面积较大的情况下采用低电压大电流的电源，而且 其电阻随温度的变化不大。石墨电极在真空和低于 ２０００℃的温度下使用，其蒸汽压很低，几乎可以忽 略；而２ ５００℃以下其机械强度随温度的上升而不断 作者简介：蔡启春（１９７６一），男，工程师，主要从事冶金机械设计与管 理工作。 提高。

１．２石墨电极的结构 真空炉使用的石墨电极每炉共有三组，一组由 两根石墨棒及电极螺母组成，具体结构如图１和图２ 所示。 一Ｅ正三三三碧—－ 图１石墨棒 嘲国励图２电极螺母

１．３石墨电极损耗的原因分析 真空蒸馏炉的正常工作条件为真空度５００。 ２０００ Ｐａ，温度为９５０—１ ０５０ ｃＣ；在这～条件下，石 墨电极的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略不计，因 此其使用寿命取决于其氧化程度和机械、电气故障 引起的裂断情况。

１．３．１石墨的氧化损耗 石墨的氧化分为干式氧化（空气、水、碳酸气）和 湿式氧化（酸、碱）。石墨在高温下易被空气、水、碳 酸气（ＣＯ：）氧化生成一氧化碳或二气化碳，其氧化时 的生成物随环境温度的不同而不同： ２Ｃ＋０２＝２Ｃ０（１ ０００℃以上） Ｃ＋０２＝Ｃ０２（１ ０００ ｏＣ以下） 石墨氧化生成物容易逸散，不能象在一些金属 万方数据 湖南有色金属 第２６卷 表面上那样形成致密氧化膜保护层，所以氧化反应 是连续进行的。石墨开始氧化的温度及反应速度在 各种情况下是不同的，如果把２４ ｈ内损失原来重量 Ｉ％的温度定为氧化开始温度，则石墨的氧化开始温 度如下：

（１）在空气中：４２０—４６０℃；

（２）在碳酸气 中：约９００℃；

（３）在水蒸汽中：约７００℃。石墨在空 气中和碳酸气中的氧化速度列于表１。 表ｌ 石墨在空气中和碳酸气中的氧化速度 温度／＊Ｃ 氧化速度／ｇ�9�9 （ｇ．ｈ）一 空气 碳酸气 一般来说，气孔率特别是开口气孑Ｌ率大的石墨， 参与反应的表面积也大，当然氧化速度也快；石墨制 品的石墨化程度越高，其耐氧化的性能就越好。石 墨制品的骨料也对耐氧化性有着重要影响，以石墨 化性好的石油焦和天然石墨等骨料的石墨制品，其 耐氧化的性能优良。微量金属杂质的存在会明显地 促进石墨干式氧化反应。在石墨的生产过程中，通 常容易以杂质形式存在的金属有钠、钾、镁、钙、铁、 钒、铜、铝、钛等，其中钠、钾、钒、铜的存在，对石墨的 氧化反应起催化作用，随着氧化反应的进行，这些金 属杂质颗粒在材料中移动，并形成缺陷或孔隙，这一 现象在较低温度的氧化反应中比较明显。根据资料 表明，当人为添加某些金属杂质时，如加入２０～４０ ／．ｔｇ／ｇ的钠、钾、钒或铜，可将５５０℃下的氧化速度提 高５倍。

１．３．２ 电极短路或受挤压断裂 真空炉采用石墨电极作为加热元件，安装时要 求电极组件之间接触良好，上下方向保持水平，电极 螺母端在安装窗口周边要预留膨胀隙。同时电极组 件的两端与炉壳保持有良好的绝缘性能。由于安装 窗口的密封不良，加料小车内锌蒸气通过密封材料 的缝隙进入电极螺母或电极连接卡板内，并冷凝成 锌块，随着冷凝成锌块的不断增长，最终会与炉体铁 壳接触导致电极短路而损坏电极。炉壳、电极托板 变形后，通常造成石墨电极螺母端的膨胀隙预留不 足，送电升温后电极螺母受安装窗口周边的炉墙不 同程度的挤压，电极很快断裂。

１．３．３电极加工质量、安装质量 电极加工质量和安装质量对电极的使用寿命也 有着十分重要的影响。电极以及电极接头的连接螺 纹加工粗劣或公差配合不符合标准，均会造成电极 与接头连接时过松或过紧，过松会出现接触不良拉 弧烧坏电极和接头；过紧则容易在装配时损坏螺纹； 装配电极时，在电极与电极接头旋合过程中，动作粗 鲁同样会造成螺纹的损坏而造成电极报废。 另外，水冷电极缺水时，由于电极连接卡板的热 量得不到及时的带走，也会引起电极与卡板之间接 触不良故障，从而烧坏电极连接卡板，严重的会出现 拉弧烧损电极与电极连接卡板。 ２降低电极损耗的措施 ２．１石墨电极氧化的预防及抑制

２．１．１石墨电极氧化的预防 真空炉工作温度下使用石墨电极，必须考虑预 防氧化问题，在新砌或检修真空炉时，如果炉体得不 到充分干燥，投产后产生大量的水汽，会造成电极极 大的氧化消耗。而确保真空炉内的真空度，对预防 电极氧化也是十分重要的。抽真空的目的是将炉内 的气体排除，并且完成炉内材料吸气和水分的解吸 过程，在真空状态下升高温度对固体物质快速彻底 排气有很大作用，图３表示了在室温和烘烤时出气 过程的Ｋ—ｔ曲线。常温下，出气常数随时间变化曲 线如图３中的曲线１：时间长，Ｋ逐渐减少，排气缓 慢；如增加烘烤（升温），出气常数随时间变化如曲线 ２：Ｋ值提高，排气加快。新砌或大修的真空炉升温 结束后（未安装电极），立即密封抽真空，利用炉内的 升温余热（６００—６５０℃），达到在真空状态下烘烤脱 气的目的。一般材料吸附水气在３００℃以上的温度 下，不断快速彻底释放出来。对暂不运行的真空炉， 完成上述工作后保持密封，对阻止炉内材料重新吸 附气体和水分也是十分有利的。 ｌＤ＿４ 妊靶Ｉｆ”１０－６ 丑１０－ｅ １１０ １０２ １０３ ，／ｈ 图３抽气过程中的出气情况 １一室温下；２一烘烤时 万方数据 第ｌ期 蔡启春：真空炉石墨电极损耗的原因分析及减损措施 ５５ 实践证明，上述方法是可行及有效的。

２．１．２涂层、浸渍保护抑制电极氧化 石墨在较低温度特别是在真空环境下的氧化反 应比许多金属缓慢，但是由于反应生成物是二氧化 碳和一氧化碳气体，容易逸散，不能象在一些金属表 面上那样形成致密氧化膜保护层，所以氧化反应是 连续进行的。涂层法和浸渍法是抑制氧化的主要方 法。比较常用的方法是碳化硅涂层和磷酸盐浸渍防 止氧化，抑制氧化的效果如图４和图５所示。在真 空炉实践应用中，由于进出料时电极的温度波动，碳 化硅涂层与石墨基体中是物理性结合，密合性较差， 二者的热膨胀系数存在差异，涂层易脱落，效果不理 想。而与电极生产厂家的探讨，使用磷酸盐浸渍防 止氧化的效果是明显的。 ２４ 芝２０ §１６ 奋１２ ■８ ４图４ ＳｉＣ涂层 图５磷酸盐浸渍

２．２改进炉内结构。预防电极短路和挤压 为了阻止锌蒸气串入而造成短路，从电极两端 的安装窗口内的密封材料人手，对原有的密封材料 和密封方式进行了多次改良试验，以硅酸铝纤维、耐 火砼和高温水泥作密封材料，可有效阻止锌蒸气的 串入，预防电极短路的效果十分明显。同时对炉内 电极托板采取了水冷降温、耐火砼保护等措施后，大 大减缓了托板的变形，从而有效保护了电极。

２．３确保电极质量和提高电极安装质量 安装之前，仔细检查电极和电极连接螺母上的 螺纹质量，并吹扫干净电极和电极连接螺母。扶稳 连接螺母，将电极垂直连接对孔后，顺时针轻轻旋入 电极，确认旋合到位后，用卡具一次用力旋紧。旋入 过程中用力应均匀，如旋入困难，应立即退出检查， 不能强行旋入。组装好的电极人炉安装时，从电极 安装窗口平行进入炉内，小心与对应的电极连接卡 板连接孔对好位后，用力一次将电极推至孔底，再均 匀用力将连接卡板的螺栓锁紧。安装好的电极连接 螺母在安装窗口四周应留有大致相等的问隙，上抬、 下压、偏左、偏右等造成间隙过小或无间隙，应立即 停止安装或拆除重新安装。

３结束语 综上所述，采取了以上的措施后，电极损耗大的 问题得到了有效解决，电极使用寿命有了很大提高， 从以前的平均３０多炉次提高到了平均５０炉次以 上，并且创造了最高８３炉次记录，从而极大地降低 了更换、维护工作量及生产成本，提高了生产能力， 效益可观