真空爐石墨電極損耗的原因分析及減損措施

作者:jcadmin 發布時間:2022-04-14 15:35:45

真空爐石墨電極損耗的原因分析及減損措施

 摘要:石墨電極的使用壽命在~定程度上決定了硬鋅真空蒸餾爐的生產能力和生產成本,文章對 真空爐使用的石墨電極損耗的原因進行了分析,結合生產實際,提出降低石墨電極損耗的措施,收 到良好效果。

關鍵詞:真空爐;石墨電極;氧化損耗

韶關冶煉廠采用臥式真空爐處理硬鋅,回收鋅、 鍺、銦等有價金屬,與原有處理工藝隔焰爐一電爐法 相比,有價金屬的回收率、安全環保等指標有了大大 提高,創造了可觀的經濟與社會效益。硬鋅真空蒸 餾爐采用石墨電極作為發熱體,將電能轉化為熱能, 是真空蒸餾爐中十分關鍵的部件,它在一定程度上 決定了真空爐的工作能力。在真空蒸餾爐處理硬鋅 的生產過程中,盡管石墨電極是易消耗部件,但如果 其使用壽命太短,更換電極過于頻繁,不僅增加了維 護工作量及生產成本,而且嚴重影響生產爐次的順 利延續,從而大大降低硬鋅處理量。

因此分析影響石墨電極壽命的因素,找出行之有 效的對策,提高電極的使用壽命,對保證生產順利進 行,提高硬鋅處理量和降低生產成本具有重要意義。

1石墨電極易損原因分析

1.1石墨電極的特性 石墨電極是將石油焦等骨料和瀝青等粘結劑混 合在一起壓型成規定的形狀,經焙燒、浸漬、石墨化 等工序處理后,再經機械加工而成。真空蒸餾爐采 用石墨電極作為發熱體是由于它耐高溫、加工容易、 價格便宜。石墨材料的電阻較小,可以在加熱體斷 面積較大的情況下采用低電壓大電流的電源,而且 其電阻隨溫度的變化不大。石墨電極在真空和低于 2000℃的溫度下使用,其蒸汽壓很低,幾乎可以忽 略;而2 500℃以下其機械強度隨溫度的上升而不斷 作者簡介:蔡啟春(1976一),男,工程師,主要從事冶金機械設計與管 理工作。 提高。

1.2石墨電極的結構 真空爐使用的石墨電極每爐共有三組,一組由 兩根石墨棒及電極螺母組成,具體結構如圖1和圖2 所示。 一E正三三三碧—- 圖1石墨棒 嘲國勵圖2電極螺母

1.3石墨電極損耗的原因分析 真空蒸餾爐的正常工作條件為真空度500。 2000 Pa,溫度為950—1 050 cC;在這~條件下,石 墨電極的蒸汽壓很低,其揮發損失可以忽略不計,因 此其使用壽命取決于其氧化程度和機械、電氣故障 引起的裂斷情況。

1.3.1石墨的氧化損耗 石墨的氧化分為干式氧化(空氣、水、碳酸氣)和 濕式氧化(酸、堿)。石墨在高溫下易被空氣、水、碳 酸氣(CO:)氧化生成一氧化碳或二氣化碳,其氧化時 的生成物隨環境溫度的不同而不同: 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,不能象在一些金屬 萬方數據 湖南有色金屬 第26卷 表面上那樣形成致密氧化膜保護層,所以氧化反應 是連續進行的。石墨開始氧化的溫度及反應速度在 各種情況下是不同的,如果把24 h內損失原來重量 I%的溫度定為氧化開始溫度,則石墨的氧化開始溫 度如下:

(1)在空氣中:420—460℃;

(2)在碳酸氣 中:約900℃;

(3)在水蒸汽中:約700℃。石墨在空 氣中和碳酸氣中的氧化速度列于表1。 表l 石墨在空氣中和碳酸氣中的氧化速度 溫度/*C 氧化速度/g?9?9 (g.h)一 空氣 碳酸氣 一般來說,氣孔率特別是開口氣孑L率大的石墨, 參與反應的表面積也大,當然氧化速度也快;石墨制 品的石墨化程度越高,其耐氧化的性能就越好。石 墨制品的骨料也對耐氧化性有著重要影響,以石墨 化性好的石油焦和天然石墨等骨料的石墨制品,其 耐氧化的性能優良。微量金屬雜質的存在會明顯地 促進石墨干式氧化反應。在石墨的生產過程中,通 常容易以雜質形式存在的金屬有鈉、鉀、鎂、鈣、鐵、 釩、銅、鋁、鈦等,其中鈉、鉀、釩、銅的存在,對石墨的 氧化反應起催化作用,隨著氧化反應的進行,這些金 屬雜質顆粒在材料中移動,并形成缺陷或孔隙,這一 現象在較低溫度的氧化反應中比較明顯。根據資料 表明,當人為添加某些金屬雜質時,如加入20~40 /.tg/g的鈉、鉀、釩或銅,可將550℃下的氧化速度提 高5倍。

1.3.2 電極短路或受擠壓斷裂 真空爐采用石墨電極作為加熱元件,安裝時要 求電極組件之間接觸良好,上下方向保持水平,電極 螺母端在安裝窗口周邊要預留膨脹隙。同時電極組 件的兩端與爐殼保持有良好的絕緣性能。由于安裝 窗口的密封不良,加料小車內鋅蒸氣通過密封材料 的縫隙進入電極螺母或電極連接卡板內,并冷凝成 鋅塊,隨著冷凝成鋅塊的不斷增長,最終會與爐體鐵 殼接觸導致電極短路而損壞電極。爐殼、電極托板 變形后,通常造成石墨電極螺母端的膨脹隙預留不 足,送電升溫后電極螺母受安裝窗口周邊的爐墻不 同程度的擠壓,電極很快斷裂。

1.3.3電極加工質量、安裝質量 電極加工質量和安裝質量對電極的使用壽命也 有著十分重要的影響。電極以及電極接頭的連接螺 紋加工粗劣或公差配合不符合標準,均會造成電極 與接頭連接時過松或過緊,過松會出現接觸不良拉 弧燒壞電極和接頭;過緊則容易在裝配時損壞螺紋; 裝配電極時,在電極與電極接頭旋合過程中,動作粗 魯同樣會造成螺紋的損壞而造成電極報廢。 另外,水冷電極缺水時,由于電極連接卡板的熱 量得不到及時的帶走,也會引起電極與卡板之間接 觸不良故障,從而燒壞電極連接卡板,嚴重的會出現 拉弧燒損電極與電極連接卡板。 2降低電極損耗的措施 2.1石墨電極氧化的預防及抑制

2.1.1石墨電極氧化的預防 真空爐工作溫度下使用石墨電極,必須考慮預 防氧化問題,在新砌或檢修真空爐時,如果爐體得不 到充分干燥,投產后產生大量的水汽,會造成電極極 大的氧化消耗。而確保真空爐內的真空度,對預防 電極氧化也是十分重要的。抽真空的目的是將爐內 的氣體排除,并且完成爐內材料吸氣和水分的解吸 過程,在真空狀態下升高溫度對固體物質快速徹底 排氣有很大作用,圖3表示了在室溫和烘烤時出氣 過程的K—t曲線。常溫下,出氣常數隨時間變化曲 線如圖3中的曲線1:時間長,K逐漸減少,排氣緩 慢;如增加烘烤(升溫),出氣常數隨時間變化如曲線 2:K值提高,排氣加快。新砌或大修的真空爐升溫 結束后(未安裝電極),立即密封抽真空,利用爐內的 升溫余熱(600—650℃),達到在真空狀態下烘烤脫 氣的目的。一般材料吸附水氣在300℃以上的溫度 下,不斷快速徹底釋放出來。對暫不運行的真空爐, 完成上述工作后保持密封,對阻止爐內材料重新吸 附氣體和水分也是十分有利的。 lD_4 妊靶If”10-6 丑10-e 110 102 103 ,/h 圖3抽氣過程中的出氣情況 1一室溫下;2一烘烤時 萬方數據 第l期 蔡啟春:真空爐石墨電極損耗的原因分析及減損措施 55 實踐證明,上述方法是可行及有效的。

2.1.2涂層、浸漬保護抑制電極氧化 石墨在較低溫度特別是在真空環境下的氧化反 應比許多金屬緩慢,但是由于反應生成物是二氧化 碳和一氧化碳氣體,容易逸散,不能象在一些金屬表 面上那樣形成致密氧化膜保護層,所以氧化反應是 連續進行的。涂層法和浸漬法是抑制氧化的主要方 法。比較常用的方法是碳化硅涂層和磷酸鹽浸漬防 止氧化,抑制氧化的效果如圖4和圖5所示。在真 空爐實踐應用中,由于進出料時電極的溫度波動,碳 化硅涂層與石墨基體中是物理性結合,密合性較差, 二者的熱膨脹系數存在差異,涂層易脫落,效果不理 想。而與電極生產廠家的探討,使用磷酸鹽浸漬防 止氧化的效果是明顯的。 24 芝20 §16 奮12 ■8 4圖4 SiC涂層 圖5磷酸鹽浸漬

2.2改進爐內結構。預防電極短路和擠壓 為了阻止鋅蒸氣串入而造成短路,從電極兩端 的安裝窗口內的密封材料人手,對原有的密封材料 和密封方式進行了多次改良試驗,以硅酸鋁纖維、耐 火砼和高溫水泥作密封材料,可有效阻止鋅蒸氣的 串入,預防電極短路的效果十分明顯。同時對爐內 電極托板采取了水冷降溫、耐火砼保護等措施后,大 大減緩了托板的變形,從而有效保護了電極。

2.3確保電極質量和提高電極安裝質量 安裝之前,仔細檢查電極和電極連接螺母上的 螺紋質量,并吹掃干凈電極和電極連接螺母。扶穩 連接螺母,將電極垂直連接對孔后,順時針輕輕旋入 電極,確認旋合到位后,用卡具一次用力旋緊。旋入 過程中用力應均勻,如旋入困難,應立即退出檢查, 不能強行旋入。組裝好的電極人爐安裝時,從電極 安裝窗口平行進入爐內,小心與對應的電極連接卡 板連接孔對好位后,用力一次將電極推至孔底,再均 勻用力將連接卡板的螺栓鎖緊。安裝好的電極連接 螺母在安裝窗口四周應留有大致相等的問隙,上抬、 下壓、偏左、偏右等造成間隙過小或無間隙,應立即 停止安裝或拆除重新安裝。

3結束語 綜上所述,采取了以上的措施后,電極損耗大的 問題得到了有效解決,電極使用壽命有了很大提高, 從以前的平均30多爐次提高到了平均50爐次以 上,并且創造了最高83爐次記錄,從而極大地降低 了更換、維護工作量及生產成本,提高了生產能力, 效益可觀