【视频】一文看懂石墨电极与炼钢的关系：对电弧炉冶炼中石墨电极消耗及使用的探讨-泰科钢铁

对电弧炉冶炼中石墨电极消耗及使用的探讨随着中国经济的快速发展，各行各业对特殊钢材的需求越来越广泛，致使电弧炉炼钢技术发展十分迅速宁化人才网，大容量超高功率电弧炉和大型炉外精炼技术已经成为现代化钢铁行业的标志。国内现有100T以上粗炼电弧炉18台，变压器容量65~150MV*A；50~100T的电弧炉约有30台，变压器容量35~85MV*A；40~300T的LF精炼炉有126台，变压器容量10~45MN*A。这些电炉均使用不同规格的超高功率石墨电极。随着电弧功率的不断提高，冶炼工艺技术的不断优化，对石墨电极的理化指标要求越来越高具消耗指标越来越低。从大型化大容量化的超高功率电弧炉的平均消耗水平来看，吨钢电极消耗从过去平均3.5KG/T降到了1.2KG/T，而LF炉的平均消耗均低于0.5KG/T。由于石墨电极在冶炼中占有一定成本的比例而且消耗量很大，所以各使用厂家对石墨电极的消耗和使用效果均十分看重，而且也列入到生产中作为一项重要的考核指标。本文对炼钢中石墨电极消耗和使用进行剖析。1 石墨电极的消耗机理石墨电极作为电弧炉冶炼中的导电材料，其消耗随着电功的消耗而生成比关系。现代电弧炉炼钢以电能和化学能为热能源，来实现炼钢过程中四脱（P、C、O、S）、二去（气、杂）、二调（温度、成分）的目的，石墨电极的使用性能在用户中主要体现在是否适用和消耗多少，而电极的消耗除与自身质量有着直接关系。石墨电极在电弧炉冶炼中的消耗主要由以下几部分组成。
1.1 电炉内的石墨电极端部与外圆表面的消耗石墨电极在电弧炉内送电中产生的电弧有长、中、短弧之分鼓浪听涛，而熔化炉料和升温则取决于电弧功率。弧长与二次电压成正比关系，与二次电流和升温速度成反比。为提高冶炼速度而大幅度缩短冶炼时间，均采用强制吹氧的高化学能操作枭之城，这对石墨电极的抗氧化性和抗热震性提出了更高要求。冶炼中石墨电极的端部消耗包括——电弧高温中产生的升华，与钢水和钢渣接触中产生的化学反应。石墨电极的氧化损失约占总消耗的2/3左右，其氧化损失是单位氧化速度与面积的积且与时间有正比关系，冶炼中加热时间越长消耗越大，所以在电弧炉电极上安装水冷喷淋系统是十分必要的。正常冶炼中石墨电极进入钢水的含碳量一般为0.01%左右，其端部消耗开关呈非锥尖状为正常现象。1.2 在冶炼中产生的石墨电极的残体消耗残体消耗是指冶炼中最下支电极因故掉入炉内并成为最终废品而脱离生产过程的非生产性消耗部分。残体的产生不仅与接头和电极的内在质量有关，而且还一民炉内布料分布、炉内气氛和送电操作等因素有磁卡直接关系。主要的外观现象有：残体底端部有“人”字型裂纹且有大型纵裂或劈裂；连接处不严密致使接头先行氧化而脱落或折断；连接不到位或配合不好而产生脱落或折断；电极受外力作用发生接头或孔底部折断；电极受外力作用发生接头或孔义部折断；炉内布料不合理致使穿井后塌料面积大或送电曲线操作不合理均能造成电极严重折断；电极本身质量差等。这部分损失在保证电极质量的前提下，正常生产中产生的量不大，但直接使用者对此却很重视。1.3电极表面氧化剥落并伴有开列和掉块的消耗在正常冶炼生产中，若石墨电极表面出现凸凹不平或伴有剥落和掉块现象，那么 在钢水中就存在了增碳问题。这种现象一方面反映出了电极的抗氧化性能和抗热震性能差；另一方面则是冶炼中水平吹氧时间过长或吹氧量过大而造成炉内和炉上严重富氧，致使电极过氧化损失加大；第二是如果存在严重的脱落现象，还必须要考虑到电极的问题。这种非正常消耗是对产品内在质量和技术服务水平的一种考验。1.4 冶炼中石墨电极折断所造成的直接损失石墨电极在所有的电炉冶炼中产生折断是常见现象，也是影响消耗的最主要因素。在复杂的环境中连续消耗使用偶尔发一折断是正常现象，但连续发生折断就不正常了。究其原因与诸多因素相关。总体看可分为：人为折断和机械折断李献良。人为折断主要包括：吊运中磕碰、划伤，连接不到位或方法不当，平持器中滑动不当，硬碰撞或传动控制灵敏度差等。机械折断中除机械故障外，电极质量问题和操作问题往往是同时存在而且很难分清。主要存在以下现象。1.4.1电极本体折断现象一是电极可能有结构缺陷可强度较低；二是冶炼中穿进后仍短弧操作而有较大塌料的侧向撞击力；三是炉上三相电极严重不垂直且有挂炉炉渣或刮炉盖现象等。折断时声音很脆很大。1.4.2 电极本体孔底折断现象一是电极端部结构疏松或有暗纹、接头与孔配合不当或材质差异线膨胀系数不匹配；二是整相电极不同心，电极行程过长或升降不灵敏；三是炉内面料不合理，电极下方有不导电物等。折断时声音不大但倾斜较重。1.4.3 接头折断呈不规则现象一是接头加工锥度有差异或接头孔椭圆度过大；二是联接时孔内灰尘多造成接触电阻过大致使接头丝扣局部氧化过快；三是电极联系不到位而未达到力矩要求产生松动；四是把持器倾斜，电极与炉盖孔不同心等。折断时声音脆而小。1.4.4 接头折断呈规则现象一是接头自身质量差异大，接头强度满足不了冶炼炉况的需求；二是电极孔与接头公差配合不当或联接力矩达不到要求产生退扣；三是供电中二次电流波动范围过大或有突增现象，最大瞬间电流远超过额定值1.2倍以上；四是输和功率过大时产生的热震动也过大，电极联接处歇发红而显示电阻过大。折断时声音发闷。2 冶炼中影响石墨电极消耗的因素炼钢工艺中的电弧炉冶炼有粗炼和精炼之分，但均由石墨电极把电能传入电炉内而转变成热能达到升温熔化固体炉料的目的汤玉祥。粗炼是以熔化废钢并排出有害气体和杂质为目的的氧化过程，精炼同是以升温来调整钢种元素和去气去杂质的还原过程。由此可见，电弧炉冶炼就是利用石墨电极调节炉温来实现氧化还原反应而达到炼钢工艺要求的。冶炼中文义的石墨电极的消耗可分为有功消耗，也自然消耗或叫技术消耗。无功消耗是未参加加热过程或未完全参加加热过程的有形消耗，也是非技术性消耗。2.1 影响石墨电极消耗的主要因素电炉炼钢中对石墨电极的消耗贯穿在整个冶炼工艺过程中，其消耗大小受许多因素影响，这里仅为冶炼过程的操作来做以剖析。2.1.1 废钢质量差或配比不当致使造渣效果不好而延长冶炼时间；加料次数和穿井资料增多加大了电极底部的损坏及折断概率；冶炼时间加长是导致电耗与电极消耗与损失上升的直接因素。2.1.2 电炉供电设备与电极规格品种不匹配电弧炉送电是高流低压操作。若供电设备能力过大而超出电极极限负荷时，起弧5~10MIN内电极则有由下至上的发红现象，联接处界线十分明显且大多有折断事故发生；电流过高或波动过大，联接处接善类折断频率提高而且底部消耗呈锥尖状。若供电能力低，炉温在有效中热时间内达不到工艺要求将需延时操作。超负荷与超时操作对石墨电极的损失和消耗是最大的。2.1.3氧化期强制增大化学能和提高冶炼强度冶炼中强制加大吹氧量（一般小于45M3/T）以达到快速熔化和提高炉温，这样易使炉况恶劣而且炉内和炉上呈富状态，使每相电极都处在高温火焰之中。电极处在这种炉况环境时，大多有起层和表面氧化严重现象。2.1.4 电炉的配置和操作的技术性现代电弧炉与传统电炉有本质的差异，超高功率大型化电弧炉及热装炼钢工艺的出现提高了冶炼强度和产能虎门外语学校，从而对石墨电极的质量也提出了更高的技术要求。操作中对送电曲线和挡位的选择，对起弧和稳弧电压电流的控制法师奥义，对长、中、短弧的配合使用，水冷系统的配置和应用等，都对电极的使用寿命和消耗起到了关键作用。2.1.5 石墨电极的质量现在电弧炉的冶炼和工艺对石墨电极的抗氧代性能及抗热震性能要求越来越强烈，而且由于质量波动造成的消耗过高深受直接使用者的极大关注。所以石墨电极质量的均衡性和稳定性是决定消耗大小的最重要因素。2.2 石墨电极消耗高低的对比分析冶炼电弧炉在一定时期内的工艺和运行状况变化不大时，对石墨电极的消耗水平也是基本均衡的。随着炉龄的延长或工艺的变化，对电极的消耗也有所波动则是很正常的。那么，在同一台电弧炉上有同一家的产品是地，其消耗尘埃却被用户着得很重，就些提出的异议已经是普遍现象。任何一种产品的质量都有波动性，但波动的幅度大小则反映出了生产厂家的技术装备水平和综合管理水平。2.3 对冶炼中石墨电极折断的进一步分析电弧炉冶炼中偶发电极折断是正常现象而且是不可绝对避免的，而大型DC和AC及LF电炉的电极则视为事故。处理电极折断残体是操作中最辛苦的工作，其结果必然是消耗过高、加长冶炼周期、产量降低、成本提高。国内一般技术水平的AC电炉，月折断电极5~7次为政党先进的大型DC和AC电炉大多配有控制网络系统，大大降低了人为因素，月折电极小平2次；先进的大型LF炉基本不允许有电极折断现象。电炉冶炼操作中的电极折断原因是比较复杂的，对以下5方面应引起极大关注。2.3.1 冶炼工艺（1）原料配比，电极下方要避免有大块料和不导电物；（2）穿井后产生“搭桥”现象时，要改用长弧操作而避免大的塌料碰击；（3）电极升降与小炉盖必须同心，避免热震动时发生刮碰而折断。2.3.2 送电制度(1)确定初始起弧挡位而按顺序升位（每台炉至少有3条送电曲线）东方神灵庙，避免电流过大波动和炉内长、短弧频繁变化而产生热震动过大；(2)随着炉温升高电极联接处要释放一定的内应力，起弧后通过电极单位面积的电流林有个逐步上升的过程，这就是电极与炉况的适应过程。(3)超载运行，新型电炉的超负荷能力一般不大于20%，若起弧电流超过额定值接头最易发生折断，当电极与炉况适应后即使超载也会正常运行，但有接头发红现象夏玄雪。2.3.3 冶炼炉况（1）配加料和送电操作关系到炉况变化，但吹氧、烧嘴燃汽和燃油则是恶化炉况的关键。化学能的利用降低了电耗，但加大了电极表面和上端面的氧化程度。特别是负压过大时加快了电极表面的氧化速度，而使电极本体表面锥型化。（2）炼钢过程就是造渣的过程。化学能的使用加大了钢水的搅动力而更利于泡沫渣的产生，钢水沸腾、渣层厚度、渣液流动性和埋弧效果不仅关系到冶炼效果，而且对电极的底部增碳消耗和掉头及圆周表面消耗也关系重大。（3）炉恶化中的操作是频繁变化的，电极上震动并伴有左右摆动。电流的频繁变化加大了热震动，对富氧环境中的石墨电极不仅加快了表面消耗，而且对联接部位（接头强度）也是考验。2.3.4 电极储运（1）现场存储电极中要避免与液体介质接触，否则受热后将出现鱼鳞状掉块。（2）现场存放接头中要避免与高温热源接近，否则受热后接头拴易熔化流出。2.3.5电极质量对大型UHP和HP上限的电炉，所提供的石墨电极必须要提高实物质量。（1）一定消除结构缺陷或强度不足问题，否则在冶炼第一包料送电1~3min就会发生接头折断事故。（2）电极端面的加工精度也至关重要，若有缝隙就会产生透气现象并伴有局部发红。送电10min左右联处明显发红，连续冶炼2~3炉后其内扣易氧化而发生折断或脱落事故。（3）公差配合问题必须时刻关注，不论是松动还是连接不到位，只要有缝隙就会发生折断或脱落。从使用情况来看，部位出现的问题大多是由公差配合所引发的。3 电炉冶炼中对石墨电极消耗的计算冶炼过程中计算电极消耗有净耗和毛耗两个并存的概念（含矿热炉），净耗是指冶炼中电极被高温升华、氧化和参加反应掉的技术性水泵毛耗则是净耗与未参加完冶炼而损失的和。现阶段钢铁行业都以毛耗来评价石墨电极的实物质量。3.1产量法产量法是以一定时期产出的钢水量（成品）为基数，以同期内石墨电极的投入量扣除炉上剩余量为消耗量。吨钢石墨电极的毛耗：MM=MZ/MG吨钢石墨电极的净耗：MJ＝MC/MG其中：MZ为电极的总消耗量（投入量-炉上剩余量），KG/T；MC为电极的纯消耗量（投入量-炉上剩余量-损失量），KG/T；MG为钢水的成品量，T。3.2电耗法电耗法是以一定时期内纯加热时间的电耗累计量为基数，以同期内石墨电极的投入量扣除炉上剩余量为消耗量（LF炉则以每升温1℃耗电和电极来计算）。每千瓦小时电极的消耗量：MX＝1000*MC/QH其中：MC为电极的纯消耗量（投入量-炉上剩余量-损失量），KG/T；QH为纯加热时间内的电耗累计量，KW*H。产量法基本以毛耗为计算方法，均以成品产出量为计算基数。电耗法虽然未考虑冶炼技术消耗以外的损失部分，但钢厂的考核中最终还是要考虑这部分损失的，这种方法对电极的批次间质量会有比较明显的对比。综上所述，现阶段在冶炼中对石墨电极的消耗评价是不公平的，作为炭素行业应积极推荐综合评价法。也就是以产量法来行业应积极推荐综合评价法。也就是以产量法来评价石墨电极的整体质量水平和适应怀；以电耗法对批次间的电极质量和炉况做出对比；同时还要考虑到冶炼中的其他消耗。以此使供需双方共同关注电极质量的同时，也对电炉炉况的变化加以关注，从而达到在优化使用电极中促进操作最佳状态的目的。4 冶炼中降低石墨电极消耗的主要途径在冶炼中如何降低三围电极消耗既是炭素厂家的技术所在，也是冶炼厂家配合使用和优化电炉操作的重要工作。就冶炼中石墨电极的消耗问题，首先要解决的就是接头折断问题，其次要考虑的则是抗氧化和抗热震性。这就是要求我们首先要了解冶炼行业的发展、冶炼工艺、电炉和操作的技术性，然后有针对性地进行技术研究、科学地组织生产、实施有效的技术服务。只有这样才能达到生产和使用相适应的目的。下面主要从冶炼生产中来加以讨论。4.1 新型电炉技术的降耗大型UHP和LF电炉的建立为钢铁行业的规模发展奠定了坚实的基础。产能大、能量消耗低是新型冶炼技术的特点。大型电弧科学地采用了大流量的化学能（占总耗能的60%~70%），炉低烧咀和自动氧枪及预热竖井的使用有效地了电耗与电极消耗的60%以上；水冷系统的应用大大地提高了炉龄和降低材料的消耗，特别是喷淋水冷使石墨电极的单耗至少降低了1/3；化学能的利用至少缩短了一半的冶炼周期，大幅度提高了产量，所以电极的单耗在下降。4.2热装冶炼工艺的降耗钢铁行业在发展大型电炉的同时，近年来也向转炉和高炉大型化延伸，新建的高炉大多在2000M3以上（国内最大的为4050M3）；铁水转炉化冶炼配LF和电炉热装铁水（一般在40%~60%）已成为普及的冶炼工艺技术；热装铁水有效地缩短了冶炼周期，降低了电能和化学能及各种材料的消耗，特别是把石墨电极的单耗和需求量都降了下来。新型电炉有完美的配套设施，引进技术对石墨电极的选择防止了大马拉小车却产生了小马拉大车的问题，这对国产电极是个挑战。阻抗电炉操作和炉内自动监控系统，对电极的控制和有效使用及减少损失发挥了极大的作用，大型电炉的电极折断率小于2%。对老电炉的改造也配套了必要的设施，对供电设备的选择大多是走上限，从而出现了准UHP和准HP电炉，无形中把同品级石墨电极的实物质量要求又提高了档次，如：30T AC高阻搞电炉草木皆兵，使用φ450MM HP和FG电极的消耗相关1KG左右，电极折断率小于3%，而且得到了用户的好评，也是炭素技术的一大进步。4.4 严控送电制度中的降耗严控送电制度是保证正常冶炼的前提，不同的钢种和冶炼工艺有相对应的起弧电压及电流挡位，防止电流波动过大并严控电流峰值工作时间。从而有效地防止了电极发红和无功氧化消耗及炉内折断。4.5 规范使用中的降耗炭素厂家必须严格要求或现场指导用户对电极的储运保管和电极的联接。特别是电极的联接技术，原则上大规格电极必须要求炉下连接；连接时避免冲撞产生螺纹碎块且一定保持上支电极的始终垂直状态；均匀旋合到8~10MM时再用惯性锁紧，而后再用长臂扳手施加预紧力矩拧至不能旋合为止，有缝电极不能上炉；若相序问题且连接很好时，最好不要打固定销子。这些基本要求的目的是为了避免产生折断和脱落损失。另外还需特别的注意的事项有，火焰高时最上节要及时续接加高电极，防止丝扣损坏；滑动电极时必须要有软连接，避免发生硬碰撞；把持器与电极必须保持垂直，防止与小炉盖刮碰电极；避免氧枪直对炉内下支电极等。曹小小这是对电极使用技术的性要求，目的也是避免和减小电极的直接损失。5 冶炼技术的发展趋势及电极需求中国钢铁行业的电弧炉向大型化方面迅速发展已成趋势，其特点是输出功率大，稳定功率系数，送电为长弧操作并向节电降耗方向发展。因此新型大电炉与过去的传统电弧炉相比均有很大变化。现代电炉技术十分关注电炉能源问题，采用的煤气射流枪和自动碳氧枪使吨钢可降低电极消耗0.3~0.5KG；伴随热装技术工艺的推行，使冶炼时间明显缩短，电耗和电极消耗明显下降。大型电弧炉均采用大容量变压器而且超载能力均在20%，由此来看，钢铁冶炼中对石墨电极的要求越来越高，特别是对电极的质量均衡性、导电性、抗热震性，抗氧化性。对于中型或偏大型电弧炉及LF电炉却出现了功率性下线问题，即：UHP电炉走下线用高功率电极，HP电炉走下线用普通功率电极，这种电炉的出现是对企业的挑战和对传统制品的考验，也是迫使厂家提供出低价优质的准高苏北和准超高苏北的产品。因钢铁发展已过了量的关湖大个人门户，在向精品和特殊品种方向发展。大型DC和AC电弧也已经定型到位；高产能、大规模、大型化的高炉配套双工位LF炉已成为新的发展方向。如：马鞍山钢厂和武汉钢厂新上300T的双工位LF炉，用φ500MM UHP电极，消耗小于0.5KG/T。另外矿热炉大型化也已初具规模，如：云南澄兴集团新建宣威磷电已投产6台22MV*A矿热炉。现在市场对石墨电极的需求已向多品种和增量方向发展。其中：UHP石墨电极的年需求量将达到10万T；HP石墨电极的年需求量至少18万T；HP石墨电极大规格φ500MM和φ600MM电极也在向增量方向迈进（矿热炉为主）。
来源：制造工业联盟
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