石墨电极在黄磷冶炼中的应用

石墨电极在黄磷冶炼中的应用

近年来我国的黄磷企业迅速扩增，其产品不仅遍及全国各地，而且已形成了大量出口的趋势。黄磷冶炼行业的崛起，为炭素厂家又增加了一大市场。仅我国西南地区年产黄磷制品就近百万吨，年耗石墨电极约3万t。因此，石墨电极如何适用于电炉冶炼黄磷的技术课题，已经提到电极生产厂家的面前。人造石墨电极具有良好的导电、导热、耐高温氧化、耐腐蚀性能，是黄磷冶炼炉理想的导电电极。石墨电极的生产工艺过程，一般是将石油焦、沥青焦等炭质原料经煅烧后，再加粘结剂沥青进行混捏、凉料后经挤压成型而形成生制品，生制品再经过1 300 ℃焙烧后成为半成品，半成品再经过2 300 ℃石墨化、机械加工而得到石墨电极成品。目前，炭素企业生产的石墨电极，其部分规格的理化指标列于表1。表1 石墨电极的主要理化指标

规格/mm 品种电阻率/μΩ.m 体积密度/kg/cm3 抗折强度/MPa 弹性模量/GPa 热膨胀系数/×10-6/℃灰分/%

本体接头本体接头本体接头本体接头本体接头

600 UHP 6.5 4.5 1.66 1.75 10.0 18.0 14.0 22.0 1.40 1.20 0.5

500 HP 7.0 6.5 1.60 1.70 9.8 14.0 12.0 14.0 2.20 2.40 0.3

500UHP NP 9.0 8.5 1.52 1.68 6.4 12.7 9.3 13.7 2.90 3.20 0.5

1 黄磷冶炼与石墨电极的消耗

工业上依黄磷冶炼中的热源不同，黄磷冶炼方法可分为电炉法和高炉法。目前我国的黄磷冶炼工业主要以电炉法为主，这种冶炼方法实收率高，产品纯度高。电炉法生产是将磷矿石、硅石和焦炭的混合料加入电炉内，由通过炉盖的石墨电极（作为导电极）将电能转变成热能，从而把混合料加热至熔融状态，使元素磷升华后再将含磷气体进行冷凝、分离和精制而得到元素磷。黄磷冶炼的工艺过程如图1。

在黄磷冶炼过程中，关键是电炉操作，而对石墨电极的操作又是其中最重要的环节。

1.1 黄磷冶炼中石墨电极的选择

目前国内的黄磷冶炼电炉基本是三相交流矿热炉，其供电可等三相交流电弧炉大同小异，变压器二次侧电压和电流也均有相对应的级数，每台炉上由三支可上下移动的电极夹持器将电能传入炉内，每相石墨电极柱由3～4根电极连接而成。现阶段黄磷冶炼中常用的电炉设备及主要参数汇总见表2。

表2 黄磷冶炼电炉主要参数汇总表

电炉产能/t/a 变压器容量/kVA 二次电压/V 二次电流/A 电极直径/mm 电极单耗/(kg/t)

7000 16500 136～360 25000～32000 600 18～24

4000 7500 124～360 14000～20000 500 25～40

3000 6300 120～360 12000～20000 500 28～40

2500 5500 120～360 10000～18000 500 25～35

由于炉型、产量和变电设备不同，所以选择既满足电炉技术要求，又经济适用的石墨电极就显得十分重要了。石墨电极的品种选择主要依据电炉及供电设备的技术参数，而规格的选择还需满足如下关系式：

式中D——电极直径，mm；

I——通过电极的电流，A；

J——电极电流密度，A/cm2。

在黄磷冶炼中，电炉的功率、电压、电流是控制电炉操作的重要参数，也是影响电炉效率的直接因素。电炉操作借助变压器的级数变化和电极升降来控制炉内电流大小，从而保证炉子的功率。一般通过提高电压来控制功率，这有利于减少石墨电极的消耗。

1.2 冶炼中影响石墨电极消耗的重要因素

在黄磷电炉冶炼中，对石墨电极消耗产生影响的主要因素有以下几个方面。一是磷矿品位低，这是电耗大和电极消耗高的主要因素；二是还原剂导体焦炭的粒度过大或用量过高，是造成电极消耗高的直接原因；三是炉渣的含磷量过高，结果是产量低，电极消耗高；四是石墨电极频繁折断，造成无理消耗。选矿、

配料和加料均匀性，对电极的消耗有明显的影响。一般在中小电炉生产中，每产出1吨大约要消耗石墨电极20～40 kg。

1.3 产生石墨电极折断现象的剖析

黄磷冶炼属于炉体密闭、电极掩埋式的全封闭操作，若炉内未设置监控系统，就只能靠计量表来进行操作，所以冶炼中电极折断虽然很少发生，但是还是不可避免的。但电极折断事故的发生确是该行业生产中最为忌讳的事情。电极折断的原因是比较复杂的，但主要体现在以下几个方面。

1）向炉内下料不均，炉料堆积，倾向一侧，至使电极所受的侧压力失衡，产生折断。

2）炉上电极吊架不平衡，使整相电极歪斜且在炉内所受应力不均而产生折断。

3）炉下料熔融后炉内上部易有悬料下塌，若不能及时发现和调整电极位置，塌料的瞬间侧压力猛增可至电极折断。

4）原料质量差、粒度不均、水分和粉沫量过大，都易产生送电不稳，频繁升降电极，在控制不当时则易产生电极折断。

5）炉内炉料堆积面与上盖间距离过大（一般在0.5～0.8 m），电极连接处进入该区间时若有侧压力失衡，就易发生折断（大部分折断事故均在这一区间内发生）。

6）炉上连接电极时，接头连接不到位或连接上支电极时力矩不足，至使运行中的电极发生脱扣，连接处先被氧化，在炉内侧压力变化时连接处就极易被折断。

7）在停送电时，电流和电极升降控制不当，则易产生振动而使炉内应力发生变化也易造成电极折断。

8）电极抗氧化性极差，接头抗折强度过低或公差配合不当，均属电极质量问题也易产生折断现象。

2 使用石墨电极时应采取的必要措施

在黄磷冶炼电炉上使用石墨电极应根据生产实际和电极的技术性能来采取必要的措施，主要从以下几个方面入手。

1）强化技术和现场管理。对配料、给料、送电、排渣和冷凝等必须严格执行工艺技术规程。对送电（正常送电、不正常送电）、停电和不正常现象处理要制度化，要制定出排除相应问题的措施方案。