石墨化

1 直流石墨化炉

直流石墨化炉(DC graphitization furhace)

以炭素焙烧品和电阻料为炉芯，通入直流电，生产人造石墨制品的一种电阻炉。由于炉芯的电阻(主要是电阻料的电阻)，电流流过时电能即转变为热能，而将炭素焙烧品加热到2000～3000℃的高温，完成石墨化过程而成为人造石墨。它与交流石墨化炉都同属于艾奇逊炉。

简史20世纪60年代，直流石墨化技术在欧美发达国家开始发展起来，它与交流石墨化炉比较，具有容量大、产品质量好、能耗低等显著优点，因而引起世界各国的普遍兴趣和关注。中国直流石墨化炉的起步稍晚。1972年10月北京炭紊厂用3000kV•A整流变压器配9m

的炉子首先应用在生产上，与交流炉相比，不仅送电时间短，而且节电25％以上。1973年1月南通炭素厂用13500kV•A整流变压器配18m的炉子投入生产后，也取得了缩短通电时间20h，电耗降到4000kW•h／t以下的成绩。1975年9月吉林炭素厂16000kV•A的大直流和石家庄石墨电极厂的3340kV•A直流炉同时投产。截止到1986年中国原来拥有的13.6万kV•A的交流石墨化炉，只占当年石墨化炉总装机容量的27％。而直流石墨化炉，装机容量达到了17.5万kV•A，占73％。使中国石墨化技术水平上了一个新台阶。

炉子结构及特点直流石墨化炉和交流石墨化炉除了供电设备不同外，炉子本体的结构完全一样。直流石墨化炉的供电设备由三相交流主调和一变压器及相应的整流设备组成。

以直流电的方式向炉子供电具有如下优点：(1)由于采用的供电变压器是三相的，对电网不会产生三相负荷不平衡的影响。可以增大变压器的容量，可强化石墨化工艺，增大石墨化炉容量。(2)整个供电线路上的功率因数较高，达到0.9以上，对电能的有效利用率得到提高。

(3)直流电没有交变磁场和电感损失，也没有表面效应及l临近效应等电的损失，电效率较高。

石墨化过程的强化直流石墨化炉供电条件的改善为强化石墨化过程创造了条件。由于电网对使用变压器的容量没有限制，可以采用大功率的变压器和整流机组，直流电的损失小，利用率高，所以炉芯可以得到更多的电能。如以适当大小的炉芯相配合，单位体积的功率达到160kW／m3(比交流炉大60％)以上，电流密度达到2.0A／cm2(比交流炉大100％) 以上，具备了这样的条件，就可以实现快速送电，使石墨化的温度在较短的时间内达到2700℃(比交流炉提高约400℃)。由于送电时间缩短，便可以提高炉子产能，降低石墨化的电耗，一般可降到4000kW•h／t以下(比交流炉降低约20％)，石墨化温度的提高，使石墨化进行得更完全，因此提高了产品质量。总之，在直流石墨化炉上可以实现大功率、高电密、快曲线的操作，使石墨化生产达到高产、优质、节电的目标，这便是石墨化过程的强化。以16000kV•A的直流石墨化炉与5000kV•A的交流石墨化炉为例．其技术经济指标见表。

石墨化过程的强化，除了在设备上要采用大容量的整流变压机组，炉子的长度和炉芯面积要适当增加并与变压器匹配外，在工艺操作上还要采取如下措施：(1)采用低电阻率的电阻料

和低热导率、低电导率的保温料；(2)提高焙烧毛坯的质量；(3)采用大小规格搭配装炉法和错位1／2D装炉方法；(4)实现装、出炉机械化，缩短炉子的冷却时间，提高周转率。

2 串接石墨化炉

串接石墨化炉(lengthwise graphitization furnace)

一种直接把电流通入串接起来的焙烧制品，利用制品本身的电阻使电能转为热能，将制品石墨化的一种电阻炉。

简史这种炉型也称卡斯特纳炉，是HY．Castner于1896年首先发明，并获得专利的，其基本原理是将焙烧电极卧放在炉内，按其轴线串接成行，然后固定在两根导电电极之间，为减少热损失，在焙烧电极周围覆盖了保温料。通电后，电流直接流向电极，依靠其本身的电阻发热，并迅速升温，仅10h左右即可达到石墨化需要的温度，使生产周期大为缩短。

串接式炉在送电过程中，电流在电极内分布均匀，从而使得电极在升温时，表里的温差很小，虽然高速升温，却不会导致制品开裂，使得缩短生产周期成为可能，同时由于不依靠电阻料来传递热量，当然也没有这部分的热量消耗，仅这两项，构成了串接式炉比艾奇逊炉更为节能的基础，并且还具有生产操作采用自动化控制，改善劳动条件等优点。

尽管串接式炉在工艺方法上比艾奇逊炉优越，但由于炉子结构本身存在的技术难题，因而在相当长的时期内，世界各国的工业性生产上受到制约，远不如艾奇逊炉得到广泛的应用和发展。到l974年，前联邦德国西格里公司宣布了对串接式炉新的专利申请，1980年美国大湖炭素公司在美建成内串式石墨化车间，1978年前联邦德国KHD公司宣布他们的单排v形串接炉试验成功，可以将产品投放市场，其基本参数是：石墨化温度可生产的电极直径炉内电极排成行的长度生产周期输入的直流电流输入的直流电压电压控制范围一次电压频率电流密度电耗从以上的成果来看，串接式炉已具有和艾奇逊炉相抗衡的实力。

结构炉子的基本结构见图。

从图中可以看出炉子呈v形布置电极，电流经炉子的一端进入，折转至另一端出来，除炉床外，另有活动侧墙和带电极的端墙，外覆钢架内衬耐火材料，一端固定并密封，以母线连接，另一端是活动的，可以补偿电极在石墨化时的膨胀和收缩，而连接机构装在轨道车上，它连接固定铝汇流排和炉子活动端墙的电极，具有大电流绝缘开关和液压系统，为排列成行的电极提供伸缩的接触压力，车上设冷却系统，冷却接触板和电缆。

生产操作轨道车先行定位，电流由汇流排经接触板和水冷电缆送至炉头端墙电极，液压千斤顶将排列成行的焙烧电极相互压紧，并可调节和稳定电极在石墨化过程中产生的胀缩，如直径为声350～650mm的电极石墨化时，电流密度达到25～50A／Cm 2，而炭层接触之间还需维持0．4～1．0MPa的接触压力。

串接式炉能以高达600℃／h的速度升温而不产生裂纹，并且电极直径越大，工艺技术指标越好，恰好与艾奇逊炉生产的情况相反。不过当电极准备送电时，电极的接触面之间必须使接触电阻很低，不然接触面的加热升温将超过电极本身，使接头与本身之间的温差导致接头开裂，解决的办法是除了依靠装在端头的液压设施，给电极加压使之保持紧密接触外，还必须对接触面进行特殊加工，并在加工面上涂抹一层以石墨粉和树脂合成的胶泥，从而获得良好效果。

KHD公司将试验炉与艾奇逊炉做了热平衡对比，表明串接式炉的热效率高达49％，比艾奇逊炉高出一倍。

展望由于串接式炉已在当今工业生产中取得突破，而且它在节约能源，产品质量、生产周期，操作环境等方面均优于艾奇逊炉，欧美及El本各国均已应用于工业性生产。

中国也对内热串接式炉的工艺和设备，进行了大量的理论研究和试验探索，已经取得了初步的研究成果，为串接石墨化技术的开发奠定了基础。