发展内热串接石墨化工艺的必要性

发展内热串接石墨化工艺的必要性

1 从石墨化工艺发展过程看“内串”的必然趋势

石墨化是人造石墨的关键工序之一，人造石墨制品的物理化学性质、生产成本都与石墨化工序有直接关系,所以人们付出了大量的精力和财力去研究解决石墨化工序问题。随着生产实践经验的积累和科学技术的进步，石墨化工艺也有了长足的发展，从小容量的交流石墨化、大功率直流石墨化，一直到当今的内热串接石墨化(简称内串)工艺。我国石墨化工艺大体经历了三个发展阶段。

(1)小容量交流石墨化工艺为初期阶段。在这一阶段各炭素厂一般均采用交流石墨化炉完成石墨化工序生产。设备容量在5000kVA；输出电流在40kA左右。后期有的厂家将设备增容到8820kVA；输出电流在80kA。生产实践中该石墨化工艺有许多弊病，且很难解决。如电损热损大，单耗高，效率低，炉芯温度低，产品质量不佳，功率因数低，三相不平衡等。人们虽然想了不少的补救措施，如采用低压补偿提高设备效率，进而提高炉芯温度；工艺上由传统的卧式装炉改为立式装炉；送电曲线逐渐加快，送电时间由80多h改为65～75h等，使产品用电单耗有所下降，产量也有所提高，但没有办法彻底解决交流炉所存在的问题。在这段时间，我国的电炉钢产量不多，电炉容量也相对较小，对电极质量要求不太高，加之原料资源比较丰富，质量也很好，特别是油页岩釜式焦对石墨化炉温要求不高，一般石墨化炉均可满足。但到70年代，用户对电极质量要求日趋严格。另外，石油工业的发展，焦化工艺发生了变化，由延迟焦取代釜式焦，对石墨化炉的温度要求越来越高。现有的装备和工艺方法已经满足不了生产的要求，必须寻找提高炉温的措施。此时新的石墨化供电机组应运而生。

(2)直流石墨化机组的兴起和发展为石墨化工艺发展的第二阶段。从1976年开始，交流石墨化炉在我国逐渐被淘汰，取而代之的是直流石墨化机组和强化石墨化工艺。在这二十几年的发展中，人们采用了大容量整流机组为石墨化炉供电，创造出了“两高一快”的工艺方法，即高功率、高电密、快曲线的强化石墨化新工艺，取得了明显的成就，促进了炭素生产的发展。表1列出了交流石墨化炉与直流石墨化炉主要经济技术指标。

从表1中可以看出，采用直流石墨化机组对石墨制品的产量、质量、综合能源利用率和效益都较交流石墨化炉有明显提高。在这期间，人们重点解决了两大问题，一是装备，二是强化石墨化工艺。

新的装备主要是大容量的有载调压整流变压器与大功率变流技术的结合，构成了直流供电机组，为石墨化炉供电。直流供电机组容量由小变大，多级有载调压、主调合一、高压直降，采用适合石墨化工艺特点的双反星形整流电路，实现同相逆并联。整流元件也由200A 增大到3000A，每臂并联元件大为减少，加之采用一些其他有利提高功率因数的措施，使得大容量直流供电机组较好地满足了石墨化炉的工艺要求。特别在最近几年，人们不断重视直流石墨化机组与石墨化炉匹配的技术问题，有了一套比较完整的匹配方案。在石墨化工艺方

面也有很大突破，采用强化石墨化工艺就是例证。

所谓强化石墨化是指对艾其逊石墨化炉实行强化石墨化过程。其核心是提高变压器容量，通常每立方米炉芯占有容量在160kVA左右；提高炉芯电流密度，使炉芯电流密度保持在2．0A/cm2左右，这是强化石墨化工艺的必备条件。采用低电阻的石墨化焦作电阻料可降低毛坯受热的不均匀性，即可以适当地改善毛坯在石墨化过程中的加热条件；采用导热率和导电率低、含水分少的保温料，不论从保温性能，还是对电绝缘性能都要好些，因而提高了炉子热效率，在快速升温的情况下电极毛坯也不易产生裂纹，当然电极毛坯本身质量也要符合标准。实践表明，强化石墨化工艺过程中有不少难以克服的弱点，制约着石墨化工艺的再发展。首先，艾其逊炉的主要加热方式是外热，电阻料从外面为电极毛坯加热(在电极内部，电流产生的热量很少)，这种加热过程毛坯本身就存在温度梯度和热应力。改变装炉方法，只能使电阻料温度不均匀性有所改善，但其不均匀性不能彻底消除，使得送电曲线不能过快，炉芯升温速率不能过高，因而送电时间较长，热损较大，产品质量不够均匀，也不稳定。其次，艾其逊炉由于电阻料耗去大量电能，使电耗增高。即使是最好的强化石墨化工艺，电耗也是理论电耗(1500kW．h/t)的2．5～3倍〔1〕。因此应用“内串”石墨化新工艺就标志着石墨化工艺发展到了第三阶段。

2 内串石墨化工艺的主要特点与优越性

内串工艺的主要特点是内热和串接。“内热”是不用电阻料，电流沿焙烧电极的轴向通入电极，以电极本身作为发热体。“串接”是把电极沿其轴线头对头地串接起来。内串工艺从根本上克服了艾其逊炉的弊端，与艾其逊炉相比，显示出许多优越性。表2是“直流”艾其逊与“内串”两种工艺的对比。

表2“直流”艾其逊与“内串”两种工艺的对比

1)内串炉升温速率高，送电周期短。由于它利用焙烧电极本身作发热体，电极内部电流及温度分布比较均匀，热应力很小，这就使得内串工艺比直流艾其逊工艺有高得多的升温速率而不致产生裂纹。内串炉工艺升温速率最快可达600℃/h，这就大大缩短了通电加热时间。

2)电耗很低。由于内串炉送电时间短，不用电阻料，这两者使得内串工艺热损小，电耗大幅度降低，仅为2500～3200kW．h/t。比直流艾其逊炉用电单耗每吨至少节省1000kW．h。对于年产5000t的中小炭素厂每年可节电500万kW．h，每年还可节省大量的用于作电阻料的冶金焦和石墨化焦，经济效益十分显著。

3)电极质量均匀而且稳定。在内串石墨化过程中，电极温度可达3000℃，电极边缘和中心间温度差别很小，所以质量分布都很均匀。

4)特别适合生产大规格产品。用内串炉生产Φ400mm以上的石墨化电极，一是使单炉产量提高；二是电极直径越大工艺技术指标越好;三是可降低热损。内串工艺最主要的热损是通过电极表面传给保温层的那一部分损耗，可称之为“保温热损”。保温热损是与电极的比侧表面(m2/t)成正比的，也就是说保温热损随电极比侧表面的缩小而减少。而电极直径越大比侧表面越小，因而热损越低。我国将在今年陆续取缔10t以下小容量高能耗的电弧炼钢炉，Φ350mm以下小规格石墨化电极的用量将会减少。大型高功率、超高功率电弧炼钢炉将会发展很快，大规格高功率、超高功率石墨电极将增大需求。而内串石墨化工艺恰恰能满足生产大规格高功率、超高功率石墨电极的需求。内串炉通电最高电流密度在30～50A/cm2，而电炉炼钢使用电极的最高电流密度也不大于此。所以采用内串石墨化工艺与装备是我国石墨电极厂的必然趋势。

3 内串工艺技术的成熟情况

内串工艺现在应该说无论是从理论，还是实践上都是比较成熟的技术了，在美国、德国、日本、俄罗斯等国都已广泛应用，有的国家已有二十几年的生产历史。中国吉林炭素厂在80年代初开始研究内串工艺，并且于1985年建设了内串炉进行试生产，当时设备容量为16000kVA；直流输出电流为125kA，电压170V，生产Φ400mm以上的石墨电极，效果不错，用电单耗3210kW．h/t，送电时间0.568h/t，功率因数0．99，产品质量很好。不过，在当时的情况下内串工艺在某些环节上还存在着一定的问题，还有需要进一步完善的地方，现在经过有关人员的努力研究和探索，这些问题都有能力得到合理的解决。供电机组与内串炉的匹配、炉体结构、压力控制系统、电极间的添加物、工艺操作技术都已积累了一定经验。应该说在国内推广内串技术的条件已经成熟。

有关内串炉的投资，与相同生产能力的直流艾其逊炉供电设备类同，投资相当。内串炉供电短网所用的铝材还比艾其逊炉少些。就单台炉室的投资而言，内串炉比艾其逊炉还要少一些，只不过内串炉为了生产循环要多建几台。

总之，我国炭素生产发展到今天，直流艾其逊炉强化石墨化工艺已经满足不了优质、高效、低耗的生产要求。大力发展内串新工艺势在必行。我们相信，在今后的几年里内串工艺技术将在我国普遍推广。