真空炉石墨电极损耗的原因分析及减损措施

摘要：石墨电极的使用寿命在～定程度上决定了硬锌真空蒸馏炉的生产能力和生产成本，文章对真空炉使用的石墨电极损耗的原因进行了分析，结合生产实际，提出降低石墨电极损耗的措施，收到良好效果。

卧式真空炉处理硬锌，回收锌、锗、铟等有价金属，与原有处理工艺隔焰炉一电炉法相比，有价金属的回收率、安全环保等指标有了大大提高，创造了可观的经济与社会效益。硬锌真空蒸馏炉采用石墨电极作为发热体，将电能转化为热能，是真空蒸馏炉中十分关键的部件，它在一定程度上决定了真空炉的工作能力。在真空蒸馏炉处理硬锌的生产过程中，尽管石墨电极是易消耗部件，但如果其使用寿命太短，更换电极过于频繁，不仅增加了维护工作量及生产成本，而且严重影响生产炉次的顺利延续，从而大大降低硬锌处理量。

因此分析影响石墨电极寿命的因素，找出行之有效的对策，提高电极的使用寿命，对保证生产顺利进行，提高硬锌处理量和降低生产成本具有重要意义。

1石墨电极易损原因分析

1.1石墨电极的特性石墨电极是将石油焦等骨料和沥青等粘结剂混合在一起压型成规定的形状，经焙烧、浸渍、石墨化等工序处理后，再经机械加工而成。

真空蒸馏炉采用石墨电极作为发热体是由于它耐高温、加工容易、价格便宜。石墨材料的电阻较小，可以在加热体断面积较大的情况下采用低电压大电流的电源，而且其电阻随温度的变化不大。石墨电极在真空和低于2000℃的温度下使用，其蒸汽压很低，几乎可以忽略；而2500℃以下其机械强度随温度的上升而不断提高。

1.2石墨电极的结构真空炉使用的石墨电极每炉共有三组，一组由两根石墨棒及电极螺母组成，具体结构如图1和图2所示。一Ｅ正三三三碧—－图1石墨棒嘲国励图2电极螺母

1.3石墨电极损耗的原因分析真空蒸馏炉的正常工作条件为真空度500。2000Ｐａ，温度为950—1050ｃＣ；在这～条件下，石墨电极的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略不计，因此其使用寿命取决于其氧化程度和机械、电气故障引起的裂断情况。

1.3.1石墨的氧化损耗石墨的氧化分为干式氧化（空气、水、碳酸气）和湿式氧化（酸、碱）。石墨在高温下易被空气、水、碳酸气（ＣＯ：）氧化生成一氧化碳或二气化碳，其氧化时的生成物随环境温度的不同而不同：2Ｃ＋02＝2Ｃ0（1000℃以上）Ｃ＋02＝Ｃ02（1000ｏＣ以下）石墨氧化生成物容易逸散，不能象在一些金属表面上那样形成致密氧化膜保护层，所以氧化反应是连续进行的。石墨开始氧化的温度及反应速度在各种情况下是不同的，如果把24ｈ内损失原来重量1％的温度定为氧化开始温度，则石墨的氧化开始温度如下：

（1）在空气中：420—460℃；

（2）在碳酸气中：约900℃；

（3）在水蒸汽中：约700℃。石墨在空气中和碳酸气中的氧化速度列于表1。表ｌ石墨在空气中和碳酸气中的氧化速度温度／＊Ｃ氧化速度／ｇ�9�9（ｇ.ｈ）一空气碳酸气一般来说，气孔率特别是开口气孑Ｌ率大的石墨，参与反应的表面积也大，当然氧化速度也快；石墨制品的石墨化程度越高，其耐氧化的性能就越好。石墨制品的骨料也对耐氧化性有着重要影响，以石墨化性好的石油焦和天然石墨等骨料的石墨制品，其耐氧化的性能优良。微量金属杂质的存在会明显地促进石墨干式氧化反应。在石墨的生产过程中，通常容易以杂质形式存在的金属有钠、钾、镁、钙、铁、钒、铜、铝、钛等，其中钠、钾、钒、铜的存在，对石墨的氧化反应起催化作用，随着氧化反应的进行，这些金属杂质颗粒在材料中移动，并形成缺陷或孔隙，这一现象在较低温度的氧化反应中比较明显。根据资料表明，当人为添加某些金属杂质时，如加入20～40／.ｔｇ／ｇ的钠、钾、钒或铜，可将550℃下的氧化速度提高5倍。

1.3.2电极短路或受挤压断裂真空炉采用石墨电极作为加热元件，安装时要求电极组件之间接触良好，上下方向保持水平，电极螺母端在安装窗口周边要预留膨胀隙。同时电极组件的两端与炉壳保持有良好的绝缘性能。由于安装窗口的密封不良，加料小车内锌蒸气通过密封材料的缝隙进入电极螺母或电极连接卡板内，并冷凝成锌块，随着冷凝成锌块的不断增长，最终会与炉体铁壳接触导致电极短路而损坏电极。炉壳、电极托板变形后，通常造成石墨电极螺母端的膨胀隙预留不足，送电升温后电极螺母受安装窗口周边的炉墙不同程度的挤压，电极很快断裂。

1.3.3电极加工质量、安装质量电极加工质量和安装质量对电极的使用寿命也有着十分重要的影响。电极以及电极接头的连接螺纹加工粗劣或公差配合不符合标准，均会造成电极与接头连接时过松或过紧，过松会出现接触不良拉弧烧坏电极和接头；过紧则容易在装配时损坏螺纹；装配电极时，在电极与电极接头旋合过程中，动作粗鲁同样会造成螺纹的损坏而造成电极报废。另外，水冷电极缺水时，由于电极连接卡板的热量得不到及时的带走，也会引起电极与卡板之间接触不良故障，从而烧坏电极连接卡板，严重的会出现拉弧烧损电极与电极连接卡板。

2降低电极损耗的措施

2.1石墨电极氧化的预防及抑制

2.1.1石墨电极氧化的预防真空炉工作温度下使用石墨电极，必须考虑预防氧化问题，在新砌或检修真空炉时，如果炉体得不到充分干燥，投产后产生大量的水汽，会造成电极极大的氧化消耗。而确保真空炉内的真空度，对预防电极氧化也是十分重要的。抽真空的目的是将炉内的气体排除，并且完成炉内材料吸气和水分的解吸过程，在真空状态下升高温度对固体物质快速彻底排气有很大作用，图3表示了在室温和烘烤时出气过程的Ｋ—ｔ曲线。常温下，出气常数随时间变化曲线如图3中的曲线1：时间长，Ｋ逐渐减少，排气缓慢；如增加烘烤（升温），出气常数随时间变化如曲线2：Ｋ值提高，排气加快。新砌或大修的真空炉升温结束后（未安装电极），立即密封抽真空，利用炉内的升温余热（600—650℃），达到在真空状态下烘烤脱气的目的。一般材料吸附水气在300℃以上的温度下，不断快速彻底释放出来。对暂不运行的真空炉，完成上述工作后保持密封，对阻止炉内材料重新吸附气体和水分也是十分有利的。ｌＤ＿4妊靶Ｉｆ”10－6丑10－ｅ110102103，／ｈ图3抽气过程中的出气情况1一室温下；2一烘烤时万方数据第ｌ期蔡启春：真空炉石墨电极损耗的原因分析及减损措施55实践证明，上述方法是可行及有效的。

2.1.2涂层、浸渍保护抑制电极氧化石墨在较低温度特别是在真空环境下的氧化反应比许多金属缓慢，但是由于反应生成物是二氧化碳和一氧化碳气体，容易逸散，不能象在一些金属表面上那样形成致密氧化膜保护层，所以氧化反应是连续进行的。涂层法和浸渍法是抑制氧化的主要方法。比较常用的方法是碳化硅涂层和磷酸盐浸渍防止氧化，抑制氧化的效果如图4和图5所示。在真空炉实践应用中，由于进出料时电极的温度波动，碳化硅涂层与石墨基体中是物理性结合，密合性较差，二者的热膨胀系数存在差异，涂层易脱落，效果不够好。而与电极生产厂家的探讨，使用磷酸盐浸渍防止氧化的效果是明显的。

改进炉内结构。预防电极短路和挤压为了阻止锌蒸气串入而造成短路，从电极两端的安装窗口内的密封材料人手，对原有的密封材料和密封方式进行了多次改良试验，以硅酸铝纤维、耐火砼和高温水泥作密封材料，可有效阻止锌蒸气的串入，预防电极短路的效果十分明显。同时对炉内电极托板采取了水冷降温、耐火砼保护等措施后，大大减缓了托板的变形，从而有效保护了电极。

确保电极质量和提高电极安装质量安装之前，仔细检查电极和电极连接螺母上的螺纹质量，并吹扫干净电极和电极连接螺母。扶稳连接螺母，将电极垂直连接对孔后，顺时针轻轻旋入电极，确认旋合到位后，用卡具一次用力旋紧。旋入过程中用力应均匀，如旋入困难，应立即退出检查，不能强行旋入。组装好的电极人炉安装时，从电极安装窗口平行进入炉内，小心与对应的电极连接卡板连接孔对好位后，用力一次将电极推至孔底，再均匀用力将连接卡板的螺栓锁紧。安装好的电极连接螺母在安装窗口四周应留有大致相等的问隙，上抬、下压、偏左、偏右等造成间隙过小或无间隙，应立即停止安装或拆除重新安装。

结束语综上所述，采取了以上的措施后，电极损耗大的问题得到了有效解决，电极使用寿命有了很大提高，从以前的平均30多炉次提高到了平均50炉次以上，并且创造了可达83炉次记录，从而极大地降低了更换、维护工作量及生产成本，提高了生产能力，效益可观