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适用于电弧炉炼钢的 UHP 石墨电极生产技术路径分析

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UHP 石墨电极主要是供电弧炉炼钢使用, 所以不仅其理化指标要达到要求, 对其实际使用性能也有严格要求。 钢厂不但考核石墨电极的折断率、吨钢电极消耗、 吨钢电耗, 还不允许其在使用时出现开裂、掉块、掉头、脱粒、剥落影响炼钢质量。 这就要求石墨电极本身具有优良的抗热震性能、 高温抗氧化性能及高温导电性能。 因此,制定适用于电弧炉炼钢的 UHP 石墨电极生产技术路径,首先应详细了解电弧炉炼钢的所有信息,以及客户对石墨电极产品的具体要求, 综合分析并研究确定石墨电极的理化指标,并以此为生产目标,选择合适的原料,分析确定各工序产品质量监控标准,利用适宜的、先进的生产装备生产出符合炼钢要求的 UHP 石墨电极。

1 适用于电弧炉炼钢的 UHP石墨电极理化。

指标的确定

1.1 电弧炉炼钢对石墨电极质量的要求

( 1 )要求电极质量优良,炼钢时不出现折断、开裂、掉头、掉块、剥落、脱粒等情况,不影响炼钢正常作业和钢材质量;( 2 ) 要求有较低的冶炼吨钢电极消耗和吨钢电耗。

石墨电极要有如下优良特性:热状态下抗折强度高, 在炼钢开始起弧熔融期最强烈振动阶段,电极柱不易折断;抗热应力性能好,也就是电阻率低,导电、导热性能好,弹性模量和热膨胀系数低,电极结构均质性好,这样石墨电极在炼钢过程中就不易出现开裂掉头、掉块、剥落、脱粒等现象;石墨电极内在结构致密均质、石墨化程度高,炼钢的电极单耗和电耗较低。

1.2 UHP 石墨电极理化指标对电弧炉炼钢的影响体积密度增大有利于抗折强度的提高、电极单耗的降低、抗氧化性能增强,但不利于弹性模量和热膨胀系数指标的控制, 对抗热应力冲击不利,易开裂、掉头、掉块,造成消耗增加。

抗折强度值较高说明制品混捏、压型工艺控制得好,制品内在结构均匀一致。 在炼钢过程中,抗折性能好,电极不易折断、脱粒和剥落。

电阻率的高低是由石墨化程度决定的,电阻率低,炼钢时导电、导热性好;抗热震性能好,不易开裂和掉头掉块,头部燃烧形状好,单耗低。

弹性模量与体积密度、电阻率等指标相关;浸渍次数多则弹性模量增大,对电极的抗热震性能不利。

热膨胀系数( CTE )的大小与原料针状焦优劣、制品的内在结构以及石墨化程度有很大的关系。

CTE 较低对炼钢时抗热应力冲击有利,电极不易开裂、掉块、掉头。

1.3 确定 UHP 石墨电极理化指标时应了解的信息

在确定 UHP 石墨电极理化指标之前要对电弧炉炼钢的情况进行详细了解,了解电弧炉的电炉信息、变压器相关设备信息、使用电极技术信息、实际操作信息以及炼钢时影响电极使用的相关因素。 要实地考察电弧炉炼钢的冶炼全过程,并对国内外同类电极的使用性能进行横向比较,做到心中有数。

根据以上掌握的信息数据和石墨电极理化指标对炼钢的影响,进行综合分析研究,就能确定出适合电弧炉炼钢要求的 UHP 石墨电极理化指标。 根据实践经验, 综合炼钢客户使用石墨电极情况进行汇总分析,确定 UHP 石墨电极理化指标如表 1 。

2 原料的选择和各工序产品监控标准的确定。

2.1 原料的选择。

2.1.1 针状焦。

2.1.1.1 优质针状焦是生产大规格 UHP 石墨电极的根本保证。

优质针状焦具有高取向性、高结晶性、高体积密度和易石墨化性, 用其生产的 UHP 石墨电极具有优良的导电导热性能、抗热应力冲击性能及抗氧化性能,能够适用于大容量电弧炉炼钢。 因此生产高质量 UHP 石墨电极, 必须选用优质的煤系或油系针状焦作为原料。

目前 , 我国使用进口煤系针状焦和油系针状焦生产大规格 UHP 石墨电极技术基本成熟。 进口针状焦指标如表 2~5 。

理论上,采用煤系针状焦生产的大规格石墨电极含氮量比油系针状焦高,产品快速升温易引起气胀导致产品开裂, 故不宜用 LWG 炉进行石墨化处理。 目前中国石墨电极企业利用国内技术开创了使用 优 质 煤 系 针 状 焦 生 产 UHP Φ700 mm 电 极 在LWG 炉内石墨化处理的先例。但高质量接头产品一般使用优质油系针状焦生产。

2.1.1.2 配方中针状焦骨料颗粒粒径的确定。

因骨料粒径的大小直接影响制品的抗热震性能, 电弧炉炼钢用大规格 UHP 石墨电极须采用粗骨料颗粒配方,粗颗粒配方可降低制品热膨胀系数和弹性模量,缓解热应力冲击,热稳定性好。 根据实践经验, 各种规格 UHP 石墨电极配方选用的最大骨料粒径如下:Φ450~500mm 电极选用粒径 10~15mm 的骨料;Φ550~600mm 电极选用粒径 15~20mm 的骨料;Φ650~750mm 电极选用粒径 20~24mm 的骨料。

接头生产时主要追求高密、高强性能,最大骨料粒径可选择 4 mm 以下。

2.1.2 黏结剂煤沥青技术指标的确定。

生产 UHP 石墨电极必须采用优质煤沥青作为黏结剂,其技术参数是制定干料加热、混捏、凉料、挤压成型等工艺制度和一次焙烧温升工艺制度的主要依据。 目前一般使用结焦值较高的优质中温改质沥青和改质沥青作为生产 UHP 石墨电极的黏结剂,压型时可获得无内部分层缺陷具有较高体积密度的均质产品; 一次焙烧时产品表面不易粘料,成品率能达到 91.5% 以上。

采购黏结剂煤沥青时,要认真考察煤沥青厂家的生产工艺过程,特别关注煤焦油净化装置,要求灰分指标在 0.1% 以下,同时要求煤沥青生产工艺为一次性加热蒸馏改质,黏度指标符合石墨电极生产技术要求。 适用于 UHP 石墨电极生产的黏结剂煤沥青指标见表 6 。

2.1.3 浸渍剂煤沥青指标的确定。

浸渍是生产 UHP 石墨电极不可缺少的工序,采用低 QI 煤沥青作为浸渍剂时, 对提高制品体积密度、增加机械强度、热导率非常有利。 但需要说明的是低 QI 浸渍剂尽管浸渍效果较好, 但结焦值较低,成本较高。 由于 UHP 石墨电极本体采用粗颗粒配方而接头采用细颗粒配方,导致两种产品的开气孔孔径相差很大,从浸渍效果看两种产品浸渍生产时,是否选用低喹啉不溶物( QI )煤沥青作浸渍剂要区别对待。 一般可使用表 7 中所列指标的煤沥青浸渍剂进行生产。

2.1.4 关于添加剂的应用。

生产 UHP 石墨电极通常采用氧化铁粉( Fe 2 O 3 )和硬脂酸作为添加剂。添加 Fe 2 O 3 粉的目的是大规格UHP 石墨电极在升温较快的 LWG 炉内石墨化处理时减缓气胀,抑制 S 逸出速度,避免出现裂纹废品。

生产时根据情况可添加 1%~2% 的 Fe 2 O 3 粉。 因艾奇逊 ( AWG ) 炉升温速度较慢, 生产 Φ500 mm 以下UHP 石墨电极时可以不添加 Fe 2 O 3 粉。 添加时要考虑如下因素: 1 ) Fe 2 O 3 粉添加能否均匀; 2 ) 含 S 量高于 0.5% 时; 3 ) 采用含 S 和 N 量大于 1% 的针状焦进行生产时; 4 ) 在 LWG 炉内生产 Φ550 mm 以上规格UHP 电极时。

添加硬脂酸的目的是为了改善糊料的塑性,促使挤出电极结构均质。 生产 UHP 石墨电极时根据情况可添加 0.5% 左右的硬脂酸。当选用较低软化点煤沥青作为黏结剂,糊料塑性表现较好,对挤压工艺制度比较适宜时可不添加生产。 添加时要考虑如下因素: 1 ) 使用高软化点的煤沥青作为黏结剂时;2 )外界温度对糊料塑性影响大时; 3 )须降低压型工艺温度来保证糊料塑性挤压产品时; 4 )生产大规格EAF 炉用石墨电极接头时。

2.2 各工序产品监控标准的确定。

生产 UHP 石墨电极之前, 在确定理化指标和生产原料后, 为保证生产作业计划顺利而有效实施,需对各工序产品监控标准进行确定,主要确定各工序的体积密度和电阻率两项指标。 确定的方法为:在考虑压型工序的工艺温度制度及挤出产品膨胀量、焙烧工序的工艺温度及产品收缩、石墨化工序的炉型及工艺损耗等因素基础上,汇总分析各工序实收率数据进行倒推演算确定。 确定前还要注意考虑:本体按一浸二烧制式生产;接头按二浸三烧制式生产,当测试焙品体积密度较小时可进行三浸四烧; 必须对上道工序数据进行实时汇总分析,制订相应的设备工艺管理制度,保障下道工序达到确定的数据指标要求;调整体积密度指标时,要在压型、浸渍、 LWG 石墨化等工序进行考虑;调整电阻率指标时,要在焙烧和石墨化工序上着重考虑。 各工序产品监控标准确定如下:UHP 石墨电极本体:压型制品体积密度: 1.74~1.76 g/cm 3 (煤系针状焦), 1.76~1.78 g/cm 3 (油系针状焦);一次焙烧制品体积密度: 1.65~1.70 g/cm 3 (煤系针状焦), 1.68~1.72g/cm 3 (油系针状焦);电阻率: 40~50 μΩ · m ;浸渍工序增重率:( 13.0±1.5 ) % 。

UHP 石墨电极接头:压型制品体积密度 ≥1.78 g/cm 3 ;一次焙烧制品体积密度 ≥1.68 g/cm 3 ,电阻率 ≤45 μΩ · m ;二次焙烧制品体积密度 ≥1.78 g/cm 3 , 电阻率 ≤40 μΩ · m ;三次焙烧制品体积密度 ≥1.83 g/cm 3 , 电阻率 ≤40μΩ · m ; 四次焙烧制品体积密度 ≥1.86 g/cm 3 , 电阻率 ≤40 μΩ · m 。

3 生产 UHP 石墨电极应具备的装备水平。

UHP 石墨电极外形尺寸直径和长度决定了生产系统装备的大小。 如生产 Φ500~750 mm 规格产品可选用 30~40 MN 压机装备系统;生产 Φ500 mm以下规格产品可选用 18~25 MN 压机装备系统。 如IEC 标准规定电极长度有 2 100 , 2 400 , 2 700 mm 3种规格,这就要求压型、焙烧、浸渍、石墨化、机加工等工序都要按 3 000 mm 长度考虑设备加工能力。

为保障产品质量能适合 EAF 炉炼钢需求,各工序须匹配适宜的、先进的生产装备系统,该系统能适时监控调整工艺技术参数满足生产工艺要求。

3.1 压型系统。

中碎、筛分、配料、混捏及压机系统都能实现自动化控制,保证筛分纯度 ≥85% ,磨粉系统采用在线分析使磨粉纯度控制在 ±1% 范围,黏结剂加注保证一次到位。

干料加热设备的加热温度能实现与熔化沥青温度同步,混捏机就能混捏出塑性好的糊料。

凉料机最好是强力混捏机或锅式凉料设备,凉好的糊料呈松散小块状,块度 <50 mm ,糊料温差控制在 ±2 ℃ ,保证挤压产品内在结构均质。

压机具备抽真空、等容、等温、等速、连续挤压功能。

3.2 焙烧系统。

生产大规格 UHP 石墨电极, 国内外大都采用带盖环式焙烧炉系统和车底式焙烧炉系统进行一次焙烧。

采用先进技术建造的车底式焙烧炉,一焙焙烧装炉量可达 200 t 左右, 因升温曲线采用单体炉操作, 方便升温控制, 适宜生产大规格 UHP 石墨电极。 该炉有如下特点:1 )炉顶设置有高温搅拌风机,炉内烟气一直处于强制对流状态,温度分布始终均匀,并采用计算机单独控制, 炉内烟气温度不受其他因素影响,能控制各部位温差在 ±30 ℃ 。

2 ) 一次焙烧产品在耐热钢筒内靠烟气直接加热,传热效率高,设定最高焙烧烟气温度 900 ℃ 就可使制品温度达到 850 ℃ 。

3 )该炉无法利用余热升温,能耗较高,一次焙烧能耗在 5 GJ/t 左右。

采用带盖环式焙烧炉型进行一次焙烧国内生产经验丰富,在此基础上改进的大型带盖环式焙烧炉装炉量达到 100 t 左右, 实际使用效果已达国际先进水平。 该炉有如下特点:1 )采用轻质耐火纤维保温材料制作的轻质保温炉盖,外表面温度可控制在 60 ℃ 左右,热损失少,密闭性好,重量可比传统炉盖减轻 50% 以上。

2 ) 采用大孔径格子砖, 保证了高温烟气的流量,提高了传热效率。

3 )采用独立的炉室结构与环形烟道相隔离,保证了炉室串接的严密性,使负压损失降到最低。

4 ) 新型的环式炉结构和合理的自动升温控制技术已使最高烟气温度降到 1 000 ℃ , 一次焙烧产品的电阻率也可达到要求。

5 )环式炉低温炉室可有效利用余热升温,能耗较低,一次焙烧品能耗已达 4 GJ/t 以下。

二次焙烧炉可以根据石墨电极企业自身设备系统合理安排生产,但当需要提高二烧制品体积密度时最好不要采用裸烧的隧道窑以及车底式焙烧炉,二次焙烧品温度达到 750~800 ℃ 即可。

3.3 浸渍系统。

浸渍系统包括预热、抽真空、加压、冷却 4 个作业程序。 浸渍作业时,预热和抽真空系统能否满足生产工艺要求,对制品内在结构影响巨大;对加压压力和时间不必高标准追求, 只要工艺参数稳定,使浸渍增重率达到要求即可。

预热设备要采用具有热风循环功能的系统,生产时预热炉内各处温度小于 30 ℃ ,能在( 400±20 ) ℃工艺温度范围稳定控制生产,保证制品在一定时间内,芯部温度达到( 220±10 ) ℃ 。

抽真空设备至少采用三级抽真空机组系统,一级为水环式真空泵,二、三级为罗茨真空机组,能稳定控制负压在 0.086~0.095 MPa 内进行不间断工作。

浸渍罐加压设备,罐体保温温差应控制在 5 ℃范围内,最高压力可长时间在( 15±0.5 ) MPa 内稳定生产。

3.4 石墨化系统。

UHP 石墨电极石墨化生产时,可采用电阻料加热的艾奇逊炉( AWG )和内热串接炉( LWG )。目前国内配置的整流变压器机组, 15 000 kVA/180 kA 的AWG 炉和 20 000 kVA/200 kA 的 LWG 炉都可对大规格 UHP 石墨电极进行石墨化加工。 具体采用何种炉型合适,还应分别视具体情况而定。

3.4.1 采用艾奇逊石墨化炉。

1 )要求石墨化装炉量至少达到 120 t 左右,保证送电单耗在 4 000~4 500 kW · h/t 。

2 )石墨化炉芯电流密度须达到 2.5~3.0 A/cm 2 ,根据不同产品来设定最高电流密度进行送电,确保炉芯温度接近 2 800 ℃ , 电阻率指标能达到 5.5μΩ · m 以下。 UHP 石墨电极接头指标达到 4 μΩ · m以下。

3 )当设计生产路线必须在大型的 AWG 炉进行时, 必须从压型工序开始就控制适宜的体积密度,同时采用适宜的装炉新工艺, 确保电流密度大于2.5 A/cm 2 ,高峰送电时间大于 20 h 。

4 )对产品的强度和密度有特殊要求的,不宜在LWG 炉内进行石墨化处理。

3.4.2 采用内热串接( LWG )石墨化炉。

1 )要求石墨化装炉量至少达到 50 t 左右,保证送电单耗在 3 500~3 800 kW · h/t 。

2 ) 石墨化炉炉芯的电流密度达到 28~35 A/cm 2 ,炉芯温度达到 3 000 ℃ 以上,能使 UHP 石墨电极电阻率指标达到 5.8 μΩ · m 以下。

3 )对抗热应力有特殊要求,采用全废钢冶炼,炼钢温度较高,长时间通电冶炼周期较长,使用二次电流密度大于 24 A/cm 2 的。

4 )对产品内在结构有均质功能要求的,需在 LWG炉生产以保证产品性能。

4 结论。

要想生产适合电弧炉炼钢需求的石墨电极,除了上面论述的生产技术路径之外,还要重视原料评价技术、机加工技术、接头与本体的预组装技术以及售后服务,同时还要加强系统化工艺技术管理工作,利用全方位收集的信息综合分析研究,不断修正工艺技术生产路线,总结出一套适合自身装备特点的生产工艺技术标准, 从而创新出一条独特的UHP 石墨电极生产之路。