對電弧爐冶煉中石墨電極消耗及使用的探討

對電弧爐冶煉中石墨電極消耗及使用的探討隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對特殊鋼材的需求越來越廣泛，致使電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展十分迅速，大容量超高功率電弧爐和大型爐外精煉技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化鋼鐵行業(yè)的標(biāo)志。國內(nèi)現(xiàn)有100T以上粗煉電弧爐18臺，變壓器容量65?150MV*A；50?100T的電弧爐約有30臺，變壓器容量35?85MV*A；40?300T的LF精煉爐有126臺，變壓器容量10?45MN*A。這些電爐均使用不同規(guī)格的超高功率石墨電極。隨著電弧功率的不斷提高，冶煉工藝技術(shù)的不斷優(yōu)化，對石墨電極的理化指標(biāo)要求越來越高具消耗指標(biāo)越來越低。從大型化大容量化的超高功率電弧爐的平均消耗水平來看，噸鋼電極消耗從過去平均3.5KG/T降到了1.2KG/T，而LF爐的平均消耗均低于0.5KG/T。由于石墨電極在冶煉中占有一定成本的比例而且消耗量很大，所以各使用廠家對石墨電極的消耗和使用效果均十分看重，而且也列入到生產(chǎn)中作為一項重要的考核指標(biāo)。本文對煉鋼中石墨電極消耗和使用進行剖析。1石墨電極的消耗機理石墨電極作為電弧爐冶煉中的導(dǎo)電材料，其消耗隨著電功的消耗而生成比關(guān)系?，F(xiàn)代電弧爐煉鋼以電能和化學(xué)能為熱能源，來實現(xiàn)煉鋼過程中四脫（P、C、O、S）、二去（氣、雜）、二調(diào)（溫度、成分）的目的，石墨電極的使用性能在用戶中主要體現(xiàn)在是否適用和消耗多少，而電極的消耗除與自身質(zhì)量有著直接關(guān)系。石墨電極在電弧爐冶煉中的消耗主要由以下幾部分組成。1.1電爐內(nèi)的石墨電極端部與外圓表面的消耗石墨電極在電弧爐內(nèi)送電中產(chǎn)生的電弧有長、中、短弧之分，而熔化爐料和升溫則取決于電弧功率?；￠L與二次電壓成正比關(guān)系，與二次電流和升溫速度成反比。為提高冶煉速度而大幅度縮短冶煉時間，均采用強制吹氧的高化學(xué)能操作，這對石墨電極的抗氧化性和抗熱震性提出了更高要求。冶煉中石墨電極的端部消耗包括一一電弧高溫中產(chǎn)生的升華，與鋼水和鋼渣接觸中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。石墨電極的氧化損失約占總消耗的2/3左右，其氧化損失是單位氧化速度與面積的積且與時間有正比關(guān)系，冶煉中加熱時間越長消耗越大，所以在電弧爐電極上安裝水冷噴淋系統(tǒng)是十分必要的。正常冶煉中石墨電極進入鋼水的含碳量一般為0.01%左右，其端部消耗開關(guān)呈非錐尖狀為正?，F(xiàn)象。1.2在冶煉中產(chǎn)生的石墨電極的殘體消耗殘體消耗是指冶煉中最下支電極因故掉入爐內(nèi)并成為最終廢品而脫離生產(chǎn)過程的非生產(chǎn)性消耗部分。殘體的產(chǎn)生不僅與接頭和電極的內(nèi)在質(zhì)量有關(guān)，而且還一民爐內(nèi)布料分布、爐內(nèi)氣氛和送電操作等因素有磁卡直接關(guān)系。主要的外觀現(xiàn)象有：殘體底端部有“人”字型裂紋且有大型縱裂或劈裂；連接處不嚴(yán)密致使接頭先行氧化而脫落或折斷；連接不到位或配合不好而產(chǎn)生脫落或折斷；電極受外力作用發(fā)生接頭或孔底部折斷；電極受外力作用發(fā)生接頭或孔義部折斷;爐內(nèi)布料不合理致使穿井后塌料面積大或送電曲線操作不合理均能造成電極嚴(yán)重折斷；電極本身質(zhì)量差等。這部分損失在保證電極質(zhì)量的前提下，正常生產(chǎn)中產(chǎn)生的量不大，但直接使用者對此卻很重視。1.3電極表面氧化剝落并伴有開列和掉塊的消耗在正常冶煉生產(chǎn)中，若石墨電極表面出現(xiàn)凸凹不平或伴有剝落和掉塊現(xiàn)象，那么在鋼水中就存在了增碳問題。這種現(xiàn)象一方面反映出了電極的抗氧化性能和抗熱震性能差；另一方面則是冶煉中水平吹氧時間過長或吹氧量過大而造成爐內(nèi)和爐上嚴(yán)重富氧，致使電極過氧化損失加大；第二是如果存在嚴(yán)重的脫落現(xiàn)象，還必須要考慮到電極的問題。這種非正常消耗是對產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量和技術(shù)服務(wù)水平的一種考驗。1.4冶煉中石墨電極折斷所造成的直接損失石墨電極在所有的電爐冶煉中產(chǎn)生折斷是常見現(xiàn)象，也是影響消耗的最主要因素。在復(fù)雜的環(huán)境中連續(xù)消耗使用偶爾發(fā)一折斷是正?，F(xiàn)象，但連續(xù)發(fā)生折斷就不正常了。究其原因與諸多因素相關(guān)?？傮w看可分為：人為折斷和機械折斷。人為折斷主要包括：吊運中磕碰、劃傷，連接不到位或方法不當(dāng)，平持器中滑動不當(dāng)，硬碰撞或傳動控制靈敏度差等。機械折斷中除機械故障外，電極質(zhì)量問題和操作問題往往是同時存在而且很難分清。主要存在以下現(xiàn)象。1.4.1電極本體折斷現(xiàn)象一是電極可能有結(jié)構(gòu)缺陷可強度較低;二是冶煉中穿進后仍短弧操作而有較大塌料的側(cè)向撞擊力；三是爐上三相電極嚴(yán)重不垂直且有掛爐爐渣或刮爐蓋現(xiàn)象等。折斷時聲音很脆很大。1.4.2電極本體孔底折斷現(xiàn)象一是電極端部結(jié)構(gòu)疏松或有暗紋、接頭與孔配合不當(dāng)或材質(zhì)差異線膨脹系數(shù)不匹配；二是整相電極不同心，電極行程過長或升降不靈敏；三是爐內(nèi)面料不合理，電極下方有不導(dǎo)電物等。折斷時聲音不大但傾斜較重。1.4.3接頭折斷呈不規(guī)則現(xiàn)象一是接頭加工錐度有差異或接頭孔橢圓度過大;二是聯(lián)接時孔內(nèi)灰塵多造成接觸電阻過大致使接頭絲扣局部氧化過快；三是電極聯(lián)系不到位而未達到力矩要求產(chǎn)生松動；四是把持器傾斜，電極與爐蓋孔不同心等。折斷時聲音脆而小。1.4.4接頭折斷呈規(guī)則現(xiàn)象一是接頭自身質(zhì)量差異大，接頭強度滿足不了冶煉爐況的需求；二是電極孔與接頭公差配合不當(dāng)或聯(lián)接力矩達不到要求產(chǎn)生退扣;三是供電中二次電流波動范圍過大或有突增現(xiàn)象，最大瞬間電流遠超過額定值1.2倍以上；四是輸和功率過大時產(chǎn)生的熱震動也過大，電極聯(lián)接處歇發(fā)紅而顯示電阻過大。折斷時聲音發(fā)悶。2冶煉中影響石墨電極消耗的因素?zé)掍摴に囍械碾娀t冶煉有粗煉和精煉之分，但均由石墨電極把電能傳入電爐內(nèi)而轉(zhuǎn)變成熱能達到升溫熔化固體爐料的目的。粗煉是以熔化廢鋼并排出有害氣體和雜質(zhì)為目的的氧化過程，精煉同是以升溫來調(diào)整鋼種元素和去氣去雜質(zhì)的還原過程。由此可見，電弧爐冶煉就是利用石墨電極調(diào)節(jié)爐溫來實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)而達到煉鋼工藝要求的。冶煉中文義的石墨電極的消耗可分為有功消耗，也自然消耗或叫技術(shù)消耗。無功消耗是未參加加熱過程或未完全參加加熱過程的有形消耗，也是非技術(shù)性消耗。2.1影響石墨電極消耗的主要因素電爐煉鋼中對石墨電極的消耗貫穿在整個冶煉工藝過程中，其消耗大小受許多因素影響，這里僅為冶煉過程的操作來做以剖析。2.1.1廢鋼質(zhì)量差或配比不當(dāng)致使造渣效果不好而延長冶煉時間;加料次數(shù)和穿井資料增多加大了電極底部的損壞及折斷概率;冶煉時間加長是導(dǎo)致電耗與電極消耗與損失上升的直接因素。2.1.2電爐供電設(shè)備與電極規(guī)格品種不匹配電弧爐送電是高流低壓操作。若供電設(shè)備能力過大而超出電極極限負(fù)荷時，起弧5?10MIN內(nèi)電極則有由下至上的發(fā)紅現(xiàn)象，聯(lián)接處界線十分明顯且大多有折斷事故發(fā)生；電流過高或波動過大，聯(lián)接處接善類折斷頻率提高而且底部消耗呈錐尖狀。若供電能力低，爐溫在有效中熱時間內(nèi)達不到工藝要求將需延時操作。超負(fù)荷與超時操作對石墨電極的損失和消耗是最大的。2.1.3氧化期強制增大化學(xué)能和提高冶煉強度冶煉中強制加大吹氧量（一般小于45M3/T）以達到快速熔化和提高爐溫，這樣易使?fàn)t況惡劣而且爐內(nèi)和爐上呈富狀態(tài)，使每相電極都處在高溫火焰之中。電極處在這種爐況環(huán)境時，大多有起層和表面氧化嚴(yán)重現(xiàn)象。2.1.4電爐的配置和操作的技術(shù)性現(xiàn)代電弧爐與傳統(tǒng)電爐有本質(zhì)的差異，超高功率大型化電弧爐及熱裝煉鋼工藝的出現(xiàn)提高了冶煉強度和產(chǎn)能，從而對石墨電極的質(zhì)量也提出了更高的技術(shù)要求。操作中對送電曲線和擋位的選擇，對起弧和穩(wěn)弧電壓電流的控制，對長、中、短弧的配合使用，水冷系統(tǒng)的配置和應(yīng)用等，都對電極的使用壽命和消耗起到了關(guān)鍵作用。2.1.5石墨電極的質(zhì)量現(xiàn)在電弧爐的冶煉和工藝對石墨電極的抗氧代性能及抗熱震性能要求越來越強烈，而且由于質(zhì)量波動造成的消耗過高深受直接使用者的極大關(guān)注。所以石墨電極質(zhì)量的均衡性和穩(wěn)定性是決定消耗大小的最重要因素。2.2石墨電極消耗高低的對比分析冶煉電弧爐在一定時期內(nèi)的工藝和運行狀況變化不大時，對石墨電極的消耗水平也是基本均衡的。隨著爐齡的延長或工藝的變化，對電極的消耗也有所波動則是很正常的。那么，在同一臺電弧爐上有同一家的產(chǎn)品是地，其消耗塵埃卻被用戶著得很重，就些提出的異議已經(jīng)是普遍現(xiàn)象。任何一種產(chǎn)品的質(zhì)量都有波動性，但波動的幅度大小則反映出了生產(chǎn)廠家的技術(shù)裝備水平和綜合管理水平。2.3對冶煉中石墨電極折斷的進一步分析電弧爐冶煉中偶發(fā)電極折斷是正?，F(xiàn)象而且是不可絕對避免的，而大型DC和AC及LF電爐的電極則視為事故。處理電極折斷殘體是操作中最辛苦的工作，其結(jié)果必然是消耗過高、加長冶煉周期、產(chǎn)量降低、成本提高。國內(nèi)一般技術(shù)水平的AC電爐，月折斷電極5?7次為政黨先進的大型DC和AC電爐大多配有控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，大大降低了人為因素，月折電極小平2次；先進的大型LF爐基本不允許有電極折斷現(xiàn)象。電爐冶煉操作中的電極折斷原因是比較復(fù)雜的，對以下5方面應(yīng)引起極大關(guān)注。2.3.1冶煉工藝（1） 原料配比，電極下方要避免有大塊料和不導(dǎo)電物；（2） 穿井后產(chǎn)生“搭橋”現(xiàn)象時，要改用長弧操作而避免大的塌料碰擊；（3） 電極升降與小爐蓋必須同心，避免熱震動時發(fā)生刮碰而折斷。2.3.2送電制度（1） 確定初始起弧擋位而按順序升位（每臺爐至少有3條送電曲線），避免電流過大波動和爐內(nèi)長、短弧頻繁變化而產(chǎn)生熱震動過大；（2） 隨著爐溫升高電極聯(lián)接處要釋放一定的內(nèi)應(yīng)力，起弧后通過電極單位面積的電流林有個逐步上升的過程，這就是電極與爐況的適應(yīng)過程。（3） 超載運行，新型電爐的超負(fù)荷能力一般不大于20%，若起弧電流超過額定值接頭最易發(fā)生折斷，當(dāng)電極與爐況適應(yīng)后即使超載也會正常運行，但有接頭發(fā)紅現(xiàn)象。2.3.3冶煉爐況（1） 配加料和送電操作關(guān)系到爐況變化，但吹氧、燒嘴燃汽和燃油則是惡化爐況的關(guān)鍵?；瘜W(xué)能的利用降低了電耗，但加大了電極表面和上端面的氧化程度。特別是負(fù)壓過大時加快了電極表面的氧化速度，而使電極本體表面錐型化。（2） 煉鋼過程就是造渣的過程?；瘜W(xué)能的使用加大了鋼水的攪動力而更利于泡沫渣的產(chǎn)生，鋼水沸騰、渣層厚度、渣液流動性和埋弧效果不僅關(guān)系到冶煉效果，而且對電極的底部增碳消耗和掉頭及圓周表面消耗也關(guān)系重大。（3） 爐惡化中的操作是頻繁變化的，電極上震動并伴有左右擺動。電流的頻繁變化加大了熱震動，對富氧環(huán)境中的石墨電極不僅加快了表面消耗，而且對聯(lián)接部位（接頭強度）也是考驗。2.3.4電極儲運（1） 現(xiàn)場存儲電極中要避免與液體介質(zhì)接觸，否則受熱后將出現(xiàn)魚鱗狀掉塊。（2） 現(xiàn)場存放接頭中要避免與高溫?zé)嵩唇咏?，否則受熱后接頭拴易熔化流出。2.3.5電極質(zhì)量對大型UHP和HP上限的電爐，所提供的石墨電極必須要提高實物質(zhì)量。（1）一定消除結(jié)構(gòu)缺陷或強度不足問題，否則在冶煉第一包料送電1?3min就會發(fā)生接頭折斷事故。（2） 電極端面的加工精度也至關(guān)重要，若有縫隙就會產(chǎn)生透氣現(xiàn)象并伴有局部發(fā)紅。送電10min左右聯(lián)處明顯發(fā)紅，連續(xù)冶煉2~3爐后其內(nèi)扣易氧化而發(fā)生折斷或脫落事故。（3） 公差配合問題必須時刻關(guān)注，不論是松動還是連接不到位，只要有縫隙就會發(fā)生折斷或脫落。從使用情況來看，部位出現(xiàn)的問題大多是由公差配合所引發(fā)的。3電爐冶煉中對石墨電極消耗的計算冶煉過程中計算電極消耗有凈耗和毛耗兩個并存的概念（含礦熱爐），凈耗是指冶煉中電極被高溫升華、氧化和參加反應(yīng)掉的技術(shù)性水泵毛耗則是凈耗與未參加完冶煉而損失的和?，F(xiàn)階段鋼鐵行業(yè)都以毛耗來評價石墨電極的實物質(zhì)量。3.1產(chǎn)量法產(chǎn)量法是以一定時期產(chǎn)出的鋼水量（成品）為基數(shù)，以同期內(nèi)石墨電極的投入量扣除爐上剩余量為消耗量。噸鋼石墨電極的毛耗：Mm=M/Mg噸鋼石墨電極的凈耗：Mj=Mc/Mg其中：Mz為電極的總消耗量（投入量-爐上剩余量），KG/T；Mc為電極的純消耗量（投入量-爐上剩余量-損失量），KG/T；Mg為鋼水的成品量，T。3.2電耗法電耗法是以一定時期內(nèi)純加熱時間的電耗累計量為基數(shù)，以同期內(nèi)石墨電極的投入量扣除爐上剩余量為消耗量（LF爐則以每升溫1°C耗電和電極來計算）。每千瓦小時電極的消耗量：Mx=1000*Mc/Qh其中：Mc為電極的純消耗量（投入量-爐上剩余量-損失量），KG/T；Qh為純加熱時間內(nèi)的電耗累計量，KW*H。產(chǎn)量法基本以毛耗為計算方法，均以成品產(chǎn)出量為計算基數(shù)。電耗法雖然未考慮冶煉技術(shù)消耗以外的損失部分，但鋼廠的考核中最終還是要考慮這部分損失的，這種方法對電極的批次間質(zhì)量會有比較明顯的對比。綜上所述，現(xiàn)階段在冶煉中對石墨電極的消耗評價是不公平的，作為炭素行業(yè)應(yīng)積極推薦綜合評價法。也就是以產(chǎn)量法來行業(yè)應(yīng)積極推薦綜合評價法。也就是以產(chǎn)量法來評價石墨電極的整體質(zhì)量水平和適應(yīng)懷;以電耗法對批次間的電極質(zhì)量和爐況做出對比；同時還要考慮到冶煉中的其他消耗。以此使供需雙方共同關(guān)注電極質(zhì)量的同時，也對電爐爐況的變化加以關(guān)注，從而達到在優(yōu)化使用電極中促進操作最佳狀態(tài)的目的。4冶煉中降低石墨電極消耗的主要途徑在冶煉中如何降低三圍電極消耗既是炭素廠家的技術(shù)所在，也是冶煉廠家配合使用和優(yōu)化電爐操作的重要工作。就冶煉中石墨電極的消耗問題，首先要解決的就是接頭折斷問題，其次要考慮的則是抗氧化和抗熱震性。這就是要求我們首先要了解冶煉行業(yè)的發(fā)展、冶煉工藝、電爐和操作的技術(shù)性，然后有針對性地進行技術(shù)研究、科學(xué)地組織生產(chǎn)、實施有效的技術(shù)服務(wù)。只有這樣才能達到生產(chǎn)和使用相適應(yīng)的目的。下面主要從冶煉生產(chǎn)中來加以討論。4.1新型電爐技術(shù)的降耗大型UHP和LF電爐的建立為鋼鐵行業(yè)的規(guī)模發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。產(chǎn)能大、能量消耗低是新型冶煉技術(shù)的特點。大型電弧科學(xué)地采用了大流量的化學(xué)能（占總耗能的60%?70%），爐低燒咀和自動氧槍及預(yù)熱豎井的使用有效地了電耗與電極消耗的60%以上；水冷系統(tǒng)的應(yīng)用大大地提高了爐齡和降低材料的消耗，特別是噴淋水冷使石墨電極的單耗至少降低了1/3；化學(xué)能的利用至少縮短了一半的冶煉周期，大幅度提高了產(chǎn)量，所以電極的單耗在下降。4.2熱裝冶煉工藝的降耗鋼鐵行業(yè)在發(fā)展大型電爐的同時，近年來也向轉(zhuǎn)爐和高爐大型化延伸，新建的高爐大多在2000M3以上（國內(nèi)最大的為4050M3）；鐵水轉(zhuǎn)爐化冶煉配LF和電爐熱裝鐵水（一般在40%?60%）已成為普及的冶煉工藝技術(shù)；熱裝鐵水有效地縮短了冶煉周期，降低了電能和化學(xué)能及各種材料的消耗，特別是把石墨電極的單耗和需求量都降了下來。新型電爐有完美的配套設(shè)施，引進技術(shù)對石墨電極的選擇防止了大馬拉小車卻產(chǎn)生了小馬拉大車的問題，這對國產(chǎn)電極是個挑戰(zhàn)。阻抗電爐操作和爐內(nèi)自動監(jiān)控系統(tǒng)，對電極的控制和有效使用及減少損失發(fā)揮了極大的作用，大型電爐的電極折斷率小于2%。對老電爐的改造也配套了必要的設(shè)施，對供電設(shè)備的選擇大多是走上限，從而出現(xiàn)了準(zhǔn)UHP和準(zhǔn)HP電爐，無形中把同品級石墨電極的實物質(zhì)量要求又提高了檔次，如：30TAC高阻搞電爐，使用M50MMHP和FG電極的消耗相關(guān)1KG左右，電極折斷率小于3%，而且得到了用戶的好評，也是炭素技術(shù)的一大進步。4.4嚴(yán)控送電制度中的降耗嚴(yán)控送電制度是保證正常冶煉的前提，不同的鋼種和冶煉工藝有相對應(yīng)的起弧電壓及電流擋位，防止電流波動過大并嚴(yán)控電流峰值工作時間。從而有效地防止了電極發(fā)紅和無功氧化消耗及爐內(nèi)折斷。4.5規(guī)范使用中的降耗炭素廠家必須嚴(yán)格要求或現(xiàn)場指導(dǎo)用戶對電極的儲運保管和電極的聯(lián)接。特別是電極的聯(lián)接技術(shù)，原則上大規(guī)格電極必須要求爐下連接；連接時避免沖撞產(chǎn)生螺紋碎塊且一定保持上支電極的始終垂直狀態(tài)；均勻旋合到8?10MM時再用慣性鎖緊，而后再用長臂扳手施加預(yù)緊力矩擰至不能旋合為止，有縫電極不能上爐；若相序問題且連接很好時，最好不要打固定銷子。這些基本要求的目的是為了避免產(chǎn)生折斷和脫落損失。另外還需特別的注意的事項有，火焰高時最上節(jié)要及時續(xù)接加高電極，防止絲扣損壞；滑動電極時必須要有軟連接，避免發(fā)生硬碰撞；把持器與電極必須保持