礦熱爐電極故障分析及預防

【摘要】對電熱爐電極的工作原理，故障產生的機理，以及如何預防、提前發現、盡早解決電極故障，進行了闡述并提出了一些建議。

【關鍵詞】電熱爐；電極；電極燒結；斷裂

【中圖號】TU60【文獻標示碼】A【文章編號】1005-1074(2009)02-0210-01

對鐵合金電爐冶煉人員而言，掌握電極及其工作原理是極為重要的。同時熟悉電極的使用，以及電極出現故障之后的應急處理和設備維護檢修技術，也必不可少。在電爐冶煉過程中，對電極的故障，工作人員應該盡可能早發現、早預防、早解決。以下，筆者就自己的實際工作經驗談一點淺薄體會。

1礦熱爐電極工作原理

電極是根據自然界中碳元素的特性而研制與開發出來的。在自然界中，存在三種不同形態的碳的同素異型體。金剛石結晶屬等軸晶系，其強度高、硬度大、幾乎不導電，導熱性能也很差。石墨晶體屬六方晶系，碳原子排列成六角型，構成層狀結構的平行平面，石墨是電和熱的良導體，煤炭和木炭為無定形碳。碳的熔點及升華溫度都很高，在常壓下，溫度即使升高到3 000℃以上也不會熔化。根據碳元素的這些特性，冶金行業開發出了多種優質電極材料。

1.1電極的作用電極是電爐冶煉過程中，把電能轉化為熱能的載體，當電極把大的電流源源不斷地輸送到電爐中時，它就成了制約電爐生產和運行指標的一部分，根據不同的電爐容量，不同的產品品種，不同的工藝方式，人們選用不同的碳質材料作為電爐電熱能轉換的載體。

1.2電極分類目前使用的電極主要有自焙電極、碳素電極以及石墨電極三大類。自焙電極因其成本低，在礦熱爐中得到了廣泛的應用，因電爐結構不同，自焙電極的電極糊又可分為標準糊和封閉糊。我公司采用的為半封閉爐用自培電極，采用電極標準糊。碳素電極是以低灰分的碳素材料(如低灰分的無煙煤、冶金焦、瀝青焦、石油焦等做原料)，按一定比例和粒度組成，混合加入粘接劑瀝青，在一定的溫度下攪拌均勻，壓制成型，然后在焙燒爐中緩慢制成。碳素電極有一定的形狀和強度，可直接安裝到電爐上使用。兩端加工成螺絲接頭，以便于接長。但因為其本身強度差，盡管價格有優勢，礦熱電爐也很少使用。在精煉電爐上通常使用的是石墨電極。石墨電極中的石墨是碳的同素異型體。它的導電性能比普通的碳素高4倍左右。普通碳素在2 000～2500℃ 的高溫下可轉化成石墨。石墨電極就是碳素電極經過高溫的石墨化爐處理而成； 自焙電極是使無煙煤、焦炭、瀝青和焦油，在一定的溫度下成糊狀物即電極糊。在電爐上用鐵皮制的電極殼內裝入電極糊，利用電極自身的熱量和爐口燃燒熱經過熔化，焙燒而形成的。電極糊在冶煉緩慢焙燒過程中，在一定的糊柱的壓力下，具有一定的強度。因邊使用，邊成型，邊燒結，故省去了壓型和焙燒工序，其價格也相對較低。

2電極故障與原因分析

電極的故障原因多種多樣，如自焙電極很容易燒結，大部分電極都會出現脫松或脫落，或者炸裂斷裂等等。

2.1電極燒結通過熱的傳導，熱輻射，以及電阻熱，電極就可能產生燒結。傳導熱的原理是：自焙電極熱端與冷端溫度相差懸殊；熱端的熱量順電極向上傳導，使由上往下移動的電極糊被加熱。輻射熱造成電極燒結的原理是，電爐爐內溫度向上輻射的熱量造成電極燒結。不過，封閉電爐基本沒有輻射熱，電極燒結主要是通過電阻熱來完成。所謂電阻熱，是電流通過自焙電極本身所產生的電阻熱，約占輸人電流的3％-5％。電阻熱的大小與電流的平方成正比，與電極自身電阻成正比，與時間也成正比。通過改變電極把持方式可以改變電流。組合把持器就是通過直接夾緊筋片的方式，破壞了圓筒電極的集膚效應，使電極的發熱電流變大，從而使電極更易燒結。電阻主要由電極糊的材質決定，電阻率高，電極燒結的就快。

2.2電極脫松電極的松脫一般為電極擰緊力量不夠，螺紋加工公差不正確，加工精度不夠而引起，導致電極在通過強大電流時，因電流的沖擊而產生振動，致使電極聯結處發生微小的松動，造成電極聯結處接觸電阻增大，電流的熱效應作用明顯，致使電極聯結處發熱氧化，一系列惡性循環后最終導致電極松脫現象的發生。還有一種原因，是由于三相交流電的相序不正確而引起的。

2.3電極炸裂在工業硅冶煉中，母扣炸裂，導致掉塊引起的電極斷裂約占電極斷極事故的50％ ～70％ ，主要是供電質量不高和超負荷運行引起的，供電質量不高(特別是小水電)，電壓波動幅度大(額定電壓為35 kV的供電線路，電壓最低值為30 kV，最高值達40.5 kV)，致使通過電極的電流忽大忽小，極不穩定，使電極的熱平衡狀態被破壞，產生集中的局部應力，電極內部的微裂紋在電動力的作用下得到擴展，最終在電極的薄弱處，電極聯結處出現母扣炸裂和掉塊現象；另外，在工業硅生產中超負荷運行是行業內的普遍做法，此時若超出了電極電流承受能力，電極急劇發熱膨脹，內應力急劇增加，電極內部的微裂紋迅速增大與擴展，導致電極聯結處母扣炸裂和掉塊現象的發生。另外，電極的熱膨脹系數不一致也是導致母扣炸裂、掉塊的原因之一。

2.4電極斷裂造成電極斷裂的原因也很多，根據體會筆者以為以下三點。

2.4.1電極本身存在缺陷電極制造過程中，當骨料之間的結合狀態較差或混捏不充分，瀝青沒有很好地浸潤物料及粘結劑炭化條件控制不嚴時，都會在粘結基質層形成應力脆弱區，產生氣孔和裂紋，產生的氣孔和裂紋在一定應力作用下，會分裂為兩部分或更多部分——即碎斷，造成的原因有，糊料混捏不均勻；預熱溫度控制不嚴格；成型造成的內部缺陷；焙燒時溫度控制不好，溫差大；產品不均質；熱膨脹系數過高；機加工精度差，等等。

2.4.2誤操作引起電極斷裂電極在使用過程中應少放勤放，特別是爐況差時更應注意。通常稱的爐況差指爐底炭化硅上漲，電極放不到預定深度，電流不穩定、電耗高、產量低，而且難以控制。此時壓放電極稍不注意，極易引起電極接頭處(大部分在銅瓦下面)出現裂紋、斷裂和掉爐現象。當爐內配料不均勻或炭質還原劑過多時，爐內生成的Sic將顯著增加，并引起爐底上漲，特別是在電極的極心圓外的區域更為嚴重，熔池變小，使電極底部逐漸形成一個斜面圓錐臺，這時，為改變爐況，往往要求電極盡可能下放，當電極下放到上漲的假爐底時，將會受到來自圓錐面的推力。此時的電極一方面要承受來自圓錐面的推力，另一方面還要承受來自本體的強大壓力(電極聯為一體后，重達一、二十噸)，兩種力量相互作用，輕則使電極接頭處產生裂紋，重則發生斷裂、掉爐事故。

2.4.3電極工作環境惡劣引起斷裂在工業硅冶煉中電極的工作條件十分惡劣，它不但要向爐子內部導人強大的電流，而且周圍還要受到礦石和料塊的擠壓，更要承受機械搗爐、塌料時的沖擊力和復雜的電磁電動力的作用與化學反應。出爐后清爐不徹底，礦石和料塊在上面不能及時下落，隨著冶煉過程的進行，上面的礦石和料塊會一下子塌到爐底，對電極產生一個沖擊力，造成電極的內部傷害，偏料時電極所受到的電磁電動力遠遠大于塌料時物料對電極的沖擊力，強大的電動力將電極推向一方，使電極產生裂紋而折斷。

3電極故障的預防

對電極故障，應做到防患于未然。在購買時，盡量選擇質量過硬的生產廠家。同時，對電極質量檢查相關單位應該做好減產驗收工作，以確保市場上的電極質量，給冶金工業提供良好的保障。在生產過程中，工作人員應結合自身電爐的特點選擇相應的電極糊工藝，并進一步貫徹電極以及糊使用操作規程。同時，在實踐中應該不斷摸索學習，總結礦熱爐的電極保護方法。

4參考文獻

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