beishao maopi shimohua

焙烧毛坯在2000～3000℃的高温下进行热处理，使碳网格微晶尺寸增大、晶层间距缩小，晶格常数接近天然石墨，从而获得石墨电极所需要的物理化学性能。焙烧毛坯石墨化是石墨电极生产过程中的关键工序，石墨电极的物理化学性能在很大程度上由石墨化温度决定，生产高质量的石墨电极温度应达到2800℃以上，从经济上看生产1t石墨电极要消耗5000kW·h左右的电量，石墨电极生产成本中电力费用约占25%～35%，而电量的80%左右消耗在石墨化炉中，因此在保证产品质量的前提下如何降低电能消耗也是石墨化工序的重要任务。

石墨化炉类型 目前石墨电极生产厂广泛使用的石墨化炉都是电热炉，即用大量的电能将焙烧品加热到石墨化所需的高温，石墨化炉按加热方式区分可以分为直接加热炉和间接加热炉两种，按石墨化炉和供电装置的相对位置区分，可分为移动式石墨化炉和固定式石墨化炉两种。如按运行方式区分可以分为间歇生产和连续生产两类，按用电性质区分还可分成直流石墨化和交流石墨化两种。直接加热炉是指电流直接通过被石墨化的焙烧品，这时装入炉内的焙烧品既是通过电流产生高温的导体，又是被加热到高温的对象。生产石墨电极主要使用直接加热石墨化炉，直接加热石墨化炉有两种炉型，一种称为艾奇逊石墨化炉，另一种称为串接石墨化炉(英文简称LWG炉)，艾奇逊石墨化炉历史悠久、在炭素厂内早已普遍应用，但是20世纪80年代串接石墨化炉作为一种节能炉型已经在生产大规格电极的炭素厂中推广使用，随着石墨电极质量的不断提高和产品截面的增大，串接石墨化炉有不断增加的趋势。间接加热的石墨化炉专利报道很多，实际应用的很少，20世纪70年代初英国摩根公司研制成功一种间接加热的连续生产石墨化炉，只能生产小规格的电炭制品。由于直流供电设备有利于保持电网三相平衡、功率因数高，20世纪80年代中国炭素厂的石墨化炉大多数已将交流供电改为直流供电，直流供电投资较大，除变压器外，需配备相应容量的整流机组将交流电整流为直流电后输入石墨化炉，5种不同类型的石墨化炉分别介绍于下。

艾奇逊石墨化炉 这一种炉型是19世纪末在生产碳化硅的电阻炉基础上改造而成，主要特点是装入炉内的焙烧品与电阻料(焦粒)共同构成炉阻，通电后产生2000～3000℃的高温使焙烧品石墨化，艾奇逊石墨化炉的结构比较简单：石墨化炉砌在钢筋混凝土基础上，由相同结构的炉头砌体和炉尾砌体及两者之间的长方形炉身构成，炉头及炉尾砌体都是外侧砌耐火砖，内侧上、下部砌炭块，中部砌石墨块，数根导电电极(石墨电极)穿过炉头和炉尾砌体，导电电极的直径和数量根据石墨化炉通电时电流强度而定。(图1)在通电期间导电电极温度不断升高，因此要对导电电极进行冷却，冷却方式有表面直接淋水冷却或间接冷却，间接冷却又可分为在电极内部钻孔通水冷却和电极表面安装冷却夹套两种方式。装入焙烧品的长方形炉身底部砌数层耐火砖，炉身两旁用耐火砖砌炉墙，也可用耐热混凝土制成的墙板立放在炉两侧。小型艾奇逊石墨化炉炉身长10～12m、炉身宽2m左右，每次可装入20t左右的焙烧品。中型艾奇逊石墨化炉炉身长14～16m、炉身宽3m左右，每次可装入焙烧品40～60t。大型艾奇逊石墨化炉炉身长18～20m、炉身宽4．0m左右，每次可装入焙烧品100t左右。一种长达25～30m的超长型艾奇逊炉，炉身窄长，装炉量也只有100t左右。艾奇逊石墨化炉虽然结构简单，容易维修，装卸半成品都用吊车进行，操作比较方便，但有如下缺点：(1)通电时间长、热损失大、能量利用率低，在通电加热期间大量电能用于加热电阻料及炉头、炉尾砌体，而且炉外层保温料向周围空间散失的热量也很多，因此，只有35%左右的电能是用于加热焙烧品使之转化为石墨电极，电能利用效率较低；(2)石墨化炉中装入焙烧品和电阻料的空间称为炉芯，艾奇逊石墨化炉的炉芯各处温度差别较大，炉芯中心部位与炉芯两侧靠近保温料处的温度可相差数百度，炉芯上部与下部的温度差也可达数百度，因此同一炉产品的电阻率有一定差别，炉内加热温度的不均匀也是造成部分产品产生裂纹的主要原因；(3)装卸炉时粉尘大，且在通电加热期间排出大量有害气体、污染环境；(4)生产周期长，一台石墨化炉从清炉开始到装入产品、通电加热、冷却、卸出产品，生产周期长达12～14天，而其中通电加热只需2～3天，虽然每个炉组设有6～8台石墨化炉，但每台石墨化炉在1个月内只能周转1．5～2次；(5)必须使用大量的冶金焦粒为电阻料，每吨焙烧品要消耗300kg左右。

图1 艾奇逊石墨化炉示意图

1—炉头内墙石墨块砌体；2—导电电极；3—填充石墨粉的炉头空间；4—炉头炭块砌体；5—耐火砖砌体；6—混凝土基础；7—炉侧槽钢支柱；8—炉侧活动墙板；9—炉头拉筋；10—吊挂移动母线排的支承板；11—水槽

U形石墨化炉 艾奇逊石墨化炉的一个变种，在供电变压器输出电压及电流的允许范围内，为了提高石墨化炉的热效率及节约电能，炉身适当长一些是有利的，但炉身长度有时受到厂房跨度的限制，因此设计了一种将纵长的艾奇逊石墨化炉从中间折弯180°成为炉头与炉尾位于同一侧的新炉型(图2)，只是在炉身中间砌一道隔墙，把炉身分成两个平行的装料区，与炉头及炉尾砌体相对的一面炉墙内侧砌石墨块，使电流能从一个装料区经过石墨块砌体导入另一个装料区，这种U形石墨化炉的优点是相对的增加了炉身长度，可以多装一些焙烧品，输电母线都在炉子一端，省去了炉两侧的移动母线，每吨半成品的耗电量也略低于一般型式的艾奇逊石墨化炉，但存在炉内电流分布不均匀的缺点(导致炉内温度的不均匀)，因此装在不同部位的石墨电极的质量有一定差异，而且中间隔墙容易烧坏。这种石墨化炉的生产工艺与艾奇逊炉相同。

图2 U形石墨化炉示意图

1—石墨块砌体；2—炉墙；3—装入产品(立装)；4—导电电极；5—隔墙

移动式石墨化炉 石墨化炉不是砌在钢筋混凝土基础上而是砌在钢结构的轨道车上，轨道车可沿铺设在地面的轨道左右移动(图3)，但是供电装置的位置是固定的，艾奇逊石墨化炉或串接石墨化炉都可以设计成移动式炉，6～8台石墨化炉构成一个炉组，以便供电变压器轮流向每一台石墨化炉供电，移动式石墨化炉可以将装卸产品和通电分别在两个厂房内进行，并且使连接石墨化炉的输电母线的长度大大缩短，与移动式石墨化炉相对应的形式是移动式变压器与固定位置砌筑的石墨化炉结合生产，即将供电变压器安装在轨道车上，当哪一台石墨化炉需要通电时，带有变压器的轨道车便移动到这一台炉的炉头，接上输电母线后通电。

图3 炉头两端加压的移动式石墨化炉示意图

1—固定导电电极；2—导电母线；3—导向装置；4—砌在炉车上石墨化炉；5—耐火砖炉墙；6—炉车上的导电电极；7—保温料；8—装入产品；9—通风罩；10—轨道；11—拱脚墙；12—液压机构

串接石墨化炉 特点与生产工艺见“串接石墨化”。

间接加热的连续生产石墨化炉 －种专供生产小型电炭制品的卧式双通道连续生产石墨化炉(图4)。这种双通道连续生产石墨化炉有一个固定的高温区，高温区用石墨板材砌成，通道全长为7m，其中有5m长埋藏在炭黑保温料内，两端各有1m在保温料外，炭黑保温料外面为可以通水冷却的双层钢板焊成的外壳，供电设备为一台140kV·A的单相交流变压器，输出电压为12V，一对导电夹持器夹在石墨双通道的固定位置上，这种连续生产石墨化炉双向逆流进料，由机械顶推装置每分钟推进25mm，经过石墨通道的全部时间4．5h左右，生产的产品直径为50mm以下、长为1m以内，通道内高温区温度可达到2500℃，每小时产量为45kg，每吨产品耗电2700kW·h，由于通道内能自行保持微量正压，因此不必通惰性气体保护。

图4 双通道连续生产石墨化炉示意图

1—顶推机；2—烟囱排气；3—炉外壳；4—冷却水套；5—炭黑保温料；6—铜拉杆；7—石墨板；8—石墨砌体(高温通道)

石墨化炉组 每一台石墨化炉的生产操作是由清炉、小修、装炉、通电、冷却及卸炉等6个内容组成并循环进行，艾奇逊石墨化炉的一个生产周期一般为12～14天，其中通电只需2～3天，为了充分利用供电变压器的能力，每一套供电设备可配置6～8台石墨化炉，供电设备几乎是连续运行，只是在一台炉通电结束时有一小时左右倒换输电母线接点(清理接点及上紧接点)和检查供电设备的停电时间，一套供电设备与6～8台石墨化炉构成一个石墨化炉组，一个石墨化炉组中总有一台石墨化炉处于通电状态中，其他炉子分别处于装炉、冷却、卸炉、清炉、小修等操作过程中，每一个炉组的生产按照事先编排好的运行计划进行。

石墨化胀缩 焙烧品的线尺寸从通电开始到1200℃左右呈膨胀状态，进入原料煅烧温度(1200～1450℃)以后，继续上升到1600℃左右这一期间出现收缩，进一步提高温度在1600～2000℃这一区间由于原料中硫和氮的逸出引起“气胀”，因此这一期间焙烧半成品线尺寸的膨胀程度和原料中硫、氮含量及加热速度有关，当温度上升到2000℃以上，半成品的线尺寸又由膨胀转为收缩，石墨化的全过程是收缩量大于膨胀量，因此焙烧品经过石墨化后直径及长度都有减少，最终收缩量的多少受很多因素的影响，如原料性质、粒度组成、混捏时的黏结剂用量及成型方法、压力大小，以及焙烧和石墨化的最终温度，曾对75%石油焦和25%沥青焦配料生产的普通功率石墨电极进行过收缩测定，测定的数据列于附表。

焙烧品在石墨化过程中的收缩