浅析电炉石墨电极耗损的原因及控制措施
杨 光1；袁海滨；熊银宝
（云南锡业股份有限公司铜业分公司，云南个旧市，661000）
摘要：本文简要研究了电炉石墨电极的耗损原因，研究结果表明，电极的额外耗损量远远超过了其实际使用量，电极的侧面氧化与电极的折断占了很大的比例。本论文就如何通过改变操作方式来降低石墨电极消耗做了研究。
关键词：石墨电极;侧面氧化;折断耗损;热剥落
Discussion the Reason on the Electric furnace Graphite electrode Consumption
and Control measures
YANG Guang，YUAN Hai-bin，XIONG Yin-bao
(Copper branch of Yunnan Tin Group Limited Company, Yunnan Gejiu, 661000, China)
Abstract: The consumption reasons on the electric furnace graphite electrode have been analyzed. The results show that additional loss of graphite electrode is further beyond than its real usage, because the graphite electrode of side oxidation and electrode break accounted for a large proportion. Control measures for reduce the consumption of graphite electrode by change operation mode have been analyzed.
Keywords: Graphite electrode; Side oxidation; Electrode break; Thermal spalling 1引言
石墨电极耗损是主要制约电炉生产成本的一个关键因素，对于研究降低石墨电极耗损不仅可以实现低投入高产出，更重要的是能产生巨大的社会效益，响应国家低碳环保的号召。
目前我厂的电炉使用的是高功率石墨电极，经过统计，电极单耗在2.5kg∕t铜锍，而其同行业的电极单耗大约在1.2kg∕t铜锍。相比同行业我厂的电极单耗明显偏高，所以对于降低石墨电极消耗对我厂在节能降耗、降低生产成本方面来说是十分重要的。
2影响石墨电极耗损的原因 2.1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。电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。而且它有较高的电阻，且随温度的变化不大，在2500℃以下石墨电极的机械强度随温度的上升而提高，可作为在加热体断面积较大的情况下采用低电压高电流的电源，固都采用石墨电极作为电炉的加热体。 2.2石墨电极易损的原因分析 2.2.1侧面损耗
电极侧面耗损，主要是由于炉膛存在有负压，进而炉内有大量的流动空气，空气中的氧与石墨作用生成CO与CO2，氧化时的生成物随环境温度的不同而不同：
2C+O2=2CO（1000℃以上） C+O2=CO2（1000℃以下）
其消耗占电极总消耗的50～70%。但是炉膛负压的存在是不可消除的。因为炉膛负压是由于环保风机将炉内的烟气抽走而形成的。较大的炉膛负压有利于减少烟气的泄露，工作环境的改善，但高负压会使炉内气体流动速度加快、氧势升高、温度上移，从而造成电极表面氧化过快，加快电极消耗；较低的炉膛负压能降低电极表面氧化的加剧，降低电极额外耗损，但低负压又易造成大量烟气聚集在炉内，发生烟气大量泄露，对周围工作环境造成影响，降低炉子使用寿命，而且大量的烟尘也会使电极的导电率下降，增加了电能的额外耗损。 1
作者简介：杨光（1988-），男，冶炼技术员，云南建水人，主要从事有色冶炼技术工作
针对负压对电极表面的氧化情况的影响程度大小，对负压较大的三组电极与负压较小的三组电极消耗情况进行调查，调查情况见表1。
此外，冶炼时间、冶炼工艺、炉渣炉况、电极在炉内的表面积、炉内气氛及速流等对电
极侧面氧化均有不同程度的影响。 2.2.2尖端耗损
沉降电炉对熔体升温的唯一方式是通过插入熔体的石墨电极，通入较大的电流对熔体进行加热。通入的电流会在电极与熔体接触面上形成电弧，通过理论研究，这会使电极的尖端造成耗损。电极的尖端耗损包括了电极蒸发、熔体吸收、热剥落三个方面（见图1）。电极的蒸发主要是由高强度电弧柱体的辐射与电流引起的。电极蒸发是以电流的大小成正比，所以较强的电流会使电极蒸发加快。
图1电极的热剥落
针对这种情况，对2013年某时间段内沉降电炉电流使用情况与电极消耗量进行调查，调查情况见表2。
表2 电流大小与电极消耗情况对比
时间段编号 电流大小（A） 电极消耗量（kg）
1 7600 21864
2 8100 23378
3 11800 27527
4 12000 27763
通过上表对照显示：电流的大小对电极的消耗量有极大的影响，当电流较高时电极的消耗量会有明显增加。 2.2.3折断耗损
电极断裂属于突发事故，其原因有：
电极在插入熔池中要承受很大的电磁应力，此应力的方向和大小交替变化，并应起电极夹持器的摆动和电极本身的振动，当机械应力，电磁力和电极体内热应力之和超过电极本身的强度时，就会导致电极断裂，根据对大量现场情况分析，此类折断多发生在电极柱中部附近的接头处主要原因在于此处径向温差较大，存在的内应力也较大的缘故；电弧、渣子产生的高热梯度引起频繁出现的热冲击，破环电极的热稳定性；接头松动；此外操作不当也会引起电极的断裂。
针对石墨电极的折断消耗状况进行了调查分析，调查情况见表3。
表3 2012年石墨电极消耗统计表
序号
项目
频数（kg） 累计频数（kg） 累计百分数（%）
1 2 3 4 折断消耗 自然消耗 残头消耗 其他消耗 58223 43373 1023 3815 58223 101596 102619 106434 54.7 95.5 96.4 100
通过统计表可知，电极的消耗主要集中在折断消耗和自然消耗上。 2.2.4电极加工安装质量
电极加工质量和安装质量对电极的使用寿命同样起到重要影响。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，电极接头过紧则容易在装配时损坏螺纹。在装配电极的过程中，如果不对电极的头尾清灰或是接入不到位，同样会对电极的导电性产生影响，极易造成断裂。
3降低电极耗损的途径 3.1合理控制炉膛负压
冶炼炉存在负压是为了将冶炼过程中产生的有毒有害气体通过烟道进入余热锅炉降温，最后进入电收尘器进行烟、尘分离，从而达到排放标准。负压的存在必然会将大量空气带入炉膛，加快石墨电极的氧化程度。所以合理的炉膛负压不论是对于周围环境，还是节能降耗都有着至关重要的作用。于是，针对炉膛负压进行了研究。
可以降低石墨电极的氧化程度，也可保证炉前作业环境；当炉子处于保温作业状态，我们可适当降低炉膛负压，使炉膛负压保持在-3～-9Pa之间，并降低电极功率，使电极氧化程度得到降低。
3.2合理控制电流大小
通过对熔体温度的及时掌握，合理控制变压器的输出功率，确保冶炼过程中的电流合理。根据冶炼手册要求，冰铜温度控制在1200～1250℃，炉渣温度控制在1250～1300℃。所以电流大小的控制，必须基于对冰铜、炉渣温度的准确掌控。熔体温度较高，则相应的降低功率，减小电流；温度较低，则升高功率，提高电流。
表5 电流大小与电极消耗情况对比
通过对比发现，低电流可减少电极的消耗量。 3.3规范夹持器的合理操作
若电极与夹持器不能保持垂直，电极将存在附加水平分力；若夹持面存在异物，夹持点易产生应力集中；若两根电极存在较大的直径公差，压放电极过程中易造成电极下滑或夹持器钢绳断裂。这些在冶炼过程中都极易造成电极折断。
对此，夹持器的规范操作十分重要。电极夹持器应尽量避免夹在电极连接处之间的白线内。在压放电极过程中，要注意观察夹持器与电极间的磨损程度。若磨损较大，说明电极直径偏大，应相应的松开夹持器；若无磨损，说明电极直径偏小，容易造成电极下滑，相应的调紧夹持器。
3.4确保电极质量和安装质量
安装电极之前，仔细检查电极和电极接头的螺纹质量，并吹扫干净电极和电极接头。在安装时，用电葫芦将电极吊至安装电极上方，与相对应的电极连接口对好位，用力矩扳手将电极旋紧到位，确保电极与电极之间无松动。 3.4涂层、浸渍保护抑制电极氧化
石墨在较低温度下，特别是在真空条件下，其氧化程度比许多金属缓慢。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，不可能像其他金属可在表面形成氧化保护膜，所以氧化反应是持续的。比较常用的方法就是碳化硅涂层和磷酸盐浸渍防止氧化，磷酸盐浸渍效果要更为明显。
4总结
（1）侧面损耗、尖端损耗、折断损耗、电极加工安装质量等因素都可能造成石墨电极的耗损量大。
（2）通过对炉膛负压的合理控制、电流大小的合理控制、夹持器的合理规范操作、电极质量和安装质量的保障、电极的涂层、浸渍抑制氧化保护采取相应的技术和管理措施，电极消耗量大的情况就能得到有效抑制。
（3）加强员工岗位职责的教育培训工作，使每一位员工切实做到精心操作，从而减少误操作对石墨电极的消耗率；加强各班组之间的交流，及时详细的将本班工作过程中电极使用的各种情况进行告知；加强技术交流活动，使操作员工在彼此身上发现优点，查找自身的不足，从而学到更多的工作经验，更加出色的完成各项生产任务，用低能耗、低成本达到高效率、高产出，使产品质量得到有效保障。
参考文献
[1]陈文来,吕红兵,贾庆远. 电弧炉冶炼中石墨电极折断原因分析[J]. 炭素技术2010,3:36-38.
[2]吴浩. 真空炉石墨电极消耗高的原因分析[J].有色冶炼. 2001,2:43-46. [3]傅崇说. 有色冶金原理[M]. 北京：冶金工业出版社，1984,2
浅析电炉石墨电极耗损的原因及控制措施
杨 光1；袁海滨；熊银宝
（云南锡业股份有限公司铜业分公司，云南个旧市，661000）
摘要：本文简要研究了电炉石墨电极的耗损原因，研究结果表明，电极的额外耗损量远远超过了其实际使用量，电极的侧面氧化与电极的折断占了很大的比例。本论文就如何通过改变操作方式来降低石墨电极消耗做了研究。
关键词：石墨电极;侧面氧化;折断耗损;热剥落
Discussion the Reason on the Electric furnace Graphite electrode Consumption
and Control measures
YANG Guang，YUAN Hai-bin，XIONG Yin-bao
(Copper branch of Yunnan Tin Group Limited Company, Yunnan Gejiu, 661000, China)
Abstract: The consumption reasons on the electric furnace graphite electrode have been analyzed. The results show that additional loss of graphite electrode is further beyond than its real usage, because the graphite electrode of side oxidation and electrode break accounted for a large proportion. Control measures for reduce the consumption of graphite electrode by change operation mode have been analyzed.
Keywords: Graphite electrode; Side oxidation; Electrode break; Thermal spalling 1引言
石墨电极耗损是主要制约电炉生产成本的一个关键因素，对于研究降低石墨电极耗损不仅可以实现低投入高产出，更重要的是能产生巨大的社会效益，响应国家低碳环保的号召。
目前我厂的电炉使用的是高功率石墨电极，经过统计，电极单耗在2.5kg∕t铜锍，而其同行业的电极单耗大约在1.2kg∕t铜锍。相比同行业我厂的电极单耗明显偏高，所以对于降低石墨电极消耗对我厂在节能降耗、降低生产成本方面来说是十分重要的。
2影响石墨电极耗损的原因 2.1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。电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。而且它有较高的电阻，且随温度的变化不大，在2500℃以下石墨电极的机械强度随温度的上升而提高，可作为在加热体断面积较大的情况下采用低电压高电流的电源，固都采用石墨电极作为电炉的加热体。 2.2石墨电极易损的原因分析 2.2.1侧面损耗
电极侧面耗损，主要是由于炉膛存在有负压，进而炉内有大量的流动空气，空气中的氧与石墨作用生成CO与CO2，氧化时的生成物随环境温度的不同而不同：
2C+O2=2CO（1000℃以上） C+O2=CO2（1000℃以下）
其消耗占电极总消耗的50～70%。但是炉膛负压的存在是不可消除的。因为炉膛负压是由于环保风机将炉内的烟气抽走而形成的。较大的炉膛负压有利于减少烟气的泄露，工作环境的改善，但高负压会使炉内气体流动速度加快、氧势升高、温度上移，从而造成电极表面氧化过快，加快电极消耗；较低的炉膛负压能降低电极表面氧化的加剧，降低电极额外耗损，但低负压又易造成大量烟气聚集在炉内，发生烟气大量泄露，对周围工作环境造成影响，降低炉子使用寿命，而且大量的烟尘也会使电极的导电率下降，增加了电能的额外耗损。 1
作者简介：杨光（1988-），男，冶炼技术员，云南建水人，主要从事有色冶炼技术工作
针对负压对电极表面的氧化情况的影响程度大小，对负压较大的三组电极与负压较小的三组电极消耗情况进行调查，调查情况见表1。
此外，冶炼时间、冶炼工艺、炉渣炉况、电极在炉内的表面积、炉内气氛及速流等对电
极侧面氧化均有不同程度的影响。 2.2.2尖端耗损
沉降电炉对熔体升温的唯一方式是通过插入熔体的石墨电极，通入较大的电流对熔体进行加热。通入的电流会在电极与熔体接触面上形成电弧，通过理论研究，这会使电极的尖端造成耗损。电极的尖端耗损包括了电极蒸发、熔体吸收、热剥落三个方面（见图1）。电极的蒸发主要是由高强度电弧柱体的辐射与电流引起的。电极蒸发是以电流的大小成正比，所以较强的电流会使电极蒸发加快。
图1电极的热剥落
针对这种情况，对2013年某时间段内沉降电炉电流使用情况与电极消耗量进行调查，调查情况见表2。
表2 电流大小与电极消耗情况对比
时间段编号 电流大小（A） 电极消耗量（kg）
1 7600 21864
2 8100 23378
3 11800 27527
4 12000 27763
通过上表对照显示：电流的大小对电极的消耗量有极大的影响，当电流较高时电极的消耗量会有明显增加。 2.2.3折断耗损
电极断裂属于突发事故，其原因有：
电极在插入熔池中要承受很大的电磁应力，此应力的方向和大小交替变化，并应起电极夹持器的摆动和电极本身的振动，当机械应力，电磁力和电极体内热应力之和超过电极本身的强度时，就会导致电极断裂，根据对大量现场情况分析，此类折断多发生在电极柱中部附近的接头处主要原因在于此处径向温差较大，存在的内应力也较大的缘故；电弧、渣子产生的高热梯度引起频繁出现的热冲击，破环电极的热稳定性；接头松动；此外操作不当也会引起电极的断裂。
针对石墨电极的折断消耗状况进行了调查分析，调查情况见表3。
表3 2012年石墨电极消耗统计表
序号
项目
频数（kg） 累计频数（kg） 累计百分数（%）
1 2 3 4 折断消耗 自然消耗 残头消耗 其他消耗 58223 43373 1023 3815 58223 101596 102619 106434 54.7 95.5 96.4 100
通过统计表可知，电极的消耗主要集中在折断消耗和自然消耗上。 2.2.4电极加工安装质量
电极加工质量和安装质量对电极的使用寿命同样起到重要影响。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，电极接头过紧则容易在装配时损坏螺纹。在装配电极的过程中，如果不对电极的头尾清灰或是接入不到位，同样会对电极的导电性产生影响，极易造成断裂。
3降低电极耗损的途径 3.1合理控制炉膛负压
冶炼炉存在负压是为了将冶炼过程中产生的有毒有害气体通过烟道进入余热锅炉降温，最后进入电收尘器进行烟、尘分离，从而达到排放标准。负压的存在必然会将大量空气带入炉膛，加快石墨电极的氧化程度。所以合理的炉膛负压不论是对于周围环境，还是节能降耗都有着至关重要的作用。于是，针对炉膛负压进行了研究。
可以降低石墨电极的氧化程度，也可保证炉前作业环境；当炉子处于保温作业状态，我们可适当降低炉膛负压，使炉膛负压保持在-3～-9Pa之间，并降低电极功率，使电极氧化程度得到降低。
3.2合理控制电流大小
通过对熔体温度的及时掌握，合理控制变压器的输出功率，确保冶炼过程中的电流合理。根据冶炼手册要求，冰铜温度控制在1200～1250℃，炉渣温度控制在1250～1300℃。所以电流大小的控制，必须基于对冰铜、炉渣温度的准确掌控。熔体温度较高，则相应的降低功率，减小电流；温度较低，则升高功率，提高电流。
表5 电流大小与电极消耗情况对比
通过对比发现，低电流可减少电极的消耗量。 3.3规范夹持器的合理操作
若电极与夹持器不能保持垂直，电极将存在附加水平分力；若夹持面存在异物，夹持点易产生应力集中；若两根电极存在较大的直径公差，压放电极过程中易造成电极下滑或夹持器钢绳断裂。这些在冶炼过程中都极易造成电极折断。
对此，夹持器的规范操作十分重要。电极夹持器应尽量避免夹在电极连接处之间的白线内。在压放电极过程中，要注意观察夹持器与电极间的磨损程度。若磨损较大，说明电极直径偏大，应相应的松开夹持器；若无磨损，说明电极直径偏小，容易造成电极下滑，相应的调紧夹持器。
3.4确保电极质量和安装质量
安装电极之前，仔细检查电极和电极接头的螺纹质量，并吹扫干净电极和电极接头。在安装时，用电葫芦将电极吊至安装电极上方，与相对应的电极连接口对好位，用力矩扳手将电极旋紧到位，确保电极与电极之间无松动。 3.4涂层、浸渍保护抑制电极氧化
石墨在较低温度下，特别是在真空条件下，其氧化程度比许多金属缓慢。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，不可能像其他金属可在表面形成氧化保护膜，所以氧化反应是持续的。比较常用的方法就是碳化硅涂层和磷酸盐浸渍防止氧化，磷酸盐浸渍效果要更为明显。
4总结
（1）侧面损耗、尖端损耗、折断损耗、电极加工安装质量等因素都可能造成石墨电极的耗损量大。
（2）通过对炉膛负压的合理控制、电流大小的合理控制、夹持器的合理规范操作、电极质量和安装质量的保障、电极的涂层、浸渍抑制氧化保护采取相应的技术和管理措施，电极消耗量大的情况就能得到有效抑制。
（3）加强员工岗位职责的教育培训工作，使每一位员工切实做到精心操作，从而减少误操作对石墨电极的消耗率；加强各班组之间的交流，及时详细的将本班工作过程中电极使用的各种情况进行告知；加强技术交流活动，使操作员工在彼此身上发现优点，查找自身的不足，从而学到更多的工作经验，更加出色的完成各项生产任务，用低能耗、低成本达到高效率、高产出，使产品质量得到有效保障。
参考文献
[1]陈文来,吕红兵,贾庆远. 电弧炉冶炼中石墨电极折断原因分析[J]. 炭素技术2010,3:36-38.
[2]吴浩. 真空炉石墨电极消耗高的原因分析[J].有色冶炼. 2001,2:43-46. [3]傅崇说. 有色冶金原理[M]. 北京：冶金工业出版社，1984,2