不同石墨電極所需的石墨化溫度:生產(chǎn)普通功率石墨電極時,產(chǎn)品應(yīng)到達的石墨化溫度為2500℃左右,生產(chǎn)高功率石墨電極(電阻率為6~7 m0m)時,產(chǎn)品應(yīng)到達的石墨化溫度為 2600~2800℃,而生成超高功率石墨電極(電阻率為4.5~6um)時,產(chǎn)品應(yīng)到達的石墨化溫度為2800~3000℃。
碳材料的石墨化過程實際上是一個溫度控制過程,按溫度特性劃分,大致可以分為3個階段:重復(fù)焙燒階段。室溫至1250℃為重復(fù)焙燒階段。經(jīng)過1250℃左右焙燒的炭壞具有一定的熱電性能和耐熱沖擊性能,采用較快的升溫速率,使焙燒品在石墨化初期完成預(yù)熱過渡階段,炭壞結(jié)構(gòu)不會發(fā)生很大的變化,制品本身也不會產(chǎn)生裂紋。
嚴(yán)控升溫階段。1250~1800℃為升溫重點控制階段。在此石墨化關(guān)鍵溫度區(qū)間內(nèi),炭坯的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成發(fā)生了很大的變化,無定形碳的亂層結(jié)構(gòu)有逐漸向石晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢,同時伴隨著無定形碳微晶結(jié)構(gòu)邊緣結(jié)合的不穩(wěn)定低分子烴類和雜質(zhì)元素集團不斷地分解逸出,并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷,也促使熱應(yīng)力相對集中,極易產(chǎn)生裂紋廢品。為減緩熱應(yīng)力的作用,防止熱應(yīng)力過于集中,避免炭坯產(chǎn)生裂紋,同時也為了保持一定的保溫時間,應(yīng)該嚴(yán)格控制此階段的升溫速率。
自由升溫階段。1800℃至石墨化最高溫度為自由升溫階段。在此溫度區(qū)間,碳材料的石晶體結(jié)構(gòu)雛形已經(jīng)基本形成,繼續(xù)升溫,促使其石墨化度進一步提高。石墨晶體的完善程度主要取決于最高溫度,保溫時間的影響已經(jīng)很小,此階段升溫速率可以加快。
]]>石墨化爐的準(zhǔn)確測溫是尚未解決的難題,其原因是沒有找到合適的熱電偶來測量如此高的石墨化溫度(2000~3000℃)以及石墨化爐環(huán)境的復(fù)雜性。目前石墨化爐溫控制主要通過“開始功率”“上升功率”和全爐計劃消耗電量進行間接控制。有時為了試驗新的通電曲線,了解爐芯溫度分布及研究溫度與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系,可采用以下方式進行爐溫大概測定:1600℃以下可用鉑銠一鉑或者鉑銠一鉑銠熱電偶測定,1600℃以上可用光學(xué)高溫計或者光電高溫計測定,一般最大量程可達3200℃。由于石墨化爐內(nèi)煙氣較多,測溫時需要采取相應(yīng)的措施,如采用空心石墨化管作為測溫孔道、用氮氣或者氬氣吹掃煙氣和對測溫儀器的某些部件進行水冷卻保護等。
]]>石墨化爐的溫度必須達到 2200℃以上,因此導(dǎo)入爐內(nèi)的電流強度是很大的,大型石墨化爐通電后期的電流高達150kA以上,并且石墨化爐通電過程中電壓、電流、爐阻及功率都在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化,這是一般供電設(shè)備所達不到的。例如16000kVA直流石墨化供電機組的整流變壓器采用66kV直降,27級有載調(diào)壓,變壓器二次電壓為145~38V,經(jīng)大電流開關(guān)可倒串并聯(lián)運行,串聯(lián)時直流電壓為340~90 V.采用雙反星形帶平衡電抗器的整流電路,輸出直流電壓為170~45V.輸出直流電流為125 kA。目前,國內(nèi)石墨化整流機組都向著大電流、低電壓、增大爐芯電流密度方面發(fā)展,以便縮短送電時間,節(jié)約電量和提高生產(chǎn)效率。
]]>內(nèi)串式石墨化爐是一種不用電阻料、電流直接通過由數(shù)根焙燒品縱向串接的電極柱所產(chǎn)生的高溫使其石墨化的電加熱爐,其關(guān)鍵技術(shù)為串接、加壓和通電。中型串接石墨化爐的供電裝置由一臺自耦調(diào)壓變壓器和一臺帶平衡電抗器的正反星形整流電路組成,輸出直流電壓可調(diào)范圍為30~200V,最大輸出直流電流為120kA,石墨化的焙燒品直徑為 300~600mm,通過焙燒品的電流密度為35~50A/cm3,通電時間為6~12h.最高溫度可達3000℃,每噸焙燒品石墨化電耗為3150kWh。
大型串接石墨化爐的變壓器、整流柜及開關(guān)等全部裝在可移動的臺車上,石墨化爐則固定在地面上,通過大電流水冷母線與需通電的石墨化爐連接,整流柜輸出功率為22000kVA直流輸出電壓為35~210V,最大輸出直流為120kA,石墨化的焙燒品直徑為400~600 mm,爐子全長 24.5 m,其中爐芯長 21 m。
“內(nèi)串”石墨化工藝具有如下特點:內(nèi)熱,“內(nèi)熱”是不用電阻料,電流沿焙燒電極的軸向通入電極,以電極本身作為發(fā)熱體直接加熱;串接,即將電極沿其軸線頭對頭地串聯(lián)起來;通電時間短,一般是10h左右;產(chǎn)品質(zhì)量均勻;電耗低;石墨化溫度高;石墨化程度高;工藝操作簡化,勞動條件得到改善。
]]>小型艾奇遜石墨化爐爐身長10~12m,爐身寬1m左右,每次可裝20t左右焙燒品;中型艾奇遜石墨化爐爐身長14~16m,爐身寬3m左右,每次可裝40~50t焙燒品;大型艾奇遜石墨化爐爐身長18~20m,爐身寬4m左右,每次可裝100t左右焙燒品。艾奇遜石墨化爐是世界上應(yīng)用最廣泛的石墨化爐,自1895年發(fā)明后,在世界各國得到迅速推廣,在相當(dāng)長的一段時間內(nèi),一直占據(jù)著石墨化爐的主導(dǎo)地位。艾奇遜石墨化爐問世百年來也在不斷地改進和完善,從交流爐發(fā)展到直流爐是其重大的技術(shù)突破。
一些主要的技術(shù)指標(biāo)(如送電時間、單位電耗)及產(chǎn)品質(zhì)量都得到大幅度的改善,但艾奇遜石墨化爐的固有缺點,如熱效率低、單產(chǎn)能力小、溫度不均勻等缺點依然存在。具體來說艾奇遜石墨化爐的缺點有:通電時間長,熱損失大,能量利用率低。大量電能用來加熱電阻料,保溫料和端墻砌體,而且爐面散熱很大,僅有30%左右的電能用于碳材料的石墨化;爐芯各處溫差較大(高達數(shù)百度),容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋和質(zhì)量不均:裝卸爐時粉塵大,石墨化期間還會產(chǎn)生空氣污染;生產(chǎn)周期長。一臺石墨化爐從清爐開始到裝人制品、通電加熱、冷卻、卸出產(chǎn)品,生產(chǎn)周期長達 12~14d,而其中通電加熱只需2~3d,雖然每個爐組設(shè)有6~8臺石墨化爐,但每臺石墨化爐在一個月內(nèi)只能周轉(zhuǎn)2~2.5次;必須使用大量冶金焦作電阻料,每噸焙燒品的石墨化要消耗冶金焦300g左右。
]]>按石墨化爐和供電裝置的相對位置來分,可以分為移動式石墨化爐和固定式石墨化爐;按運行方式劃分,可以分為間歇式生產(chǎn)石墨化爐和連續(xù)生產(chǎn)石墨化爐;按用電性質(zhì)劃分,可以分為直流石墨化爐和交流石墨化爐。按功能分,可以分為單一式石墨化爐和聯(lián)合式石墨化爐。聯(lián)合式石墨化爐是指在一臺爐子內(nèi)能同時完成焙燒和石墨化兩個工序的多功能爐子。
按爐身走向劃分,可以分為直線形石墨化爐和U形石墨化爐。U形石墨化爐是將縱長的艾奇遜石墨化爐從中間折彎180°成為爐頭和爐尾位于同一側(cè)的爐型,在爐身中間砌一道隔墻,將其分成兩個平行的裝料區(qū),與爐頭和爐尾砌體相對的一面墻內(nèi)側(cè)砌石墨塊,使電流能從一個裝料區(qū)經(jīng)過石墨塊砌體導(dǎo)人另一個裝料區(qū)。
按是否通人氣體劃分,可以分為通氣石墨化爐,其在爐芯的底部增設(shè)石墨通氣管管上開有多個小孔,以放散純化氣體;是側(cè)墻成為固定式,并加密封,以避免有害氣體逸出;增設(shè)有害氣體的排氣系統(tǒng)和純化氣體的供氣系統(tǒng)。
]]>已達到要求而無需再浸漬處理的浸漬品可直接裝人石墨化爐中在直接石墨化過程中完成浸漬劑瀝青的炭化,但此方法存在許多問題,一般不子采用;大批量浸漬品的二次焙燒以采用隧道窯焙燒比較理想。其特點是:瀝青分解產(chǎn)生的揮發(fā)分可以作為加熱燃料,因而大大降低了燃料消耗;瀝青排出的揮發(fā)分經(jīng)過充分燃燒后,有害成分大為減少,處理廢氣的環(huán)保設(shè)備得以簡化;不需要填充料,生產(chǎn)操作比一次焙燒簡單得多。
二次焙燒的技術(shù)要求。溫度制度:焙燒時間為138h,最高溫度為700℃,保溫2h。兩側(cè)溫差等于或者小于30℃。上下溫度差等于或小于120℃。溫度波動為正負(fù)10℃。壓力。窯內(nèi)壓力:煤氣壓力:等于或不大于 4900 Pa,煤氣壓力不低于 490 Pa。
總管煙道壓力:-392~1176 Pa。浸漬品經(jīng)過二次焙燒再進行石墨化的優(yōu)點如下:可以提高石墨化工序的成品率,縮短了石墨化時間;可降低石墨化工序的電力消耗;可大量減少石墨化過程中排出的瀝青分解有害氣體,改善生產(chǎn)環(huán)境;有利于增加浸漬劑瀝青的結(jié)焦殘?zhí)柯剩岣咧破返捏w積密度。
]]>黏度是影響浸漬效果的主要因素之一。浸漬劑在一定溫度下能夠進人炭素制品的氣孔中,主要靠黏滯流動。所以,使用低黏度的浸潰劑在達到同樣增重時,所需浸漬壓力及時間可適當(dāng)減少。對煤瀝青,采用一定溫度下浸潰,也可降低其黏度。有時也可加人蔥油或煤焦油等稀釋劑來降低其黏度。
表面張力及接觸角對浸漬過程有一定作用。一般浸潰劑潤濕炭和石墨的接觸角小于90°,在 200℃時,煤瀝青與石墨接觸角為72~80°。降低黏度,使接觸角變小,表面張力增大,有利于浸潰。浸漬劑中的雜質(zhì)及懸浮物容易堵塞氣孔,使浸漬難以進行,因此浸漬用瀝青的不溶物要比較低。
對于多次使用過的浸潰劑需經(jīng)過清除雜質(zhì)處理再使用,或更換新的浸潰劑。浸漬劑焦化后的析焦率應(yīng)該愈高愈好。析焦率高,浸后產(chǎn)品體積密度大、強度高、氣孔率低、導(dǎo)電性好。一般都用中溫瀝青浸漬,其析焦率高于50%。
]]>浸漬罐浸漬罐是浸漬過程中的主體設(shè)備。它是一個帶有加熱夾套的耐真空、耐壓力容器。形狀為圓筒形,由鋼板制成,根據(jù)浸潰制品的尺寸、加熱方式和浸漬方式的不同,浸漬罐有多種規(guī)格。從結(jié)構(gòu)上分,有立式和臥式浸潰罐兩種。浸漬罐的加熱方式有蒸氣加熱、電加熱、燃料燃燒直接加熱、廢氣加熱及有機熱載體加熱等多種。浸漬罐內(nèi)加壓可以使用壓縮空氣或高壓氮氣等。
瀝青熔化槽與貯罐。炭素廠購人的瀝青都是固體,在使用前必須在熔化槽中熔化為液體,經(jīng)過脫水,加焦油或蒽油調(diào)整黏度后,保存在貯罐中。瀝青熔化槽實質(zhì)上是一個鋼質(zhì)換熱器,形狀為圓筒形或立方形,內(nèi)設(shè)加熱排管或螺旋管,外壁襯有保溫層。工作時,固體瀝青從槽頂加料口加人,蒸氣或其他載熱體流過加熱管時,通過管壁間接給熱,使固體瀝青受熱而熔化。瀝青貯罐又稱為攪拌罐,外形有圓筒形和立方形兩種。貯罐內(nèi)攪拌裝置可以用機械攪拌,也可以用壓縮空氣攪拌,但壓縮空氣攪拌易導(dǎo)致瀝青氧化。
]]>浸漬罐為臥式或立式,浸潰罐容積為5.8m,一般用壓縮空氣加壓加壓壓力為0.45~0.5 Pa,真空度為15 Pa左右,每次浸漬炭坯量為2t左右,第一次浸潰增重率為12%~15%,年生產(chǎn)能力為3000t。此生產(chǎn)系統(tǒng)對密度較低的中小直徑炭坯可以滲透,但對中等密度的中直徑或大直徑炭坯一般只能達到30%~70%的浸人深度。
臥式高真空、高壓浸漬系統(tǒng)(間歇生產(chǎn))此系統(tǒng)增加了副罐,采用高真空泵抽氣和高壓氮氣加壓。副罐所起的作用包括:控制主罐內(nèi)的壓力,補充瀝青的消耗,在向主罐注人瀝青時可不停止真空排氣,對主罐的壓力起平衡和穩(wěn)定作用,以及避免液體瀝青誤抽至真空系統(tǒng)內(nèi)。浸漬罐容量為26或36m,加壓壓力為1.2MPa,真空度為8.7kPa或8.9kPa,每次浸漬炭壞量為12t或15t,第一次浸漬增重率為12%~18%,年生產(chǎn)能力為8000t或12000t。
半連續(xù)高真空、高壓浸漬生產(chǎn)系統(tǒng):所謂半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng),是將預(yù)熱爐、浸漬罐及浸漬產(chǎn)品的冷卻室等設(shè)備水平地布置在一條直線上,加上換托架機構(gòu),形成“單回路”或“雙回路”工藝流程。此系統(tǒng)采用氮氣或瀝青泵加壓和冷卻時淋水冷卻,加壓壓力為1.5 MPa,真空度為1.5~2.7kPa,每次浸漬炭壞量為12~16t,第一次浸漬增重率為12%~18%,年生產(chǎn)能力為18000t。
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