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略谈艾契逊石墨化炉的节能
曹君虎
(兰州海龙新材料科技股份有限公司,甘肃兰州,730084)
前言
碳----石墨制品的生产需要消耗大量的能源,能耗的费用约占炭
素制品生产成本的30%~40%。而炭素生产过程中的石墨化工序,
又是能源消耗的大户,其电耗要占制品生产总电耗的70%左右。据
有关资料介绍,石墨化温度达到3000K时,1吨焙烧品的石墨化理论
电耗为1360kwh。目前国内炭素制品生产石墨化电耗通常是4000~
5500kwh/t,是理论电耗的3~4倍。因此降低炭素生产石墨化电
耗一直是工程技术人员十分重视的研究课题,也是炭素制品生产企业
降低成本,提高效益的关键所在。石墨化炉是炭素制品生产的关键设
备之一,也是耗能最大的设备之一。自从1895年,艾奇逊在美国获
得了一个关于生产石墨制品的专利以来,以艾奇逊原则为基础的艾奇
逊式电阻炉广泛应用于碳--石墨制品的石墨化生产,虽然这种方法具
有设备简单,操作方便的优点,但其通电周期长,热效率也很低,仅
有30%左右,制品的石墨化电耗高,和艾奇逊石墨化炉相比,内热
串接石墨化炉的主要优点有:(1)加热温升快,从开始通电至达到石
墨化高温只需7—16小时;(2)电耗低,以同样品种,同一规格制品
作比较,每吨石墨化品的耗电量比艾奇逊石墨化炉节省30%左右;
(3)制品石墨化程度均匀;(4)不用电阻料,降低了生产成本。显然,
内热串接石墨化炉的许多优点是艾契逊石墨化炉无法比拟的,虽然目
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前国内也有企业采用内热串接石墨化工艺生产碳一石墨制品,但内热
串接石墨化炉现在还不能完全取代艾契逊石墨化炉,艾奇逊石墨化炉
仍然是碳---石墨制品生产的主要热工设备之一。因此,充分发挥艾
奇逊石墨化炉的潜力,降低其石墨化生产过程中的能源消耗,对于炭
素制品生产企业来说,也是降低生产成本,提高经济效益的有效手段
之一。
1艾奇逊石墨化炉的能量平衡
由于奇契逊石墨化炉是现行炭素工业石墨化生产的主要炉型,
弄清楚艾契逊石墨化炉的电热效率和能量平衡,对于碳一石墨制品的
石墨化生产和石墨化炉的节能有着十分重要的作用。根据能量守恒定
律,对于由电能转化为热能达到加热石墨制品的艾奇逊石墨化炉,可
以从理论上由电能的数值计算出各个时刻石墨化炉芯内的温度,但是
仅由焦耳---楞次定律Q=。
因为,电阻热除了加热炉芯制品,升高炉芯温度之外,还有很大一部
分热量通过各种途径散失掉了。
那么,总电能有多少用于加热炉芯?升高炉芯温度的能量是多少?通
过各种途径散失的能量是多少?由能量守恒定律得知,这三者是平衡
的。即Q总=Ql+Q2
Q总——通电时间内供给炉内的能量;
Q1——炉内吸收的能量;
Q2——炉子散失的能量。
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艾奇逊石墨化炉是以电作能源的工业电阻炉,在石墨化生产过程中,
全部设备(包括变压器、石墨化炉)的电效率变化很大,石墨化开始通
电时的电效率在70%~80%之间,通电结束时在50%~55%之
间,平均在75%左右。对于艾奇逊石墨化炉进行电气平衡的计算,
有助于找出电能主要消耗在什么地方,主要损失在哪些环节上,可采
用哪些有效措施节约电能。石墨化炉供电网路电平衡,见图1。
从图1看到,当100%的电能支出到达石墨化炉芯的有效电能输
%左右,从供电设备方面看,变压器要消耗一定的电量,
除变压器外,从变压器低压侧到炉芯的电路各部位都要消耗不少电
量,最大的电能损耗量在炉头导电电极上,%,从主母
线接到导电电极端面上的短网母线损耗量也很大,%。
艾契逊石墨化炉的生产是间歇性作业,一个生产周期内从低温升到高
温,又从高温冷却低温,通电时,真正使产品加热升温所用的热量是
很少的一部分,绝大部分通过传热、对流、辐射等方式损失掉了。石
墨化炉的热量平衡与周围的介质有关系,平均20%~26%的热量
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损失于周围介质,在通电结束时,有55%~75%的热量损失于周
围介质。石墨化炉的热量效率是按加热制品所消耗的有效热量与通电
时总热量消耗的比值计算而成的,即rl热=Q有/Q总×100%。艾契
逊石墨化炉的热量平衡,见图2。从图2石墨化炉热平衡可以看出,
艾契逊石墨化炉是热效率比较低的工业电阻炉,加热整个炉芯的热量
%,若除去加热电阻料的热量消耗,炉芯制品得到的热
%。在工业艾契逊石墨化炉生产中,由于受各种因素的
影响,石墨化炉的热效率实际上更低,最大的热损失是石墨化向周围
介质散失的热量,%,同时加热保温料、炉底、炉头尾端
墙及侧墙也消耗一部分热量。
2艾契逊石墨化炉的节能
从艾契逊石墨化炉的电热平衡分析可知,石墨化炉是消耗电量
很大的热工设备,因此如何在保证产品质量的前提下,减少电量消耗
是石墨化炉节能的主要内容,也是降低石墨化生产成本的必由之路。
艾契逊石墨化炉的节能,制品的石墨化难易程度,也影响其石墨化工
艺电量消耗,除了尽可能提高制品石墨化成品率,减少各种类型的废
品外,我们还可以从石墨化工艺技术、工序管理等方面采取措施,以
降低石墨化工艺电量消耗,节约能源。
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艾契逊石墨化炉理想的停电方式应根据炉芯温度来确定,但由
于石墨化炉炉芯温度的不均匀性,高温控制不容易,实现连续自动化
测量困难等因素,因此,现行工业艾契逊石墨化炉均采用定功率配电
的功率送电曲线来控制炉芯温度的上升速率,以累计电量最终达到
计划电量为停电依据,这种方法有很多缺陷,极不科学。有时经常会
出现炉芯温度已达到,可送电量按规定尚未完结的多送电现象,极大
地浪费了电量,达不到节能的目的。或者相反,炉芯的温度还没有完
全达到制品完成石墨化过程所需的高温,而送电量已经达到计划电量
而停炉。决定石墨化过程的是温度,电量消耗是考核炉芯温度是否达
到规定温度的一种手段。电量的消耗随着时间的延长而增多,而炉芯
温度的高低除随时间的变化热量在逐渐积累外,还受着其它许多因素
的影响。石墨化炉芯温度并非总是随着通电时间的延长而提高,而炉
内热量的散失又和通电时间延长成正比例地增长,以用控制送电量所
的石墨化工艺制度很不合理和科学。通常控制的电量值,总是偏高
于制品完成石墨化过程所需要的电量,这样就造成了电能的较大浪
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费,增加了不必要的生产成本。因此,石墨化炉在送电过程中,通过
炉芯温度变化情况的监控,可以避免因电量控制产生的不必要的多耗
电,通过控制炉芯温度上升的速度,就可以节约电能和提高产品质量。
现行工业艾契逊石墨化炉的测温技术,虽然不够准确或存在误差,但
为了石墨化炉的节能和确保产品质量,我们在石墨化炉侧中部找出一
个适宜点,安装了测温观察孔,通过测温仪定期观察石墨化炉送电过
程中各阶段的温升速度,重点观察监控炉芯温度在2300℃左右的变
化情况,再结合电量控制,即在最短的时间内,功率达到最高值,电
流达到最大额定电流值,再维持一段时间,一直到石墨化炉的热散失
与吸收的热量平衡时,炉芯温度不再升高,其电阻也不再降低时,功
率、电流、电压等电气参数都趋于恒定,方可停止送电。这样,通过
监控石墨化炉通电过程中的炉芯温度变化,就可以减少热量损失,节
约电量,达到石墨化炉的节能目的。
艾契逊石墨化炉的最高温度是由变压器的最大输出电流,经石墨
化炉芯电阻转化成的热量,与石墨化炉本身散失的热量相平衡而得到
的。石墨化炉的炉芯电阻主要是由电阻料提供的,石墨化炉开始通电
时,电阻料的电阻约占炉芯电阻的99%左右,通电结束后,电阻料
的电阻还要占到炉芯电阻的97%左右。可见在整个石墨化过程中,
热量主要是由电阻料传人制品的,进人制品的电流比率很小。在制品
内部,电流产生的热量很少,因此制品内外温度相差很大,制品内部
温度分布很不均匀,热应力很大,为了减小这种不均匀的热应力对于
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制品晶体结构变化的影响,就要控制制品在不同石墨化温度阶段,对
于温升速度的不同要求,因而石墨化通电周期很长。对于艾契逊石墨
化炉,要根据制品的品种、规格及质量状况来决定采用的电阻料类别,
确定合理的石墨化工艺技术条件、功率送电曲线和电量,在保证产品
质量的前提下,尽可能缩短石墨化炉通电周期,提高石墨化生产效率,
降低石墨化工艺电量消耗,以节约能源,也就是石墨化生产工艺所服
从的“高效与低耗并行”原则。
强化石墨化送电的实质,就是在保证产品质量的基础上,适当提高通
入石墨化炉的内有效功率及其上升的速度,尽量减少最大功率下降的
速度,以便保证炉芯单元体积及面积上对最大功率和电流密度的需
要。炭素制品在石墨化过程中的三个温度阶段是公认的:(1)室温至
1300℃为重复焙烧阶段,采用较快的升温速度,制品也不会产生裂
纹;(2)1300~1800℃为严控升温阶段,碳平面网格逐步转化为石墨
晶格结构,促使应力过分集中,易产生裂纹,应减缓热应力作用,使
制
品处于较小的温度梯度;(3)1800℃至石墨化最高温度,为自由升温
阶段,此时制品的石墨晶体结构已基本形成,升温速度对制品影响不
大,此时就可以采取强化石墨化送电制度,减小最大功率的下降速度,
增大炉芯的电流密度,以便使炉芯温度尽快达到制品完善石墨化过程
所需要的最高温度。在日常石墨化生产中,对于采用石墨化焦作电阻
料生产大规格石墨制品,在石墨化送电后期,当变压器的输出功率、
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电流达到满负荷后,允许变压器的输出电流比额定输出电流超出
10%运行数小时,以减小最大功率的下降速度,增加石墨化炉芯的
电流密度,迅速提高石墨化炉芯的发热量,使炉芯温度达到2700℃
以上,从而使制品在较短的时间内,完成石墨化过程,减小石墨化炉
散热损失,减少石墨化炉的送电量,以达到石墨化节能的目的。
艾契逊石墨化炉通常采用炉芯制品立装法,这种装炉方法比较简便省
力而且生产效率高,特别适合大中规格制品的石墨化生产,炉芯制品
组间距一般为制品直径的20%左右,这也不尽合理,炉芯制品组若
间距过大,则石墨化炉芯的制品装炉量就低,石墨化炉所消耗的辅助
原料也多,制品的石墨化工艺电能消耗也高。如果在保持石墨化炉芯
截面不变的前提下,改进石墨化装炉工艺技术条件,适当缩小炉芯制
品的组间距,在确保产品质量的同时,还可以达到石墨化炉增产、节
焦、节电的目的。若将φ350mm石墨电极的石墨化装炉炉芯制品的
组间距由80mm调整为60mm,石墨化炉的热效率为30%,则石墨
化炉的增产、节能效果分别为:
增产:△c={(350+80)/(350+60)一1}Xl00%=%
节焦:AK={1-(+60)/(+8O)}X100%=%
节电:△s={1-[+(350+60)/(350+80)(1-)]}×100%=%
艾契逊石墨化炉的炉芯截面是炉中制品与其间填充的电阻料占
据空间的截面积,同样,炉芯电流密度是指单位炉芯截面上的电流值。
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通常某一组石墨化炉在实际生产中,允许的最大炉芯截面和最小炉芯
电流密度应是一个额定值,一般大直流石墨化炉的炉芯电流密度为
—,在生产操作符合工艺技术规程要求,不影响
品质量和确保炉芯电流密度的基础上,我们就可以适当扩大炉芯截面
积,以达到石墨化炉增产节能的目的。
在保证石墨化炉炉芯电流密度不低于炉芯截面最小电流密度情
况下,适当扩大炉芯截面的宽度,也是非常可行的方法。采用错位
1/2D装炉方案,扩大炉芯宽度是最合适的。φ600mm石墨电极采
用错位1/2D装炉方法;选用φ300mm石墨电极与之搭配装炉,炉
芯宽度只增加了300mm,炉芯的电流密度有所减小,但炉芯的电流
密度分布在两个支路上,这分布种使炉芯存在两条高密度电流加热
带,从而保证了制品受热均匀,改善了制品周边的加热条件,减小了
炉芯电流密度梯度,在石墨化送电过程中,制品周围升温速度均匀,
制品内部温度梯度变化不大,热应力小。这样不仅可以提高石墨化炉
送电速度,而且还大大缩短了石墨化炉的通电时间,与φ600mm石
墨电极正装炉相比,不但增加了石墨化产量,而且在产品质量稳定的
同时,制品石墨化工艺电耗下降了10%,达到了石墨化炉增产节能
的目的。
在石墨化炉炉芯截面电流密度不小于炉芯最小电流密度的基础
上,适当增加石墨化炉装炉制品的长度,也是扩大炉芯截面的有效手
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段之一。对于某些规格的石墨制品,石墨化装炉制品的长度增加
10%,即装炉制品的长度由原来的1920mm变为2110mm时,石
墨化炉芯截面积增加幅度不大,炉芯电流密度略有下降,这对于制品
完成石墨化工艺过程不存在不利影响,采用完善的石墨化工艺技术条
件、功率送电曲线和电量,就可以使制品的石墨化程度和产品质量保
持稳定,制品的石墨化工艺电耗明显降低,平均节电200kwh/t。
同时要加强石墨化生产过程管理,使炉芯制品的装炉量达到最大额定
装炉量,以充分发挥石墨化炉在优质高产和节能降耗方面的能力,进
一步挖掘石墨化炉的生产潜力。
艾契逊石墨化炉的保温料在石墨化送电过程中起到保温和电绝缘双
重作用。保温料的保温效果在很大程度上决定了石墨化炉热能利用效
率,最终决定制品在石墨化时的工艺电耗。通过计算得知,石墨化炉
保温料及炉子表面的热量损失不小,石墨化炉由于辐射、对流等方式
损耗的热量,%;而保温料的热绝缘性对炉芯温度
上升有重大影响,在没有任何保温措施的情况下,要把炭加热到
3000℃的高温,必须有1000A/cm2的电流密度才能实现,而实际
上石墨化炉中通过的最大电流密度仅为4A/cm2在这样的电流密
度下必须有良好的保温条件,尽量减少石墨化炉向四周的散热损失,
以保持炉芯的石墨化温度;若保温效果不好,制品要达到石墨化温度
是不可能的。因此,石墨化炉芯的最高温度,对于保温料的保温效果
依赖性也相当强。为了增强石墨化炉保温料的保温效果,以减少炉芯
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