铁合金工艺学-3.电极及其使用要点课件.ppt
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- 铁合金 工艺学 电极 及其 使用 要点 课件
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1、第三章第三章 电极及其使用电极及其使用3.1 电极的作用、分类及其性能电极的作用、分类及其性能3.1.1 电极的作用及要求电极的作用及要求 电极是电炉的重要部件,是短网的一部分。依靠电极把经过炉用变压器输送来的低电压和大电流送到炉内,通过电极端部的电弧、炉料电阻以及炉内熔体,把电能转换成热能而进行高温冶炼。因此保持电极处于完好正常状态,对减少电极事故发生具有重要意义。 电极材料必须符合下列要求: 有良好的导电性,比电阻要小,以减少电流通过电极时的电能损失,减少短网压降,提高有效电压,提高熔池的功率。 线膨胀系数要小,当温度剧烈变化时,不易变形,不因温度变化带来内应力产生细小的裂纹增大电阻,并且
2、有良好的导热性。要有足够的机械强度,矿热炉的电极在使用过程中要受到拉、压、弯和应力的作用。含杂质要低,电极材料中含有沾污合金的省害杂质含量尽可能少。价格便宜,制造方便。炭质材料来源广泛、价格低廉且同时具备上述各方面要求,因此铁合金电炉的电极目前都是用炭素利料制成的。3.1.2 电极的简史电极的简史 1810年戴维从伏打电堆中的电流通过与之接触的木炭棒得到了电弧但这个发明长期未能在工业上得到应用。 1879年西门子等得到了第一个电弧炉的专利权,这个在电弧炉中的导电体采用人造炭棒电极。 1893年,艾奇逊等人发现在电炉中炭可转变为石墨,生产了石墨电极,这种石墨化电极目前一直在采用。 1909年泽德
3、贝尔格发明制造了自焙电极,至今仍广泛的应用在铁合金的生产中。 碳质电极按其加工制作工艺的不同可分为三种:炭素电极、石墨电极和自焙电极。炭素电极是以低灰分的无烟煤、冶金焦、沥青焦和石油焦为原料,按一定的比例和粒度混合后加入黏结剂沥青和焦油,在适当的温度下搅拌均匀后压制成型,最后在焙烧炉中缓慢焙烧而制得。石墨电极主要是以石油焦和沥青焦为原料,制成炭素电极后,再放到温度为20002500隔绝空气的石墨化电阻炉中,经石墨化而得到的,广泛应用于含铁很低的工业硅和含碳很低的精炼产品中。自焙电极是用无烟煤、焦炭以及沥青和焦油为原料,在一定温度下制成电极糊,然后把电极糊投入到已装接在电炉上的、用钢板做成的电极
4、壳中,经烧结焦化而成,广泛用于矿热炉上,生产硅铁、高碳锰铁、高碳铬铁、硅锰合金、硅钙合金等均采用自焙电极。3.1.3 电极的分类电极的分类3.1.4 电极消耗量电极消耗量 冶炼合金的品种不同,电极的消耗也不同。在铁合金生产过程中,影响电极消耗的因素很多,如电极的种类、性质、冶炼操作等均能影响电极消耗。随着产品单位电耗的增加、电流密度的增加,电极消耗量也相应增加。3.1.5 电极的主要性能电极的主要性能 三种电极的主要性能列于表3-1中。希望电极的比电阻、线膨胀系数小些,热导率、电导率抗压强度、抗弯强度、抗拉强度大些,由表可见石墨电极较好。电阻率是电极的最重要性能,图3-1是石墨电极和炭素电极的
5、电阻率随温度变化的情况。由图可见,石墨电极电阻率比炭素电极小。而炭素电极的比电阻随温度升高逐渐减小。焙烧好的自焙电极是很均匀的非晶体的炭素电极,因而在性能上与炭素电极差不多。图3-2为石墨电极和炭素电极的热导率与温度的关系。由图可见,石墨电极热导率比炭素电极大,但随温度升高而减小,相反,炭素电极的热导率随温度升高而增加。表表3-1 电极的主要性能电极的主要性能图图3-1 石墨电极和炭素电极的石墨电极和炭素电极的电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系图图3-2 石墨电极和炭素电极的石墨电极和炭素电极的热导率与温度的关系热导率与温度的关系 在电极直径为900mm的现有硅铁电炉上用电工测量方法,测出铜
6、瓦和电极之间的接触电阻为0.04110-3,而铜瓦至料面这段长为0.8m的电极的电阻为0.09710-3。利用这些数据求出电极工作端露出料面部分的电阻率为:2320.097 10/4 900 0.95 /0.8 69.5m m /m由于烧损的缘故,电极截面积变小了,故系数采用0.95。 尽管自焙电极的某些性能不如其他两种电极(例如比电阻等),但可采用加大电极直径的方法予以弥补,这也符合矿热炉所需低电流密度和大电极直径的要求。实际上,制造大直径的石墨电极在工艺上有困难,一般都不能制造直径大于600mm的石墨电极。而自焙电极直径可以制造得更大些,可满足冶炼的需要。3.2 自焙电极的制作自焙电极的制
7、作电极壳是由薄钢板制成的圆筒,它的作用一是作电极糊烧结的模子并提高电极的强度;二是当电极未烧结好时能承受大部分电流。电极壳是由薄钢板焊的圆筒。电极壳是由薄钢板焊的圆筒。为提高电极的机械强度和分担圆筒可能承受过大的电流,在电极壳内等距离连续地焊接若干个肋片,每个肋片上还作成34个切口,将各切口的小三角形舌片分别交错地向两侧折弯约3045角,形成小三角孔,如图3-3所示。上下两节电极壳的连接方式如图3-3所示。电极壳的钢板厚度、肋片数量和肋片高度,随电极直径的增大而增加,见表3-2。 自焙电极也叫泽德尔贝格电极,广泛的应用于铁合金生产中。自焙电极是由电极壳和电极糊构成的。3.2.1 电极壳电极壳图
8、图3-3 电极壳示意图电极壳示意图表表3-3 电极壳尺寸和每米电极的重量电极壳尺寸和每米电极的重量3.2.2 电极糊电极糊 制造电极糊的原料有固体炭素材料和黏结剂。固体炭素有无烟煤、焦炭(冶金焦或石油焦和沥青焦)及石墨电极切屑。黏结剂有沥青和煤焦油。电极糊中的黏结剂在烧结过程中分解并排除挥发物残留碳转变为坚固的焦炭网、起焦结作用,使自焙电极形成坚硬的整体。 对制造电极糊主要原料的要求如下:无烟煤。灰分含量要小于10%,无烟煤需要竖窑或回转窑在隔绝空气的条件下进行高温燃烧。燃烧温度约为1200,燃烧时间为1824h。焦炭。冶金焦的灰分含量要小于14%,使用时需经燃烧或烘干;沥青焦和石油焦的焦灰分
9、量均小于1%,沥青焦的挥发物含量通常小于1%,而石油焦挥发分含量要小于7%,两种焦均需煅烧后才能使用。黏结剂。沥青根据软化点的高低又分硬沥青、中沥青和软沥青。生产电极糊通常采用的是中沥青。煤焦油要求水分含量小于4%,灰分小于0.15%,游离碳小于10%。煤沥青和煤焦油需经加热脱水后使用。 对电极糊的要求如下:对电极糊的配方需考虑各种固体料的配比、粒度组成、黏结剂的软化点和加入量。固体料配比。矿热炉自焙电极所用的电极糊分开口炉用的标准电极糊和封闭炉用的封闭电极糊两种。电极糊所用原料条件不同,配方也会有差异。表3-3和表3-4分别列出电极糊的配方和成分控制。表表3-4 电极糊的配方实例电极糊的配方
10、实例表表3-5 电极糊标准电极糊标准粒度组成。电极糊的固体料中大颗粒的粒度应为15mm以下,混合料中的小颗粒数量为5060%。控制粒度组成的目的是使颗粒间互相填充最为密实,以获得致密、强度高和导电性好的自焙电极。电极糊中的粗粒越少,则焙烧后的强度越大。黏结剂的软化点。标准电极的软化点糊控制在65左右,封闭电极糊的软化点控制在57左右。软化点过高,电极不易烧结,软化点过低,则容易过早烧结。黏结剂加入量。黏结剂加入量要适当,过少时电极糊黏结性不够,会出现电极过早烧结,易产生硬断事故。过多时电极不易烧结,会产生固体颗粒与黏结剂分层现象,容易产生电极漏糊和软断现象,通常黏结剂的加入量为固体料的2024
11、%。 电极糊烧结后的性能列于表3-5中。表表3-6 电极糊烧结后的主要性能电极糊烧结后的主要性能 电极糊的生产流程见图3-4。 先把按一定比例配成的固体炭素料加入混捏锅内,先干混1525min,然后加入约22%黏结剂的沥青和煤焦油等,再混捏40min。混捏的目的是充填固体料颗粒间隙,并使分散的固体颗粒表面涂上一层黏结剂而把颗粒黏结一起,混捏成均匀的糊料。 混捏锅是利用蒸气或其他热源进行加热的,混捏的温度保持在120130之间。 将混捏好的糊料经成型机成型,冷却后呈块状电极糊。生成出来的电机糊,在堆放、储存、运输和使用过程中,不许放雨淋或混入灰尘等杂质,以免降低电极糊的质量。图图3-4 电极糊生
12、产流程图电极糊生产流程图3.3自焙电极的烧结自焙电极的烧结3.3.1焙烧电极的热量来源焙烧电极的热量来源 在电炉冶炼过积中随着电极的消耗和下放,填加的电极糊逐渐下降,温度逐步升高,不断排出挥发物最后完成电极烧结过程。在电极焙烧过程中需要热量,焙烧电极的热量来源有三方面。 (1)电流通过电极本身所产生的电阻热。其值按下式计算: Q4.1840.24I2Rt 式中 Q电阻热,J; I通过电极发热的电流,A;用来产生电阻热的电流 约占输人电流的3%5%; R电极本身电阻, t时间,s。 (2)电极热端向上的传导热。电极的热端与冷端温度相差悬殊,热端的热量顺电极向上传导,使由上往下移动的电极糊被加热。
13、 (3)炉口的辐射热和气流的对流热。 这三种热源中电流通过电极产生的电阻热是主要的,换句话说,焙烧过程是由电流所决定的。的。对封闭炉几乎没有第三种热源,因而封闭炉所用的电极糊固体料中的焦炭均采用导热和导电的石油焦、沥青焦和石墨电极切屑,并控制较低的软化点,借以提高自焙电极的烧结速度。 3.3.2 自焙电极的烧结过程自焙电极的烧结过程 自焙电极的烧结过程,实质上是随温度的提高而使黏结剂逐渐分解排出挥发物的过程,电极在焙烧过程中的温度分布情况如图3-5所示,按该图可大致把电极的焙烧过程分为三个阶段。 第一阶段:温度由室外气温升至200电极糊由块状逐渐熔化至全部成为液态,此时,仅其中的水分和低熔点的
14、成分开始挥发。 第二阶段:温度由200升至600,此间,充分熔化了的电极糊中的黏结剂开始分解,气化,排出挥发物,尤其在大约400时进行得最为激烈,电极糊由塑态逐渐变为固态。 第三阶段:温度由600升至800,在此阶段,少量的残余挥发物继续排出,经48h,当电极从铜瓦中出来后,电极烧结基本结束。图3-6为开口式(a)和封闭式(b)低炉身还原电炉中的自焙电极焙烧区的示意图。 电极糊中的挥发物主要从两个地方排出来:电极烧结过程中,随着黏结剂的热分解和排出挥发物,体积产生膨胀和收缩,电极和电极壳之间便产生缝隙,挥发物沿缝隙排出;气化温度比较低的成分,从电极壳上口逸出。3.3.3 电极在烧结过程中物理化
15、学变化电极在烧结过程中物理化学变化 (1)电极糊在烧结过程中,挥发物的含量、失重率与温度的关系如图3-7所示。由图可知,随着温度的升高,挥发物的含量逐渐降低。 (2)电极糊在低温度时的比电阻很大,在焙烧过程中比电阻逐渐降低,见图3-8。当温度低于100时,由于沥青熔化,电极糊的比电阻上升,当温度为100700时,比电阻大幅度降低。当温度继续提高,比电阻将平稳地降低,900时为82 ,1000时为65 ,1200时为55 。 2mm/ m2mm/ m2mm/ m 可见,大部分电流是通过铜瓦下部已烧结好的电极输入炉内,而铜瓦在电极糊未烧结好的部位时,电流则大部分通过电极壳输人炉内,这便有可能烧完电
16、极壳而导致漏糊事故。 (3)电极在烧结过程中强度逐渐增加,见图3-9。当加热温度低于400时,电极变软,机械强度下降、但当温度为400700时,电极机械强度急剧上升到最大值,继续加热到1200时也不再发生任何变化。 电极烧结速度快慢影响电极的质量,某种电极糊在不同的加热速度下,电极的主要物理化学性能变化情况见表3-7。由表可见,烧结速度太快,孔隙率增加,导电性和机械强度都有降低。影响电极烧结速度的因素有电极下放的长度和间隔时间、冷却风量的大小,以及焙烧新电极时的负荷上升速度。3.4 自焙电极的接长和下放自焙电极的接长和下放3.4.1 电极壳的接长电极壳的接长 电极壳在装接之前,必须进行检查,如
17、果出现变形,应用矫正圈矫圆,凡变形严重且无法矫正过来或焊缝脱落和生锈严重的电极壳不应使用。 新装上的电极壳要插入原已装好的电极壳上,并保持上厂两节垂直,且肋片需完全吻合对齐。接长电极壳应采用气焊焊接,焊接时,先在圆周的四等分处焊上四点然所再连续地焊好整个圆周,焊缝要密实、平整和均匀。带有钢带的电极,两根钢带应分别垂直地焊在电极壳的二等分处,并且随着电报的下放,每隔300400mm均衡地对焊两段,每段焊缝长度应不小于100 mm。 在冶炼过程中随着电极的消耗和下放,需由上部相应地接长电极壳和填加电极糊。下面分别予以介绍。 3.4.2添加电极糊添加电极糊 电极糊添加前应进行破碎,其块度大小应以保证
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