艾奇逊石墨化炉的节能
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4000～5500 kwh／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
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= 0．24I2RT还不能完全求出炉芯内的温度。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。
1．1 电平衡
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入仅61．4％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，高达17．8％，从主母线接到导电电极端面上的短网母线损耗量也很大，达到了12．9％。
1．2 热平衡
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
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仅占39．65％，若除去加热电阻料的热量消耗，炉芯制品得到的热量仅为30．2％。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，高达28．4％，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。
2．1 石墨化炉芯温度监控
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，所以用控制送电量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
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。
2．2 确定合理的石墨化通电周期
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
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。
2．3 采用强化石墨化送电制度
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内的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、
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。2．4 缩小炉芯制品组间距
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，若炉芯制品组间距过大，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}X l00％=4．88％
节焦：AK={1-(O．2146 X350+60)/(0．2146 X 350+8O)}X 100％=12．89％节电：△s ={1-[0．3+(350+60)／(350+80)(1-0．31)]}×100％=％
2．5 适当扩大炉芯截面
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。
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1．4—2．5A／cm 2，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。
2．5．1 适当扩大炉芯宽度
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，这种分布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。
2．5．2 适当增加装炉制品长度
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
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。
2．6 增强保温料的保温效果
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，每炉高达28．4％；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／cm 2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
温度的热量损失。首先，采用热导率低的保温料配比，保温料的配比要适当，虽然增加石英砂的比例可以提高保温料的电阻，有利于减少电损失，但同时提高了保温料的热导率，若有条件，在保温料中加入少量木屑，有利于降低保温料的热导率，同时有助于形成较多的气孔，增强了保温料的保温效果及透气性。其次，用于石墨化生产的冶金焦粉、石英砂必须符合其技术标准要求，尤其是0—4mm粒度的焦粉含量要大于50％，焦粉的粒度较小，其热导率和电导率也随之下降。再次，保温料中水份的含量要低，不能超过5％，由于保温料的热导率随着水份的增加而上升，使用水份较大的保温料，在石墨化通电初期电能产生的热量主要消耗在蒸发水份上，延长了送电时间，从而导致了石墨化炉芯热量损失和电能的不必要浪费。
2．7 加强石墨化炉维护与检修
艾契逊石墨化炉是石墨化工序的主要生产设备，是制品在石墨化炉芯完成石墨化过程的关键所在。因此，石墨化炉体及母线短网的完好程度，对于保证产品质量，降低石墨化能源消耗有密切关系。
1)艾契逊石墨化炉整流柜输出端到炉头尾导电电极之间的主母线，一般很长，通常称为母线短网。在母线短网上，有许多接触点，由于石墨化生产现场粉尘大，并且石墨粉尘易导电，因此，对于主母线短网要定期进行检查清扫，并测量其绝缘性能是否良好，导电能力是否下降，是否存在接地现象，以减少石墨化炉送电过程中的故障停电，避免电量浪费。同时，石墨化炉送电后期，炉芯电阻变得很小，使母线短网的电压降增大，导致电能损耗增加。
2)石墨化炉在送电过程中，与主母线和导电电极相连的连接母线，由于经常上卸，这些部位的接触面间电阻很大，因此每次上接前要将接触面打磨光洁，清除弧点，上接牢靠，以减小接触电阻，降低电压降，从而减少其电能损耗。石墨化炉送电过程中，连接母线要导流好，不能出现发红或接地现象，尽可能减少连接母线上的电能损耗。
3)石墨化炉头尾导电电极上的电能损耗也相当大，一般高达17．8％。因此，石墨化炉用导电电极的质量要符合其工艺技术标准要求，外侧端面及表面四周不能有氧化现象，送电过程中不出现冒火、发红等现象。内侧端面不能有烧损及金刚砂(SiC)粘结现象。每次装炉前要将石墨化炉头尾整个导电截面粘结的金刚砂(SiC)清理干净，黑体表面要用石墨糖浆抹干，炉头粉要捣固好，以便使电流顺利均匀通过炉芯截面，从而减少电能损耗。
4)要定期测量石墨化炉的炉底电阻，石墨化炉整个炉底电阻过低，其隔热性和电绝缘能力就下降，若不及时采取措施，就会造成石墨化炉送电过程中炉底局部漏电，甚至烧穿。从而浪费大量的电能。
5)石墨化炉在送电前，要将炉子四周的料及其它杂物清理干净，以避免石墨化炉送电过程中出现漏电或者接地现象，以节约电能。
6)要加强石墨化炉的日常维护与检修，操作者在装出炉过程中要按照技术操作规程认真作业，减少对石墨化炉体、端墙及母线的碰撞损坏，要保证石墨化炉和母线短网的完好，对于炉况较差的石墨化炉，要及时进行大修或中修，以避免能源浪费。
2．8 石墨化炉的余热利用
众所周知，艾契逊石墨化炉炉芯温度从室温达到石墨化的最高温度，需要消耗大量的电能，石墨化炉停电后，就处于冷却降温阶段，此时石墨化炉芯与外壳的温度均很高，必须采取适当的措施使炉温迅速下降，以便于出炉。在此过程中，石墨化炉芯温度从2000℃左右降到室温，需释放出大量的热量。如何有效利用这部分能量，减少能源浪费，是现行工业艾契逊石墨化炉节约能源的又一个难题，也是碳---石墨制品生产中节能降耗的又一个研究课题。