电极糊在电石行业中的应用研究

电极糊在电石行业中的应用研究

  • 2020年05月14日 15:39
  • 来源:中国铁合金网

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[导读]中国铁合金网讯:电极糊在电石行业中的应用研究

中国铁合金网讯:电极糊在电石行业中的应用研究

电极糊在电石行业中的应用研究

兰州阳光炭素有限公司

作者:海秉良、黄永寿、海秉龙、呼友明

绪论

我国电石行业起步于上世纪30年代,1958年起,原国家化工部统一布点设计,在全国建成了十几台10000KVA的开放式电石炉;上世纪80年代,国家化工部从挪威埃肯公司引进组合式把持器的矮烟罩25500KVA密闭炉,进一步推进了电石密闭炉在我国的发展;进入21世纪,受原油价格的持续上涨,以电石法乙炔为原料的有机合成工业快速发展,煤炭资源相对丰富的新疆、内蒙、宁夏、陕西等省相继建成集发电、焦化、电石生产和化工生产为一体的高效节能、循环式,规模化产业结构链,使我国电石工业进入井喷式的发展高潮。我国的电石行业经过80余年的发展,现在已经成为化学工业的一个重要组成部分。

我国电石行业的发展,带动了我公司的炭素产品生产技术的进步,我公司技术进步和创新的同时也对电石行业的快速发展作出了应有的贡献。兰州阳光炭素集团公司自建立以来,在董事长和总经理的正确领导下,积极探索电极糊产品的原料、配方、生产及工艺流程,使我公司电极糊产品有了长足的发展与进步,现阶段有200多台电石炉使用我公司电极糊,其中大型密闭电石炉市场占有率达50%以上。公司建立初期,我公司电极糊产品仅供5000KVA和6300KVA的电石炉使用,但我们并没有被当时的模式所束缚,而是积极探索中、大型电石炉使用的产品。在不断的探索实验和虚心采纳同行专家的意见及建议的基础上,不断改进技术,电极糊的生产从小作坊式半机械化生产发展到现在的PLC电脑自动化控制配料,使得阳光炭素的产品获得周边电石企业的认可和好评。2001年新疆环鹏10000KVA电石炉、甘肃博祥10000KVA电石炉和甘肃维尼纶厂20000KVA等电石企业使我公司电极糊走出小型炉,迈向中型电石炉,新疆天业16500KVA、青海东胜25500KVA以及中泰化学30000KVA等电石炉企业的订单又迫使我们成功开发出大型电石炉用电极糊产品。

我公司董事长海秉良先生,以超常的智慧和理念创建了研发优质电极糊的科研团队,成立了研发部,并与湖南大学共同设立节能自焙电极研发基金,不断进行产品的技术创新和升级换代。在2010年和2012年,分别在乌海和新疆建成乌海阳光炭素有限公司和新疆阳光炭素有限公司,产能高达100万吨,确保我公司生产的电极糊数量够、质量好。为了让客户能够放心使用我公司电极糊,公司成立了专为客户解决电极使用问题的服务团队,相互学习技术经验,加大与客户沟通交流,诚信、热情、周到的为客户服务,以客户的满意为宗旨。现在我公司已经可以生产供48000KVA电石炉使用的电极糊,并有能力研发生产出更加大型化电石炉使用的优质特种电极糊。

在电石炉设备中,电极是电石炉的“心脏”,电极的好坏直接影响电石生产,电极是以电极糊为主要原料,由电石生产者焙烧而成,电极糊的质量和电石生产者的操作水平共同影响着电极质量。电极在电石炉中起着传导电流和将电能转换成热能的作用,在电石生产中,电流通过电极输入炉内产生电弧,主要利用电弧能释放热量并高温冶炼生产电石产品。电石炉生产运行效果的好坏直接取决于电极是否处于正常工作状态,电极如果出现问题,如硬断、软断、过短、过长、破裂、漏糊、刺火等事故,都会影响电石的正常生产,有时会造成几小时甚至几天的停炉,严重时可能发生人身事故,对人力、物力、财力都是极大的浪费。因此,了解和掌握电极上的设备及电石炉的电气参数对电极的工作状态的影响非常重要,只有掌握了这些知识,才能让电极使用正常,减少电极事故,降低经济损失,如果不重视电极的管理,就会导致电极事故,造成不必要的停电,给安全和正常生产带来不良后果。

电极糊的产品质量直接影响着电极的焙烧质量和使用效果,因此,电石生产管理者对于密闭式电石炉使用的电极糊产品质量不断提出更高的要求。优质电极糊必须具有连续的稳定性,适宜的流动性,良好的导热性,高度的抗氧化性和优良的导电性;同时电极应能够耐高温,热膨胀系数要小,具有较小的气孔率,较低的电阻率以降低电能损耗;还要具有较高的机械强度,不致因机械、电气负荷的影响和炉料崩塌导致的轻微冲击使电极折断。

第一章自焙电极概述

矿热电炉生产(电石、铁合金、黄磷和工业硅等产品)所用的电极多为炭和石墨电极,其具有良好的导电、导热性和抗热震性能,在高温时热膨胀系数小、机械强度高、热导率高。这类电极可分为三种:石墨电极、炭电极和自焙电极。

石墨电极以石油焦和沥青焦为主要原料先制成炭素电极,再放到温度为2000~2500℃的石墨化电阻炉中,经石墨化制成石墨电极,石墨电极由于成型机的限制,其直径一般不超过800mm,满足不了大电炉的要求,而且价格居高不下,石墨电极每吨13000~40000元。

炭电极以无烟煤、残极、冶金焦和石油焦为原料,按一定的比例混合再加入粘结剂沥青和焦油,在适当的温度下搅拌均匀后压制成型,最后在焙烧炉经30天左右的时间缓慢焙烧制得,炭电极每吨8000~15000元。

自焙电极(糊)以无烟煤、残极、石墨碎、石油焦和沥青为主要原料,通过一定工艺流程制备而成,把电极糊装入已经安装在电石炉上的电极筒中,在电石炉生产的过程中依靠电流通过时所产生的焦耳热和炉内的传导热,自行焦化烧结。自焙电极可连续使用,边使用边接长边烧结成型。制做自焙电极的工艺较为简单,生产周期较短,但其对原料和配料配方以及技术指标控制等要求很高。电极糊已广泛地应用于电石、铁合金、黄磷等各种矿热电炉的生产中。

1.自焙电极

自焙电极也称索德伯格电极,其发展历史可追溯到1909年,当时挪威工程师索德伯格做了这样一个实验,将未经焙烧的炭素材料放在电炉中,利用输入电流的焦耳热和电炉表面辐射热来焙烧,结果成功获得自焙电极。

自焙电极由电极筒及其内部的电极糊组成,电极筒由厚1~2.5mm的钢板卷制焊接而成,内有翅片和铁筋,起到传递电流并增加电极强度的作用。电极筒的立筋和横截面的开孔,解决了电极糊与电极筒的脱离问题,使得电极筒和电极糊结合得更牢固,便于电流传导。电极筒安装在电极把持器内,通过电极夹紧装置延伸到炉中反应区内。电极在炉内工作时不断地消耗,所以要不断地下放电极、填装电极糊和焊接新的电极筒。

电极糊装入电极筒内,与电极筒同时向下移动,不断地消耗,不断地补充,在此过程中,电极糊要经过三个相态变化,即固态—液态—固态。在室温(25℃)时电极糊为固态,当温度由25℃上升到120~250℃时,电极糊融化成稀糊状,同时电阻增大,温度再升至300~750℃时电极糊中的挥发分物质挥发而逐渐变粘稠,成焦状物质,电阻逐渐变小,当温度达到800~900℃时,电极糊基本烧结成电极,在此转化过程中电极糊的电阻率逐渐降低至100μΩm以下。

经过1000℃以上的高温焙烧,电极糊完全炭化而成炭电极,在电石炉熔池内起到导电并转化能量的作用,因为电极筒在不停电的情况下焊接,电极糊也是在不停电的情况下加入,电极不断消耗,电极糊连续进行焙烧而形成电极,所以叫做连续自动焙烧电极,简称自焙电极。自焙电极广泛用于电石炉和铁合金炉,这种电极的特点是直径可增大到2m,为应用到大负荷容量的矿热炉创造了有利条件,并且价格低廉,操作简单。

2.自焙电极的指标要求

     我国黑色冶金行业对电极糊质量要求的标准于上世纪八十年代制定,将电极糊分为密闭糊、标准电极糊和化工电极糊,经过电石行业大型密闭电石炉在国内突飞猛进的发展,以及各种技术日新月异地的创新和升级,现有的电极糊国家标准早已经远远不能满足电石行业对电极糊的质量要求。根据国家对环保要求及落后产能的调控政策,现在6300KVA以下的电石炉都在逐步淘汰,电极糊中的标准电极糊和化工电极糊已经基本淘汰,更大型化的电石炉对电极糊质量有着更高的要求。

兰州阳光炭素集团公司十几年来一直致力于密闭电石炉使用电极糊的研发,针对电石炉炉型、几何参数、电气参数、工艺参数、设备特性及电极壳尺寸等详细的电炉信息,为客户的各种电石炉量身定做出使用合适的电极糊,并根据客户实际生产的使用效果进行微调,使电极糊的各项指标与客户的炉型、工艺操作得到很好地匹配,现在形成了自己的五类指标的电极糊,以方便各种客户的选择。

第二章自焙电极生产原料

电极糊的理化指标在很大程度上取决于所用的原料,同类原料若产地和制备方法不同,所生产的成品质量也有很大的差异,因此,必须正确的选择原料,才能生产出符合技术指标要求的电极糊。制备电极糊的原料基本有以下两类:固体炭素原料(无烟煤、残极、石油焦、石墨碎)和粘结剂(沥青、煤焦油、蒽油)。各原料的性质和指标简述如下。

1.煅后无烟煤

煅后无烟煤是电极糊的主要成分,含碳量一般在90%以上,具有较高的机械强度。煅后无烟煤可分为电煅无烟煤和普煅无烟煤,它们都结构致密、局部石墨化、导电性能好、收缩率小。当电极烧结后,它就成为电极的骨架,其特点是含碳量高,机械强度大,挥发分少,价格低,资源丰富,具有良好的导电性能和热稳定性。

采用通电加热方式煅烧出来的无烟煤称之为电煅无烟煤。电煅炉内周围最高温度约2200℃,靠近炉衬附近的温度大于1350℃,炉内平均温度1800℃左右,无烟煤经电煅烧后已经局部半石墨化,以此电煅无烟煤做骨料,可提高有关炭制品的强度和导电性。

用普通燃料燃烧方法煅烧的无烟煤称为普煅无烟煤,其煅烧温度一般低于1300℃。普煅无烟煤电阻率比电煅无烟煤高且灰分也较大,但强度较好,电极糊里添加部分普煅无烟煤有利于提高强度。

2.残极

残极是预焙阳极在电解槽上使用以后的残余部分。在预焙阳极的使用周期内,随着炭阳极被逐渐消耗,阳极炭块变得很薄(13~18cm),为防止阳极钢爪被电解质熔化,必须更换新的阳极炭块组,为此而取出的这些残余炭块即为残极。残极量一般占预焙阳极量的15%~20%。

残极长期与电解质接触,含有较高的电解质成分,外表常附有电解质所形成的硬壳。对于更换下来的残极组,应先清除残极表面的电解质硬壳,然后用残极压脱机或人工操作使残极与钢爪分离。

为了在电极糊生产中重新利用残极,残极上的残余电解质应认真清理,因为电解质会影响电极糊的焙烧性能及电极的强度和抗氧化性。清理后的残极经过破碎、筛分,分成不同的粒度,在电极糊的生产配料时,残极颗粒作为一种骨料颗粒加入。

3.煅后石油焦

石油焦是石油提炼时的残渣经过高温处理而炭化的产物。其特点是灰分杂质含量低,高温下液相排列,易石墨化,它是石油炼制过程中的副产品之一。

从炼油厂出来的石油焦一般是生焦,内含约10~14%左右的挥发分,石油焦需要1350℃高温煅烧去除挥发分后才能作为炭素原料使用,石油焦的煅烧质量可通过测定煅后石油焦的真密度、电阻率、灰分、挥发分和水分等项指标来评价,这些质量指标的高低主要取决于煅烧温度和高温下的持续时间。高温及持续时间越长,相应的电阻率越低,真密度越大。煅后石油焦在高温下具有膨胀系数小、热稳定性好、易石墨化等特点,是制造电极糊的优质材料。

4.石墨碎

石墨碎是在生产各种石墨制品时,生产时的废品以及加工时产生的切削碎屑。灰分含量低、电阻率小、导电性能好。生产电极糊时加入一定比例的石墨碎,可以增加电极的导电系数和热稳定性,但强度有一定程度的下降。

 

5.冶金焦

冶金焦是用炼焦煤按一定配比在焦炉中高温干馏焦化而得到的焦炭。冶金焦可用于生产各种炭块和电极糊等炭制品,还可作为焙烧炉的填充料以及石墨化炉的保温料和电阻料,冶金焦一般情况下与无烟煤混合使用,冶金焦能与粘结剂紧密结合,从而提高炭素制品的机械强度。冶金焦灰分较高,炭素制品用冶金焦主要质量指标如下。

 

冶金焦生产出来时含大量的水分,需要晒干后才能使用,由于冶金焦生产工艺是在近1000℃结焦,所以不需要进一步煅烧,晒干后可以直接用于电极糊生产,添加少量冶金焦有利于提高产品强度,但同样也会一定程度提高产品电阻率,适用于低功率炉型,增加电阻热,提高烧结速度。

石墨化冶金焦是用于石墨化炉的保温料和电阻料的冶金焦经石墨化温度加热之后的产品,石墨化冶金焦保留原冶金焦高强度的基础上,极大的降低了电阻率,粉末电阻率有时低至260μΩm以下,是一种非常好的电极糊原料,在应用于高功率电石炉的电极糊中可适量添加。

6.煤沥青

煤沥青为煤焦油蒸馏后的残余物,主要含有稠环芳烃,脂肪族化合物很少,硫分和灰分都很低,煤沥青是热塑性物质,在常温下为固体,稍加热就能熔化成液体,在适当温度下熔化成液态的煤沥青,具有良好的粘结性能。煤沥青属于亲油憎水物质,混捏时能很好地浸润和渗透各种炭质物料的表面和孔隙,使炭质物料塑化而形成具有良好塑性状态的糊料,容易压制成一定形状、具有足够密度和强度的生坯,生坯冷却后即能硬化而固定。

煤沥青中高分子芳烃含量较多(即C/H原子比高),具有较高的含碳量和结焦值,焙烧时煤沥青热解缩聚生成较多的沥青焦,把炭质骨料牢固地粘结成整体。煤沥青炭化后形成的沥青焦不仅将炭质骨料粘结在一起,同时赋予焙烧品较高的机械强度和导电导热性能。煤沥青炭化生成的沥青焦具有与骨料相似的理化性能,具有较好的石墨化性能,是炭素材料生产中最理想的粘结剂材料。

来源:兰州阳光炭素集团网站

  • [责任编辑:tianyawei]

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