电弧炉冶炼中石墨电极折断原因分析

摘要: 针对炼钢中石墨电极出现的折断问题，从超高功率石墨电极内在质量和冶炼工艺操作不同角度进行了分析，以期对全面优化石墨电极的生产和使用有所指导。

关键词：超高功率石墨电极; 机械损失; 优化电极使用;

Cause Analysis of break of Ultra-High Power Electrode

JIA Qing-yuan

(Pingmei Group Kaifeng Carbon CO.，LTD. Henan Kaifeng 475002)

Abstract: According to The questions for break of graphite electrode during steelmaking in arc furnace were analysed, at a Internal Quality of Ultra-High Power Electrode and Electrod and Smelting Process different angle. It is hoped the these measurements would be useful in full-scale optimization of production of Ultra-High Power Electrode.

Key words:Ultra-High Power Electrode; Mechanical loss; Optimization of usage of Ultra-High Power Electrode;

近年来，随着电炉炼钢向大型化、超高功率、直流化方向发展,石墨电极的质量也不断提高,规格不断加大,其制作技术已成为电炉

作者简介：吕红兵 男 1972年生，现从事炭素生产质量管理及产品售后服务工作 kfccjqy@yahoo.com

炼钢关键技术之一[1-3]。在炼钢过程中石墨电极的正常使用是保证电炉炼钢稳定运行的一个重要保证。冶炼过程中电极的内在质量问题、冶炼操作不当以及两者匹配性问题均易导致电极折断事故发生。这使得准确把握某一次事故产生的原因难度加大，电极质量问题和操作问题往往是同时存在难以区分，不利于下一步有针对性的改进电极质量工作和电极操作使用技术，因此有必要认真分析电极折断的原因。

本文重点分析影响超高功率石墨电极折断产生的主要因素，找出其中可控制部分并采取相应的技术、管理措施，降低电极消耗。

1.   电极折断事故对冶炼过程的影响

关于电极的消耗机理相关学者已作了大量的研究，但目前仍探索着在电炉内变化条件下复杂消耗的相互干扰问题。

通常电极的消耗石墨电极在冶炼过程中主要有5中消耗：电极端头挥发、电极侧壁氧化、电极折断、电极残头损失、电极端头剥落。其中电极折断、表面剥落及掉快的损失可统称为非正常消耗，以区别于以氧化为主的化学反应损失。

综合以上石墨电极在电炉上的消耗因素，对于高质量的石墨电极，在精心操作的条件下，在石墨电极消耗数量中非正常消耗并不是很大，约占总消耗的1%-15%。在电炉炼钢过程中发生电极断折是一种常见故障。有文献指出电炉生产实践中，只要电极的性能、电流负载和电炉操作方法符合要求，电极折断事故发生率是较低的，连续消耗对电极总消耗量的影响是最主要的。

但对下游客户来说，石墨电极仅占其总成本的极小部分，石墨电极的质量及稳定程度却对其连续生产产生重大影响，炼钢生产过程中电极折断除直接产生电极损失和消耗增加、增加冶炼成本之外，更重要的是会导致生产中断，停炉误产造成生产损失。处理电极折断残体是操作中最辛苦的工作，其结果必然是消耗过高、加长冶炼周期、产量降低、成本提高。因石墨电极质量问题造成的停产、死炉将产生大量的间接成本，故下游客户对电极折断问题相对更为敏感。

2 电极折断原因分析

根据冶炼过程中电极受到的内外影响因素，可将电极折断归纳为以下三类：操作原因、控制原因、电极质量原因。

2.1 操作原因

(1)塌料砸断电极。

若冶炼过程中特别是接近熔清时炉内废钢已形成架桥结构，此时仍长时间短弧操作将产生较大塌料的侧向撞击力；发生此类事故时的一个重要特征是电极夹持点受到的作用力矩最大，电极夹持点附近折断的几率最大。若电极端部结构疏松或孔壁有暗纹、接头与孔配合不当或材质差异线膨胀系数不匹配时，发生折断的区域多集中于距电极夹持点最近接头连接区域。但当某处电极发生松脱时，交接处由于氧化加速电极变细的缘故，此处发生折断的机率同样较高。

(2) 共振作用折断电极。

交流电弧炉每一相电流均会产生磁场，总是受到电磁力的作用，该电磁力的大小与电极电流成正比，与三相电极之间的距离成反比。电极之间的相吸或相斥作用，对电极总体上表现为以电极夹持器为支点的力矩作用。电极在冶炼过程中受到电磁力的作用是一定会产生振动的，如果电极立柱发生的机械振动频率与电磁力振动频率接近或同步，就会使电极发生共振作用，容易导致电极疲劳折断。此类原因导致的电极（接头）折断往往没有特定的规律，多发生于电极松脱处。根据对大量现场情况的整理分析，此类折断多发生在电极柱中部附近的接头处，主要原因在于此处径向温差相对较大，存在的内应力也较大的缘故。

(3)夹持操作不规范导致折断电极。

若电极与夹持器不能保持垂直，电极将存在附加水平分力作用；夹持面若存在异物，夹持点易产生应力集中；若电极驳接不良导致电极在驳接口的机械强度不能满足受力要求。这些不良操作极易造成电极在冶炼工作过程中折断。

2.2 控制原因

(1)炉内电极下方有不导电物。

在电极驱动下降过程中，电极下端接触到不导电物体后，电极调节器不能准确判断电极已下降到位，但电极调节器控制电极仍继续下降，导致电极与废钢纵向挤压折断。其故障特征是：

① 若第一相电极碰到不导电物体，不会起弧，电极直接折断，期间出现电压不降低现象。

② 若第二相电极碰到不导电物体，与①所述相同，同样不会起弧，电极直接折断，期间出现检测不到电流现象。

③ 若第三相电极碰到不导电物体，则第一、二相电极有起弧，但第三相电极不会起弧就直接断电极。

(2)电极调节器检测不到该相对地电压的降低

正常情况下某相电极自动下降下端接触到炉内废钢时，该相二次电压应下降到空载电压的20％以下或更低，但如果电压互感器中性点与电炉炉底外壳的连接线断开，电极调节器则检测不到该相对地电压的降低，无法判断电极已下降到位，致使电极调节器控制电极继续下降，导致电极与废钢挤压折断。这种故障主要特征为：不起弧总是断第一根电极。第一相电极下降接触到废钢后，该相电极二次电压仍基本保持不变。

(3)电极调节器检测不到电弧电流

正常情况下某相电极自动下降下端接触到炉内废钢时，该相二次对地电压立即会下降到空载电压的20％以下，该相电极立即停止下降，等待第二相电极下降直至起弧。如果电极起弧后而电极调节器检测不到电弧电流，或者电弧电流很小，则电极调节器将控制第二相电极继续下降，于是将导致第二相电极与废钢挤压折断。这种故障主要特征为电极起弧后总是断第二根或第三根电极。

(4)电极调节器液压驱动机构状况异常。

在电极自动下降过程中，当某一相电极下端接触到炉内废钢时，该相电极应该立即停止下降。如果液压驱动机构的制动力变小或者系统的延时系数设置变大，则会延迟电极执行机构的动作即时到位，电极端头与废钢可能发生较大碰撞，导致电极折断。这种断电极故障具有随机性。当电极液压驱动机构状况异常时，这种故障主要特征为冶炼过程中，三相电极负荷电流出现极度不平衡、不稳定和波动大。

2.3 电极内在质量原因

（1）接头折断的原因：

接头在电极炼钢时起着连接的关键作用，接头质量的好坏直接关系到电极在电炉炼钢时的使用。石墨电极和接头形成的连接区是电、热、机械载荷较大且复杂的部位，也是常见断裂的部位，据有关资料表明，在电炉炼钢中，8O%以上的电极使用事故是由接头折断或松动脱扣造成的。就接头质量本身而言出现折断主要有以下几个方面的原因：接头体积密度低，则强度普遍较低，使用时易造成折断；比电阻偏高，通电时接头部位温度升高较快，会造成电极连接处接头部位热应力较大出现折断机率增加；接头的抗折强度不够；内裂接头混入到成品接头中形成成重大的使用隐患；接头与电极加工精度指标没有合理匹配，也容易出现折断现象。

（2）电极折断的原因：

通常电极发生折断的机率较低，发生电极折断主要有以下几个方面的原因：电极螺孔有质量缺陷；电极的体积密度和强度不够；电极与接头指标、加工精度不匹配；电极端部产生深度裂纹是由于电极的抗热震性能太差造成的；另外内部存在横裂纹的电极混入到成品中未检出，存在很大折断风险。

3 防范措施与操作建议

3.1 操作原因折断防范措施

(1)布料结构合理：各种废钢在料篮中的布料以及加入炉内的状况需合理配置，避免轻薄型钢铁料在炉子顶部结成一团难以下行，避免大块废钢塌料砸断电极。

(2)冶炼时特别是接近熔清时要仔细观察未熔炉料的分布情况，如果已生成架桥结构，要先通过吹氧或物理摆动或摇动的办法，让炉料在停电和电极已经提升高位的情况下塌落下来，避免塌料砸断电极。

(3)电极要采用适合工艺要求的强度。驳接电极要采用合适强度的螺母，并清理干净，用专用的夹持器具。在更换电极起吊之前必须对吊环进行紧固，保证吊环与电极接触紧密。为保证接口的清洁，要求保留新电极的护端帽直到安装好吊环。

(4)电极夹持器应避免夹在电极连接处之间的白线内。电极连接处不能在电极夹持器的上方。电极夹持器不能夹在敞开的套头上或者留有吊环的套头上。

3.2 控制原因折断防范措施

(1)在高压送电后，要观察二次短网空载电压三相是否平衡(由三相短网对地绝缘电阻决定，不平衡电压宜在10％以内)。

(2)在电极自动下降前，确认电极正下方的废钢层没有不导电物体。

(3)在第一相电极下降接触到废钢后，观察该相电极二次电压是否立即下降。

(4)在某相电极发生电弧时，是否能看到该相电极的二次电流显示(电流表指针有大摆动)。

(5)定期检测电极液压驱动机构的制动力和系统延时系数是否发生变化。

3.3 电极内在质量原因折断防范措施

冶炼过程中电极（接头）关键技术指标最终对电极折断的影响，诸多学者已对此进行了较详细的研究。值得说明的是，中国碳素行业协会曾对会员企业进行了产品质量抽查，并把产品抽查的检测指标与国家标准及西格里、尤卡、日本碳素、日本东海等世界著名碳素公司的企业标准进行了对照分析。从检测的指标看，所以被检测的产品绝大数指标符合YB-2000标准，部分指标已达到或接近世界四大著名碳素公司企业标准。但国内超高功率石墨电极实际冶炼效果却与国外同规格产品存在明显的差距，因此，仅仅凭借电极（接头）的物化指标判定电极（接头）质量的优劣存在一定的片面性，应充分考虑本厂产品与不同客户的冶炼工艺、炉型结构及冶炼钢种等综合因素的匹配性，建立一套科学合理的电极生产与技术使用方案。

4 结论

(1) 塌料、共振作用、夹持操作不规范、电极调节器、电极调节器液压驱动机构状况异常、电极内在质量等因素控制措施不当均可造成电炉电极折断。

(2)通过对布料结构、电极夹持、二次短网空载电压、不导电物体、二次电流、电极液压驱动机构的制动力和系统延时系数等因素采取相应的技术和管理措施，电极折断现象可得到明显的改善。

（3）凭借电极（接头）的物化指标判定电极（接头）质量的优劣存在一定的片面性，应充分考虑本厂产品与不同客户的冶炼工艺、炉型结构及冶炼钢种等综合因素的匹配性，建立一套科学合理的电极生产与技术使用方案。