矿热炉电极故障分析及预防知识

对铁合金电炉冶炼人员而言，掌握电极及其工作原理是极为重要的。同时熟悉电极的使用，以及电极出现故障之后的应急处理和设备维护检修技术，也必不可少。在电炉冶炼过程中，对电极的故障，工作人员应该尽可能早发现、早预防、早解决。以下，笔者就自己的实际工作经验谈一点浅薄体会。

1矿热炉电极工作原理

电极是根据自然界中碳元素的特性而研制与开发出来的。在自然界中，存在三种不同形态的碳的同素异型体。金刚石结晶属等轴晶系，其强度高、硬度大、几乎不导电，导热性能也很差。石墨晶体属六方晶系，碳原子排列成六角型，构成层状结构的平行平面，石墨是电和热的良导体，煤炭和木炭为无定形碳。碳的熔点及升华温度都很高，在常压下，温度即使升高到3 000℃以上也不会熔化。根据碳元素的这些特性，冶金行业开发出了多种优质电极材料。

1.1电极的作用电极是电炉冶炼过程中，把电能转化为热能的载体，当电极把大的电流源源不断地输送到电炉中时，它就成了制约电炉生产和运行指标的一部分，根据不同的电炉容量，不同的产品品种，不同的工艺方式，人们选用不同的碳质材料作为电炉电热能转换的载体。

1.2电极分类目前使用的电极主要有自焙电极、碳素电极以及石墨电极三大类。自焙电极因其成本低，在矿热炉中得到了广泛的应用，因电炉结构不同，自焙电极的电极糊又可分为标准糊和封闭糊。我公司采用的为半封闭炉用自培电极，采用电极标准糊。碳素电极是以低灰分的碳素材料(如低灰分的无烟煤、冶金焦、沥青焦、石油焦等做原料)，按一定比例和粒度组成，混合加入粘接剂沥青，在一定的温度下搅拌均匀，压制成型，然后在焙烧炉中缓慢制成。碳素电极有一定的形状和强度，可直接安装到电炉上使用。两端加工成螺丝接头，以便于接长。但因为其本身强度差，尽管价格有优势，矿热电炉也很少使用。在精炼电炉上通常使用的是石墨电极。石墨电极中的石墨是碳的同素异型体。它的导电性能比普通的碳素高4倍左右。普通碳素在2 000～2500℃ 的高温下可转化成石墨。石墨电极就是碳素电极经过高温的石墨化炉处理而成； 自焙电极是使无烟煤、焦炭、沥青和焦油，在一定的温度下成糊状物即电极糊。在电炉上用铁皮制的电极壳内装入电极糊，利用电极自身的热量和炉口燃烧热经过熔化，焙烧而形成的。电极糊在冶炼缓慢焙烧过程中，在一定的糊柱的压力下，具有一定的强度。因边使用，边成型，边烧结，故省去了压型和焙烧工序，其价格也相对较低。

2电极故障与原因分析

电极的故障原因多种多样，如自焙电极很容易烧结，大部分电极都会出现脱松或脱落，或者炸裂断裂等等。

2.1电极烧结通过热的传导，热辐射，以及电阻热，电极就可能产生烧结。传导热的原理是：自焙电极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。辐射热造成电极烧结的原理是，电炉炉内温度向上辐射的热量造成电极烧结。不过，封闭电炉基本没有辐射热，电极烧结主要是通过电阻热来完成。所谓电阻热，是电流通过自焙电极本身所产生的电阻热，约占输人电流的3％-5％。电阻热的大小与电流的平方成正比，与电极自身电阻成正比，与时间也成正比。通过改变电极把持方式可以改变电流。组合把持器就是通过直接夹紧筋片的方式，破坏了圆筒电极的集肤效应，使电极的发热电流变大，从而使电极更易烧结。电阻主要由电极糊的材质决定，电阻率高，电极烧结的就快。

2.2电极脱松电极的松脱一般为电极拧紧力量不够，螺纹加工公差不正确，加工精度不够而引起，导致电极在通过强大电流时，因电流的冲击而产生振动，致使电极联结处发生微小的松动，造成电极联结处接触电阻增大，电流的热效应作用明显，致使电极联结处发热氧化，一系列恶性循环后最终导致电极松脱现象的发生。还有一种原因，是由于三相交流电的相序不正确而引起的。

2.3电极炸裂在工业硅冶炼中，母扣炸裂，导致掉块引起的电极断裂约占电极断极事故的50％ ～70％ ，主要是供电质量不高和超负荷运行引起的，供电质量不高(特别是小水电)，电压波动幅度大(额定电压为35 kV的供电线路，电压最低值为30 kV，最高值达40.5 kV)，致使通过电极的电流忽大忽小，极不稳定，使电极的热平衡状态被破坏，产生集中的局部应力，电极内部的微裂纹在电动力的作用下得到扩展，最终在电极的薄弱处，电极联结处出现母扣炸裂和掉块现象；另外，在工业硅生产中超负荷运行是行业内的普遍做法，此时若超出了电极电流承受能力，电极急剧发热膨胀，内应力急剧增加，电极内部的微裂纹迅速增大与扩展，导致电极联结处母扣炸裂和掉块现象的发生。另外，电极的热膨胀系数不一致也是导致母扣炸裂、掉块的原因之一。

2.4电极断裂造成电极断裂的原因也很多，根据体会笔者以为以下三点。

2.4.1电极本身存在缺陷电极制造过程中，当骨料之间的结合状态较差或混捏不充分，沥青没有很好地浸润物料及粘结剂炭化条件控制不严时，都会在粘结基质层形成应力脆弱区，产生气孔和裂纹，产生的气孔和裂纹在一定应力作用下，会分裂为两部分或更多部分——即碎断，造成的原因有，糊料混捏不均匀；预热温度控制不严格；成型造成的内部缺陷；焙烧时温度控制不好，温差大；产品不均质；热膨胀系数过高；机加工精度差，等等。

2.4.2误操作引起电极断裂电极在使用过程中应少放勤放，特别是炉况差时更应注意。通常称的炉况差指炉底炭化硅上涨，电极放不到预定深度，电流不稳定、电耗高、产量低，而且难以控制。此时压放电极稍不注意，极易引起电极接头处(大部分在铜瓦下面)出现裂纹、断裂和掉炉现象。当炉内配料不均匀或炭质还原剂过多时，炉内生成的Sic将显著增加，并引起炉底上涨，特别是在电极的极心圆外的区域更为严重，熔池变小，使电极底部逐渐形成一个斜面圆锥台，这时，为改变炉况，往往要求电极尽可能下放，当电极下放到上涨的假炉底时，将会受到来自圆锥面的推力。此时的电极一方面要承受来自圆锥面的推力，另一方面还要承受来自本体的强大压力(电极联为一体后，重达一、二十吨)，两种力量相互作用，轻则使电极接头处产生裂纹，重则发生断裂、掉炉事故。

2.4.3电极工作环境恶劣引起断裂在工业硅冶炼中电极的工作条件十分恶劣，它不但要向炉子内部导人强大的电流，而且周围还要受到矿石和料块的挤压，更要承受机械捣炉、塌料时的冲击力和复杂的电磁电动力的作用与化学反应。出炉后清炉不彻底，矿石和料块在上面不能及时下落，随着冶炼过程的进行，上面的矿石和料块会一下子塌到炉底，对电极产生一个冲击力，造成电极的内部伤害，偏料时电极所受到的电磁电动力远远大于塌料时物料对电极的冲击力，强大的电动力将电极推向一方，使电极产生裂纹而折断。

3电极故障的预防

对电极故障，应做到防患于未然。在购买时，尽量选择质量过硬的生产厂家。同时，对电极质量检查相关单位应该做好检查验收工作，以确保市场上的电极质量，给冶金工业提供良好的保障。在生产过程中，工作人员应结合自身电炉的特点选择相应的电极糊工艺，并进一步贯彻电极以及糊使用操作规程。同时，在实践中应该不断摸索学习，总结矿热炉的电极保护方法。