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一、艾奇逊石墨化概述
艾奇逊石墨化炉是生产炭素制品的主要炉型，石墨化过程是在强大的电流作用下， 利用炉芯电阻，将电能转化为热能，使制品达到石墨化所需的最高温度，从而完成石墨化过程。 在整个石墨化过程中，随着炉芯温度的升高，炉芯电阻总体呈现出下降的特性。 当炉芯电阻下降到最低并且保持一段时间后，随着炉芯温度的继续升高，炉芯电阻出现上升。 艾奇逊石墨化传统的停炉方式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。 本文根据艾奇逊石墨化炉生产实际，对优化停炉判断方法进行简要总结分析，以期达到既保证石墨制品的质量，又不浪费电能。![]()
石墨化过程中碳原子排列从二维无序状态（不定形碳）向三维有序状态（石墨晶体结构）转变，即晶体成长和增大晶体内层面有序重迭为主的物理性 结 构 变 化，热 处 理 温 度 越 高，晶 体 层 面 间 距 越小，越接近理想石墨晶体层间距 0.335 nm。①室温至 1 300 ℃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；②1 300～1 800 ℃为严控升温阶段， 碳平面网格逐步转化为石墨晶格结构，制品内部温度梯度过大易产生裂纹，因此应减缓热应力作用，使制品处于较小的温度梯度；③1 800 ℃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，增大炉芯的电流密度，在最短的时间内，使功率达到最高，电流达到最大额定电流，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。艾奇逊石墨化炉的炉芯电阻，主要由装入炉中的电阻料和焙烧品组成。 在通电初期电阻料电阻占炉芯电阻的 99%，通电结束后还要占到 97%左右。因此，电阻料在整个石墨化过程中，起到通电发热和传热的双重作用。 通常使用的电阻料，是由冶金焦和石墨化焦按照一定的比例混合而成的。 石墨化炉炉阻的大小主要由以下因素决定：炉阻在每个升温阶段的变化如图 1 所示，按升温阶段分述如下：①室温至 1 300 ℃（送电 0～20 h），此阶段焙烧品和电阻料的体积急剧膨胀， 电阻料电阻大幅下降，电阻料颗粒之间压力增大，电阻料的接触电阻大幅下降，因此整个炉阻下降很快。②1 300～1 800 ℃严控升温阶段 （送电 20~45h），为防止气胀产生应力集中导致裂纹，所以通常将曲线放缓。 前期炉内制品收缩，接触电阻随压力的减小而增大，炉阻下降缓慢。 伴随着炉温继续升高，焙烧品受热膨胀晶格中的氮、硫等元素逸出，导致膨胀加剧，接触电阻减小，炉阻下降较快。③1 800 ℃至石墨化最高温度 （送电 45 h 及以上）， 由于迅速提高功率和电流， 炉芯温度迅速提高，焙烧品再次发生膨胀，电阻料接触电阻减小，因此炉阻继续减小。 在恒功率阶段，由于石墨晶体的进一步生长，焙烧品出现不同程度的收缩，焙烧品本身电阻进一步下降，但接触电阻因压力减小而增大，炉芯电阻趋于稳定，甚至出现一定的回升。艾奇逊石墨化炉的理想停炉控制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，高温不易控制，实现连续自动化测量比较困难。 因此，现阶段艾奇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。 经常会出现炉芯温度已达到，但送电量尚未达到规定值，继续送电会造成电量的极大浪费，达不到节能的目的，甚至造成炉内产品质量不佳；有时会出现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，此时停炉导致制品石墨化程度不够，造成制品电阻率高。![]()
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在超高功率（UHP）石墨电极石墨化生产中，达到最低炉阻后， 为了捕捉到炉阻上升的明显迹象，以及考虑到炉阻上升率与石墨化品电阻率的关联性，采用了此方法。 实践表明，炉阻上升率越高，石墨化产品电阻率越低。UHP 电极产品规格不同，炉阻上升率的标准也不同，对应石墨化品电阻率也不同。 根据生产实际经验得出的炉阻上升率标准如表 1。在 UHP 电极石墨化生产中， 以炉阻上升率标准作为停炉判断的重要依据； 而对于准超高功率（SHP）石墨电极，在达到最低炉阻后，若继续送电，最低炉阻保持一段时间后，炉阻会出现上升，在炉阻到达上升区域之后不能再送电，因为 SHP 电极在炉阻出现上升以后，很容易造成电氧化（电流击穿空气产生高温电弧，导致电极周围碳升华，产生蛇形氧化），所以 SHP 电极是以最小炉阻持续时间作为停炉判断的重要依据。 由于最小炉阻持续时间与石墨化品电阻率具有关联性，故采用了此方法。 实践表明，最小炉阻持续时间越长，石墨化品电阻率越低。 产品规格不同，最小炉阻持续时间也不同。 根据生产实际经验，最小炉阻持续时间标准如表 2。通过炉阻上升率判断停炉无法再现炉阻的变化时，采用电量单耗标准（上限）进行停炉判断，这样做的目的是将以前的电量单耗标准（上限）作为补充条件来使用，确保石墨化品既能达到预期的理化特性，又不至于出现过度石墨化的现象。 事实证明，采 用 电 量 单 耗 标 准（上 限）停 炉 同 样 具 有 可 靠性。因 产 品 规 格 不 同，电 量 单 耗 标 准（上 限）也 不同。根据生产实际经验，电量单耗标准(上限)如表 3。![]()
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石墨化停炉判断方法改进后，主要是电氧化不合格率得到大幅改善。 以 SHP 电极为例，表 4 是实际生产数据。由表 4 可见，改进停炉判断措施，电氧化不合格率从1.11%降为 0.00%，改善效果非常明显。石墨化停炉判断方法改进后，每炉产品的电阻率偏差减小，电量得到有效控制，电阻率趋于合理化。以 Φ600 mm UHP 电极为例，表 5 是实际生产数据。![]()
通过实施优化停炉判定标准，电量单耗大幅降低。 SHP 电极优化前单耗 3 695 kW·h/t， 优化后为3 659 kW·h/t，减少了 36 kW·h/t。 若按照 SHP 电极年产量 6 000 t 进行计算，全年可节电 216 000 kW·h。通过实施优化停炉判断标准，既可以改善石墨化不合格率，保证石墨化产品质量,又可以减少不同炉次产品电阻率差异，使电阻率趋于合理化；还可以降低电量单耗，降低生产成本。 这对企业来说，无疑是降本增效的重大举措。免责声明：以上资料来源于网络公开资料，由作者收集整理所得，并未体现出任何公司资料，请勿对号入座，如有雷同，纯属巧合。若是转载文章会标明出处，文章版权归原作者所有，发文仅为交流学习。如涉及内容、图片、版权和其他问题，请与我们联系处理！
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