焙燒毛坯石墨化
焙燒毛坯石墨化 (graphitization of baked carbon product)
焙燒毛坯在2000～3000℃的高溫下進行熱處理，使碳網格微晶尺寸增大、晶層間距縮小，晶格常數接近天然石墨，從而獲得石墨電極所需要的物理化學性能。焙燒毛坯石墨化是石墨電極生產過程中的關鍵工序，石墨電極的物理化學性能在很大程度上由石墨化溫度決定，生產高質量的石墨電極溫度應達到2800℃以上，從經濟上看生產1t石墨電極要消耗5000kW?h左右的電量，石墨電極生產成本中電力費用約占25％～35％，而電量的80％左右消耗在石墨化爐中，因此在保證產品質量的前提下如何降低電能消耗也是石墨化工序的重要任務。
石墨化爐類型目前石墨電極生產廠廣泛使用的石墨化爐都是電熱爐，即用大量的電能將焙燒品加熱到石墨化所需的高溫，石墨化爐按加熱方式區分可以分為直接加熱爐和間接加熱爐兩種，按石墨化爐和供電裝置的相對位置區分，可分為移動式石墨化爐和固定式石墨化爐兩種。如按運行方式區分可以分為間歇生產和連續生產兩類，按用電性質區分還可分成直流石墨化和交流石墨化兩種。直接加熱爐是指電流直接通過被石墨化的焙燒品，這時裝入爐內的焙燒品既是通過電流產生高溫的導體，又是被加熱到高溫的對象。生產石墨電極主要使用直接加熱石墨化爐，直接加熱石墨化爐有兩種爐型，壹種稱為艾奇遜石墨化爐，另壹種稱為串接石墨化爐(英文簡稱LWG爐)，艾奇遜石墨化爐歷史悠久、在炭素廠內早已普遍應用，但是20世紀80年代串接石墨化爐作為壹種節能爐型已經在生產大規格電極的炭素廠中推廣使用，隨著石墨電極質量的不斷提高和產品截面的增大，串接石墨化爐有不斷增加的趨勢。間接加熱的石墨化爐專利報道很多，實際應用的很少，20世紀70年代初英國摩根公司研制成功壹種間接加熱的連續生產石墨化爐，只能生產小規格的電炭制品。由於直流供電設備有利於保持電網三相平衡、功率因數高，20世紀80年代中國炭素廠的石墨化爐大多數已將交流供電改為直流供電，直流供電投資較大，除變壓器外，需配備相應容量的整流機組將交流電整流為直流電後輸入石墨化爐，5種不同類型的石墨化爐分別介紹於下。
艾奇遜石墨化爐這壹種爐型是19世紀末在生產碳化矽的電阻爐基礎上改造而成，主要特點是裝入爐內的焙燒品與電阻料(焦粒)***同構成爐阻，通電後產生2000～3000℃的高溫使焙燒品石墨化，艾奇遜石墨化爐的結構比較簡單：石墨化爐砌在鋼筋混凝土基礎上，由相同結構的爐頭砌體和爐尾砌體及兩者之間的長方形爐身構成，爐頭及爐尾砌體都是外側砌耐火磚，內側上、下部砌炭塊，中部砌石墨塊，數根導電電極(石墨電極)穿過爐頭和爐尾砌體，導電電極的直徑和數量根據石墨化爐通電時電流強度而定。(圖1)在通電期間導電電極溫度不斷升高，因此要對導電電極進行冷卻，冷卻方式有表面直接淋水冷卻或間接冷卻，間接冷卻又可分為在電極內部鉆孔通水冷卻和電極表面安裝冷卻夾套兩種方式。裝入焙燒品的長方形爐身底部砌數層耐火磚，爐身兩旁用耐火磚砌爐墻，也可用耐熱混凝土制成的墻板立放在爐兩側。小型艾奇遜石墨化爐爐身長10～12m、爐身寬2rn左右，每次可裝入20t左右的焙燒品。中型艾奇遜石墨化爐爐身長14--16m、爐身寬3m左右，每次可裝入焙燒品40～60t。大型艾奇遜石墨化爐爐身長18～20In、爐身寬4．0m左右，q每次可裝入焙燒品l00t左右。壹種長達25～30m的超長型艾奇遜爐，爐身窄長，裝爐量也只有100t左右。艾奇遜石墨化爐雖然結構簡單，容易維修，裝卸半成品都用吊車進行，操作比較方便，但有如下缺點：(1)通電時間長、熱損失大、能量利用率低，在通電加熱期間大量電能用於加熱電阻料及爐頭、爐尾砌體，而且爐外層保溫料向周圍空間散失的熱量也很多，因此，只有35％左右的電能是用於加熱焙燒品使之轉化為石墨電極，電能利用效率較低；(2)石墨化爐中裝入焙燒品和電阻料的空間稱為爐芯，艾奇遜石墨化爐的爐芯各處溫度差別較大，爐芯中心部位與爐芯兩側靠近保溫料處的溫度可相差數百度，爐芯上部與下部的溫度差也可達數百度，因此同壹爐產品的電阻率有壹定差別，爐內加熱溫度的不均勻也是造成部分產品產生裂紋的主要原因；(3)裝卸爐時粉塵大，且在通電加熱期間排出大量有害氣體、汙染環境；(4)生產周期長，壹臺石墨化爐從清爐開始到裝入產品、通電加熱、冷卻、卸出產品，生產周期長達l2～14天，而其中通電加熱只需2～3天，雖然每個爐組設有6～8臺石墨化爐，但每臺石墨化爐在1個月內只能周轉1．5～2次；(5)必須使用大量的冶金焦粒為電阻料，每噸焙燒品要消耗300k9左右。
U形石墨化爐艾奇遜石墨化爐的壹個變種，在供電變壓器輸出電壓及電流的允許範圍內，為了提高石墨化爐的熱效率及節約電能，爐身適當長壹些是有利的，但爐身長度有時受到廠房跨度的限制，10因此設計了壹種將縱長的艾奇遜石墨化爐從中間折彎180。成為爐頭與爐尾位於同壹側的新爐型(圖2)，只是在爐身中間砌壹道隔墻，把爐身分成兩個平行的裝料區，與爐頭及爐尾砌體相對的壹面爐墻內側砌石墨塊，使電流能從壹個裝料區經過石墨塊砌體導入另壹個裝料區，這種U形石墨化爐的優點是相對的增加了爐身長度，可以多裝壹些焙燒品，輸電母線都在爐子壹端，省去了爐兩側的移動母線，每噸半成品的耗電量也略低於壹般型式的艾奇遜石墨化爐，但存在爐內電流分布不均勻的缺點(導致爐內溫度的不均勻)，因此裝在不同部位的石墨電極的質量有壹定差異，而且中間隔墻容易燒壞。這種石墨化爐的生產工藝與艾奇遜爐相同。
移動式石墨化爐石墨化爐不是砌在鋼筋混凝土基礎上而是砌在鋼結構的軌道車上，軌道車可沿鋪設在地面的軌道左右移動(圖3)，但是供電裝置的位置是固定的，艾奇遜石墨化爐或串接石墨化爐都可以設計成移動式爐，6～8臺石墨化爐構成壹個爐組，以便供電變壓器輪流向每壹臺石墨化爐供電，移動式石墨化爐可以將裝卸產品和通電分別在兩個廠房內進行，並且使連接石墨化爐的輸電母線的長度大大縮短，與移動式石墨化爐相對應的形式是移動式變壓器與固定位置砌築的石墨化爐結合生產，即將供電變壓器安裝在軌道車上，當哪壹臺石墨化爐需要通電時，帶有變壓器的軌道車便移動到這壹臺爐的爐頭，接上輸電母線後通電。
串接石墨化爐特點與生產工藝見“串接石墨化”。
間接加熱的連續生產石墨化爐壹種專供生產小型電炭制品的臥式雙通道連續生產石墨化爐(圖4)。這種雙通道連續生產石墨化爐有壹個固定的高溫區，高溫區用石墨板材砌成，通道全長為7m，其中有5m長埋藏在炭黑保溫料內，兩端各有
保溫料外，炭黑保溫料外面為可以通水冷卻的雙層鋼板焊成的外殼，供電設備為壹臺l40kV?A的單相交流變壓器，輸出電壓為l2v，壹對導電夾持器夾在石墨雙通道的固定位置上，這種連續生產石墨化爐雙向逆流進料，由機械頂推裝置每分鐘推進25TIln2，經過石墨通道的全部時間4．5h左右，生產的產品直徑為50rIlrll以下、長為1ITl以內，通道內高溫區溫度可達到2500℃，每小時產量為45k，每噸產品耗電2700kW?h，由於通道內能自行保持微量正壓，因此不必通惰性氣體保護。
石墨化爐組每壹臺石墨化爐的生產操作是由清爐、小修、裝爐、通電、冷卻及卸爐等6個內容組成並循環進行，艾奇遜石墨化爐的壹個生產周期壹般為12--14天，其中通電只需2～3天，為了充分利用供電變壓器的能力，每壹套供電設備可配置6～8臺石墨化爐，供電設備幾乎是連續運行，只是在壹臺爐通電結束時有時左右倒換輸電母線接點和檢查供電設備的停電時間，壹套供電設備與6～8臺石墨化爐構成壹個石墨化爐組，壹個石墨化爐組中總有壹臺石墨化爐處於通電狀態中，其他爐子分別處於裝爐、冷卻、卸爐、清爐、小修等操作過程中，每壹個爐組的生產按照事先編排好的運行計劃進行。
石墨化脹縮焙燒品的線尺寸從通電開始到1200℃左右呈膨脹狀態，進入原料煆燒溫度(1200～1450℃)以後，繼續上升到l600℃左右這壹期間出現收縮，進壹步提高溫度在1600～2000℃這壹區間由於原料中硫和氮的逸出引起“氣脹”，因此這壹期間焙燒半成品線尺寸的膨脹程度和原料中硫、氮含量及加熱速度有關，當溫度上升到2000℃以上，半成品的線尺寸又由膨脹轉為收縮，石墨化的全過程是收縮量大於膨脹量，因此焙燒品經過石墨化後直徑及長度都有減少，最終收縮量的多少受很多因素的影響，如原料性質、粒度組成、混捏時的黏結劑用量及成型方法、壓力大小，以及焙燒和石墨化的最終溫度，曾對75％石油焦和25％瀝青焦配料生產的普通功率石墨電極進行過收縮測定.