超高功率石墨电极生产能源消耗量计算与节能措施研究

宗超，杨世文，李二伟

摘 要：超高功率石墨电极是我国石墨电极行业的发展趋势之一。文章以超高功率石墨电极为对象，介绍了超高功率石墨电极的内涵，论述了超高功率石墨电极与高功率石墨电极、普通功率石墨电极之间的区别。同时，结合具体超高功率石墨电极生产项目，计算了超高功率石墨电极生产能源的消耗量，探析了超高功率石墨电极生产能源消耗量的节约措施，希望能为提升超高功率石墨电极生产效益提供参考。

关键词：超高功率;石墨电极;节能

中图分类号：TQ127.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.029

我国石墨电极行业的产量经过2014年～2016年下行态势之后，2017年～2019年转而回升，2019年全年石墨电极行业产量达80万吨。随着我国钢铁产能逐渐恢复增长，钢铁厂商用高端电弧炉的数量持续攀升，为优质超高功率石墨电极供应需求的增长提供了充足驱动力。2019年全年，我国优质超高功率石墨电极产量达到8.6万吨，消耗量达到6.63万吨。在超高功率石墨电极产量、消耗量持续增加的背景下，关于超高功率石墨电极生产能源消耗量的控制，引起了各界的关注。因此，从生产能源消耗量计算视角入手，分析超高功率石墨电极生产能源的节约措施，具有非常重要的意义。

1 超高功率石墨电极概述

石墨电极又可称为人造石墨电极，具有耐高温石墨质导电、高机械强度、抗氧化、少杂质的特点。石墨电极生产用的原材料为石油焦、针状焦，粘结剂为煤沥青，需要经过煅烧、配料混捏、粉碎磨粉、挤压成形、沥青浸渍、石墨化、焙烧、机械加工等若干工序。

石墨化过程包括两个阶段。第一阶段以开展化学反应为主，需要将无定形碳的原料放置在1 000 ℃～1 800 ℃之间，促使无定形碳微晶结构内结合的硫元素、氢元素、氮元素、氧元素持续溢出，无定形碳微晶结构边缘纯度持续提高，残留的若干晶格缺陷则沿着微晶层面宽度方向增长。第二阶段以物理反应为主，需要将第一阶段处理后的半成品放置在1 800℃～3 000℃。在1 800 ℃～2 000 ℃之间，利用X射线衍射技术进行无定形碳微晶尺寸观测，在发现易石墨化碳、难石墨化碳差异突显后，进入2 000 ℃～3 000 ℃区间内。综合考虑晶格缺陷移动、不正常变化退火因素，促使晶体层面多轴方向微晶尺寸持续向高水平变化，而晶体层面之间距离则持续向低水平发展，最终获得内部微观结构更加科学、抗磨性更高、纯度更高的石墨电极。

从理化性质入手，根据电阻率、热膨胀系数、抗析强度、允许使用电流密度的差异，可以将石墨电极划分为普通功率电极、高功率电极、超高功率电极三种，具体分析如表1所示。

2 超高功率石墨电极生产项目概述

某超高功率石墨电极生产项目分为三期建设。

一期为40 kt/a石墨电极一次焙烧项目，主体设备为2台36室带盖式环式焙烧炉，2014年12月完成建设，投资完成额为10 526.89万元，设计产能40 000吨/年，已于2015年初试运行。

二期50 kt/a石墨电极浸渍车间和二次焙烧车间，计划投资概算为17 380.68万元。

三期拟建48 kt/a超高功率石墨电极制造系统及配套设施，主要产品规格直径为500～800超高功率石墨电极。

3 超高功率石墨电极生产能源消耗量计算

3.1 生产用水消耗量

在超高功率石墨电极生产时，水能源损耗环节主要分为一次焙烧与再焙烧产品冷却水消耗、设备冷却水消耗[1]。一次焙烧用水主要为排烟风机冷却水（连续净循环）、产品冷却水（间断新水蒸发）、环式焙烧炉冷却水（连续净循环），循环水量共为1 300 m3/d，新水量共为75 m3/d;再焙烧用水设备及用途主要为隧道窑设备冷却水（连续净循环）、隧道窑产品冷却水（间断新水蒸发），循环水量为1 800 m3/d，新水量共为185 m3/d;设备冷却水主要为煅烧炉水套冷却水（连续净循环）、排烟风机冷却水（连续净循环）、真空系统给水（连续新水）、冷却槽用水（连续浊循环）、石墨化炉炉头冷却水（连续净循环）、变压器小车冷却水（连续净循环）、机加工设备冷却水（连续净循环）、高压浸渍罐冷却水（连续净循环）、高压浸渍设备冷却水（间断浊循环）等，循环水量为7 500 m3/d，新水量共为1 000 m3/d。

其中，真空系統排水可作为高压浸渍罐冷却用水、冷却槽用水，年产40 000吨超高功率石墨电极项目的生产用水定额为1 260 m3/d，用水天数为340 d，年用水量为42.84万m3。而废水回用水定额为259.2 m3/d，用水天数为340 d，年废水用水量为8.8128万m3，在考虑未预先计算以及管网漏水损失（2.624万m3）的情况下，得出该项目年用水总量为36.6512万m3/a。

3.2 生产用电消耗量

超高功率石墨电极生产用电工序主要为石墨化工序[2]。该工序设定温度为2 900 ℃，理论热能单耗为5 457.76 kJ/kg，换算为电能后为1 516 kW·h/t。同时，考虑到石墨化阶段炉子表面损失热量为15.8%，电能损失热量为21.5%，耐火材料、保温材料吸收热量为17.5%，串联石墨化炉的热量利用率为45.2%，实际电能损耗量为3 353.98 kW·h/t。按年需石墨化量48 kt计算，年产48 kt/a超高功率石墨电极项目的年用电量为16 099.104万kW·h。依据0.1229折标煤系数计算，得出生产用煤损耗量为1 978.580万t。

3.3 生产用气消耗量

超高功率石墨电极生产用气设备，主要为浸渍工序的预热炉、一次焙烧工序的带盖环式焙烧炉、再焙烧的隧道窑等。其中，浸渍工序的预热炉余热焙烧温度为320 ℃，理论天然气单耗为9.20 m3/t。因高压浸渍工序预热炉热量利用率为20%，实际天然气单耗为46 m3/t，浸渍所需生产能力为50 kt/a，则年耗天然气量为230 m3/a;一次焙烧工序的带盖环式焙烧炉运行时，焙烧工序理论天然气单耗与石墨理论热能单耗、石墨比热容具有较大关系，且石墨比热容与温度成正相关。因此，在300 K～3 200 K温度范围内，可以结合热能单耗以及超高功率石墨电极一次焙烧工序温度设定值（1 250 ℃），推算天然气单耗为22.20 m3/t。

同时，考虑到该工序制品存在挥发烧损化学热，热量利用率在22.5%左右，天然气燃烧化学热占比为60%，此时可以得出实际天然气单耗为：22.2/22.5%×60%=59.2 m3/t。在年产40 kt超高功率石墨电极生产能力一定时，年耗天然气量为236.8万m3/a;再焙烧的隧道窑设定温度为800 ℃，理论天然气单耗为31.5 m3/t。因再焙烧环节制品挥发化学热占比为42.5%，天然气燃烧化学热占比为47.5%，隧道窑内热量利用率为22.5%，可得出实际天然气单耗为31.5/22.5%×47.5%=66.5 m3/t。再焙烧所需生产能力为50 kt/a，则年耗天然气量为332.5 m3/a。合计超高功率石墨电极生产用气为799.3 m3/a。

4 超高功率石墨电极生产能源的节约措施

4.1 水能源节约措施

冷却用水是超高功率石墨电极生产环节水资源的主要损耗模块，为了在保证冷却效果的同时降低冷却水用量，可以利用封闭间接水冷方式代替开放直接水冷方式，实现冷却水的完全无净化循环利用，并灵活调节水流速，降低水能源损耗。

在超高功率石墨电极生产过程中，需要将原料在石墨化炉内进行石墨化高温度处理（2 500 ℃以上），获得碳元素层状分布的石墨质结构。因石墨化炉多为高功率（1.00×104 kVA及以上）、大电流（100 kA及以上）电炉，且在炉头位置设置加热电极，送电母排、母排线缆则在炉头、加热电极之间螺栓紧密连接，为炉内物料加热提供支持，炉头位置需要承受较大的高温负荷，极易出现母排、母排缆烧损编制，进而致使电阻增加、能量损耗增加，甚至致使送电加热效率显著向低水平发展。

因此，在现有冷却水直接喷淋降低母排、母排线缆与炉头螺栓连接位置温度的基础上，可以整个母排、母排线缆为对象，将送电母排线穿设在三元乙丙橡胶材质的胶套（含夹层，夹层上下部分别为进水口、出水口）内，经螺栓、螺母将母排线缆末端固定在石墨化炉头极板上。同时将水温监控仪器安装在胶套上，将流量控制阀安装在进水口位置。进而利用内有空腔（已填充润滑脂）的螺母罩完全包裹螺母。

在冷却水从进水口位置流入、出水口位置流出时，可以完成母排线缆的一级间接水水冷冷却。此时，若胶套内一级间接水温度超过45 ℃，则可以启动冷却风机，完成对石墨化炉送电母排线缆的二级间接风冷冷却。

在此基础上，以冷却水直接喷淋的形式，完成对石墨化炉头极板上方、母排的三级直接水冷冷却。而螺母罩内部空腔润滑脂也会在螺母罩外部冷却水喷淋下熔化，完成对螺母、螺栓的四级冷却。

4.2 电能源节约措施

在超高功率石墨电极石墨化生产环节，高电导率、热导率的保温料是电能消耗的主要原因[3]。因保温料电导率、热导率较高，保温性能会下降，热量损失持续增加，对石墨化炉各部分的温度分布造成破坏，加剧电极内部、外部温度差，引发电极裂纹，延长送电曲线，致使电力能源消耗增加。因此，应将高电导率、热导率的保温料更换为电导率、热导率较低的保温料，并且控制保温料颗粒度在φ8 mm以下，将新料与旧料配比控制在科学水平，以降低电力能源损耗率。比如，在石英砂+焦粉作为保温料的情况下，可以适量加入木屑，促使三者比例在55%～65%、30%～40%、10%左右，利用木屑在600 ℃温度环境下炭化的特点，减少松装量，控制保温料导热性。

同时，根据通电65 h～78 h时间段石墨化炉电阻率变化（下降18.68 μΩm左右），引入综合温控停电方案，降低电能损耗。即在接通电源65 h且炉体电阻率值达到20 μΩm时，继续通电5 h后断开电力能源。

当前，在电力资源供应紧张、电力资源价格升高的背景下，电力能源消耗成為超高功率石墨电极生产主要成本来源。以“艾奇逊”石墨化炉为例，在其运行过程中，内部热量传递与散发过程受炉芯、送电方式的直接影响，在更换石墨化炉保温料、利用综合温控停电方案的基础上，还可以根据炉芯面积及装炉工艺，进行石墨化电炉的进一步改良。一般炉芯面积与机组额定输出电流、额定电流密度以及炉芯容重、供电加热末期炉子升温能力及比电阻有关。在确定炉芯面积的情况下，需要对炉芯温度分布规律进行进一步分析。一般高温区在石墨化炉横截面呈现圆形分布，炉芯中点为圆心，半径为炉芯中点到边排电极外角之间的距离，距离圆心越近，温度越高。

基于此，只有将电极装炉设置为圆形截面或正方形截面，促使电极分布在两侧较大高温区，才可以保证热能的高效利用。在改善装炉工艺的基础上，由停电时石墨化炉电阻、功率变化规律可知，炉芯扩大时炉阻会向低水平发展，停止电源供应时炉功率处于较低水平，导致送电时间延长，热损失处于较高水平。应注重提升炉阻，在增加电阻料促使炉排距向高水平发展的同时，减少上下垫层缩小炉芯面积，为后期送电功率提升提供依据。

一般可以将排距更改为100 mm，上垫层、下垫层分别更改为120 mm、80 mm，减少1排和4支电极，缩短近1 h的送电时间，在保证优级品率的同时，节约电力能源消耗量。

4.3 气能源节约措施

为降低超高功率石墨电极生产环节天然气能源的消耗量，可以结合产品质量要求，从原料性能控制入手，优先选择高软化点的改质沥青、低喹啉不溶物含量的浸渍沥青，在提高浸渍效率的同时，降低设备动力损耗。同时选择低热容量、低导热率、强化学稳定性的密封材料，对焙烧系统边火道、泄露风险点进行保温密封，并在炉室之间进行1排挡风板的设置，利用变频调整速度的方式对炉室内负压进行自动调整，保证炉室密封效果，促使整个系统在负压环境下平稳运行。

在这个基础上，从焙烧升温曲线、保温曲线优化入手，对成型、配料、混捏等工序参数以及焙烧升温制度进行调整[4]。比如，提高高温燃烧前区温度，将以此焙烧温度调整为800 ℃～850 ℃，对应的焙烧炉最高火焰温度调整为1 100挥发分，促使沥青挥发分挥发位置向前方移动;将浸渍后二次焙烧温度调整为700 ℃～750 ℃，对应的焙烧炉最高火焰温度为1 000 ℃，保证沥青挥发成分可以充分燃烧，提供大量热量，减少天然气损耗量。

除此之外，从带盖环式焙烧炉、再焙烧的隧道窑、带盖环式焙烧炉、再焙烧的隧道窑运行环节入手，在精心维护设备的基础上，根据产品质量与设备动力消耗之间的关系，进行设备技术改造。如将罐式煅烧炉800 ℃以上的废气应用于采暖等，加强余热利用，提高能源效益。

5 结语

综上所述，探究超高功率石墨电极生产能源节约方案，对于石墨电极行业节能降耗目标的实现具有关键作用。因此，相关人员可从超高功率石墨电极生产主要工序入手，计算其水能源、天然气能源以及电能源的损耗量。根据计算结果探明超高功率石墨电极生产能源节约与控制路径，科学策划，适时施策。在保证超高功率石墨电极生产量的同时，最大限度降低超高功率石墨电极生产用水、用电及用气的消耗量。

参考文献

[1] 郑景须，朱海哲，贾文涛.超高功率石墨电极新标准解析[J].炭素技术，2019，38（5）：62-63.

[2] 杨华.炼钢厂LF炉石墨电极消耗实践[J].世界有色金属，2017（2）：154-155.

[3] 李海，张洪彪，陆曼，等.LF精炼炉石墨电极降耗分析[J].冶金设备，2018（4）：47-49，100.

[4] 李凯茂，缪辉俊，韩可喜，等.降低石墨电极消耗的工艺研究[J].中国有色冶金，2017，46（2）：49-52.