⼀⽂看懂⽯墨电极与炼钢的关系：对电弧炉冶炼中⽯墨电极消耗及使⽤的探讨对电弧炉冶炼中⽯墨电极消耗及使⽤的探讨 随着中国经济的快速发展，各⾏各业对特殊钢材的需求越来越⼴泛，致使电弧炉炼钢技术发展⼗分迅速，⼤容量超⾼功率电弧炉和⼤型炉外精炼技术已经成为现代化钢铁⾏业的标志。国内现有100T以上粗炼电弧炉18台，变压器容量
65~150MV*A；50~100T的电弧炉约有30台，变压器容量35~85MV*A；40~300T的LF精炼炉有126台，变压器容量
10~45MN*A。这些电炉均使⽤不同规格的超⾼功率⽯墨电极。随着电弧功率的不断提⾼，冶炼⼯艺技术的不断优化，对⽯墨电极的理化指标要求越来越⾼具消耗指标越来越低。从⼤型化⼤容量化的超⾼功率电弧炉的平均消耗⽔平来看，吨钢电极消耗从过去平均3.5KG/T降到了1.2KG/T，⽽LF炉的平均消耗均低于0.5KG/T。由于⽯墨电极在冶炼中占有⼀定成本的⽐例⽽且消耗量很⼤，所以各使⽤⼚家对⽯墨电极的消耗和使⽤效果均⼗分看重，⽽且也列⼊到⽣产中作为⼀项重要的考核指标。本⽂对炼钢中⽯墨电极消耗和使⽤进⾏剖析。 1 ⽯墨电极的消耗机理
⽯墨电极作为电弧炉冶炼中的导电材料，其消耗随着电功的消耗⽽⽣成⽐关系。现代电弧炉炼钢以电能和化学能为热能源，来实现炼钢过程中四脱（P、C、O、S）、⼆去（⽓、杂）、⼆调（温度、成分）的⽬的，⽯墨电极的使⽤性能在⽤户中主要体现在是否适⽤和消耗多少，⽽电极的消耗除与⾃⾝质量有着直接关系。⽯墨电极在电弧炉冶炼中的消耗主要由以下⼏部分组成。
1.1 电炉内的⽯墨电极端部与外圆表⾯的消耗
⽯墨电极在电弧炉内送电中产⽣的电弧有长、中、短弧之分，⽽熔化炉料和升温则取决于电弧功率。弧长与⼆次电压成正⽐关系，与⼆次电流和升温速度成反⽐。为提⾼冶炼速度⽽⼤幅度缩短冶炼时间，均采⽤强制吹氧的⾼化学能操作，这对⽯墨电极的抗氧化性和抗热震性提出了更⾼要求。冶炼中⽯墨电极的端部消耗包括——电弧⾼温中产⽣的升华，与钢⽔和钢渣接触中产⽣的化学反应。⽯墨电极的氧化损失约占总消耗的2/3左右，其氧化损失是单位氧化速度与⾯积的积且与时间有正⽐关系，冶炼中加热时间越长消耗越⼤，所以在电弧炉电极上安装⽔冷喷淋系统是⼗分必要的。正常冶炼中⽯墨电极进⼊钢⽔的含碳量⼀般为0.01%左右，其端部消耗开关呈⾮锥尖状为正常现象。
1. 2 在冶炼中产⽣的⽯墨电极的残体消耗
残体消耗是指冶炼中最下⽀电极因故掉⼊炉内并成为最终废品⽽脱离⽣产过程的⾮⽣产性消耗部分。残体的产⽣不仅与接头和电极的内在质量有关，⽽且还⼀民炉内布料分布、炉内⽓氛和送电操作等因
素有磁卡直接关系。主要的外观现象有：残体底端部有“⼈”字型裂纹且有⼤型纵裂或劈裂；连接处不严密致使接头先⾏氧化⽽脱落或折断；连接不到位或配合不好⽽产⽣脱落或折断；电极受外⼒作⽤发⽣接头或孔底部折断；电极受外⼒作⽤发⽣接头或孔义部折断；炉内布料不合理致使穿井后塌料⾯积⼤或送电曲线操作不合理均能造成电极严重折断；电极本⾝质量差等。这部分损失在保证电极质量的前提下，正常⽣产中产⽣的量不⼤，但直接使⽤者对此却很重视。 1.3电极表⾯氧化剥落并伴有开列和掉块的消耗
在正常冶炼⽣产中，若⽯墨电极表⾯出现凸凹不平或伴有剥落和掉块现象，那么在钢⽔中就存在了增碳问题。这种现象⼀⽅⾯反映出了电极的抗氧化性能和抗热震性能差；另⼀⽅⾯则是冶炼中⽔平吹氧时间过长或吹氧量过⼤⽽造成炉内和炉上严重富氧，致使电极过氧化损失加⼤；第⼆是如果存在严重的脱落现象，还必须要考虑到电极的问题。这种⾮正常消耗是对产品内在质量和技术服务⽔平的⼀种考验。
1.4 冶炼中⽯墨电极折断所造成的直接损失
⽯墨电极在所有的电炉冶炼中产⽣折断是常见现象，也是影响消耗的最主要因素。在复杂的环境中连续消耗使⽤偶尔发⼀折断是正常现象，但连续发⽣折断就不正常了。究其原因与诸多因素相关。总体看可分为：⼈为折断和机械折断。⼈为折断主要包括：吊运中磕碰、划伤，连接不到位或⽅法不当，
平持器中滑动不当，硬碰撞或传动控制灵敏度差等。机械折断中除机械故障外，电极质量问题和操作问题往往是同时存在⽽且很难分清。主要存在以下现象。
1.4.1电极本体折断现象
⼀是电极可能有结构缺陷可强度较低；⼆是冶炼中穿进后仍短弧操作⽽有较⼤塌料的侧向撞击⼒；三是炉上三相电极严重不垂直且有挂炉炉渣或刮炉盖现象等。折断时声⾳很脆很⼤。
1.4.2 电极本体孔底折断现象
1.4.2 电极本体孔底折断现象
⼀是电极端部结构疏松或有暗纹、接头与孔配合不当或材质差异线膨胀系数不匹配；⼆是整相电极不同⼼，电极⾏程过长或升降不灵敏；三是炉内⾯料不合理，电极下⽅有不导电物等。折断时声⾳不⼤但倾斜较重。
1.4.3 接头折断呈不规则现象
⼀是接头加⼯锥度有差异或接头孔椭圆度过⼤；⼆是联接时孔内灰尘多造成接触电阻过⼤致使接头丝扣局部氧化过快；三是电极联系不到位⽽未达到⼒矩要求产⽣松动；四是把持器倾斜，电极与炉盖孔不同⼼等。折断时声⾳脆⽽⼩。
1.4.4 接头折断呈规则现象
⼀是接头⾃⾝质量差异⼤，接头强度满⾜不了冶炼炉况的需求；⼆是电极孔与接头公差配合不当或联接⼒矩达不到要求产⽣退扣；三是供电中⼆次电流波动范围过⼤或有突增现象，最⼤瞬间电流远超过额定值1.2倍以上；四是输和功率过⼤时产⽣的热震动也过⼤，电极联接处歇发红⽽显⽰电阻过⼤。折断时声⾳发闷。
2 冶炼中影响⽯墨电极消耗的因素
炼钢⼯艺中的电弧炉冶炼有粗炼和精炼之分，但均由⽯墨电极把电能传⼊电炉内⽽转变成热能达到升温熔化固体炉料的⽬的。粗炼是以熔化废钢并排出有害⽓体和杂质为⽬的的氧化过程，精炼同是以升温来调整钢种元素和去⽓去杂质的还原过程。由此可见，电弧炉冶炼就是利⽤⽯墨电极调节炉温来实现氧化还原反应⽽达到炼钢⼯艺要求的。冶炼中⽂义的⽯墨电极的消耗可分为有功消耗，也⾃然消耗或叫技术消耗。⽆功消耗是未参加加热过程或未完全参加加热过程的有形消耗，也是⾮技术性消耗。
2.1 影响⽯墨电极消耗的主要因素
电炉炼钢中对⽯墨电极的消耗贯穿在整个冶炼⼯艺过程中，其消耗⼤⼩受许多因素影响，这⾥仅为冶炼过程的操作来做以剖析。
2.1.1 废钢质量差或配⽐不当致使造渣效果不好⽽延长冶炼时间；加料次数和穿井资料增多加⼤了电极底部的损坏及折断概率；冶炼时间加长是导致电耗与电极消耗与损失上升的直接因素。
2.1.2 电炉供电设备与电极规格品种不匹配
电弧炉送电是⾼流低压操作。若供电设备能⼒过⼤⽽超出电极极限负荷时，起弧5~10MIN内电极则有由下⾄上的发红现象，联接处界线⼗分明显且⼤多有折断事故发⽣；电流过⾼或波动过⼤，联接处接善类折断频率提⾼⽽且底部消耗呈锥尖状。若供电能⼒低，炉温在有效中热时间内达不到⼯艺要求将需延时操作。超负荷与超时操作对⽯墨电极的损失和消耗是最⼤的。
2.1.3氧化期强制增⼤化学能和提⾼冶炼强度
冶炼中强制加⼤吹氧量（⼀般⼩于45M3/T）以达到快速熔化和提⾼炉温，这样易使炉况恶劣⽽且炉内和炉上呈富状态，使每相电极都处在⾼温⽕焰之中。电极处在这种炉况环境时，⼤多有起层和表⾯氧化严重现象。
2.1.4 电炉的配置和操作的技术性
现代电弧炉与传统电炉有本质的差异，超⾼功率⼤型化电弧炉及热装炼钢⼯艺的出现提⾼了冶炼强度和产能，从⽽对⽯墨电极的质量也提出了更⾼的技术要求。操作中对送电曲线和挡位的选择，对起弧
和稳弧电压电流的控制，对长、中、短弧的配合使⽤，⽔冷系统的配置和应⽤等，都对电极的使⽤寿命和消耗起到了关键作⽤。
2.1.5 ⽯墨电极的质量
现在电弧炉的冶炼和⼯艺对⽯墨电极的抗氧代性能及抗热震性能要求越来越强烈，⽽且由于质量波动造成的消耗过⾼深受直接使⽤者的极⼤关注。所以⽯墨电极质量的均衡性和稳定性是决定消耗⼤⼩的最重要因素。
2.2 ⽯墨电极消耗⾼低的对⽐分析
冶炼电弧炉在⼀定时期内的⼯艺和运⾏状况变化不⼤时，对⽯墨电极的消耗⽔平也是基本均衡的。随着炉龄的延长或⼯艺的变化，对电极的消耗也有所波动则是很正常的。那么，在同⼀台电弧炉上有同⼀家的产品是地，其消耗尘埃却被⽤户着得很重，就些提出的异议已经是普遍现象。任何⼀种产品的质量都有波动性，但波动的幅度⼤⼩则反映出了⽣产⼚家的技术装备⽔平和综合管理⽔平。
2.3 对冶炼中⽯墨电极折断的进⼀步分析
电弧炉冶炼中偶发电极折断是正常现象⽽且是不可绝对避免的，⽽⼤型DC和AC及LF电炉的电极则视为事故。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。国内⼀般技术⽔平的AC电炉，⽉折断电极5~7次为政党先进的⼤型DC和AC电炉⼤多配有控制⽹络系统，⼤⼤降低了⼈为因素，⽉折电极⼩平2次；先进的⼤型LF炉基本不允许有电极折断现象。电炉冶炼操作中的电极折断原因是⽐较复杂的，对以下5⽅⾯应引起极⼤关注。
2.3.1 冶炼⼯艺
（1）原料配⽐，电极下⽅要避免有⼤块料和不导电物；
（2）穿井后产⽣“搭桥”现象时，要改⽤长弧操作⽽避免⼤的塌料碰击；
（3）电极升降与⼩炉盖必须同⼼，避免热震动时发⽣刮碰⽽折断。
2.3.2 送电制度
(1)确定初始起弧挡位⽽按顺序升位（每台炉⾄少有3条送电曲线），避免电流过⼤波动和炉内长、短弧频繁变化⽽产⽣热震动过⼤；
(2)随着炉温升⾼电极联接处要释放⼀定的内应⼒，起弧后通过电极单位⾯积的电流林有个逐步上升的过程，这就是电极与炉况的适应过程。
(3)超载运⾏，新型电炉的超负荷能⼒⼀般不⼤于20%，若起弧电流超过额定值接头最易发⽣折断，当电极与炉况适应后即使超载也会正常运⾏，但有接头发红现象。
2.3.3 冶炼炉况
（1）配加料和送电操作关系到炉况变化，但吹氧、烧嘴燃汽和燃油则是恶化炉况的关键。化学能的利⽤降低了电耗，但加⼤了电极表⾯和上端⾯的氧化程度。特别是负压过⼤时加快了电极表⾯的氧化速度，⽽使电极本体表⾯锥型化。
（2）炼钢过程就是造渣的过程。化学能的使⽤加⼤了钢⽔的搅动⼒⽽更利于泡沫渣的产⽣，钢⽔沸腾、渣层厚度、渣液流动性和埋弧效果不仅关系到冶炼效果，⽽且对电极的底部增碳消耗和掉头及圆周表⾯消耗也关系重⼤。
（3）炉恶化中的操作是频繁变化的，电极上震动并伴有左右摆动。电流的频繁变化加⼤了热震动，对富氧环境中的⽯墨电极不仅加快了表⾯消耗，⽽且对联接部位（接头强度）也是考验。
2.3.4 电极储运
（1）现场存储电极中要避免与液体介质接触，否则受热后将出现鱼鳞状掉块。
（2）现场存放接头中要避免与⾼温热源接近，否则受热后接头拴易熔化流出。
高温熔化炉
2.3.5电极质量
对⼤型UHP和HP上限的电炉，所提供的⽯墨电极必须要提⾼实物质量。
（1）⼀定消除结构缺陷或强度不⾜问题，否则在冶炼第⼀包料送电1~3min就会发⽣接头折断事故。
（2）电极端⾯的加⼯精度也⾄关重要，若有缝隙就会产⽣透⽓现象并伴有局部发红。送电10min左右联处明显发红，连续冶炼2~3炉后其内扣易氧化⽽发⽣折断或脱落事故。
（3）公差配合问题必须时刻关注，不论是松动还是连接不到位，只要有缝隙就会发⽣折断或脱落。从使⽤情况来看，部位出现的问题⼤多是由公差配合所引发的。
3 电炉冶炼中对⽯墨电极消耗的计算
冶炼过程中计算电极消耗有净耗和⽑耗两个并存的概念（含矿热炉），净耗是指冶炼中电极被⾼温升华、氧化和参加反应掉的技术性⽔泵⽑耗则是净耗与未参加完冶炼⽽损失的和。现阶段钢铁⾏业都以⽑耗来评价⽯墨电极的实物质量。
3.1产量法
产量法是以⼀定时期产出的钢⽔量（成品）为基数，以同期内⽯墨电极的投⼊量扣除炉上剩余量为消耗量。
吨钢⽯墨电极的⽑耗：MM=MZ/MG
吨钢⽯墨电极的净耗：MJ＝MC/MG
其中：MZ为电极的总消耗量（投⼊量-炉上剩余量），KG/T；
MC为电极的纯消耗量（投⼊量-炉上剩余量-损失量），KG/T；
MG为钢⽔的成品量，T。
3.2电耗法
电耗法是以⼀定时期内纯加热时间的电耗累计量为基数，以同期内⽯墨电极的投⼊量扣除炉上剩余量为消耗量（LF炉则以每升温1℃耗电和电极来计算）。
每千⽡⼩时电极的消耗量：
MX＝1000*MC/QH
其中：MC为电极的纯消耗量（投⼊量-炉上剩余量-损失量），KG/T；QH为纯加热时间内的电耗累计量，KW*H。
产量法基本以⽑耗为计算⽅法，均以成品产出量为计算基数。电耗法虽然未考虑冶炼技术消耗以外的损失部分，但钢⼚的考核中最终还是要考虑这部分损失的，这种⽅法对电极的批次间质量会有⽐较明显的对⽐。综上所述，现阶段在冶炼中对⽯墨电极的消耗评价是不公平的，作为炭素⾏业应积极推荐综合评价法。也就是以产量法来⾏业应积极推荐综合评价法。也就是以产量法来评价⽯墨电极的整体质量⽔平和适应怀；以电耗法对批次间的电极质量和炉况做出对⽐；同时还要考虑到冶炼中的其他消耗。以此使供需双⽅共同关注电极质量的同时，也对电炉炉况的变化加以关注，从⽽达到在优化使⽤电极中促进操作最佳状态的⽬的。
4 冶炼中降低⽯墨电极消耗的主要途径
在冶炼中如何降低三围电极消耗既是炭素⼚家的技术所在，也是冶炼⼚家配合使⽤和优化电炉操作的重要⼯作。就冶炼中⽯墨电极的消耗问题，⾸先要解决的就是接头折断问题，其次要考虑的则是抗氧化和抗热震性。这就是要求我们⾸先要了解冶炼⾏业的发展、冶炼⼯艺、电炉和操作的技术性，然后有针对性地进⾏技术研究、科学地组织⽣产、实施有效的技术服务。只有这样才能达到⽣产和使⽤相适应的⽬的。下⾯主要从冶炼⽣产中来加以讨论。
4.1 新型电炉技术的降耗
⼤型UHP和LF电炉的建⽴为钢铁⾏业的规模发展奠定了坚实的基础。产能⼤、能量消耗低是新型冶炼技术的特点。⼤型电弧科学地采⽤了⼤流量的化学能（占总耗能的60%~70%），炉低烧咀和⾃动氧及预热竖井的使⽤有效地了电耗与电极消耗的60%以上；⽔冷系统的应⽤⼤⼤地提⾼了炉龄和降低材料的消耗，特别是喷淋⽔冷使⽯墨电极的单耗⾄少
与电极消耗的60%以上；⽔冷系统的应⽤⼤⼤地提⾼了炉龄和降低材料的消耗，特别是喷淋⽔冷使⽯墨电极的单耗⾄少降低了1/3；化学能的利⽤⾄少缩短了⼀半的冶炼周期，⼤幅度提⾼了产量，所以电极的单耗在下降。
4.2热装冶炼⼯艺的降耗
钢铁⾏业在发展⼤型电炉的同时，近年来也向转炉和⾼炉⼤型化延伸，新建的⾼炉⼤多在2000M3以上（国内最⼤的为4050M3）；铁⽔转炉化冶炼配LF和电炉热装铁⽔（⼀般在40%~60%）已成为普及的冶炼⼯艺技术；热装铁⽔有效地缩短了冶炼周期，降低了电能和化学能及各种材料的消耗，特别是把⽯墨电极的单耗和需求量都降了下来。
新型电炉有完美的配套设施，引进技术对⽯墨电极的选择防⽌了⼤马拉⼩车却产⽣了⼩马拉⼤车的问
题，这对国产电极是个挑战。阻抗电炉操作和炉内⾃动监控系统，对电极的控制和有效使⽤及减少损失发挥了极⼤的作⽤，⼤型电炉的电极折断率⼩于2%。
对⽼电炉的改造也配套了必要的设施，对供电设备的选择⼤多是⾛上限，从⽽出现了准UHP和准HP电炉，⽆形中把同品级⽯墨电极的实物质量要求⼜提⾼了档次，如：30T AC⾼阻搞电炉，使⽤φ450MM HP和FG电极的消耗相关1KG左右，电极折断率⼩于3%，⽽且得到了⽤户的好评，也是炭素技术的⼀⼤进步。
4.4 严控送电制度中的降耗
严控送电制度是保证正常冶炼的前提，不同的钢种和冶炼⼯艺有相对应的起弧电压及电流挡位，防⽌电流波动过⼤并严控电流峰值⼯作时间。从⽽有效地防⽌了电极发红和⽆功氧化消耗及炉内折断。
4.5 规范使⽤中的降耗
炭素⼚家必须严格要求或现场指导⽤户对电极的储运保管和电极的联接。特别是电极的联接技术，原则上⼤规格电极必须要求炉下连接；连接时避免冲撞产⽣螺纹碎块且⼀定保持上⽀电极的始终垂直状态；均匀旋合到8~10MM时再⽤惯性锁紧，⽽后再⽤长臂扳⼿施加预紧⼒矩拧⾄不能旋合为⽌，有缝电极不能上炉；若相序问题且连接很好时，最好不要打固定销⼦。这些基本要求的⽬的是为了避免产⽣折断和脱落损失。
另外还需特别的注意的事项有，⽕焰⾼时最上节要及时续接加⾼电极，防⽌丝扣损坏；滑动电极时必须要有软连接，避免发⽣硬碰撞；把持器与电极必须保持垂直，防⽌与⼩炉盖刮碰电极；避免氧直对炉内下⽀电极等。这是对电极使⽤技术的性要求，⽬的也是避免和减⼩电极的直接损失。
5 冶炼技术的发展趋势及电极需求
中国钢铁⾏业的电弧炉向⼤型化⽅⾯迅速发展已成趋势，其特点是输出功率⼤，稳定功率系数，送电为长弧操作并向节电降耗⽅向发展。因此新型⼤电炉与过去的传统电弧炉相⽐均有很⼤变化。现代电炉技术⼗分关注电炉能源问题，采⽤的煤⽓射流和⾃动碳氧使吨钢可降低电极消耗0.3~0.5KG；伴随热装技术⼯艺的推⾏，使冶炼时间明显缩短，电耗和电极消耗明显下降。
⼤型电弧炉均采⽤⼤容量变压器⽽且超载能⼒均在20%，由此来看，钢铁冶炼中对⽯墨电极的要求越来越⾼，特别是对电极的质量均衡性、导电性、抗热震性，抗氧化性。对于中型或偏⼤型电弧炉及LF电炉却出现了功率性下线问题，即：UHP电炉⾛下线⽤⾼功率电极，HP电炉⾛下线⽤普通功率电极，这种电炉的出现是对企业的挑战和对传统制品的考验，也是迫使⼚家提供出低价优质的准⾼苏北和准超⾼苏北的产品。因钢铁发展已过了量的关，在向精品和特殊品种⽅向发展。
⼤型DC和AC电弧也已经定型到位；⾼产能、⼤规模、⼤型化的⾼炉配套双⼯位LF炉已成为新的发展⽅向。如：马鞍⼭钢⼚和武汉钢⼚新上300T的双⼯位LF炉，⽤φ500MM UHP电极，消耗⼩于0.5KG/T。
另外矿热炉⼤型化也已初具规模，如：云南澄兴集团新建宣威磷电已投产6台22MV*A矿热炉。
现在市场对⽯墨电极的需求已向多品种和增量⽅向发展。其中：UHP⽯墨电极的年需求量将达到10万T；HP⽯墨电极的年需求量⾄少18万T；HP⽯墨电极⼤规格φ500MM和φ600MM电极也在向增量⽅向迈进（矿热炉为主）。
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