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摘要:电极损耗是 LF 炉精炼过程的主要生产成本耗费之一。本文分析了石墨电极断面消耗、侧面消耗、折断消耗的机理。通过对电极进行浸泡处理、优化供电制度、优化底吹氩气和造渣制度、合理控制出站温度等有效措施，电极消耗降低比例约27%，精炼电耗降低比例约15%。电极消耗降低，极大程度上降低了操作人员的工作强度，提升了钢水质量，降低了生产成本。所述措施在生产过程中成功应用后,确保了精炼生产的稳定顺行。
关键词:LF炉;石墨电极;消耗;浸泡电极
LF炉具有炉内还原性气氛、底吹氩气搅拌、电极埋弧加热、白渣精炼等冶金功能[1]，在提高钢水质量、调节生产节奏等方面发挥着十分重要的作用。目前，LF炉已成为钢铁企业普遍采用的钢水二次精炼手段。LF炉的运行成本主要由电能成本、电极成本、物料成本、氩气成本等构成，其中电极成本约占总成本的20%～28%。因此，减少电极消耗对降低LF炉精炼成本具有重要意义。
LF炉石墨电极在使用过程中经常出现断裂、接头脱落、侧壁侵蚀严重等诸多问题，使电极消耗大幅度提升。为确保LF炉设备的稳定，在工艺操作以及电极消耗方面需要进一步改进。
一、LF炉精炼过程中电极消耗机理分析
（一）LF炉设备的主要参数
唐钢中厚板公司LF炉主要的技术参数见表1。
（二）石墨电极主要参数
目前电极分类按其质量优劣，可分为普通功率、高功率和超高功率，中厚板公司使用超高功率石墨电极，其主要参数标准如表2所示。
（三）电极消耗机理分析
LF炉超高功率电极为石墨电极，在LF炉升温过程中作为导体以电弧形式释放电能对钢水进行加热。电极消耗通常由电极折断消耗、侧面消耗、端面消耗三方面构成。
1.电极折断
电极折断是LF炉操作中发生的异常情况，可分为高位折断和低位折断［3］。高位折断通常是电极受外力作用发生在电极柱的最高连接处，即发生在电极夹持器下的电极接缝处。低位断裂发生在电极下端，集中在电极最下端的接缝附近，由于局部氧化过快，电极直径变细，受到外力作用时会发生折断。
2．电极侧面消耗
在温度超过400℃时，氧即能渗入石墨表面发生氧化，在温度超过550℃时氧化加剧，石墨电极温度越高，石墨电极氧化越快。石墨电极附近的氧浓度和表面周围的气流速度是石墨电极氧化的影响关键因素。电极侧面氧化消耗约占总消耗的34.3%~63.5%，对电极消耗影响最大。另一方面，电极表面脱落也增加了电极消耗，电极直径越大，电极横截面内中心部位与表层的温差增大，由此产生热应力的提高将引起电极产生裂纹或表面剥落。
电极侧面消耗是指电极圆柱体表面被氧化消耗，表示方法如式（1）所示。
CS=3BπDLoxtR/Wm （1）
式中，CS为电极侧面消耗，kg/t；Lox为电极的氧化长度，m；tR为电极的使用周期，h。应包括精炼通电时间ton和由于测温取样等操作引起的非通电时间以及精炼结束后至下炉精炼开始的时间间隔中电极温度仍处于易氧化状态的时间toff。故tR=ton+toff；B为与炉内气氛等操作因素有关的系数，kg/(m2·h)，对于钢包精炼炉而言，B=2.7～3.5kg/(m2·h)。
3.电极端面消耗
在加热过程电弧温度极高（7354K），而在起弧前电极的温度较低，在电极中的热应力使其剥落。在电流波动幅度较大，超过电极电流密度允许值时，单相电流密度过大，端部应力不平衡而导致端面剥落。在大电流下电弧剧烈向外偏移，在渣层较厚或埋弧效果不好时，电极端面和钢渣液相接触，端面被部分熔解，如图3所示。电极端部消耗可以用式（2）计算得出。
CT=3AI2Eton/Wm （2）
式中，CT为电极端部吨钢消耗，kg/t；IE为通过单根电极的电流，kA；ton为通电时间，h；Wm为钢水质量，t；A为与电弧电压以及炉渣成分、埋弧程度和电极质量等因素有关的参数，kg/(kA2·h)。
根据Bowman提供的实验数据[3]，可回归得到参数A与电弧电压关系的经验方程，结合中厚板公司的实际操作条件以及现场操作记录，统计出3~8月的月平均精炼时间，给电时间。数据统计得出，LF精炼处理周期平均为35min，通电时间平均为14.7min，吨钢电耗36.23kW·h/t，电极单耗1.28kg/t。按月平均电极消耗计算出参数A的平均值为0.023。参照Bowman的数据取n=0.567，确定出参数K=0.783。当实际操作中电流和电压随时间变化时，应进行如式（3）所示的积分运算。
（3）
二、降低电极消耗措施
（一）浸泡电极
对电极进行抗氧化处理。选择耐高温、化学性质稳定、热膨胀系数与电极接近热震性良好的试剂对电极表面进行浸泡处理，试剂在电极表面干燥后形成一层封闭，封闭层高温下不易开裂，在冶炼过程中，抗氧化涂层能有效隔绝空气中氧气与电极基体表面直接接触，减少石墨电极的侧面氧化消耗。
（二）合理控制温度
提高并稳定钢水在LF炉到站温度，在满足过热度要求的情况下尽可能降低出站温度，以缩短加热时间。通过提高操作水平和加强管理，适当提高并稳定转炉出钢温度及罐内温度，为提高并稳定钢水在LF炉到站温度创造良好条件。
（三）优化底吹氩气控制
吹氩搅拌与电弧长度配合不好，会造成钢水舔电极，导致电极消耗增加。因此LF炉处理过程中实行全程吹氩并优化LF炉全程吹氩供气模型，分阶段动态控制氩气流量。实际生产过程中氩气流量控制较好，不但减少了炉盖粘渣，而且也避免了钢水强烈振动造成的电极折断事故。
（四）优化供电制度
电极端面的熔损与电流强度、加热时间成正比，一般在精炼初期采用短电弧，大功率，以快速融化渣料；在渣料融化后选择适当长电弧，增大输入功率，快速升温；在精炼后期，根据钢种要求选择适当的电弧长度和合适的输入功率，将钢水温度控制在较窄的范围内(11±5℃)，同时控制钢水增碳，以满足连铸对钢水成分及温度的要求。
三、改进效果
将现行操作工艺条件下(380V/38kA)的各个参数带入相应的公式，得到如表3所示的计算结果。
通过表3可以看出，浸泡电极具有良好的隔热效果，从而有效防止电极升温速度快导致的氧化加快。浸泡电极时候后期工作温度在700±30℃范围内，基本避开了高氧化速度温度区间，能够保证电极氧化速度维持在较低的水平。
对电极进行浸泡处理、冶炼过程电弧的调节，是减少电极侧面氧化消耗的有效途径；提高电极接头抗折强度，可以有效避免电极高位折断。在LF精炼炉使用浸泡石墨电极，有效降低电极消耗，降低比例约27%，并有效降低精炼电耗，降低比例约15%。由于浸泡石墨电极更换次数减少，可降低操作人员劳动强度，提高生产效率。
参考文献
[1]冯聚和,等.铁水预处理与炉外精炼[M].北京:冶金工业出版社,2008:180～181．
[2]席晓利,等.唐钢150tLF炉电极消耗的分析与实践[J].河北冶金,2011,(11):75～77
[3]南条敏夫.炼钢电弧炉设备与高效益运行[M].李中祥译.北京:冶金工业出版社,2000.
论文作者：
论文作者:王飞
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：电极论文; 消耗论文; 钢水论文; 精炼论文; 电弧论文; 温度论文; 端面论文; 《城镇建设》2019年第14期论文;