镍铁矿热炉电极软断的案例分析及预防措施

镍铁矿热炉电极软断的案例分析及预防措施

在矿热炉中利用红土镍矿生产镍铁，国内已经超过15年的时间，早期(2005~2008年期间)利用土法烧结红土矿一般在6~12.5MVA矿热炉生产，冶炼电炉一般是将高碳铬铁炉、锰硅合金炉、硅铁电炉经过简单改造，由于电极直径较小，所以较少发生软断事故。2008年金融危机后，国内引进RKEF生产工艺，鼎信实业选用恩菲设计的33MVA矩形电炉，此后，矿热炉利用红土镍矿生产镍铁的RKEF工艺迅速发展，矿热炉容量从33MVA逐步发展为36MVA、42MVA,48MVA,60MVA,72MVA等各种全封闭炉型，电极直径从1.0m增加到1.1m、1.2m、1.3m、1.5m等，这些全封闭矿热炉在生产过程中，依据矿石及炉渣成分，一般选用较高电压(二次电压400-600V)、低电流(电极电流20000-45000A)操作，炉渣温度控制在1500-1600℃左右。

近些年来，镍铁矿热炉时有发生电极软断事故，电极往往是从把持器铜瓦下沿附近200-500mm处断裂，断裂长度一般约3-3.8m，因矿热炉容量不同而差异较大;软断是镍铁矿热炉生产过程中的严重事故，停炉处理时间长，处理难度大，严重影响矿热炉产量，增加生产成本。笔者通过选择几起典型的电极软断事故，分析电极软断产生的主要原因，提出有效预防措施。

电极烧结及消耗原理

1.1电极烧结原理

镍铁矿热炉均使用自焙电极，自焙电极由电极糊烧结而成，电极糊烧结原理示意图如图1所示。

图1 电极糊烧结原理示意图自焙电极的烧结过程，实际上是随温度升高而使黏接剂逐渐分解排出挥发物的过程。根据电极内部温度分布的情况，可将电极的烧结过程分为3个阶段：软化段：温度50-200℃，电极糊由块状熔化成液态，此时，电极糊中仅有水分和低熔点物挥发。挥发段：温度200-600℃，液态状的电极糊开始分解、汽化排除挥发物，由液态逐渐变为软塑状固体。烧结段：温度600-800℃，电极糊中少量残余挥发物继续排出电极强度增加，当电极从铜瓦压放出来时，烧结基本结束。经过以上3个阶段焙烧，电极由块状电极糊逐渐烧结成导电良好、强度足够的自焙电极。电极烧结的3个主要热量来源是电阻热、传导热及辐射热，其中，电阻热是主要的热量来源。1.2 自焙电极消耗原理镍铁冶炼过程中自焙电极消耗原理如图2所示。

图2 镍铁冶炼中自焙电极消耗原理

烧结良好的自焙电极具有良好的导电性及高温强度，是镍铁冶炼过程中矿热炉的主要导电体。电极的主要成分是碳，碳在炉内高温条件下不易熔化，但会和炉内氧化镍、氧化铁等氧化物反应，受高温气体冲刷及电弧热而气化，参与矿热炉内各种还原反应，从而不断消耗。消耗的电极通过压放保持合理的工作端长度，确保电极电流稳定，矿热炉功率稳定，炉况正常，生产顺利进行。

镍铁矿热炉电极软断事故及处理

2.1 案例1

某厂(D.L)2014年8月5日22：30左右，33MVA的3号电炉发生一次电极软断事故，停机观察发现B相电极从把持器铜瓦下沿200-300mm处断裂脱落，初始有稀糊连续不断从断面处流出，大约30min后，电极壳内电极糊完全漏空，大量高温烟气通过电极壳向上逸出，形成烟囱效应，如图3所示。

图3 电极软断后加糊平台情景

高温烟气将下端把持筒内电极壳烧损变形长度约有6~7m，同时将18.5m平台的上、下抱闸橡胶垫部分烧损。事故发生后，处理措施是先将把持筒内烧损电极壳逐段割除，重新焊接电极壳并压放出铜瓦，然后焊接好电极底部锥形头，同时更换新的电极抱闸，事故处理致矿热炉停机103h。设备故障处理完成后，此相电极重新加装电极糊，在炉盖处用油枪加热烘烤焙烧，然后送电生产，依据电极烧结情况逐步提升功率，经过约10天时间矿热炉功率基本恢复到正常值28MW，此次事故致镍铁产量减少大约1800t，依据当时镍铁市场行情，吨铁利润约2500元，损失约450万元。2.2 案例2某公司印尼工厂(W.P),2017年2月23日15：36分左右，33MVA的2号电炉B相电极在铜瓦下沿约500-600mm处，发现较大量稀糊流出，火焰较大，如图4所示。

图4 电极软断炉内情况

停机观察判断该相电极发生软断，厂里相关技术人员通过讨论后决定，适当压放电极，再用石棉绳尽量堵住漏糊点，继续停机到无稀糊流出，然后再压放足够的电极，使该相电极处于死相状态，再送电焙烧，经过大约15天死相焙烧完成，倒拔电极约500mm，此后依据电极状况逐步提升功率至恢复正常生产，处理时间共计约20天。此次事故致镍铁产量损失大约2500t，当时吨铁利润约2000元，损失约500万元。2.3 案例3内蒙某工厂(H.Y),2018年10月25日5：03分，36MVA电炉C相电极突然打弧，声音异常，停机观察发现电极从把持器铜瓦下沿200mm处断裂，断面平整，无稀糊流出，断面电极已经基本烧结成型，如图5所示。

图5 电极壳焊缝处断面整齐

处理措施是维修人员及时将电极壳接长焊好，同时对电极底部做特殊处理，确保稀糊不会漏出，经过18h处理后送电，低功率焙烧该相电极，通过约8天时间低功率运行焙烧，矿热炉功率逐步恢复正常的29MW，此次事故导致产量损失约600t，依照当时行情吨铁利润约1500元，损失约90万元。

电极软断原因分析

电极软断原因分析图如图6所示。这三起典型电极软断事故，与正常压放消耗运行的电极相比较，软断主要在于电极电流密度过大、炉内温度超高致电极壳异常烧损而发生软断，以下逐一分析。

图6 电极软断原因分析图

3.1 案例1主要原因D丄公司从这台矿热炉事故发生前48h开始，一直选用较高二次电压操作(二次电压520~580V)，熔料速度快，炉渣中TFe较高(8.5%~10%)，炉渣温度较低(1500-1520℃)，炉渣排放困难，导致渣线不断升高，最高时达到2.8~2.9m左右，为避免炉渣从观察孔逸岀，被迫减料导致炉内料层变薄到几乎没有料层，炉盖温度急剧升高，最高温度达到1400~1450℃。此矿热炉电极直径1.3m，把持器位于炉盖上方，正常情况下，铜瓦下沿300-500mm位置，电极壳能够承受800℃左右高温，电极主要依靠电极壳及其筋片导电及承受电极自重;而当炉盖温度高达1400-1450℃时，远远超过铜瓦下沿电极壳所能承受的高温，致使炉盖下方电极壳熔损，电极无法承受自重及电极电流而发生软断事故，如图7所示。

图7 电极壳熔损软断断面

3.2 案例2主要原因

印尼W.P工厂2017年2月发生事故前20h左右，出现电极硬断长约1.5m，一次性压放出了1.0m左右电极焙烧，但操作上仍然选用较高的二次电压，致该相电极电流不稳定，电流波动非常大，电流高时达到40000A，电流低时只有5000-10000A，如此大幅波动的电流，极易导致电极壳及其筋片在某个瞬间无法承受电流而被熔断，因此发生电极软断事故。3.3 案例3主要原因内蒙H.Y工厂2018年10月发生的电极事故，事故发生前一段时间，电炉并未停机检修，一直正常生产，功率稳定，电极压放量均衡，电极烧结状况良好，当天凌晨突然发生事故后，观察电极断面平整，电极壳筋片正常完好，电极糊烧结基本完成，无滴糊、流糊的现象。通过现场仔细查看及测量，断面处于上、下节电极壳焊接处，因此推断主要原因是该节电极壳焊接质量存在问题，电极壳内部筋片未正常焊接良好，致使电极刚压放出铜瓦后，即从焊缝处断裂而发生软断事故。

镍铁矿热炉电极软断预防措施

电极每次发生软断原因各不相同，针对不同原因而发生的电极软断事故，应采取综合而全面的应对措施，才能较好地防止电极软断事故发生，从而保证矿热炉生产正常运行，确保实现提高产量、降低生产成本的目标。

4.1 冶炼操作方面依据矿石、炉渣成分不同，电炉操作应选用合理的二次电压及电极电流，控制合理的炉渣温度、炉盖温度及渣线，确保排渣顺畅，避免渣线偏高，保持炉内合理料层厚度(0.8-1.2m)，从而有效防止炉盖温度偏高而导致把持器下方电极壳熔损发生电极软断事故。镍铁冶炼中建议主要操作参数如表1所示。

表1 镍铁冶炼建议操作参数表

4.2 电极硬断后的正确处理当电极发生硬断或其他原因致电极工作端偏短时，应合理压放电极，降低二次电压，确保电极电流稳定，在电极电流稳定的情况下，逐步提升电流，利于电极焙烧，提高电极烧结质量，可以有效防止电极软断事故发生。镍铁冶炼电极硬断或工作端偏短的处理方法如表2所示。

表2 镍铁冶炼电极硬断后处理参照表

4.3 电极壳焊接质量保证镍铁电炉电极把持器位于炉盖上方，电极工作端长达3.5-

4.0m左右，电极自重量大(单相电极自重约8~12t)，电极壳焊接质量要求高，筋片务必对接整齐且焊接良好，上、下节筋片间应加焊直径20mm圆钢以便增加强度，电极壳上、下节对焊时务必焊牢、焊实且对接平整，优良的焊接质量可以有效防止电极软断事故发生，如图8所示。具体焊接质量技术标准如表3所示。

图8 电极壳焊接质量标准

表3 电极壳焊接质量技术标准

措施执行效果

5.1 D.L公司5台33MVA矿热炉

严格执行电极壳焊接质量标准，保证电极壳及筋片焊接质量，生产操作上，根据矿石成分，选用合理的二次电压及电极电流，控制合理的炉渣温度、炉盖温度及料层厚度，从而将炉盖温度控制在1200℃以下，从2014年8月发生软断事故后，至今矿热炉电极维护操作良好，一直运行正常，再未发生电极软断事故，从而产量稳定增加、生产成本降低。5.2 内蒙H.Y公司2台36MVA矿热炉除严格按照电极壳焊接质量标准作业，确保焊接质量外，生产操作上也不断改进，如果发生电极硬断或掉头事故后，采取合理压放电极后焙烧，降低二次电压及功率，电极电流稳定在15000~25000A，,合理焙烧电极，从而有效防止了电极软断事故发生，从2018年至今，矿热炉均运行正常，再未发生电极软断事故。

结 论

目前镍铁矿热炉主要是33MVA以上封闭炉，电极直径一般达1.1-1.5m,首先从根本上焊接好电极壳及其内部筋片，确保焊接质量;其次，在冶炼操作上根据不同矿石、炉渣成分及特点，选用合理的二次电压及电极电流，控制合理的炉渣温度、料层厚度及炉盖温度等参数,稳定好炉况，再次,当电极硬断或工作端不足时，应及时合理压放电极，降低功率运行、稳定电极电流焙烧好电极;综合执行以上措施，可以有效防止镍铁矿热炉电极软断事故发生，减少电炉停机时间，从而提高矿热炉年产量，降低生产成本。

作者：刘大勇、殷华倩、方旭