LWG（内热串接石墨化）工艺的主要特点是内热和串接，这一石墨化炉型从根本上克服了艾奇逊石墨化炉的诸多弊端，显示出许多优越性，主要表现在升温速度快、送电周期短、电能消耗低、不用电阻料、炉芯温差小、电阻率均质性好等诸多方面。 近年来 LWG 炉作为一种先进、节能、高效的石墨化新炉型得到了国内众多炭素生产企业的广泛关注和推广应用。
目前， 国内 LWG 炉单台机组的容量最大已达到 30 000 kVA， 最大输出直流电流也达到了 300kA。 山东八三石墨新材料厂作为国内应用 LWG 工艺较早的企业之一，投产运行中也积累了一些经验和教训。 据笔者所了解和掌握的情况来看，发现有的企业所建设的 LWG 炉的整流机组与炉芯参数设计匹配不够合理，导致在生产运行过程中出现变压器容量或输出电流得不到充分有效发挥的情况，严重制约了整流机组输出能力的发挥和提质降耗效果，笔者据自己多年的实践和体会，就 LWG 整流机组与炉芯参数的合理匹配问题作了初步分析探讨，
期望能够对炭素行业的生产发展和技术进步起到一些引导和借鉴作用。
1 整流机组与炉芯参数的设计匹配据有关资料
[1]介绍，内串石墨化炉芯最大电流密度一般设计在 30~50 A/cm， 而根据现行石墨电极行业标准，即使超高功率石墨电极其允许使用电流密度也不超过 30 A/cm2，故笔者认为，设计范围明显偏高， 不利于机组能力的充分发挥和有效利用。 因此，建议实际生产中根据电极规格品种不同电流密度控制在 25~35 A/cm为宜
[2]。 当确定了装炉制品的规格和柱数后， 也就确定了炉芯截面积，依据电流密度设计要求，就可以计算确定整流机组的最大输出电流；反之，确定了机组的最大输出电流，也就确定了炉芯截面积，从而确定了不同规格产品的装炉柱数。 从整流机组设计的角度来讲，应满足变压器容量超额定值 20%，输出直流电流超额定值15%才能够正常运行。 从石墨化产能设计的角度来讲，可以将石墨化的产能值等同于变压器的额定容量值来考虑。 整流机组参数设计的关键是要与炉芯参数合理匹配。 所谓合理匹配，就是要确保在送电过程后期，整流机组输出功率的最大值和输出电流的最大值能同时出现， 并且能够相对维持稳定至停电。 整流机组的主要参数包括变压器额定容量、最低第 3 期直流空载输出电压、最高直流空载输出电压、整流输出额定直流电流、调档开关调压级数等，炉芯参数主要是指装炉制品的截面积和炉芯有效长度等。
2 整流机组与炉芯相关参数计算以年产 2 万 t 石墨化品为例计算整流机组与炉芯相关参数。
2.1 确定整流机组变压器的额定容量按设计原则，可将年石墨化产能值作为整流机组变压器的额定容量值，即将变压器的额定容量确定为 20 000 kVA。
2.2 确定整流机组的输出额定直流电流值根据所装制品截面积的大小，可以计算出整流机组的输出额定直流电流值的大小。 取最大电流密度 Jmax=30 A/cm， 则不同规格不同装炉柱数时炉芯
截面积及最大电流值见表 1 所示。Imax=1.15I额 I 额=Imax/1.15≈170 kA
2.3 确定适宜的炉芯长度根据 P=S视 cosφ=I2R，R =ρL/S面则有 S视 cosφ=I2ρL/S面L= S面 S视 cosφ/Iρ （1）式中：ρ 为炉芯综合电阻率；S视为变压器视在功率；S面 为炉芯截面积；R 为炉芯综合电阻；I 为炉芯电流；L 为炉芯长度。表 2 为 某机组 容 量 为 16 000 kVA 的 直线型LWG 炉在装不同品种产品时，在开始送电和终止送电时的炉芯综合电阻率统计值。 从表中可以看出，开始送电时的炉芯综合电阻率接近或者等同于焙烧品的电阻率，而终止送电时的综合电阻率却明显高于石墨化品的电阻率，这是由于石墨制品的温度特性所决定的。 取平均炉芯截面积 S面=6 477 cm，考虑以 HP 、UHP 为主， 取终炉平均综合电阻率 ρ终=10.5 μΩ·m，功率因数 cosφ=0.95，根据(1)式可以计算出适宜的炉芯有效长度为 L=41 m。2.4 最低直流空载输出电压的计算根据 P始=V始2/R始则有 V始=(P始 R始)1/2= (P始 ρL/S)1/2（2）正常情况下，LWG 送电工艺的初始阶段， 其输出直流电压为整个送电过程的最低值，假设送电的最低初始功率 P始 =1 000 kW（正常送电的初始功率一般要明显高于此假设值），取炉芯平均截面积 S=6477 cm2，仍然考虑以 HP 、UHP 为主，取开始送电时的炉芯平均综合电阻率 ρ始=39 μΩ·m 。根据式(2)可以计算出 V始=50 V。可取整流机组的最低直流空载输出电压为 Vmin=V始=50 V。
2.5 最高直流空载输出电压的计算
根据 P=IV P=P视 cosφ则有 V=P/I=P视 cosφ/I （3）正常情况下，LWG 送电工艺的后期阶段， 其输出直流电压为整个送电过程的最高值，设 定 后 期整流机组变压器达到额定运行状态， 取功率因数cosφ=0.95，根据(3)式可以计算出 V=112 V。考虑到机组容量允许超 20%运行及带负荷运行时机组的内部损耗等因素，可取整流机组的最高直流空载输出电压 Vmax=1.25V=140 V。
2.6 调档级数的选择
目前调档开关调压级数可供选择的有较多，调压级数较少的开关大都为 27 级， 调压级数较多的开关可达 100 多级， 笔者认为级差压降以控制在1.5~2 V/级较为适宜。 如本设计的直流空载输出电压范围为 50~140 V，选择调档级数为 49 级或 53 级较为适宜， 选择级数过多不仅增加设备制造成本，而且对提高送电工艺质量意义不大。
2.7 产能测算
按本设计所计算的炉芯参数来计算装炉量，平均每炉约 45 t，如果按石墨化成品率为 95%，平均每炉送电周期为 18 h 计算，每月可生产 40 炉次，每年石墨化产能可以达到 G=45×40×12×95%=20 520t。 近年来内热串接石墨化采用单机双炉送电工艺得到有效开发和应用， 整流机组产能得到进一步挖潜，20 000 kVA 整流机组的石墨化产能可以达到30 000 t，产能提高 50%左右。
3 结语
（1）目前 LWG 炉型主要是 U 型和 I 型，两种炉型各有其特点，笔者更倾向于采用 I 型，感觉两者相比 I 型的优点更为多些。 采用 U 型时炉芯有效长度应比 I 型略短些。 具体炉芯有效长度还应结合主要产品的长度等具体情况略作调整，以提高制品装炉时的炉芯有效利用率。 如果采用单机双炉送电工艺，整流机组产能利用率可望提高 50%左右。
（2）关于整流机组变压器的额定容量及额定电流值的选择，不宜过分求大，适宜就好，就石墨电极生产来说， 变压器额定容量控制在 20 000 kVA 左右较为适宜， 输出额定电流值最大不宜超过 200kA， 过大则易导致机组设备及工程造价大幅提高，反而不利于机组运行性价比的提高。
（3）关于炉芯电流密度的控制，可在装炉时根据产品规格及其品质的不同要求进行适当调整，一般以控制在 25~35 A/cm2 范围内较为适宜。 当炉芯电流密度较高时工艺电耗可适当低些，反之应适当增加工艺电耗，以确保石墨化质量达标。 目前工艺电耗水平一般在 3 000~3 500 kW·h/t 即可较好地满足各种品质炭素制品的石墨化质量需求。
