江苏镇江陈金方玻璃电熔炉工程中心
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电极――钼电极
&&& 钼基本上能满足上述要求，适用范围广，除了铅玻璃以外，能用于熔化大多数玻璃，如难熔玻璃、粘度大的玻璃、挥发组分高的玻璃等，钼对其它玻璃组分都是稳定的。目前，在玻璃熔化过程中钼电极发挥着巨大的作用，广泛地用来改进窑炉设计和改善玻璃质量。钼电极的开发和利用，使玻璃工业的第二能源利用起了很大作用。
&&& 二战以后，钼电极问世，开始广泛用于玻璃工业，钼电极的突出优点是：①能被玻璃液浸润，所以接触电阻小，电极表面可以承受较高的电流密度，约1～3A/cm2；②电极的热损失低；③不易使玻璃着色。但钼电极在空气中受热时容易氧化，600℃时产生MoO3，该氧化物对钼电极毫无保护作用。如图2.2.1所示。
&&& 钼电极是金属电极，可以做成板、棒、球等各种形状，国外电熔窑基本上都采用钼电极。我国钼的资源丰富，钼电极的应用研究和生产也达到了较高的水平，为发展玻璃电熔创造了有利的条件。
&&&&钼电极生产过程有两种方法：一是先把钼粉液压成形后烧结，经过锻打和热处理，以形成抗形变的晶粒结构。另一种方法是粉末冶金法。锻打并挤压的钼材质量比粉末冶金的好。&&&
&&& 目前，钼电极通常制成棒状电极，而很少制成板状电极。常用的棒状电极直径在32～50mm之间，棒状电极有加粗的趋势，直径可做到100mm。可提供的棒状电极长度在1～2m之间。提供的电极可带有平端连接螺纹，采用螺纹，有很大的优点，电极可以被推入。当然，必须注意，螺纹接头的电阻不宜过大。无杂质的精密切削标准螺纹符合这一要求。为了便于旋入电极，可使用少量的润滑剂，但必须是不含铅的润滑剂。
&&& 采用板状电极时，钼板的厚度在2～20mm之间，面积最大为1m2。通过钼棒向板状电极供电，并用适当的方法将钼棒与板状电极连接起来。
&2.2.1&钼电极的物理性能
&&& 适宜作电极使用的钼的钼电极的主要物理性能如表2.2.1。钼的电阻在室温下为铜电阻的3倍，在1500℃时则可达30倍。
表2.2.1&&钼的物理特性
10.7×10-5
比热J/(g.K)
热导率W/(m.K)
线膨胀系数
5.3×10-6/K
电阻率mW.cm
弹性模量kg/cm2
2630±40　
&& 钼是一种难熔金属，高温强度高，表2.2.2是粉末冶金法生产的轧制钼板电极的拉伸性能，由表2.2.2可以看出，在1300℃钼仍具有10kg/mm2的拉伸强度，这个温度已经接近不锈钢的熔点，任何不锈钢都已丧失了承载能力。到1500℃已超过不锈钢的熔点，钼的拉伸强度仍高达6&Kg/mm2。一般玻璃窑的温度都在1300℃以上，除钼等难熔金属以外，任何钢材都失去了承载能力。
&&& 钼的导热性和导电性好，热容量低，热膨胀系数低，它可加工成棒状、板状、球状三种结构的电极，符合各种玻璃生产工艺的发展要求。&&&
表2.2.2&&粉末法生产的钼板电极的拉伸性能
强度(kg/mm2)
47.0～52.3
48.4～49.2
30.9～32.9
28.8～31.6
&&&&金属钼(Mo)位于化学元素周期表第VIB族第五周期，属过渡元素，质地较脆，弹性模量相当于电木，加工与操作须特别小心，以防脆断。
2.2.2钼电极的组织结构变化
&&&&为了分析钼电极在电熔窑中长期工作以后内部组织结构的变化，以及结构变化对电极抗腐蚀性能的影响。用显微镜、扫描电子显微镜和电子探针对使用后的钼电极进行金相研究。
&&& 使用前电极是轧制状态，具有纤维状结构。某厂拉丝全电熔窑化生料的主电极采用板状电极，原始厚度10mm，在1450℃工作375天，电极表面腐蚀掉1mm。电极断面分成三层，两边是渗氧层，氧含量比使用前增高了约100倍，表面凹凸不平是腐蚀不均造成的。对渗氧层进行扫描电镜观察发现有大量球状氧化物沉淀。
而该厂的平板窑槽砖下部加热用板状钼电极，电极工作约三年，厚度仅减少2mm。由于不和生料接触，电极表面没有渗氧层，腐蚀比较均匀。
&&&& &由金相研究可以得知，钼电极长期工作以后，不论是在生料中，还是在熟料中都没有晶间腐蚀，只有表面接触腐蚀，因而在使用过程中电极不会发生剥落。
&&&&&钼电极在高温长期工作以后发生了再结晶，原始的纤维状结构变成了粗大的等轴晶，在室温下这种结构是很脆的，不能承受冲击载荷。因此，在拆卸电极时，为了防止电极折断，要避免锤击。
&&&&某厂采用粉末冶金轧制Mo板，池窑上采用熔炼及轧制钼合金板(Mo―0.5Ti―0.02C)，这两种材料的再结晶温度都不高，前者约为1050℃，后者约为1250℃，在高温玻璃液中(1300℃～1400℃)长期工作后，轧制板材的纤维组织完全转变成再结晶晶粒组织，相对应的钼合金断面在肉眼下观察时，发现断面中心部分的金属光泽强，而与玻璃液相接触的表面部分(约2mm)的金属光泽差，前者晶粒巨大，后者稍小些。沿Mo板厚度进行取样及分析，发现长期使用后的Mo中的含氧量有明显增加，使用前钼合金板含氧量为0.004wt%，使用后有明显增加，如Mo板表面处含氧量已达到0.38wt%，约增加100倍，Mo板中心处也增加10倍左右。Mo板在弱氧化性玻璃液中长期使用后，其外表面被MoO2或更低价的氧化钼所包围，在高温下氧化钼中的氧原子向金属内部进行长期的热扩散而使氧含量有不同程度的增加。在钼合金板材最外层的金相照片上可以看到有密集的氧化物质点弥散在晶粒内部及晶界处。
&&& 使用后的Mo板还存在着许多晶间裂纹，因此使这些再结晶组织的板材变脆，所以在Mo板拆卸和第二次重复使用时一定要小心操作以免脆断，长期使用后的板材抗张强度有明显降低，如Mo―0.5Ti合金板在1400℃玻璃液中工作一年之后其室温拉伸强度值由95kg/mm2下降到22～30kg/mm2。Mo及钼合金在高温玻璃液中长期使用后转变成完全再结晶晶粒组织，使用一年后Mo板中氧含量约增加50倍以上，最高可达0.38%，强度有明显降低，但并不影响继续使用。
2.2.3&钼电极的化学性能
2.2.3.1　钼电极的化学组成
表2.2.3为几种国产钼电极的化学组成。
表2.2.3&&实际使用钼电极的化学组成（%）
2.2.3.2　钼电极的杂质含量
&&& 钼材含碳量必须保证在0.002%以下。钼熔解时，电极材料的杂质会使玻璃的颜色发生剧烈的变化。因此作熔化池用钼电极的钼含量至少达99.93%。特别重要的是含碳量，含碳量过高，不仅降低电极的机械性能，而且也会形成气泡，如果这些气泡出现在安装于料道的电极上，则危害特别大。O2和N2的含量具有相同的作用。杂质含量不超过表2.2.4中所列数值的金属钼可以作电极材料。
在生产当中，当电流密度太高时，电极区的温度可达1500℃～1600℃，玻璃液中产生大量气泡。这些气泡浮到液面燃烧成白亮色火焰。它们可能是玻璃的分解产物，或者是钼电极中的碳和熔窑中的氧结合而成的CO燃烧产物。
&&&&发现在玻璃窑中使用钼电极或者用钼做其它构件，若钼中碳含量超过0.02%～0.03%，由于碳氧反应的结果，在电极区附近产生了许多小气泡，这对于许多玻璃制品是不允许的。如果提高钼的纯度，把碳含量降到20～30PPM，这些小气泡即可消除。
表2.2.4&玻璃池窑钼电极中杂质允许含量上限
杂质(×10－4%)
2.2.3.3　钼电极的化学性能
&& 钼作为电极材料，用于熔化玻璃液具有适用范围广，能熔化大多数玻璃，如难熔玻璃、粘度大的玻璃、挥发组分高的玻璃等，除了铅玻璃以外，钼对其它玻璃组分都是稳定的。在钠钙玻璃中，钼电极有较好的抗玻璃液侵蚀性能。
1―550℃；2―600℃；3―650℃；4―700℃；5―800℃；6―900℃；7―1000℃
&(1)钼与氧的反应。钼虽能耐高温，但怕高温氧化，其反应如下：Mo+O2=MoO2，2MoO2+O2=2MoO3&，钼在氧化气氛中380℃开始氧化，600℃时加速氧化，超过700℃迅速氧化，产生MoO3，MoO3是挥发性氧化物，对钼没有保护作用，氧化将一直进行到底，由固体升华为黄色气体将钼侵蚀掉。它的氧化速率与温度和气体中的氧分压有关。
氧压(mm汞柱)1―76；2―7.6；3―0.76
&&& 图2.2.2是氧分压恒定为76mm汞柱的情况下，不同温度下钼的氧化动力学曲线；图2.2.3是在400℃时氧分压对钼的氧化速率的影响。温度和氧分压越高，氧化速度越快。由于钼具有这种易氧化特性，使用钼电极必须有绝对可靠的防氧化措施，才能保证电极长期稳定工作。
&&& 钼电极的失重随温度的升高极其迅速地增加，并导致电极完全损坏(图2.2.4)。
&&& 因此，必须对未被玻璃液覆盖的电极部位进行冷却，使温度保持在400℃以下，或切实避免空气中的氧气流入。生产实践表明，如果钼电极没有绝对可靠的防氧化措施，窑炉升温以后，少则三天，多则半个月，钼电极就会氧化断裂，就要停炉更换电极，生产损失很大。
&&& 设计和使用电极水套时，必须注意到在500℃以上的温度条件下，钼在空气介质中很快会被侵蚀而生成容易挥发的MoO3，所以在玻璃电熔窑中钼电极应该配备冷却水套。
(2)钼与玻璃液的反应。与玻璃液接触不发生化学反应，对玻璃液不造成染色。微量的钼作为氧化物溶解在玻璃熔体中，会使钠钙玻璃略发黄，但通常十分轻微。因而，即使对无色玻璃，也没有什么影响。还原性差的玻璃液对钼电极的侵蚀作用比具有氧化性的玻璃液小得多。
熔融玻璃中不可避免地要溶入一些空气。空气中的氧在高温下引起钼电极的氧化，首先生成低价MoO2，MoO2进一步氧化成MoO3，MoO3是白色挥发物，溶于玻璃构成杂质组分，对电极不起保护作用，但不污染玻璃。钼电极和溶入气体的这种反应是不可消除的。但是，由于溶入的气体数量很少，反应并不剧烈。另外，窑炉中的玻璃液的流动速度很慢，一直处于层流状态，在电极表面吸附有一层相对静止的玻璃，构成“液态保护屏障”，阻制钼电极和新鲜玻璃接触，切断氧源，可以防止电极持续缓慢氧化。因此，物理溶解的氧对钼电极的作用不会造成实质性的危害。
(3)钼与各种化学介质的反应。在各种还原性介质中有很高的化学稳定性。钼抗各种化学介质腐蚀稳定性的资料列于表2.2.5。由表2.2.5可以看出，钼在许多腐蚀性介质中的化学稳定性是很高的。这里指的是用粉末冶金法制成的钼。真实熔炼的钼虽然是纯净的，但价格昂贵。
表2.2.5&钼在各种介质中的化学稳定性
400℃开始氧化，超过700℃迅速氧化
直到熔点均不氧化
1500℃以上开始氮化
稳定无反应
稳定无反应
700℃以上迅速氧化
1400℃开始氧化
1200℃开始氧化
室温长期作用有轻腐蚀
室温长期作用有轻腐蚀
室温稳定,高温轻腐蚀
100℃以上迅速腐蚀
1100℃以上生成碳化物
1350℃以下稳定
(4)钼与铅、砷、锑、SO2-3的反应。钼电极主要适用于具有还原性的玻璃。玻璃中对钼电极有危害的成分是铅、砷、锑，在一定条件下还有SO2-3。它们的电势高于钼，即使在无电流的情况下，存在的这些金属的氧化物也会被还原成金属。PbO含量为1%时，使钼电极发生明显的侵蚀。上述金属的还原，使电极表面形成氧化钼。在还原条件下，含SO2-3离子的玻璃形成的腐蚀产物为MoS2。如是含锑的钠钙玻璃，则在电极表面上析出小滴金属锑和钙钼酸盐晶体。锑与钼反应生成的Mo3Sb7，由玻璃液带走。
在不超过下列配合料组分参考值的情况下，完全可以采用钼作电极材料。As2O3+Sb3O4&0.25kg/1000kg石英砂，Na2SO4&5kg/1000kg石英砂，NaNO3&3kg/1000kg石英砂。
(5)钼电极和玻璃各组分发生化学反应的热力学计算。现代玻璃制品的成分包括钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、磷硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、钛酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃、金属玻璃、微晶玻璃等。这些系统的玻璃根据玻璃制品的不同又包括了许多成分。有些玻璃成分的制品在熔窑中已经成功地应用了钼电极，其主要成分列于表2.2.6。而有些玻璃制品的熔窑中尚未应用钼电极。由于玻璃熔窑投资费用较大，为了判断钼电极在其它玻璃中的使用效果，通常将待熔制的玻璃与钼电极置于高温炉中进行熔制耐腐蚀试验，详细研究钼电极和玻璃中各主要组分及各种溶入杂质(包括气态)的相互作用，这样既费力又费钱。通过理论计算解决这一问题具有非常重要的现实意义。
表2.2.6&&成功地利用钼电极熔化的玻璃成分
锌和硼的玻璃
MnO&2.5，ZnO&1.5，BaO&2.0
硼硅酸盐玻璃
黄乳浊玻璃
F-&4.2，CdS&1.0
SO3&2－&0.5，着色剂0.44
ZrO2&12～14
ZrO21，MnO1.5，TiO4.5
钼电极和玻璃组分之间的化学反应的热力学计算。各种玻璃的主要成分有Al2O3，B2O3，BaO，BiO，BeO，CaO，Ca(PO4)2，CaF，CdO，GeO，K2O&，MgO，Na2O，SrO，SiO2，Tl2O&，TiO，ZnO，WO3；其它微量成分有AgO，As2O3，CoO，CrO，CuO，FeO，&Fe2O3，Ln2O3，MnO，NiO，Nd2O3，Pr2O3，&Sb2O3，Sm2O3，&UO2；高铅玻璃还含有大量PbO。为了确定钼电极会不会和玻璃组分发生化学反应，详细地计算了电极和组分之间的反应自由能的变化ΔG，导出钼与玻璃组成反应的ΔG=F(t)。选择CaO和PbO两种典型氧化物为实例，说明表2.2.7数据的计算方法。关系式列于表2.2.7。
①钙和氧反应：&2Ca+O2→2CaO…….(1)&&&&ΔGK=-.60T
其逆反应为：&&2CaO→2Ca+O2…….(2)&&&&ΔGK=.6T
②钼和氧的反应：Mo+O2→MoO2…….(3)&&&ΔGK=&-.95T
③计算钼和氧化钙的反应温度：反应(2)和(3)相加&Mo+2CaO→MoO2+2Ca…….(4)&
ΔGK=.65T，&反应(3)中取MoO2而不取MoO3，因为首先反应产物是MoO2，而后才是MoO2氧化成MoO3，根据反应(4)的反应温度9773.9K，由此可见在玻璃熔窑的工作温度下ΔG&0，可以断定CaO不会氧化钼。
④铅和氧的反应&&&2Pb+O2→2PbO………(5)&&&&ΔGK=-T
⑤计算钼和氧化铅的反应温度：2PbO+Mo→MoO2+2Pb……(6)&&&&ΔGK=-T。根据(6)，在玻璃熔窑的工作温度下，Mo，PbO之间的ΔG&0，表明PbO可能被Mo还原，钼本身被氧化。
钼电极和玻璃组分之间的化学反应是影响电极正常使用的主要问题。玻璃的基本组分SiO2，CaO,&BaO,&Al2O3,&MgO,&B2O3等和Mo的反应自由能变化ΔG&0，这些氧化物不会使Mo氧化，钼在这些氧化物中是稳定的。K2O，Na2O在低温下是ΔG&0，高温下ΔG&0，表明在1350℃以上Mo有可能被Na2O，K2O氧化。对于PbO，CoO，CuO，Cu2O，NiO，P2O5，SO2，SnO2，Fe3O4，Fe2O3，As2O3，Sb2O3等氧化物，它们和Mo的反应自由能变化ΔG&0，因此，钼和这些氧化物之间要发生反应，钼被氧化，析出Pb，As，Sb，Fe等，钼电极受到严重腐蚀。但它们在玻璃中的含量很低，不妨碍钼电极的应用。
&表2.2.7钼与氧化物的反应自由能的变化
&&&&&&&&&反&&&&&&应
钼与氧化物的反应自由能的变化ΔG=A+BT
Mo+2Ag2O=MoO2+4Ag
3Mo+2Ce2O3=3MoO2+4Ce
3Mo+2Cr2O3=3MoO2+4Cr
Mo+2Cu2O=MoO2+4Cu
1357～1509
Mo+2CuO=MoO2+2Cu
1357～1609
Mo+2MnO=MoO2+2Mn
1517～2054
Mo+2NiO=MoO2+2Ni
5Mo+2P2O5=5MoO2+2P2
-17800+5.8T
2Mo+2SO2=2MoO2+S2
-44200+17T
Mo+TiO2=MoO2+Ti
5Mo+2V2O5=5MoO2+4V
Mo+2CoO=MoO2+2CoO
Mo+ZrO2=MoO2+Zr
A―棒；B―板；C―球
图2.2.5&&电极的结构类型&&
例如，某厂是全电熔球窑添加了Sb2O3，电极工作半年，有严重腐蚀。因为Sb2O3被Mo&还原，Sb在电极表面析出，生成Mo―Sb低熔点化合物，沿电极表面向下流动，窑炉冷修时发现电极表面有流蚀道的痕迹。在窑底的电极正下方有许多金属球及沉渣。经化学分析，X射线分析确定它们是Mo―Sb化合物。另外，对于用氧化砷做澄清剂的玻璃球，电熔拉丝以后，钼电极的电子探针分析发现，电极表面富集有大量的砷，证明As2O3被Mo还原。
2.2.4&钼电极的结构和布置
2.2.4.1　钼电极的结构
&&&&根据各种不同的炉型设计和生产工艺要求，电极有板电极、棒电极和球电极三种结构(图2.2.5)。在实际使用中电极可以设计为续进式的或者长寿命的两种类型。续进式电极在窑炉工作过程中，电极不断消耗，为了保证正常的工作长度，间断地把电极向窑内推入，长寿命钼电极要求电极在工作过程中基本不消耗，电极的寿命和窑炉的寿命相当。
虽然钼电极有板、棒、球三种结构，但这三种结构在窑内的安装条件是一样的。图2.2.6是各种电极在窑上安装的示意图，整个电极分为四个区域，A―电极体，处于窑内，被熔融玻璃覆盖；B―电极、熔融玻璃、大气三相结合面，称三相界面；C―热影响区；D―低温区。三相界面的温度接近熔融玻璃的温度，这个地区由于受到介质和空气的联合作用，电极腐蚀最为严重。热影响区受热传导的作用，温度可达800℃～1000℃，在窑外的低温区由于冷却作用，温度可降到150℃～200℃。由钼的氧化动力学分析可知，三相界面和热影响区的温度都超过了钼的氧化温度，需要有绝对可靠的防氧化措施。氧化断裂钼电极的现场拆炉分析发现，电极断裂位置无一例外地都在热影响区的前端，接近三相界面附近，在断裂处有许多MoO3粉末。防止热影响区和三相界面的氧化有两个途径，即把这两个区域的温度降到低于钼的氧化温度，或者将它们和空气完全隔绝。
2.2.4.2　钼电极布置
在使用中有三种基本类型：侧墙插入型、池底插入型、顶部插入型。不论电极电流方向如何，80%的能量都释放在相当10倍电极直径的范围内，在能量如此集中的情况下，正确选择电极布置方式就显得相当重要。最理想的电极布置，应保证电极对玻璃液流影响最小，能量在玻璃液中均匀分配。电极布置与电流密度分布、热量输出、玻璃液流有关，对玻璃液的质量、电极的侵蚀和使用寿命有影响。电极布置还应考虑耐火材料质量与安装维修条件。
电极布置有水平棒状电极、垂直棒状电极、顶插电极、板状电极和塞状电极。如图2.2.7主要用于熔化池。
钼电极在发展过程中有以下几种：棒状电极、板状电极、塞状电极和帽状电极。
2.2.4.3　棒状钼电极
1）装有冷却水套的捧状电极
（1）水平棒状电极。水平棒状电极用于电熔窑和电助熔中。图2.2.8为一水平侧墙棒电极。冷却水管把水送到钼电极与大气接触的地方，该处温度小于300℃，以免钼的氧化。
&&&&“电极套”的头部装有热电偶，以防由于冷却作用降低或电极太短造成头部的过热。
图2.2.9是水平棒状电极典型的电流分布。其形状基本上是椭圆形的，当电极相对布置时，显然最大电流密度处于电极棒的顶部。为减少这种能量集中，有时就把电极布置成一定角度。在连续使用中，电极的末端不断受蚀而变尖、缩短，故需周期性地推进。将电极推进多少可以根据与初始条件相比较而确定，例如参考开始时某给定电压的电流、玻璃的温度或电阻。但是这些参考因素并不是很容易重复的，故很难安装得精确。
每一组用多根棒形电极可引起不一致的电流密度和腐蚀速度，这是因为多根棒势必引起不同的电路长度，从而产生不同的电流负载。参看图2.2.10可知A―C相内侧的电极间电路长度短于外侧的，即y&z。注意：A―C相的电路长度&&(y和z)不相等。这种不平衡对于单相系统肯定存在，对于对称的多相系统则不一定存在。因此对于每组多根电极棒的设计，应估计到这种情况，各电极棒间电流密度有的可达两倍或更多。
在玻璃的电熔窑上水平棒状电极是最普通的布置方式之一。电极或电极组相对布置，电流密度呈层状分布。电极所释放的热量在电熔窑内分布均匀，但在宽的窑池内差一些。电极间的距离必须大一些，可避免电极前区电流密度过大。电极端部相互之间的自由间距应大于电极长度的两倍。
&&&&&水平布置的电极会受到弯曲应力的作用，尤其是密度大的钼电极在高温时，会向下弯曲，会有折断的危险，特殊情况下，应安装垂直电极。同时每隔一定的时间将电极旋转
180°。水平布置的电极，在电极上侧范围内，会形成一个强大的玻璃液流，造成电极砖呈现盆状侵蚀，严重时会造成电极砖穿孔，见图2.2.11。电极顶部对流较强，池墙砖附近和电极下侧对流较弱。
电极位于池深1/3～1/2侧墙处插入窑内50～90cm。
它是最普通的一种电极形式，有的在安装时使其倾斜一个角度，以增加导电面积和抗蠕变能力，使用开式水套保护，有利于冷却水淌出。
水平棒电极用于电助熔炉，电极置于两侧池壁，既照顾了熔化工艺的需要，又比垂直电极的间距大许多，电阻亦大许多，这在一定程度上改善了低压大电流的运行状态。这种电极的直径一般在30～50mm之间，插入深度约500～700mm，可以在窑炉启动后插入(即热安装)。为拔插方便，必须有相应的机械装置和良好的绝缘，因此占据了池壁外侧相当一部分空间。电极在池壁上的位置是在液面到池底的1/3～1/2处。水平电极激起的液流比较缓慢，不过电极上方的液流循环对侧壁耐火砖的侵蚀要大于板电极。而电极下方的玻璃液一般不参与对流，除非电极位置距池底低于500mm(改变了电力线分布)。水平电极的优点是易安装，监视运行方便，漏料风险较垂直电极小。对低阻玻璃而言，在电气参数上能较好地平衡，在电极保护上允许使用开式水套。其缺点是，由于水平电极多为端―端导电方式，电极头部因电流密度较大&(可高达3A/cm2以上)而损耗较快，所以必须定期续进，加大了操作强度和运行成本。如果在高阻玻璃中使用端―端导电的水平电极，则施加电压可能高达300V以上。因此，熔化池的绝缘处置应格外小心。此外，从工艺角度看，水平电极对热点的强制稳定以及对玻璃的搅拌和均化作用都不如垂直电极。
（2）垂直棒状电极。图2.2.12是一根由底部插入的垂直棒状电极，安装在电极套内，电极套中充有惰性气体保护玻璃与大气的界面，以防钼电极的氧化。同时在电极周围提供了一个冷却套，以保证电极暴露于空气中的部分的温度低于安全值。
&&&&底部安装对于电极布置来说几乎没有什么限制。这就允许设计者给予所有电极在电流负载上达到一个非常精确的平衡。不论是每组一根还是每组多根电极棒，都是一样的。电流密度的均匀性和整个长度上腐蚀的均匀性，使得钼电极棒能够获得最佳状态的使用。钼电极，在几乎所有应用形式中，从初始装置一直到熔炉寿命的结束，都可以提供足够的棒材。在绝大部分窑炉中，都无须推进，但在使用期间应该可以更换，钼电极可以不必停炉而完成更换工作。&&&&
有部分人担心池底漏料，一直反对底插棒状电极的使用(如图2.2.13)。垂直棒状电极也是常用的电极布置形式之一，用一组垂直电极可在玻璃窑池内得到很高的热负荷。该布置方式尤其适用于电助熔窑内形成一个热障。在电极周围以及池底范围内形成一个强大的对流，见图2.2.11（b）。&垂直电极是在建炉时，将棒状电极安装在池底上，其直径为7.5～10cm。当电极伸出池底较短时，池底附近对流剧烈，耐火材料将遭受到强烈冲刷；当电极伸出池底较长时，电极容易弯曲或折断，但这种危险比水平安装时要小。电极之间的间距应考虑到即使在电极弯曲时也不会形成短路。
当垂直安装电极时，电流从一根电极棒流向另一根电极棒，棒的顶部至棒的根部，电流流过的量总是相等。因此，在玻璃液中产生一种几乎是均匀的电流密度分布，见图2.2.14。所以，电极的侵蚀很少且较均匀，见图2.2.15。
垂直电极利用其侧面导电，导电面积大，表面负荷低，电极损耗缓慢，当电流密度小于0.6A/cm2时，有可能做到全炉龄不续进；当电流密度在1A/cm2时，续进是不可避免的，但周期要明显长于端―端导电的电极。为防止局部过热，一对垂直电极的间距一般不小于2m。
&&&&由于在电极附近造成很强的对流，能加强玻璃的熔化和混合，对池壁砖侵蚀较轻，为此，在电助熔窑上得到了广泛的应用，它使热量集中在窑池深度方向上。
垂直电极的优点是：导电长度大，成功运行的电极几乎不用维修，使用效率高。电极在炉内的合理配置和功率匹配，能大大提高熔化质量和出料量。对大型炉和高阻玻璃有良好的适应性，电极一旦断裂可续进补充。
电极垂直安装的主要缺点是：当防氧化措施不当时，电极容易损坏且更换电极很困难。若池底侵蚀严重时，会有穿透漏料的危险，应加强防护措施。正因为如此，在全电熔窑上不采用垂直安装电极，而在电助熔窑中得到广泛地应用，因为后者接近池底，而且热量主要集中在玻璃熔池的深度上。
垂直电极使用时要注意：①对电极孔砖的水平度和电极孔的垂直度有严格要求；②关于水套和耐火砖相对位置的确定必须兼顾到各自在炉子升温后的膨胀量；③对金属夹具的强度和加工精度及绝缘措施要求较高；④要冒炉底漏料的风险。
（3）顶插的棒状钼电极(可任意改变位置和角度的电极)。
(a)顶插的棒状钼电极与其它插入方式比较：钼电极插入方式分为侧壁水平插入、窑底垂直插入和从冷顶料面插入（顶插式）三种。水平插入、窑底部垂直插入的电极水套都存在着一些问题：玻璃液对电极孔砖的侵蚀较为严重；电极套更换时，耗费时间太长；在进行更换时对维修操作人员有较大的风险。顶插电极则克服了上述缺点，便于操作且对窑炉电极砖寿命影响较小，相比之下顶插电极更适用于冷炉顶的全电熔窑。熔化池采用顶插技术，可使池壁免受侵蚀，电极的安装维修方便，便于观察、便于调节。
顶插式电极的最大缺点是：电极及其水套处于大气、配合料、玻璃液的三相界面处，其侵蚀较严重，但通过合理的冷却、采用耐腐涂层等可使水套的寿命延长。
图2.2.17&电极水套(钼电极)处于冷料层中的相对位置
由图2.2.16所示，电极从侧墙沿一定的倾角伸入窑内，可任意改变位置和倾角。在池窑的运行过程中，如有电极损坏待修时，可用这种斜插电极暂时给玻璃液加热。如损坏的电极无法更换，则也可用该电极代替。
(b)顶插式电极水套的使用：顶插式电极水套和钼电极处于正常生产情况时如图2.2.17（b）所示，电极和电极水套头部全部被冷料层所覆盖，半熔化玻璃液层只浸没电极的2／3，这时钼电极的使用达到最佳理想状态，电极套的烧损最小。但是这种状态在生产中难以长时间维待，料层的厚度时有波动，图2.2.17（a）为冷料层液面上升（投料过多或其它原因），这时钼电极仍处于正常工作，但是电极套冷却头部处于1400℃左右的半熔化玻璃液中，电极水套的耐热材料受到强烈的腐蚀，导致水套体严重烧损。图2.2.17（c）所示，供料系统出现故障（如加料机故障），冷料层液面下降，冷顶料层被破坏，钼电极根部暴露于空气中，这时钼电极迅速氧化，电极套同样也受到高温腐蚀，损坏较快。通过分析电极套的使用情况发现电极套的损坏主要来自高温腐蚀以及密封层的损伤。
电极水套设备的材质如表2.2.8。电极水套材质的物化性能和机械性能如表2.2.9。表2.2.10为电极水套生产试用时的主要技术指标。
表2.2.8电极水套材质的成分分析
1Cr18Ni9Ti(国产耐热钢)
66.88～71.88
表2.2.9电极水套材质的物化性能和机械性能
抗氧化最高使用温度℃
热强最高使用温度℃
抗拉强度N/mm2
电阻率Ω.cm　
1Cr18Ni9Ti
7.3×10－5&
1.7×10－6
表2.2.10为电极水套生产试用时的主要技术指标。
顶插式电极水套要求加工质量高和较高的热处理技术,设计上针对设备应具备耐高温的特性采用芯部直接冷却的方法来保护钼电极，并采用紫铜管为导电体。对于最关键的部位―导电铜材与钼电极棒的接合面，在技术上采用高精度的莫氏锥面加工或采用反向线面密封方法来满足工艺要求。对于导电体的设计，以安全性和可靠性为前提，提高导体的安全载流面积。同时增加电极水套的抗拉强度和冷却效果，在相同条件下进行国产水套与进口水套的对比试验。其主要技术指标，导电性、热稳定性、热强性、水冷却效果以及操作使用性能都达到引进电极套设备的技术要求（参数见表2.2.10所示）。
顶插式电极水套设备容易出现如下故障：①冷却回路堵塞；②焊接点断裂引起漏水；③由于操作不当造成设备直接烧损等，导致更换电极水套和进行热修，从而影响正常生产的工况稳定。其影响时间约在1～8小时之间，甚至时间更长，并且所拆卸的钼电极多数不能再次投入使用，造成浪费，每次更换电极水套所造成的直接经济损失约在万元以上，每年仅此项经济损失就达上百万元。
2）装有致密耐火材料粉末套的棒状电极
如图2.2.18(a)所示，在密封套内装有致密耐火材料粉末，以防止钼电极与空气接触氧化。该电极在一个窑期内不能向炉内推进，故一般只能用于料道，但由于使用功率低，电流密度小，所以可正常使用一个窑期。该电极又可分为两种。第一种是直径为3.2cm的细径，在设计过程中，为了防止不锈钢封套和钼电极之间的不密封而造成过渡区域(约600℃)内钼电极的氧化，让熔融的玻璃液流入电极和不锈钢套的连接处，使钼电极能稳定地越过过渡区。该电极安装在料道中的示意图如图2.2.19，这种电极用于熔化池是典型的高风险设计。第二种与第一种电极的原理相同，仅仅是电极的尺寸大一些。为了降低成本，将电极的热端直径做得大些，以便降低电流密度，而其它部位的电极直径做得小些，这两个部位都装有密封套，其结构如图2.2.18(b)所示。
3）复合的棒状电极
&有人提出一种复合的棒状电极，其热端还是使用钼棒，而冷端则使用二硅化钼或不锈钢。冷端部分的二硅化钼或不锈钢处于过渡区，而热端的钼安全地越过过渡区。由于二硅化钼很脆，且极易污染玻璃并发泡，所以在设计过程中，二硅化钼部分的长度以不接触玻璃液为宜，在安装过程中，要小心谨慎。冷端使用的不锈钢，必须是特种材料的耐热钢，国内外多用镍基合金材料。
众所周知，熔化铅玻璃是使用二氧化锡陶瓷材料作为电极的，近年来人们已开始试用这种复合电极作为熔制铅玻璃的电极。据报道，用这种电极来熔制铅玻璃时必须在该电极的内部通上冷却水，使其热端充分冷却，这样可使玻璃液不被污染。其结构见图2.2.18(b)所示。
4）装有水冷管的电极
&&& 防止电极的氧化，有人提出在电极的内部设水冷却管，如图2.2.20所示。这一构思的电极在上世纪的70年代已投入使用。这种电极的直径可以做得大些，电流密度可以降得小些，因而电极的侵蚀很轻，在一个窑期内不需要更换。图2.2.21分别是装有水冷却套的电极和设有水冷却管的电极。从图中可以很容易地看出两者在结构上的差异。
5)装有水冷管的棒状复合电极
为了进一步降低电极装置的价格，采用图2.2.22所示的复合电极。该电极由钼质电极帽、钼管、钼管底座、不锈钢水冷支架、电极砖等部件组成。其循环的冷却水通过低温端的不锈钢部分，而不通过热端的钼电极部分。其冷却水也是由电极内部的通路进出的。
6)FH-Mo电极
& 极热端部分的直径比其它部分大，这样热端部分的电流密度可适当减小。该电极尤其适用于加料口附近的加热。在电极的内部设有水冷却通路，图2.2.23是这种电极安装在窑炉内的示意图。
7)带有鼓泡装置的电极
该电极具有加热和鼓泡两种功能，电极产生的热能通过鼓泡迅速扩散，防止局部加热，加强了对流，该电极结构如图2.2.24所示。该电极主要有以下几部分组成：
(1)惰性气体的进口和出口。惰性气体由进口处进入电极套，避免空气与电极棒接触，以防止玻璃封下面处在过渡区的钼电极氧化。
(2)热电偶。热电偶插入电极的深度大约为15cm，安装热电偶的目的是用来帮助操作工人观察池底和电极的侵蚀情况，通常热电偶测得的温度不能超过700℃。
（3）冷却水的进出口。冷却水需要软化。水的进口温度在42℃以下，出口温度在56℃以下，流量为2×10-6m3/&min。一个电极套吸走的热量大约117J/min。另外，玻璃液渗入到电极砖的孔洞中将电极包住，防止钼电极的氧化，同时将电极冻结在电极砖上。
&（4）氮气入口。鼓泡用的氮气通过钼电极内部的管道进入玻璃液。N2和Mo在1350℃以上才会发生反应，一般不会到此温度。所以N2和Mo不发生化学反应。
2.2.4.4&&板状电极
由于钼电极可以承受较高的电流密度，开始时把它制成板状，如图2.2.25所示(图中电极水套省略)。这种电极可用于料道或熔化池，其加热较均匀，一般不会产生太强烈的对流，对电极孔砖的侵蚀轻于棒状电极。
&&&&板状电极是侧墙型电极的另一种形式，主要用于低容量的单相电熔窑中。当然对某些需要低电流密度以及极均匀能量释放的玻璃电熔窑来说也是理想的，电极的侵蚀很小，特别适用于硼硅酸盐玻璃电熔窑。池墙砖的蚀损极小，采用板状钼电极的熔化池，在加热和降温时，必须采取保护措施，使电极不与空气中的氧气接触。
板状电极在电熔化中不多见。当它在熔化池中使用时，对液流的控制作用不同于传统的热点(或热坝)控制，板电极的电力线的主要构成是平行电场，两块电极板间的电能释放较均匀，在板电极电熔窑中如果有热点，也不是一个点，而是一个区域。它不是以强力对流来均化和澄清玻璃(与棒电极相比)的，但仍能生产出较高质量的高硼硅玻璃。熔化池板状电极的结构是：钼板和钼棒联结，尾部用高温合金引电，并用水套保护。钼板厚度应该是炉龄和熔化玻璃品种的函数，其厚度的选择应和窑炉耐火材料的寿命相平衡。目前，国内研制的双金属无水冷板电极多用于料道和人工挑料口的电加热，其厚度在钠钙玻璃中，当炉龄大于4年时一般为8～15mm，在硬质玻璃中为6～8mm。板状电极的面积有较大选择余地，电流密度以0.6A/cm2为基准进行推算。
板状钼电极的优点是电极重量轻，不存在高温蠕变问题。导电面积是同等重量棒电极的4倍以上，所以消耗较少，不需要也无法续进。由于板电极距耐火砖50mm左右，电极对背后的耐火材料有一定的保护作用。钼板不能接触耐火砖，要保持一定间距。在输电联结上，同一侧钼电极可以并接，但要求采取均流措施，如果是独立输电，亦应注意使其相位一致。
无水冷长寿命钼电极与水冷电极的区别在于前者不通冷却水，电极在高温下工作，在工作过程中电极基本不消耗。其结构示于图2.2.25。电极固定在不锈钢保护套管内，炉墙外冷端用铜焊焊死。炉内热端熔融玻璃流入保护套管，密封了热端，这样钼电极在保证套管的保护下，完全和空气隔绝，电极不会发生氧化。保护套管的外面包覆几层玻璃布，可以防止不锈钢在高温下起鳞皮。
无水冷钼电极因为不通冷却水，电极在高温下工作，热损失少，节电省水。这种结构的电极特别适用于小型的电熔窑，因为没有冷却水，窑温均匀。目前，我国不少玻璃窑，为了改善作业条件，提高窑墙附近的温度，增加窑内均温区，在窑墙附近安装若干对电助熔装置，在这种情况下，安装水冷电极是不适宜的，而用无水冷长寿命电极是很理想的。无水冷长寿命钼电极的防氧化结构是十分可靠的，采用这种结构，电极可以稳定工作三年以上。某厂在1380℃使用了8个月的无水冷板状钼电极外形完整，但保护套管已切去一半。在三相界面处敲断，可以看出，在保护套管保护下的钼棒和新的一样，在三相界面处钼棒正方形断面的棱角尖锐、清晰，没有氧化的痕迹。保护套管本身在熔融玻璃的作用下也完好无损。
其主要缺点是：①如果电极损坏，需要停炉并在高温下排出玻璃液才能更换。迄今为止，一些工厂仍在使用这种电极。②必须冷态安装。③限于小型电熔窑内的设计应用。
&&&&板电极在使用中还应注意以下几点：①启动保护可采用低熔点玻璃覆盖或使用化学稳定的气体（如氮气）保护。钼板电极只能冷装，在钠钙玻璃电熔窑中，用碎玻璃将加保护层的电极板埋上。在硬质玻璃中，可考虑用氮气保护(1200℃以下可视为安全的)。根据现场实用情况，钼电极(板或棒)用高硼硅玻璃作覆盖物亦是可行的。②板电极的结构一定要牢靠，板和棒在玻璃液中需保持良好的导电状态。如果松动，会使板棒联结部蚀穿，电极板脱落后，玻璃液的对流和温度分布均会变化，剩下的棒体亦加剧损耗，最终会导致从电极和耐火砖的缝隙处往外流料。另外，还应注意保持钼板和池底的平行。
2.2.4.5　塞状电极
这是一种短形棒状电极，入深约为直径的1～2倍，既可水平安装亦可垂直安装。主要用于小型电熔窑，流液洞、料道或全电熔窑中作启动电极用，板电极蚀坏后也可使棒体部分作塞状电极用。由于塞状电极的能量释放集中于棒体附近，能激起强烈的液流，对耐火材料侵蚀很高，所以塞状电极的长期运行功率值要小于前述电极。在料道使用的塞状电极，电极数量要多于贯穿式棒电极，但输电组合方式比较灵活。
&&&塞状电极是短的棒状电极，其插入玻璃液中约10～20cm，当板状电极损坏时可由它代替。塞状电极能产生强烈的对流，热量大部分集中释放在与电极相接触的耐火材料附近，极易造成耐火材料的损坏。
2.2.4.6　帽式电极
这种电极一般平置于炉底，厚度可达数十毫米，电力线分布比较独特。其对底部玻璃的蠕动层有强力的搅拌作用，曾见于电助熔炉。这种电极对水套和池底电极孔砖有更严格的要求，所以水套的用水量及水套热损耗都大于垂直棒电极。该种电极对熔化池热点的强化和对流均化都具有强烈的作用。
2.2.5电极水套
2.2.5.1　电极水套的主要作用
由于金属钼的耐热性能特别好，可经受2600℃的温度，属难熔金属。但它的氧化性能在温度600℃以上明显加剧，因此，为了保护钼电极，使其不致很快被氧化，必须采用电极水冷却套装置，否则会影响整个熔炉的正常运转，严重时将迫使电熔窑停产。
电极水冷却套的主要作用是：①把电极安全可靠地安装在窑炉的耐火材料上；②要把暴露在空气中的那部分电极冷却到400℃以下；③防止在电极插入部位的耐火材料温度过高，造成耐火材料局部损坏。
电极冷却水套的结构包括间接水冷却保护套、直接水冷却保护套和快速封装水冷却保护套，逐步形成了目前中试电熔窑所使用的电极冷却水套。在实际使用中已达到下列要求：①对周围玻璃液和耐火材料未产生不良影响；②对玻璃液和耐火材料吸收的热量最少；③电极水冷却套及其冷却系统简单，操作方便，不须经常维修；④电极易于快速向窑内推进。
&&& 了保证电极正常工作，所需的冷却水必须经过软化，水质要达到锅炉用水标准。为节省冷却水用量，需采用循环水系统。电极的端部采用螺纹联接，以便电极消耗后可接长推进。
下面分述直接水冷套和间接水冷套。
2.2.5.2　直接冷却水套
直接水冷电极，图2.2.26是该电极的结构图。电极和护套配合，堵头焊在套管端部，电极安装在炉墙上预先留下的倾斜孔内。冷却水直接冷却三相界面和热影响区，护套充满半凝固态的玻璃保护了三相界面。整个电极在低温下工作，可以防止钼电极氧化。消耗式电极采用这种结构是很方便的。电极消耗到需要向里喂入时，短时间停止冷却水，适当升高电极温度，待三相界面处的半凝固玻璃液化以后，即可把电极向里喂入到正常的工作长度，随即送冷却水，使电极仍保持低温工作状态。
(1)直接冷却水套的工作原理。如图2.2.27和图2.2.28，在棒状电极的外围装有不锈钢的开式水套，冷却水直接喷向钼电极，其前部有一金属堵头，用以支撑电极和防止电极断水续进时头部发生形变。堵头里端距热面50～150mm，有20～80mm厚。大多数厂将电极孔砖加工成台阶式的，孔内的圆台阶把堵头和热面玻璃隔离，阻止堵头和热玻璃直接导电而较早损坏。堵头和电极的间隙小于2mm，在水平安装时，电极的下间隙往往小于0.5mm，而上间隙稍大。通入循环进行冷却，使易氧化部位的温度降至300℃以下。这类电极有水平安装的，如图2.2.28（a）所示和垂直安装的如图2.2.28（b）所示两种，至今也仍有少数工厂在使用它。直接水冷套操作方便，冷却可靠，但强度过大，有时会造成周围耐火材料的开裂；使用硬水时，可能在电极上产生水垢，当电极向里推进时，就会引起电极和套管之间粘结，妨碍电极的进一步推进；有时冷却水溅到热玻璃上，还会引起较大的颠簸。进水压力稍大即会出现“水鼓泡”现象。
&&&&堵头的取材一般是高温合金质的，不应对玻璃造成污染。直接水冷却套设计和使用应注意以下几点：①水套前部堵头愈厚，保护效用愈差。这是因为当插进电极再回拉时，玻璃液很难填充全部间隙。应注意到，钼和水蒸汽的反应温度约700℃左右。当堵头前部有耐火材料圆台阶作隔离时，亦会造成上述情况。在国内运行的进口水套，就是因此造成该部钼棒变成“细脖”。②当堵头过分靠近热玻璃时，它就参与导电而加快损耗。电极孔砖侵蚀后，亦会将堵头暴露给热玻璃，这同样会加快堵头损耗或造成其它损伤，当水套漏水后，会给生产带来很大麻烦，所造成的“水鼓泡”会直接在产品中反映出来。③直接水冷却套的尾部不能密封，否则过大的水压会使水沿着电极间隙内碎裂的玻璃缝进入熔化池而造成“水鼓泡”，降低水压时，这种现象可减弱以致消失。为使冷却水更顺利地淌出，水套可倾斜5°角，让回水在无压下自然流到收集器中。直接水冷却套的用水一般在5L/min左右。当尾部需密封时，为保证冷却和避免“水鼓泡”现象，可在进水管、出水口附近加一密封垫并压紧。④直接水冷却套尾部是敞开的，必要时可用热电偶丝插入水套内部进行温度监视。⑤这种水套的优点是：节水、工艺简单，成本较低。缺点是易出现“水鼓泡”现象，加上前后密封虽好，但工艺复杂，并且在意外停水时，密封垫易损坏，是一种虽不完美但可用于水平电极保护的水套。此种水套目前仍有使用。
&&&(2)早期开发的直接冷却水套，如图2.2.29是我国早期开发的一种试验性水套。①将前面堵头伸到粘滞玻璃处，如果这个位置不能准确确定，那就往里多伸一些，不过堵头前端温度最好不超过1150℃，使其尚留有一些强度。这样做的目的是防止空气从水套和耐火砖的间隙进入，就是把空气可能进入高温电极的外通道堵死。②水套冷端和钼电极气密性焊接。钼的熔点是2620℃，且高温下剧烈氧化，要实现强度焊接较难，它的意图是堵死空气由水套和电极之间的空隙(即内通道)进入电极高温部。③实现上述两条后，电极则安全无恙。但一是电极不能续进，所以这种水套主要用于板电极；二是电极必须冷装，加大了启动保护的工作量。这种水套的技术关键是气密性焊接和焊接后严格的检漏措施。如果使用无水冷保护，还必须考虑到高温下接缝处两种金属膨胀系数的差异。
2.2.5.3　间接冷却水套
（1）间接冷却水套的工作原理。随之出现的如图2.2.30所示的密封冷却水套，电极的水冷却系统是密封的，冷却水不直接与钼电极接触。但在使用中要注意利用水冷套端部的玻璃进行密封，当冷却水关闭后，熔融的玻璃液渗透进水冷套端部的各个空隙中，这些玻璃可以阻止钼电极在其可渡区被氧化。数分钟后，打开冷却水，这些玻璃即被冻结，从而使钼电极处于安全状态。但要注意，若密封玻璃不能填满空隙，还是可能造成钼电极的氧化。
后来又有人对图2.2.31所示的电极作了改进，采用图2.2.32所示的结构，在电极的密封套内通入惰性气体，以阻止和降低钼电极的氧化，这种电极的常用直径范围为3～7.5cm，它尤其适用于一个窑期内不易向里推进垂直安装的电极，但需要特殊保护气体和连续循环的冷却水。
间接水冷套克服了直接水冷套的一些缺点，但推进电极后，重新向水冷套中通水时比较复杂，因为这期间水冷套已变成红热状态，刚通入的少量水马上气化，造成很大压力，弄不好就会造成焊缝的开裂。
电极水套冷却的效果和效率是很重要的。某厂在一个典型的电熔窑上用了12根φ50mm的电极，冷却水吸收了大约50kW的能量，冷却水吸收的热量是从电极水套周围的耐火材料得到的。这些热量的消耗是不必要的，因用电极水套是为了冷却电极。耐火材料被冷却的结果，增加了它的温度梯度，引起了耐火材料的内应力，造成了电极砖的炸裂。采用电极水套保温隔热的办法，可以显著减少从周围耐火砖所吸收的热量，与不加保温的电极水套相比，大约可降低总吸热量的50%左右。
&&&(2)外装间接式冷却水套。外装是指水套不进入电极孔砖内，间接式是指水套内的冷却水不直接与电极接触。其结构如图2.2.33。某厂使用时玻璃液内的温度是1450℃，冷端为50℃，玻璃沉降终止于800℃的位置，由于钼电极在650℃以上开始剧烈氧化，在500℃～800℃的范围内送入保护性气体(如氮气，某厂未使用气体保护)。对于熔化硬质硼硅玻璃的外装间接式水冷却水套设计时应考虑：①玻璃的粘度大，电极和电极孔的间隙亦要稍大些，大于5mm为宜，使玻璃下降距离长一些。②为省掉保护性气体，可以控制玻璃下降距离更长一些，当水套通水后，这部分玻璃即被“冻”在电极上而防止电极氧化，不过其可靠性差。对于软化点较低的玻璃，水套从下往上算起，只要粘滞态玻璃的温度低于600℃，则电极较完全。③这种水套不是以降温保护电极，而是用“冻”住玻璃来保护，其防漏料的作用要大于保护电极的作用，循环水的正常运行与其说是保护电极，不如说是保护窑炉。④循环水应使用软水。加大进出水管直径或做成可迅速拆换式水套时亦可使用普通水。当水量大于15L/min时，其热损耗低于5kW。⑤保护性气体可用氖、氩惰性气体，亦可用天然气，其中夹杂的甲烷和空气不会对电极造成致命威胁，此水套在实用中可用于大功率料道的电加热中。⑥使用此水套时，电极很难续进。
(3)外装钳式水套。图2.2.34是这种水套的示意图。既然用粘滞玻璃可以保护电极，那末就把电极孔开大，使电极和耐火砖之间形成10mm左右间隙。这个间隙，即使较高粘度的玻璃，也可以下降很长距离，甚至一直泄漏。为此，在电极孔砖外安一活动式钳形水套，它的作用是将下流玻璃定在某一位置上，也可以作漏料保护用。由于水冷钳安在电极孔砖外部，所以水冷功损很低。
&&&(4)内装间接式双保护冷却水套。如图2.2.35。这种水套类似于外装间接式水冷却水套。它的基本设计思想是：①用气体(例如氮气)保护电极的较高部分。②下部用水套进行冷却，这样可降低冷却水带走的热耗，同时也适当降低了电极尾部的温度。冷却水套的冷面(下面)带有隔离孔，使水套内不能形成水蒸汽或有空气存在。③这种保护方式由于水套距热区远，所以热损耗低。这样的保护只能降低电极尾部温度以便接电或其它操作。真正保护电极的是通入的惰性气体，上部很长一段高温区都需用气体保护。为节约气体使用量，电极孔内砖层之间应有良好的密封。总之，双保护水套是一种主要依赖气体保护的水套。
&&&(5)内装间接式冷却水套。这是一种成熟的通用型水套，如图2.2.36，由于是间接式水冷，则完全避免了“水鼓泡”问题，同时，它保留了直接水冷水套的堵头，既可以缓解热玻璃对水套的侵蚀，又为电极的推进提供了定向滑槽。它所具备的明显特征是，从高温堵头到水套常温(&50℃)段，距离短，温度梯度大，电极可能氧化的部位很短，从实际运行来看，正确的安装和操作可完全防止氧化。内装直接水冷水套与其相比，长时间运行后，前者的电极在堵头下沿处仍有“细颈”现象，而后者却没有。这种差异不能排除H2O在高温下对钼的氧化作用。内装间接式水冷水套的缺点是：对取材、加工、焊接及运行操作要求之严格，要远甚于直接式水冷水套。但一只好的内装间接式水冷水套可对电极进行可靠的保护并可反复使用。某厂数年来的实践已证明了此点。
&&&&(6)内装管式间接冷却水套。图2.2.37是这种水套的原理图。它有两个特点：①用螺线水管代替了闭式水套盒，同样能起到冷却作用。②水套与电极孔砖之间有一耐火材料隔热层的存在，冷却水仅带走由电极传导过来的热量，所以其能耗比前述内装间接水套要低得多，避免“冷”水套和“热”砖直接接触而使砖炸裂。但对选材和加工都较严格，冷却管的材质和焊接起码应满足在断水续进电极时不变形。另外，对水质要求更高，当软水中有脏物时，堵塞的可能性更大，在管子弯曲部清除堵塞脏物几乎是不可能的。另外，砖上的电极孔径亦较大，而大孔总是要担当大的漏料风险。
这种水套允许将一只热偶直插入水套根部进行温度监视。
2.2.5.4　电极套的安装
&&&&电极套是在熔窑点火烤窑前装入电极砖中的。在装入砖孔时，电极套的端面不能与电极砖的内壁面相平，而应凹入60mm，这样既可避免因电极砖的侵蚀而使电极套前部较多地浸在高温玻璃液中，又可利用凹入部分被玻璃液充填，充填的玻璃液受电极套冷却水的冷却使粘度增大而难以进入窑内参与对流，故能起到保护电极砖特别是电极孔部位的作用。但过多的凹入也不合理,它易使电极孔周围的耐火材料（电极砖）因受电力线的作用而破裂、损坏。电极套装入以后,前端凹入部分在烤窑时还必须用轻质粘土砖加工成直径为106mm、长为60mm的圆柱状填放在空穴中。这是为了防止烤窑时的明火对电极套的烧烤，由于此砖的熔点较低，在熔窑过大火、投熟料后就会自然熔化，对玻璃组成影响不大。
&&&&&&在电极套的前端，利用圆柱形石墨堵好，在玻璃液的深度尚不具备钼电极的插入时阻止玻璃液的流出。石墨憎玻璃液，密度远小于玻璃液，钼电极顶进时只有较小的阻力,被推入后的石墨将会浮于玻璃液面而让高温气流和火焰烧失而不污染玻璃液，石墨外端用普通钢管顶好。电极套用绝缘物与支架牢固地固定。绝缘物体采用230×ll3×65mm的标型粘土砖加工成u型，每两块对拼成一组，外用扁铁夹紧，再连接于池壁顶铁上。如图2.2.38。
2.2.5.5　冷却水套设计和运行中应注意的问题
&&&&(1)运行中对冷却水系统应有完善的检测和报警系统，并有备用手段。
&&&&(2)应使用软水，并定期检测和清理。
&&&&(3)初期运行顺利不等于长期运行成功。因为有保护而保护不好的钼电极蚀断时间可长达3～6个月。
&&&&(4)电极孔砖应使用优质锆刚玉砖，对于底插电极其热面应高于池底，这是考虑到电极的能量释放或多或少地会加快砖的侵蚀。但不能指望孔砖热面处的高台(70～300mm)能避免电极断裂后继续送电所造成的危险。实践证明，局部高电能的释放可毫不费力地熔化诸如含锆30%以上的锆刚玉砖。
&&&&(5)只有在电极安全的前提下方可考虑降低冷却水的能耗问题。
&&&&(6)要续进电极时，需重视人员安全和水套安全，其后的续进电极方有意义。
&&&&(7)电极间电阻变化是个重要信号，要么是电极系统有反常，要么是工艺参数有反常，兼而有之的情况亦有。
(8)钼电极比较贵重，炉子要放料时先将电极下拨至入深为20mm，则节约资金是可观的。当然，电极再推进时，应注意钼的再结晶且强度已发生变化。
2.2.6&钼电极临界电流密度和尺寸的选择
2.2.6.1　钼电极临界电流密度
电极的单位导电面积通过的最佳平均电流值定义为临界电流密度J。J=I/S&，式中I为电流(安培)，S为电极导电平面的面积(cm2)；玻璃电熔是通过电极把电能输给熔融玻璃的，电极与玻璃融体具有不同属性。在它们的接触面上有接触电阻，当有电流通过时，在电极表面产生局部焦耳热。接触电阻的大小取决于两类电极体之间的浸润性，浸润性好，接触电阻小，J值高；反之，则J值低。石墨、氧化锡和钼三种电极材料中，钼和玻璃之间的浸润性最好，石墨最差。石墨和氧化锡的J值为0.2和0.3A/cm2。合理选择钼的临界电流密度是正确使用钼电极的关键问题之一。
电熔窑中的钼电极同时受到电、高温和腐蚀介质的综合作用，化学腐蚀和电化学腐蚀是不可避免的，在同样的玻璃液中，电极的腐蚀速率与电流密度有关，图2.2.39是这种关系的定量研究结果。由图2.2.39可以看出，电流密度低于0.5A/cm2时，腐蚀速率极低，电极长期使用，尺寸几乎不变。当电流密度升高到0.8～1.0&A/cm2，腐蚀速率突然升高，钼电极浸蚀很快。
&&&&为了探讨电流密度与腐蚀率之间的关系，利用静态电熔窑研究了钼电极的温度与电流密度的关系，结果绘于图2.2.40。利用回归分析法，图2.2.40的曲线可以导出一个数学表达式：&T=.5lnJ&，式中T―钼电极的温度℃&，J―电流密度A/cm2。
&&&&图2.2.40中的T0代表玻璃液的温度，电流密度低时，电极温度低于玻璃液的高度，随着电流密度的增高，电极的温度达到并超过玻璃液的温差，最终达到1550℃。
&&&&定量地测定钼在中碱玻璃中的腐蚀速度与温度的关系，结果示于图2.2.41。温度越高，腐蚀速率越大。
&&&&&综合这些研究结果可以断定，电流密度增加时，提高了电极区的温度，加速了电极的化学反应的进程，同时改变了电极区玻璃的流动状态，最终造成电极的腐蚀速率加快。根据研究，长寿命钼电极的临界电流密度可选择0.4～0.7&A/cm2，在这样的电流密度下，8～10mm厚的钼板电极能工作2～3年，对于续进式钼电极，电流密度可以选择1.0&A/cm2，不能太高，否则要产生高温气泡。
&根据实验及大量生产实践证明，Mo电极的临界电流密度值采用0.4～0.7A/cm2可以达到长寿命的目的。Mo电极温度与电流密度成正比。
钼电极的最大允许电流密度约为2～3A/cm2。为了减少侵蚀一般不超过2A/cm2，如果是无碱玻璃，则电流负载应相当小。当电流密度小于1.00A/cm2时，钼电极能很好地抵抗熔融玻璃液侵蚀，但当电流密度大于1.00A/cm2时，则侵蚀速度加快。此时，钼与玻璃液界面上将产生气泡。
2.2.6.2　钼电极尺寸的选择
为保证钼电极的使用寿命，电极电流密度有一定的允许范围。钼电极的电流密度与钼棒、玻璃成分、使用温度等因素有关。烧结钼棒安全电流密度近似于1A/cm2，熔炼钼合金安全电流密度近似于1.5A/&cm2，可按上式J=I/S计算。
&&&&电极直径的选择范围一般在35～75mm之间，主要依据电流密度的大小来确定。一般说来，熔化硼硅玻璃选用直径φ50mm的电极，运行中电极的推进视实际电流密度的大小决定。对于垂直电极，该值到0.8A/cm2时需要考虑续进问题。对于炉龄较长(4年以上)的电熔窑随着电极消耗，电流密度增大，如果电极不准备做续进，其电流密度还需要控制一个更低值，钼电极电流密度运行在0.6A/cm2以下时，电极几乎不消耗。某厂熔化硼硅玻璃电熔化的电极的电流密度在0.42～0.49A/cm2之间，可保证两年不用续进。钠钙玻璃和其它低阻玻璃，电阻率低于15Ω?cm，电极很难把电流密度控制在0.6A/c&m2以下，由于其粘度低和电阻率小，使用φ75mm的电极，电极也会有不同程度的损耗，所以电极必须做成续进式的。从电极的运行成本来看，板电极是钠钙玻璃电熔化的最佳方案。
电极的导电距离直接影响到电极的运行寿命，电极距离过近，运行中呈低电压大电流状态。这种局部的高功率不但会降低耐火材料的寿命，而且会加大电极损耗，给产品带来缺陷，再加上电流密度值过大，对电极的破坏性影响就更大了。只要电熔窑所能承受的电压允许，当然希望高电压低电流的运行方案，但这一点要服从熔化工艺和操作安全的需要。当正确的工艺设计确立了低电压大电流的运行状态时，留下的唯一办法就是加大电极的导电面积，即选用更大直径的棒电极，或是多支电极并用，或是增加电极的对数，或工艺许可时使用板电极。
当Mo电极表面电流密度值为0.4～0.7A/cm2时，在1300℃～1400℃的中碱玻璃液中使用一年只腐蚀掉0.5～1.5mm厚度。某厂熔化中碱玻璃的日产1.5t电熔拉丝池窑使用9000h后的Mo合金电极板，原板净重24kg，厚度由原来10mm减到9.5mm，使用电流密度为0.57A/cm2。&
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