石墨電極的原材料及制造工藝

石墨電極是以石油焦、針狀焦為骨料，煤瀝青為粘結(jié)劑，經(jīng)捏合、成型、焙燒、浸漬、石墨化、機(jī)械加工等一系列工藝生產(chǎn)的耐高溫石墨導(dǎo)電制品。 材料。 石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導(dǎo)電材料。 電能通過石墨電極輸入電爐，利用電極端部與爐料之間電弧產(chǎn)生的高溫作為熱源，熔化爐料進(jìn)行煉鋼。 其他一些冶煉黃磷、工業(yè)硅、磨料等物料的潛水電爐也采用石墨電極作為導(dǎo)電材料。 利用石墨電極優(yōu)良而特殊的物理化學(xué)性能，在其他工業(yè)部門也得到廣泛應(yīng)用。

生產(chǎn)石墨電極的原料包括石油焦、針狀焦和煤瀝青。

石油焦是石油渣油和石油瀝青經(jīng)焦化得到的可燃固體產(chǎn)品。 呈黑色多孔狀，主要元素為碳，灰分含量很低，一般小于0.5%。 石油焦是一種易石墨化的碳。 石油焦廣泛應(yīng)用于化工、冶金等行業(yè)。 是生產(chǎn)人造石墨制品和電解鋁用碳素制品的主要原料。

石油焦按熱處理溫度可分為生焦和煅燒焦兩類。 前者是經(jīng)延遲焦化得到的石油焦，含有大量揮發(fā)分，機(jī)械強(qiáng)度較低。 煅燒焦是通過生焦煅燒而得到的。 我國大部分煉油廠只生產(chǎn)原焦，煅燒作業(yè)大多在炭素廠進(jìn)行。

石油焦按含硫量高低可分為三類：高硫焦（硫含量大于1.5%）、中硫焦（硫含量在0.5%-1.5%）、低硫焦（硫含量在0.5%-1.5%之間）。小于0.5%）。 石墨電極等人造石墨制品的生產(chǎn)一般采用低硫焦炭。

針狀焦是一種外觀具有明顯纖維狀紋理、熱膨脹系數(shù)極低、易石墨化的優(yōu)質(zhì)焦炭。 焦塊破碎時，可根據(jù)結(jié)構(gòu)分裂成細(xì)長的條狀顆粒（長徑比一般在1.75以上）。 在偏光顯微鏡下可以觀察到各向異性的纖維狀結(jié)構(gòu)，因此被稱為針焦點(diǎn)。

針狀焦物理機(jī)械性能的各向異性非常明顯。 它具有良好的平行于顆粒長軸的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且具有較低的熱膨脹系數(shù)。 擠出成型時，大多數(shù)顆粒的長軸沿擠出方向排列。 因此，針狀焦是制造高功率或超高功率石墨電極的關(guān)鍵原料。 生產(chǎn)的石墨電極電阻率低、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性能好。

針狀焦分為以石油渣油為原料生產(chǎn)的油系針狀焦和以精煉煤瀝青為原料生產(chǎn)的煤系針狀焦。

煤瀝青是煤焦油深加工的主要產(chǎn)品之一。 它是多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔铩?常溫下為黑色半固體或高粘度固體。 它沒有固定的熔點(diǎn)。 加熱時它會軟化并熔化。 密度為1.25-1.35g/cm3。 按其軟化點(diǎn)分為低溫、中溫和高溫瀝青三種。 中溫瀝青收率為煤焦油的54-56%。 煤瀝青的成分極其復(fù)雜，與煤焦油的性質(zhì)和雜原子含量有關(guān)，同時還受到焦化工藝制度和煤焦油加工條件的影響。 表征煤瀝青特性的指標(biāo)有很多，如瀝青軟化點(diǎn)、甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）、焦化值和煤瀝青流變性等。

煤瀝青在炭素工業(yè)中用作粘結(jié)劑和浸漬劑，其性能對炭素制品的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。 粘結(jié)劑瀝青一般采用軟化點(diǎn)適中、焦化值高、β樹脂含量高的中溫或中溫改性瀝青。 浸漬劑應(yīng)采用軟化點(diǎn)較低、QI低、流變性能好的中溫瀝青。

下圖為某炭素公司石墨電極生產(chǎn)工藝流程圖。

煅燒：碳質(zhì)原料經(jīng)高溫?zé)崽幚恚懦銎渲兴乃趾蛽]發(fā)物，相應(yīng)改善原料的物理、化學(xué)性能的生產(chǎn)過程稱為煅燒。 一般炭質(zhì)原料采用氣體及其自身揮發(fā)分作為熱源進(jìn)行煅燒，最高溫度為1250-1350℃。

煅燒使碳質(zhì)原料的組織結(jié)構(gòu)和理化性能發(fā)生深刻變化，主要體現(xiàn)在焦炭的密度、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電率的提高，以及焦炭化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能的提高，為后續(xù)工序打下基礎(chǔ)。 。

煅燒設(shè)備主要有罐式煅燒爐、回轉(zhuǎn)窯和電煅燒爐等。 煅燒質(zhì)量控制指標(biāo)為：石油焦真密度不小于2.07g/cm3，電阻率不大于550μΩ.m，針狀焦真密度不小于2.12g/cm3，電阻率不大于500μΩ.m。

原料破碎加工及配料

配料前，大塊的煅燒石油焦和針狀焦必須經(jīng)過破碎、研磨和篩分。

二級破碎通常是通過顎式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、輥式破碎機(jī)等破碎設(shè)備將50mm左右的物料進(jìn)一步破碎至配料所需的0.5-20mm粒度。

研磨是將碳質(zhì)原料通過懸輥磨機(jī)（雷蒙磨）、球磨機(jī)等設(shè)備，研磨成粒徑0.15毫米以下的小粉狀顆粒的過程。

篩分是將破碎后的物料通過一系列孔徑均勻的篩子，分成粒度范圍較窄的幾種粒度的過程。 目前電極生產(chǎn)通常需要4-5個粒度和1-2個粉末粒度。

配料是將各種粒度的骨料、粉料、結(jié)合劑等按照配方要求進(jìn)行計算、稱重、濃縮的生產(chǎn)過程。 配方的科學(xué)適宜性和配料操作的穩(wěn)定性是影響產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和性能的最重要因素之一。

該公式需要確定5個方面：

①選擇原材料的種類；

②確定不同種類原材料的比例；

③確定固體原料的粒度組成；

④確定膠粘劑用量；

⑤確定添加劑的種類和用量。

混合：將一定量的碳粒和各種粒度的粉末與一定量的粘結(jié)劑在一定的溫度下混合形成塑性糊狀物的過程稱為混合。

混合工藝：干混（20-35分鐘）濕混（40-55分鐘）

混合功能：

①干混時，各種原料混合均勻，不同粒徑的固體碳材料均勻混合填充，提高混合物的密度；

②加入煤瀝青后，將干料與瀝青混合均勻，液體瀝青均勻包覆、滲透顆粒表面，形成瀝青粘結(jié)層，使各物料相互粘結(jié)，形成均勻的塑性膏體。 有利于成型；

③部分煤瀝青滲透到碳質(zhì)材料內(nèi)部空隙中，進(jìn)一步提高了膏體的致密性和粘結(jié)性。

成型：碳材料的成型是指捏合好的碳糊在成型設(shè)備施加的外力作用下發(fā)生塑性變形，最終形成具有一定形狀、尺寸、密度和性能的生坯（或生坯制品）的過程。力量。 過程。

成型、設(shè)備和生產(chǎn)產(chǎn)品的類型：

成型方式

常用設(shè)備

主要產(chǎn)品

模壓

立式液壓機(jī)

電碳、低品位細(xì)結(jié)構(gòu)石墨

擠壓

臥式液壓擠壓機(jī)

螺桿擠出機(jī)

石墨電極、方電極

振動成型

振動成型機(jī)

鋁用碳磚、高爐碳磚

等靜壓

等靜壓機(jī)

各向同性石墨、各向異性石墨

擠壓操作

①冷卻材料：盤式冷卻材料、筒式冷卻材料、捏合冷卻材料等。

瀝干揮發(fā)成分，降溫至適當(dāng)溫度（90-120℃），時間20-30分鐘，以增加粘結(jié)力，使糊料均勻，利于成型。

②加料：壓機(jī)擋板提升----分2-3次放料----4次壓實(shí)

③預(yù)壓：壓力20-，時間3-5分鐘，同時抽真空

④擠壓：降低壓機(jī)擋板----5-擠壓----剪切----轉(zhuǎn)入冷卻水箱

擠壓技術(shù)參數(shù)：壓縮比、壓腔及口溫度、冷料溫度、預(yù)壓時間、擠壓壓力、擠壓速度、冷卻水溫度

生坯檢查：體積密度、外觀、敲擊和分析

焙燒：是將綠色炭制品放入專門設(shè)計的加熱爐中，在填料的保護(hù)下進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚咕G色炭制品中的煤瀝青炭化的過程。 煤瀝青干餾后形成的瀝青焦將碳聚集體和粉末顆粒固結(jié)在一起。 焙燒炭產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度高、電阻率低、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好。 。

焙燒是碳素制品生產(chǎn)中的主要工序之一，也是石墨電極生產(chǎn)中三大熱處理的重要組成部分。 焙燒生產(chǎn)周期長（根據(jù)爐型不同，第一次焙燒22-30天，第二次焙燒5-20天），且能耗較高。 生坯烘焙質(zhì)量的好壞對成品質(zhì)量和生產(chǎn)成本有一定的影響。

生坯中的煤瀝青在焙燒過程中焦化，排出約10%的揮發(fā)分。 同時體積縮小2-3%，質(zhì)量損失8-10%。 碳坯的物理和化學(xué)性能也發(fā)生了顯著變化。 由于孔隙率的增加，體積密度由1.70g/cm3下降到1.60g/cm3，電阻率由μΩ.m左右下降到40-50μΩ.m，焙燒坯的機(jī)械強(qiáng)度也有所提高。 以便改進(jìn)。

二次焙燒是對焙燒品進(jìn)行浸漬，然后再次焙燒，使浸入焙燒品孔隙中的瀝青碳化的過程。 體積密度要求較高的電極（除RP外的所有品種）和接頭毛坯的生產(chǎn)需要二次烘烤，接頭毛坯還需要浸三烤四或浸二烤三。

焙燒爐主要類型：

連續(xù)作業(yè)----環(huán)形爐（帶蓋或不帶蓋）、隧道窯

間歇作業(yè)——下焰窯、臺車式焙燒爐、箱式焙燒爐

烘烤曲線及最高溫度：

一次性烘烤----320、360、422、480小時、1250℃

二次烘烤----125、240、280小時、700-800℃

烘焙產(chǎn)品檢驗(yàn)：外觀、電阻率、體積密度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

浸漬是將碳材料置于壓力容器中，在一定的溫度和壓力條件下，將液體浸漬劑瀝青浸入并滲透到制品的電極孔隙中的過程。 目的是降低制品的氣孔率，增加制品的體積密度和機(jī)械強(qiáng)度，提高制品的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

浸漬工藝流程及相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：焙燒坯——表面清理——預(yù)熱（260-380℃，6-10小時）——裝入浸漬罐——抽真空（8-9KPa，40-）——注入瀝青（180 -200℃）—加壓（1.2-1.5MPa，3-4小時）—回流瀝青—冷卻（罐內(nèi)或罐外）

浸漬制品檢驗(yàn)：浸漬增重率G=(W2-W1)/W1×100%

一次性浸漬產(chǎn)品增重率≥14%

二次浸漬制品增重率≥9%

三次浸漬產(chǎn)品增重率≥5%

石墨化是指將碳制品在高溫電爐中在保護(hù)介質(zhì)中加熱至2300℃以上，使非晶亂層碳轉(zhuǎn)變?yōu)槿S有序石墨晶體結(jié)構(gòu)的高溫?zé)崽幚砉に嚒?/p>

石墨化的目的和作用：

①提高碳材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能（電阻率降低4-5倍，導(dǎo)熱系數(shù)提高10倍左右）；

②提高碳材料的抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性（線膨脹系數(shù)降低50-80%）；

③使碳材料具有潤滑性和抗磨性能；

④去除雜質(zhì)，提高碳材料的純度（產(chǎn)品灰分由0.5-0.8%降低到0.3%左右）。

石墨化工藝的實(shí)施：

碳材料的石墨化是在2300-3000℃的高溫下進(jìn)行的。 因此，工業(yè)上只能通過電加熱來實(shí)現(xiàn)，即電流直接通過被加熱的烤品。 此時，裝入爐內(nèi)的烘烤品通過電流產(chǎn)生高溫。 導(dǎo)體也是被加熱到高溫的物體。

目前廣泛使用的爐型有艾奇遜（）石墨化爐和內(nèi)熱串聯(lián)（LWG）爐。 前者產(chǎn)量大、溫差大、電耗高，后者加熱時間短、電耗低、電阻率均勻，但安裝接頭較困難。

通過測量溫度來控制石墨化過程，以確定適合溫升的電功率曲線。 通電時間艾奇遜爐為50-80小時，LWG爐為9-15小時。

石墨化消耗大量電力，通常為3200-，其工藝成本約占整個生產(chǎn)成本的20-35%。

石墨化產(chǎn)品檢驗(yàn)：外觀攻絲、電阻率測試

機(jī)械加工：碳石墨材料機(jī)械加工的目的是依靠切削加工達(dá)到所需的尺寸、形狀、精度等，并制成滿足使用要求的電極本體和接頭。

石墨電極加工分為兩個獨(dú)立的加工工序：電極本體和接頭。

本體加工包括鏜孔及粗平端面、車削外圓及精平端面、銑螺紋三道工序。 圓錐接頭的加工可分為切削、平端面、車削錐面、銑螺紋、鉆孔和螺栓連接六種工序。 和開槽。

電極接頭連接方式：錐形接頭連接（一寸三扣和一寸四扣）、圓柱形接頭連接、凹凸連接（公母扣連接）

加工精度控制：螺紋錐度偏差、螺紋螺距、接頭（孔）大徑偏差、接頭孔同軸度、接頭孔垂直度、電極端面平面度、接頭四點(diǎn)偏差等。用專用環(huán)規(guī)、板規(guī)檢查。

電極成品檢驗(yàn)：精度、重量、長度、直徑、體積密度、電阻率、預(yù)裝配配合精度等。

石墨電極質(zhì)量指標(biāo)

反映石墨電極質(zhì)量和性能的主要指標(biāo)有：體積密度db、電阻率ρ、抗彎強(qiáng)度σ、彈性模量E、熱膨脹系數(shù)α和灰分A%。 根據(jù)這些指標(biāo)的差異，以及原材料和制造工藝的差異，國家標(biāo)準(zhǔn)（YB/T 4088/89/90-2000）將石墨電極分為普通功率石墨電極（RP）和高功率石墨電極電極（HP）。 、超高功率石墨電極（UHP）三種類型。 后來石墨電極廠家根據(jù)用戶需求又增加了高密度石墨電極（HD）和準(zhǔn)超高石墨電極（SHP）兩種類型。

在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，每個公司都有自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，客戶在訂購時也會提出自己的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

體積密度是石墨電極樣品的質(zhì)量與其體積的比值，單位為g/cm3。 體積密度越大，電極越致密，與強(qiáng)度和抗氧化性能呈正相關(guān)。 一般來說，同類型電極的體積密度越大，體積密度越高。 電阻率也較低。

提高堆積密度的途徑有：調(diào)整配方、增加小顆粒和粉料的用量、使用真密度高的焦炭、使用焦化值高的瀝青以及增加浸漬次數(shù)等。

電阻率是測量電極電導(dǎo)率的參數(shù)。 它是指電流通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體對電流的抵抗能力的一種特性。 它在數(shù)值上等于長度為1m、截面積為1m2的導(dǎo)體在一定溫度條件下的電阻值。 單位為μΩ·m。 電阻率越低，導(dǎo)電性越好，使用過程中電極的消耗也越低。

降低電阻率的途徑包括采用優(yōu)質(zhì)原材料、提高產(chǎn)品體積密度、提高石墨化溫度等。

彎曲強(qiáng)度是表征石墨材料力學(xué)性能的參數(shù)。 它也稱為彎曲強(qiáng)度。 指物體在垂直于物體軸線的外力作用下，抵抗彎曲至斷裂的極限能力。 單位為兆帕。 石墨材料的強(qiáng)度與其他金屬和非金屬有顯著區(qū)別。 其強(qiáng)度隨溫度升高而增加，在2000-2500℃時達(dá)到最高，是常溫的1.8-2倍，然后下降。 強(qiáng)度高的電極和連接器在使用過程中不易斷裂。

提高抗彎強(qiáng)度的途徑有：減小配方中焦炭的粒徑、提高炭質(zhì)原料的強(qiáng)度、提高制品的體積密度、減少制品的內(nèi)部缺陷。

彈性模量是機(jī)械性能的一個重要方面。 它是材料彈性變形能力的指標(biāo)。 是指材料彈性變形范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值。 單位為GPa。 彈性模量越大，產(chǎn)生一定彈性變形所需的應(yīng)力也越大。 簡單地說，彈性模量越大，材料越脆，彈性模量越小，材料越軟。

彈性模量對電極的使用起著綜合作用。 產(chǎn)品的體積密度越高，越致密，彈性模量也越大。 但產(chǎn)品的耐熱震性能越差，越容易開裂、脫落。 生產(chǎn)中，往往通過調(diào)整配方的粒徑和產(chǎn)品的體積密度來確定更適合使用的彈性模量值。

熱膨脹系數(shù)是指材料受熱后膨脹程度的量度。 即當(dāng)溫度升高1℃時，單位固體材料樣品在特定方向上的膨脹比例常數(shù)稱為沿該方向的線膨脹系數(shù)。 單位1×10-6/℃。 除非另有說明，熱膨脹系數(shù)是指線膨脹系數(shù)。 石墨電極的軸向和徑向線膨脹系數(shù)有很大差異。 徑向比軸向大0.8-1倍。 石墨電極質(zhì)量指標(biāo)中的熱膨脹系數(shù)是指軸向熱膨脹系數(shù)。

石墨電極的熱膨脹系數(shù)是一個非常重要的熱參數(shù)。 值越低，產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性越強(qiáng)，抗氧化性越高。 這體現(xiàn)在使用中破損較少、消耗較低。

降低熱膨脹系數(shù)的途徑：主要由原料的固有性能決定，采用質(zhì)量好的原料，采用較大粒徑的配方或增加大顆粒的用量（但這會降低產(chǎn)品的密度和強(qiáng)度）。

灰分是指產(chǎn)品中除碳、石墨以外的其他固體元素的含量。 石墨電極的灰分含量主要受所用原材料的灰分含量影響。 石油焦針狀焦的灰分較低，因此石墨電極的灰分一般不超過0.5%。 1%以內(nèi)的灰分含量對煉鋼無明顯影響，但雜質(zhì)元素中的灰分含量會降低電極的抗氧化性能。

抗熱震系數(shù)是表征抗熱震性能的參數(shù)。 耐熱震性是材料本身的特性。 它表示承受快速冷卻和快速加熱的能力。 換句話說，就是材料在一定溫度梯度下承受快速冷卻和快速加熱的能力。 抗碎裂能力是影響電極使用的一個非常重要的綜合因素。

K——抗熱震系數(shù)，w/m； σ——拉伸強(qiáng)度，MPa； E——彈性模量，MPa； λ——熱導(dǎo)率，w/m·k； α——熱膨脹系數(shù)，1/KK為相對值。 值越大，耐熱震性越強(qiáng)。 石墨電極的K值與其在電弧爐中的性能具有很高的相關(guān)性，即K值越高，電極的碎裂和斷裂越低。

電爐煉鋼簡介

現(xiàn)代煉鋼方法主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼、平爐煉鋼和電爐煉鋼。 平爐煉鋼法已基本淘汰。 電爐煉鋼法與轉(zhuǎn)爐煉鋼法最根本的區(qū)別在于，電爐煉鋼法采用電能作為熱源，而電弧爐煉鋼是最常用的電爐煉鋼法。 我們通常所說的電爐煉鋼主要是指電弧爐煉鋼，因?yàn)楦袘?yīng)爐、電渣爐等其他類型的電爐出鋼量較小。

電弧爐煉鋼依靠電極與爐料之間放電產(chǎn)生的電弧，在電弧中將電能轉(zhuǎn)化為熱能。 它利用輻射和電弧的直接作用加熱熔化金屬和爐渣，冶煉各種成分的鋼和合金。 一種煉鋼方法。

石墨電極消耗機(jī)理

電爐煉鋼中石墨電極的消耗主要與電極本身的質(zhì)量有關(guān)，也與煉鋼爐的條件有關(guān)（如爐子是新還是舊、有無機(jī)械故障、是否連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等）。產(chǎn)量等）與煉鋼操作（如冶煉鋼種、吹氧時間、裝料條件等）有很大關(guān)系。 這里我們只討論石墨電極本身的消耗。 其消費(fèi)機(jī)制有以下幾個方面：

端部消耗包括電弧高溫引起的石墨材料的升華以及電極端部與鋼水、爐渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的損耗。 最終的高溫升華速率主要取決于通過電極的電流密度，其次與氧化后電極側(cè)面的直徑有關(guān)。 最終消耗還與電極是否插入鋼水中添加碳有關(guān)。

側(cè)面氧化電極的化學(xué)成分是碳。 碳在一定條件下會與空氣、水蒸氣、二氧化碳發(fā)生氧化反應(yīng)。 電極側(cè)面的氧化量與單位氧化率和暴露面積有關(guān)。 一般情況下，電極側(cè)面的氧化量約占電極總消耗量的50%左右。 近年來，為了提高電爐的冶煉速度，增加了吹氧操作的頻率，導(dǎo)致電極的氧化損耗增加。 煉鋼過程中經(jīng)常觀察電極主干的紅度和下端的錐度，是衡量電極抗氧化能力的直觀方法。

樹樁損失

當(dāng)電極連續(xù)使用到上下電極的連接處時，電極或接頭的一小部分（即剩余本體）會因本體氧化變薄或裂紋滲透而脫落。 殘端損失的大小與接頭形狀、電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及電極柱的振動和沖擊有關(guān)。

表面剝落、脫落

冶煉過程中的快速冷卻和快速加熱是電極本身抗熱震性能差的結(jié)果。

電極破損

包括電極主干破損和連接器破損。 電極斷裂與石墨電極、接頭的質(zhì)量和加工配合以及煉鋼操作有關(guān)。 其原因往往是鋼廠與焊條生產(chǎn)企業(yè)糾紛的焦點(diǎn)。