石墨电极的制造、性能及使用

石 墨 电 极 的 制 造 、性 能 及 使 用 目 录一 、 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺二 、 石 墨 电 极 的 质 量 指 标三 、 电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺l 石 墨 电 极 是 采 用 石 油 焦 、 针 状 焦 为 骨 料 ， 煤 沥 青 为 粘结 剂 ， 经 过 混 捏 、 成 型 、 焙 烧 、 浸 渍 、 石 墨 化 、 机 械 加 工等 一 系 列 工 艺 过 程 生 产 出 来 的 一 种 耐 高 温 石 墨 质 导 电 材料 。 石 墨 电 极 是 电 炉 炼 钢 的 重 要 高 温 导 电 材 料 ， 通 过 石 墨电 极 向 电 炉 输 入 电 能 ， 利 用 电 极 端 部 和 炉 料 之 间 引 发 电 弧产 生 的 高 温 作 为 热 源 ， 使 炉 料 熔 化 进 行 炼 钢 。 其 他 一 些 冶炼 黄 磷 、 工 业 硅 、 磨 料 等 材 料 的 矿 热 炉 也 用 石 墨 电 极 作 为导 电 材 料 。 利 用 石 墨 电 极 优 良 而 特 殊 的 物 理 化 学 性 能 ， 在 其 他 工 业 部 门 也 有 广 泛 的 用 途 。 l 生 产 石 墨 电 极 的 原 料 有 石 油 焦 、 针 状 焦 和 煤 沥 青l 石 油 焦 是 石 油 渣 油 、 石 油 沥 青 经 焦 化 后 得 到 的 可 燃 固体 产 物 。 色 黑 多 孔 ， 主 要 元 素 为 碳 ， 灰 分 含 量 很 低 ， 一 般在 0.5%以 下 。 石 油 焦 属 于 易 石 墨 化 炭 一 类 ， 石 油 焦 在 化工 、 冶 金 等 行 业 中 有 广 泛 的 用 途 ， 是 生 产 人 造 石 墨 制 品 及电 解 铝 用 炭 素 制 品 的 主 要 原 料 。 石 油 焦 按 热 处 理 温 度 区 分 可 分 为 生 焦 和 煅 烧 焦 两 种 ，前 者 由 延 迟 焦 化 所 得 的 石 油 焦 ， 含 有 大 量 的 挥 发 分 ， 机 械强 度 低 ， 煅 烧 焦 是 生 焦 经 煅 烧 而 得 。 中 国 多 数 炼 油 厂 只 生产 生 焦 ， 煅 烧 作 业 多 在 炭 素 厂 内 进 行 。 石 油 焦 按 硫 分 的 高 低 区 分 ， 可 分 为 高 硫 焦 （ 含 硫1.5%以 上 ） 、 中 硫 焦 (含 硫 0.5%-1.5%)、 和 低 硫 焦 (含 硫0.5%以 下 )三 种 ， 石 墨 电 极 及 其 它 人 造 石 墨 制 品 生 产 一 般使 用 低 硫 焦 生 产 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 针 状 焦 是 外 观 具 有 明 显 纤 维 状 纹 理 、 热 膨 胀 系 数 特 别低 和 很 容 易 石 墨 化 的 一 种 优 质 焦 炭 ， 焦 块 破 裂 时 能 按 纹 理分 裂 成 细 长 条 状 颗 粒 （ 长 宽 比 一 般 在 1.75以 上 ） ， 在 偏 光显 微 镜 下 可 观 察 到 各 向 异 性 的 纤 维 状 结 构 ， 因 而 称 之 为针 状 焦 。 针 状 焦 物 理 机 械 性 质 的 各 向 异 性 十 分 明 显 , 平 行 于 颗粒 长 轴 方 向 具 有 良 好 的 导 电 导 热 性 能 ， 热 膨 胀 系 数 较 低 ，在 挤 压 成 型 时 ， 大 部 分 颗 粒 的 长 轴 按 挤 出 方 向 排 列 。 因 此 ，针 状 焦 是 制 造 高 功 率 或 超 高 功 率 石 墨 电 极 的 关 键 原 料 ， 制成 的 石 墨 电 极 电 阻 率 较 低 ， 热 膨 胀 系 数 小 ， 抗 热 震 性 能 好 。 针 状 焦 分 为 以 石 油 渣 油 为 原 料 生 产 的 油 系 针 状 焦 和 以精 制 煤 沥 青 原 料 生 产 的 煤 系 针 状 焦 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 煤 沥 青 是 煤 焦 油 深 加 工 的 主 要 产 品 之 一 。 为 多 种 碳 氢化 合 物 的 混 合 物 ， 常 温 下 为 黑 色 高 粘 度 半 固 体 或 固 体 ， 无固 定 的 熔 点 ， 受 热 后 软 化 ， 继 而 熔 化 ， 密 度 为 1.251.35g/cm3。 按 其 软 化 点 高 低 分 为 低 温 、 中 温 和 高 温 沥 青三 种 。 中 温 沥 青 产 率 为 煤 焦 油 的 54 56 。 煤 沥 青 的 组成 极 为 复 杂 ， 与 煤 焦 油 的 性 质 及 杂 原 子 的 含 量 有 关 ， 又 受炼 焦 工 艺 制 度 和 煤 焦 油 加 工 条 件 的 影 响 。 表 征 煤 沥 青 特 性的 指 标 很 多 ， 如 沥 青 软 化 点 、 甲 苯 不 溶 物 （ TI） 、 喹 啉 不溶 物 （ QI） 、 结 焦 值 和 煤 沥 青 流 变 性 等 。 煤 沥 青 在 炭 素 工 业 中 作 为 粘 结 剂 和 浸 渍 剂 使 用 ， 其 性能 对 炭 素 制 品 生 产 工 艺 和 产 品 质 量 影 响 极 大 。 粘 结 剂 沥 青一 般 使 用 软 化 点 适 中 、 结 焦 值 高 、 树 脂 高 的 中 温 或 中 温改 质 沥 青 ， 浸 渍 剂 要 使 用 软 化 点 较 低 、 QI低 、 流 变 性 能好 的 中 温 沥 青 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 石 油 焦 （ 针 状 焦 ） 煅 烧 破 碎 、筛 分 及配 料 混 捏 成 型 焙 烧 浸 渍再 次焙 烧石 墨化机 械加 工成 品 检 验、 包 装 冶 金 焦 粉 、石 英 砂（ 电 阻 料 ） （ 保 湿 料 ） （ 粘 结 剂 沥 青 ） （ 浸 渍 剂 沥 青 ）冶 金焦 粒破 碎（ 填 充 料 ）下 图 为 炭 素 企 业 石 墨 电 极 生 产 工 艺 流 程 图 ： 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 煅 烧 ： 炭 质 原 料 在 高 温 下 进 行 热 处 理 ， 排 出 所 含 的 水分 和 挥 发 份 ， 并 相 应 提 高 原 料 理 化 性 能 的 生 产 工 序 称 为 煅烧 。 一 般 炭 质 原 料 采 用 燃 气 及 自 身 挥 发 份 作 为 热 源 进 行 煅烧 ， 最 高 温 度 为 1250- 1350 。 煅 烧 使 炭 质 原 料 的 组 织 结 构 和 物 理 化 学 性 能 发 生 深 刻变 化 ， 主 要 体 现 在 提 高 了 焦 炭 的 密 度 、 机 械 强 度 和 导 电 性 ，提 高 了 焦 炭 的 化 学 稳 定 性 和 抗 氧 化 性 能 ， 为 后 序 工 序 奠 定了 基 础 。 煅 烧 的 设 备 主 要 有 罐 式 煅 烧 炉 、 回 转 窑 和 电 煅 烧 炉 。煅 烧 质 量 控 制 指 标 是 石 油 焦 真 密 度 不 小 于 2.07g/cm3， 电阻 率 不 大 于 550.m,针 状 焦 真 密 度 不 小 于 2.12g/cm3，电 阻 率 不 大 于 500.m。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 原 料 的 破 碎 处 理 和 配 料 在 配 料 之 前 ， 须 对 大 块 煅 后 石 油 焦 和 针 状 焦 进 行 中 碎 、磨 粉 、 筛 分 处 理 。 中 碎 通 常 是 将 50mm左 右 的 物 料 通 过 颚 式 破 碎 机 、 锤式 破 碎 机 、 对 辊 破 碎 机 等 破 碎 设 备 进 一 步 破 碎 到 配 料 所 需的 0.5-20mm的 粒 度 料 。 磨 粉 是 通 过 悬 棍 式 环 辊 磨 粉 机 （ 雷 蒙 磨 ） 、 球 磨 机 等设 备 将 炭 质 原 料 磨 细 到 0.15mm或 0.075mm粒 径 以 下 的 粉末 状 小 颗 粒 的 过 程 。 筛 分 是 通 过 具 有 均 匀 开 孔 的 一 系 列 筛 子 ， 将 破 碎 后 尺寸 范 围 较 宽 的 物 料 分 成 尺 寸 范 围 较 窄 的 几 种 颗 粒 粒 级 的 过程 ， 现 行 电 极 生 产 通 常 需 要 4-5个 颗 粒 料 粒 级 和 1-2个 粉 料粒 级 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 配 料 是 按 配 方 要 求 ， 对 各 种 粒 度 的 骨 料 和 粉 料 、 粘 结 剂 分 别 计 算 、 称 量 和 聚 焦 的 生 产 过 程 。 配 方 的 科 学 性适 宜 性 和 配 料 操 作 的 稳 定 性 是 影 响 产 品 质 量 指 标 和 使 用 性能 的 最 重 要 因 素 之 一 。 配 方 需 确 定 5方 面 内 容 ： 选 择 原 料 的 种 类 ； 确 定 不 同 种 类 原 料 的 比 例 ； 确 定 固 体 原 料 粒 度 组 成 ； 确 定 粘 结 剂 的 用 量 ； 确 定 添 加 剂 的 种 类 和 用 量 。n 返 回 料 的 回 用 （ 生 碎 、 石 墨 碎 、 焙 烧 碎 ） n 配 方 基 本 原 则 ： 球 体 最 紧 密 堆 积 原 理 电 极 配 方 中 最 大 颗 粒 尺 寸 的 确 定 大 颗 粒 配 方 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 混 捏 ： 在 一 定 温 度 下 将 定 量 的 各 种 粒 度 炭 质 颗 粒 料 和粉 料 与 定 量 的 粘 结 剂 搅 拌 混 合 均 匀 ， 捏 合 成 可 塑 性 糊 料 的工 艺 过 程 称 为 混 捏 。 混 捏 的 过 程 ： 干 混 （ 20-35 min） 湿 混 （ 40-55 min） 混 捏 的 作 用 ： 干 混 时 使 各 种 原 料 混 合 均 匀 ， 同 时 使 不 同 粒 度 大 小的 固 体 炭 质 物 料 均 匀 地 混 合 和 填 充 ， 提 高 混 合 料 的 密 实 度 ； 加 入 煤 沥 青 后 使 干 料 和 沥 青 混 合 均 匀 ， 液 态 沥 青 均匀 涂 布 和 浸 润 颗 粒 表 面 ， 形 成 一 层 沥 青 粘 结 层 ， 把 所 有 物料 互 相 粘 结 在 一 起 ， 进 而 形 成 均 质 的 可 塑 性 糊 料 ， 有 利 于成 型 ； 部 分 煤 沥 青 浸 透 到 炭 质 物 料 内 部 空 隙 ， 进 一 步 提 高了 糊 料 的 密 度 和 粘 结 性 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 成 型 ： 炭 材 料 的成 型 是 指 混 捏 好 的炭 质 糊 料 在 成 型 设备 施 加 的 外 部 作 用力 下 产 生 塑 性 变 形 ，最 终 形 成 具 有 一 定形 状 、 尺 寸 、 密 度和 强 度 的 生 坯 （ 或称 生 制 品 ） 的 工 艺过 程 。 成 型 的 种 类 、设 备 及 所 生 产 产 品 ： 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺成 型 方 法 常 用 设 备 主 要 产 品 模 压 立 式 液 压 机 电 碳 、 低 档 次 细结 构 石 墨 挤 压 卧 式 液 压 挤压 机螺 杆 挤 压 机 石 墨 电 极 、 方 电极振 动 成 型 振 动 成 型 机 铝 用 碳 砖 、 高 炉碳 砖 等 静 压 等 静 压 成 型机 各 向 同 性 石 墨 、异 性 石 墨 n 挤 压 的 操 作 凉 料 ： 圆 盘 凉 料 、 圆 筒 凉 料 、 混 捏 式 凉 料 等 方 式 排 出 挥 发 份 、 降 低 至 适 宜 温 度 （ 90-120 ） 增 加 粘 结 力 ， 使 糊 料 块 度 均 匀 利 于 成 型 20-30 min 装 料 ： 压 机 升 挡 板 -分 2-3次 下 料 -4-10MPa压 实 预 压 ： 压 力 20-25MPa， 时 间 3-5min， 同 时 抽 真 空 挤 压 ： 压 机 降 挡 板 -5-15MPa挤 压 -剪 切 -翻 入 冷 却 水 槽n 挤 压 的 技 术 参 数 ： 压 缩 比 、 压 机 料 室 及 嘴 型 温 度 、 凉 料 温度 、 预 压 压 力 时 间 、 挤 压 压 力 、 挤 压 速 度 、 冷 却 水 温 度 n 生 坯 的 检 查 ： 体 积 密 度 、 外 观 敲 击 、 剖 析 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 焙 烧 ： 是 炭 制 品 生 坯 在 填 充 料 保 护 下 、 装 入 专 门 设 计的 加 热 炉 内 进 行 高 温 热 处 理 , 使 生 坯 中 的 煤 沥 青 炭 化 的 工艺 过 程 。 煤 沥 青 炭 化 后 形 成 的 沥 青 焦 将 炭 质 骨 料 和 粉 料 颗粒 固 结 在 一 起 , 焙 烧 后 的 炭 制 品 具 有 较 高 的 机 械 强 度 、 较低 的 电 阻 率 、 较 好 的 热 稳 定 性 和 化 学 稳 定 性 。 焙 烧 是 炭 素 制 品 生 产 的 主 要 工 序 之 一 , 也 是 石 墨 电 极生 产 三 大 热 处 理 过 程 中 的 重 要 一 环 , 焙 烧 生 产 周 期 较 长（ 一 焙 22-30天 ， 二 焙 依 炉 型 5-20天 ） , 而 且 能 耗 较 高 。 生坯 焙 烧 的 质 量 对 成 品 质 量 和 生 产 成 本 都 有 一 定 影 响 。 生 坯 内 煤 沥 青 在 焙 烧 过 程 中 焦 化 ， 排 出 10%左 右 的挥 发 份 ， 同 时 体 积 产 生 2-3%的 收 缩 ， 质 量 损 失 8-10%。炭 坯 的 理 化 性 能 也 发 生 了 显 著 变 化 ， 由 于 气 孔 率 增 加 体 积密 度 由 1.70g/cm 3降 为 1.60g/cm3， 电 阻 率 10000.m左右 降 至 40-50.m， 焙 烧 坯 的 机 械 强 度 也 大 为 提 高 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 二 次 焙 烧 是 焙 烧 品 浸 渍 后 进 行 再 次 焙 烧 ， 使 浸 入 焙烧 品 孔 隙 中 的 沥 青 炭 化 的 工 艺 过 程 。 生 产 体 积 密 度 要 求 较高 的 电 极 （ 除 RP以 外 的 所 有 品 种 ） 和 接 头 坯 料 需 进 行 二焙 ， 接 头 坯 料 还 需 进 行 三 浸 四 焙 或 二 浸 三 焙 。n 焙 烧 炉 主 要 炉 型 ： 连 续 作 业 -环 式 炉 （ 带 盖 、 不 带 盖 ） 、 隧 道 窑 间 歇 作 业 -倒 焰 窑 、 车 底 式 焙 烧 炉 、 箱 式 焙 烧 炉n 焙 烧 曲 线 及 最 高 温 度 ： 一 次 焙 烧 -320、 360、 422、 480小 时 ， 1250 二 次 焙 烧 -125、 240 、 280 小 时 ， 700-800 n 焙 烧 品 的 检 查 ： 外 观 敲 击 、 电 阻 率 、 体 积 密 度 、 抗压 强 度 、 内 部 结 构 剖 析 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 浸 渍 是 将 炭 材 料 置 于 压 力 容 器 中 ， 在 一 定 的 温 度 和 压力 条 件 下 将 液 态 浸 渍 剂 沥 青 浸 入 渗 透 到 制 品 电 极 孔 隙 中 的工 艺 过 程 。 目 的 是 降 低 制 品 气 孔 率 ， 增 加 制 品 体 积 密 度 和机 械 强 度 ， 改 善 制 品 的 导 电 和 导 热 性 能 。 浸 渍 的 工 艺 流 程 及 相 关 技 术 参 数 是 ： 焙 烧 坯 表 面清 理 预 热 （ 260-380 ， 6-10小 时 ） 装 入 浸 渍罐 抽 真 空 （ 8-9KPa， 40-50min） 注 沥 青 （ 180-200 ） 加 压 （ 1.2-1.5MPa,3-4小 时 ） 返 沥 青 冷 却 （ 罐 内 或 罐 外 ） 浸 渍 品 的 检 查 ： 浸 渍 增 重 率 G=(W2-W1)/W1 100% 一 次 浸 渍 品 增 重 率 14% 二 次 浸 渍 品 增 重 率 9% 三 次 浸 渍 品 增 重 率 5% 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 石 墨 化 是 指 在 高 温 电 炉 内 保 护 介 质 中 把 炭 制 品 加 热 到2300 以 上 ,使 无 定 形 乱 层 结 构 炭 转 化 成 三 维 有 序 石 墨 晶质 结 构 的 高 温 热 处 理 过 程 。 平 面 六 角 网 格 层 状 结 构 石 墨 化 的 目 的 和 作 用 ： 提 高 炭 材 料 的 导 电 、 导 热 性 （ 电 阻 率 降 低 4-5倍 ，导 热 性 提 高 约 10倍 ） ； 提 高 炭 材 料 的 抗 热 振 性 能 和 化 学 稳 定 性 （ 线 膨 胀 系数 降 低 50-80%） ； 使 炭 材 料 具 有 润 滑 性 和 抗 磨 性 ； 排 出 杂 质 ， 提 高 炭 材 料 的 纯 度 （ 制 品 的 灰 分 由 0.5-0.8%降 到 0.3%左 右 ） 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 石 墨 化 过 程 的 实 现 ： 炭 材 料 的 石 墨 化 是 在 2300-3000 高 温 下 进 行 的 ，故 工 业 上 只 有 通 过 电 加 热 方 式 才 能 实 现 ， 即 电 流 直 接 通 过被 加 热 的 焙 烧 品 ， 这 时 装 入 炉 内 的 焙 烧 品 既 是 通 过 电 流 产生 高 温 的 导 体 ， 又 是 被 加 热 到 高 温 的 对 象 。 目 前 广 泛 采 用 的 炉 型 有 艾 奇 逊 （ Acheson） 石 墨 化炉 和 内 热 串 接 (LWG)炉 。 前 者 产 量 大 、 温 差 大 、 电 耗 较 高 ，后 者 加 热 时 间 短 、 电 耗 低 、 电 阻 率 均 匀 但 不 好 装 接 头 。 石 墨 化 工 艺 过 程 的 控 制 是 通 过 测 温 确 定 与 升 温 情 况 相适 应 的 电 功 率 曲 线 进 行 控 制 ， 通 电 时 间 艾 奇 逊 炉 50-80小时 ， LWG炉 9-15小 时 。 石 墨 化 的 电 耗 很 大 ， 一 般 为 3200-4800KWh， 工 序 成本 约 占 整 个 生 产 成 本 的 20-35% 石 墨 化 品 的 检 查 ： 外 观 敲 击 、 电 阻 率 测 试 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 l 机 械 加 工 ： 炭 石 墨 材 料 机 械 加 工 的 目 的 是 依 靠 切 削 加工 来 到 达 所 需 要 的 尺 寸 、 形 状 、 精 度 等 ， 制 成 符 合 使 用 要求 电 极 本 体 和 接 头 。 石 墨 电 极 加 工 分 为 电 极 本 体 和 接 头 两 个 独 立 加 工 过 程 。 本 体 加 工 包 括 镗 孔 与 粗 平 端 面 、 车 外 圆 与 精 平 端 面 和 铣 螺纹 3道 工 序 ， 圆 锥 形 接 头 的 加 工 可 分 为 6道 工 序 ： 切 断 、 平端 面 、 车 锥 面 、 铣 螺 纹 、 钻 孔 安 栓 和 开 槽 。 电 极 接 头 连 接 方 式 ： 圆 锥 形 接 头 连 接 （ 一 吋 三 扣 和 一吋 四 扣 ） 、 圆 柱 形 接 头 连 接 、 凹 凸 连 接 （ 公 母 扣 连 接 ） 加 工 精 度 的 控 制 ： 螺 纹 锥 度 偏 差 、 螺 纹 螺 距 、 接 头（ 孔 ） 大 径 偏 差 、 接 头 孔 同 轴 度 、 接 头 孔 垂 直 度 、 电 极 端面 平 整 度 、 接 头 四 点 偏 差 等 。 用 专 用 环 规 和 板 规 等 检 查 。 成 品 电 极 的 检 查 ： 精 度 、 重 量 、 长 度 、 直 径 、 体 积 密度 、 电 阻 率 、 预 装 配 合 精 度 等 。 石 墨 电 极 的 原 料 及 制 造 工 艺 反 映 石 墨 电 极 质 量 和 使 用 性 能 的 指 标 主 要 有 ： 体 积 密度 db、 电 阻 率 、 抗 折 强 度 、 弹 性 模 量 E、 热 膨 胀 系 数 和 灰 分 A%。 根 据 这 几 项 指 标 的 差 异 以 及 原 料 和 制 造 工 艺的 不 同 ， 国 家 标 准 (YB/T 4088/89/90-2000)中 将 石 墨 电 极分 为 普 通 功 率 石 墨 电 极 （ RP） 、 高 功 率 石 墨 电 极 （ HP） 、超 高 功 率 石 墨 电 极 （ UHP） 三 种 。 后 石 墨 电 极 生 产 厂 根 据用 户 使 用 需 求 增 加 了 高 体 密 石 墨 电 极 （ HD） 和 准 超 高 石 墨电 极 （ SHP） 两 种 。 在 国 家 标 准 基 础 上 ， 各 企 业 有 自 己 的 企 业 标 准 ， 客 户订 货 时 也 会 提 出 自 己 的 质 量 标 准 。 下 表 为 方 大 炭 素 的 RP、 HP及 UHP电 极 内 控 质 量 标 准 石 墨 电 极 的 质 量 指 标 石 墨 电 极 的 质 量 指 标规 格 普 通 功 率 高 功 率 超 高 功 率 300 350 400 450 400 450电 阻 率 m不 大于 电 极 8.5 6.5 5.5接 头 6.5 5.5 4.5体 积 密 度g/cm 3不 小 于 电 极 1.53 1.52 1.62 1.62 1.67 1.66接 头 1.69 1.73 1.75抗 折 强 度 Mpa不 小 于 电 极 8.5 7.0 10.5 9.8 11.0接 头 15.0 16.0 20.0弹 性 摸 量 Gpa不 大 于 电 极 9.3 12.0 14.0接 头 14.0 16.0 18.0热 膨 胀 系 数10 -61/ 不 大于 电 极 2.9 2.4 1.5接 头 2.8 2.2 1.4 l 体 积 密 度 是 石 墨 电 极 试 样 的 质 量 与 其 体 积 的 比 值 ， 单位 g/cm3， 体 积 密 度 越 大 说 明 电 极 越 密 实 ， 与 强 度 、 抗 氧化 性 能 是 正 相 关 ， 一 般 而 言 ， 同 品 种 电 极 体 积 密 度 越 大 ，其 电 阻 率 也 越 低 。 提 高 体 积 密 度 的 途 径 是 ： 调 整 配 方 、 增 加 小 粒 级 料 和粉 料 用 量 ， 用 真 密 度 高 的 焦 ， 使 用 结 焦 值 高 的 沥 青 和 增 加浸 渍 次 数 等 。l 电 阻 率 是 来 衡 量 电 极 的 导 电 能 力 的 参 数 ， 是 指 电 流 通过 导 体 时 ， 导 体 对 电 流 阻 力 的 一 种 性 质 ， 数 值 上 等 于 长 度为 1m、 截 面 积 为 1m2的 导 体 在 一 定 温 度 条 件 下 的 电 阻 值 ，单 位 m。 电 阻 率 越 低 ， 电 极 在 使 用 中 导 电 性 越 好 、消 耗 就 越 低 。 降 低 电 阻 率 的 途 径 有 ： 使 用 优 质 原 料 ， 提 高 制 品 体 积密 度 ， 提 高 石 墨 化 温 度 等 。 石 墨 电 极 的 质 量 指 标 l 抗 折 强 度 是 表 征 石 墨 材 料 的 力 学 性 能 的 参 数 ， 也 叫 抗弯 强 度 ， 是 指 当 外 力 与 物 体 轴 线 相 垂 直 ， 物 体 受 外 力 作 用后 先 呈 弯 曲 到 折 断 瞬 间 的 极 限 抵 抗 能 力 ， 单 位 为 MPa。 石墨 材 料 的 强 度 有 个 与 其 他 金 属 非 金 属 显 著 不 同 的 特 点 ， 其强 度 随 温 度 升 高 而 增 大 ， 在 2000-2500 达 到 最 高 ， 为 常温 的 1.8-2倍 ， 之 后 有 所 下 降 。 强 度 高 的 电 极 、 接 头 ， 在使 用 中 越 不 易 折 断 。 提 高 抗 折 强 度 的 途 径 是 ： 减 小 配 方 中 焦 炭 的 粒 度 ， 提高 炭 质 原 料 强 度 ， 提 高 制 品 的 体 积 密 度 ， 减 少 制 品 内 部 缺陷 等 。l 弹 性 模 量 是 力 学 性 能 的 一 个 重 要 方 面 ， 是 衡 量 材 料 弹性 形 变 能 力 的 指 标 ， 指 材 料 在 弹 性 变 形 范 围 内 ， 应 力 和 应变 的 比 值 ， 单 位 为 GPa。 弹 性 模 量 越 大 ， 要 产 生 一 定 弹 性变 形 所 需 的 应 力 越 大 ， 简 单 讲 ， 弹 性 模 量 越 大 材 料 越 脆 ，弹 性 模 量 越 小 材 料 越 柔 。 石 墨 电 极 的 质 量 指 标 弹 性 模 量 的 高 低 对 电 极 使 用 起 一 个 综 合 性 的 作 用 ，制 品 的 体 积 密 度 越 高 越 密 实 ， 弹 性 模 量 越 大 ， 但 制 品 的 抗热 振 性 能 越 差 ， 越 易 产 生 开 裂 掉 块 。 在 生 产 中 ， 往 往 通 过配 方 粒 级 的 调 整 、 制 品 体 积 密 度 的 高 低 掌 握 一 个 比 较 适 应使 用 要 求 的 弹 性 模 量 值 。l 热 膨 胀 系 数 是 指 材 料 受 热 后 膨 胀 程 度 的 度 量 ， 即 当温 度 升 高 1 时 ， 引 起 单 位 的 固 体 材 料 试 样 在 某 一 特 定 方向 上 的 膨 胀 比 例 常 数 ， 称 为 沿 该 方 向 的 线 膨 胀 系 数 ， 单 位1 10-6/ 。 在 没 有 特 别 注 明 之 处 ， 热 膨 胀 系 数 均 指 线 膨胀 系 数 ， 石 墨 电 极 轴 向 和 径 向 线 膨 胀 系 数 差 异 很 大 ， 径 向要 比 轴 向 大 0.8-1倍 ， 石 墨 电 极 质 量 指 标 中 的 热 膨 胀 系 数是 指 轴 向 热 膨 胀 系 数 。 石 墨 电 极 的 质 量 指 标 石 墨 电 极 的 热 膨 胀 系 数 是 非 常 重 要 的 热 学 参 数 ， 数 值越 低 ， 表 明 制 品 的 热 稳 定 性 越 强 ， 抗 氧 化 性 越 高 ， 表 现 在使 用 上 反 映 出 折 断 越 少 ， 消 耗 越 低 。 降 低 热 膨 胀 系 数 的 途 径 ： 主 要 由 原 料 固 有 性 能 决 定 使用 质 量 好 的 原 料 ， 配 方 使 用 粒 度 较 大 配 方 或 增 加 大 颗 粒 用量 （ 但 会 使 制 品 密 度 和 强 度 降 低 ） 。l 灰 分 是 指 制 品 中 除 碳 石 墨 之 外 的 其 他 固 体 元 素 含 量 。石 墨 电 极 中 的 灰 分 主 要 受 所 用 原 料 的 灰 分 大 小 影 响 ， 石 油焦 针 状 焦 灰 分 较 低 ， 所 以 石 墨 电 极 灰 分 一 般 不 超 过 0.5%，灰 分 含 量 在 1%以 内 对 炼 钢 无 明 显 影 响 ， 但 灰 分 中 的 杂 质 元素 会 降 低 电 极 的 抗 氧 化 性 能 。 石 墨 电 极 的 质 量 指 标 Ek l 抗 热 振 因 子 是 表 征 抗 热 振 性 能 的 参 数 ， 抗 热 振 性 能 是材 料 自 身 的 一 种 特 性 ， 它 表 述 的 是 承 受 急 冷 急 热 的 一 种 性能 ， 换 句 话 说 ， 是 材 料 在 一 定 的 温 度 梯 度 之 下 抗 碎 裂 的 一 种 性 能 ， 是 影 响 电 极 使 用 的 一 个 很 重 要 的 综 合 性 的 因 素 。 K抗 热 震 因 子 ， w/m； 抗 拉 强 度 ， MPa； E弹 性 模 量 ， MPa； 热 导 率 ， w/mk； 热 膨 胀系 数 ， 1/KK为 一 相 对 值 ， 该 值 越 大 ， 抗 热 振 性 能 就 越 强 。 石 墨 电 极 的 K值 与 其 在 电 弧 炉 中 的 表 现 有 着 较 高 的 相关 性 ， 即 较 高 的 K值 ， 对 应 于 电 极 较 低 的 破 碎 和 断 裂 。 石 墨 电 极 的 质 量 指 标 电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理l 电 炉 炼 钢 简 介 近 现 代 炼 钢 方 法 主 要 有 转 炉 炼 钢 法 、 平 炉 炼 钢 法 和 电炉 炼 钢 法 。 平 炉 炼 钢 法 已 基 本 被 淘 汰 ， 电 炉 炼 钢 法 与 转 炉炼 钢 法 最 根 本 的 差 别 在 于 ， 电 炉 炼 钢 法 是 以 电 能 作 为 热 源 ，而 电 弧 炉 炼 钢 是 应 用 得 最 为 普 遍 的 电 炉 炼 钢 方 法 。 我 们 通常 所 说 的 电 炉 炼 钢 ， 主 要 是 指 电 弧 炉 炼 钢 ， 因 为 其 他 类 型的 电 炉 如 感 应 电 炉 、 电 渣 炉 等 所 炼 的 钢 数 量 较 少 。 电 弧 炉 炼 钢 是 靠 电 极 和 炉 料 间 放 电 产 生 的 电 弧 ， 使 电能 在 弧 光 中 转 变 为 热 能 ， 并 借 助 辐 射 和 电 弧 的 直 接 作 用 加热 并 熔 化 金 属 和 炉 渣 ， 冶 炼 出 各 种 成 分 的 钢 和 合 金 的 一 种炼 钢 方 法 。 n 电 炉 炼 钢 的 特 点 电 炉 炼 钢 与 其 他 炼 钢 方 法 相 比 较 ， 有 其 独 特 的 优 点 。电 弧 炉 炼 钢 是 靠 电 弧 进 行 加 热 的 ， 其 温 度 可 以 高 达2000 以 上 ， 超 过 了 其 他 炼 钢 炉 用 一 般 燃 料 燃 烧 加 热 时所 能 达 到 的 最 高 温 度 。 同 时 ， 熔 化 炉 料 时 热 量 大 部 分 是 在被 加 热 的 炉 料 包 围 中 产 生 的 ， 而 且 无 大 量 高 温 废 气 带 走 的热 损 失 ， 所 以 热 效 率 比 平 炉 、 转 炉 炼 钢 法 要 高 。 用 电 能 加热 还 能 精 确 控 制 温 度 。 因 为 炉 内 没 有 可 燃 烧 气 体 ， 所 以 可以 根 据 工 艺 要 求 在 各 种 不 同 的 气 氛 中 进 行 加 热 ， 也 可 在 任何 压 力 或 真 空 中 进 行 加 热 。 由 于 电 弧 炉 炼 钢 具 有 上 述 特 点 ，能 保 证 冶 炼 含 磷 、 硫 、 氧 低 的 优 质 钢 ， 能 使 用 各 种 元 素(包 括 铝 、 铁 等 容 易 被 氧 化 的 元 素 )来 使 钢 合 金 化 ， 冶 炼 出各 种 类 型 的 优 质 钢 和 合 金 钢 。 电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理电 炉 炼 钢 另 一 个 优 点 是 基 建 投 资 少 ， 占 地 面 积 小 ， 流 程 断 ， 效 率 高 。 尤 其 是 和 转 炉 相 比 ， 它 可 以 用 废 钢 作 为 原料 ， 不 像 转 炉 那 样 需 要 热 铁 水 ， 所 以 不 需 要 一 套 庞 大 的 炼铁 和 炼 焦 系 统 。 从 长 远 观 点 看 ， 电 能 的 成 本 稳 定 ， 供 应 方 便 ； 电 孤 炉设 备 简 单 ， 操 作 方 便 ； 还 比 较 易 于 控 制 污 染 。 由 此 可 见 ，用 电 弧 炉 炼 钢 的 优 越 性 是 相 当 大 的 ， 所 以 现 在 世 界 各 国 都在 大 力 发 展 纯 氧 顶 吹 转 炉 的 同 时 ， 稳 步 地 发 展 电 弧 炉 炼 钢技 术 。 当 前 电 弧 炉 的 发 展 趋 势 是 ： 发 展 大 型 电 弧 炉 ； 发 展超 高 功 率 供 电 技 术 ； 采 用 各 种 炉 外 精 炼 法 ； 发 展 直 接 还 原法 炼 钢 ， 逐 步 扩 大 机 械 化 自 动 化 及 用 电 子 计 算 机 进 行 过 程控 制 等 。 目 前 世 界 范 围 电 炉 钢 占 粗 钢 比 例 为 35%左 右 ， 我 国 只有 15-16%， 还 有 很 大 发 展 空 间 。电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理 n 电 炉 的 分 类 按 炉 衬 耐 火 材 料 性 质 ： 酸 性 电 炉 、 碱 性 电 炉 按 电 流 特 性 ： 交 流 和 直 流 电 炉 按 功 率 大 小 ： 普 通 功 率 、 高 功 率 和 超 高 功 率 电 炉 按 废 钢 预 热 方 式 ： 竖 炉 、 双 壳 炉 、 炉 料 连 续 预 热 电 炉 按 出 钢 方 式 ： 槽 式 出 钢 、 偏 心 底 出 钢 （ EBT） 、 中 心 底出 钢 （ CBT） 及 水 平 出 钢 （ HOT） 电 炉 等n 电 炉 炼 钢 的 流 程 补 炉 装 料 （ 1-3次 ） 熔 化 期 （ 起 弧 、 穿 井 、 主 熔 、升 温 四 个 阶 段 ） 氧 化 期 （ 脱 磷 、 脱 碳 、 去 气 ） 还 原 期（ 脱 硫 、 脱 氧 、 调 成 分 ） 出 钢 浇 铸 或 炉 外 二 次 精 炼 。电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理 电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理下 图 为 炉 料 连 续 预 热 电 炉 （ Consteel） 示 意 图 l 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理 石 墨 电 极 在 电 炉 炼 钢 中 的 消 耗 量 主 要 与 电 极 本 身 质 量有 关 ， 也 与 炼 钢 的 炉 况 （ 如 炉 子 新 旧 、 有 无 机 械 故 障 、 是否 连 续 生 产 等 ） 和 炼 钢 操 作 （ 如 冶 炼 钢 种 、 吹 氧 时 间 、 炉料 情 况 等 ） 关 系 很 大 。 这 里 只 探 讨 石 墨 电 极 本 身 的 消 耗 情况 ， 其 消 耗 机 理 有 以 下 几 方 面 ：n 端 部 消 耗 包 括 电 弧 高 温 引 起 的 石 墨 材 料 升 华 以 及 电 极 端部 与 钢 水 及 炉 渣 发 生 化 学 反 应 的 损 失 。 端 部 高 温 升 华 速 率主 要 取 决 于 通 过 电 极 的 电 流 密 度 ， 其 次 与 电 极 侧 部 氧 化 后的 直 径 大 小 有 关 ， 端 部 消 耗 还 与 是 否 用 电 极 插 入 钢 水 增 炭有 关 。n 侧 部 氧 化 电 极 的 化 学 成 分 是 碳 ， 碳 在 一 定 条 件 下 与 空 气 、水 蒸 气 、 二 氧 化 碳 都 会 发 生 氧 化 反 应 ， 电 极 侧 部 氧 化 量 与单 位 氧 化 速 率 和 暴 露 面 积 有 关 。 一 般 情 况 下 ， 电 极 侧 部 氧电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理 化 量 要 占 电 极 总 消 耗 量 的 50%左 右 。 近 年 来 为 了 提 高 电 炉冶 炼 速 度 ， 更 增 加 了 吹 氧 操 作 的 频 次 ， 导 致 电 极 的 氧 化 损失 增 加 。 在 炼 钢 过 程 中 经 常 观 察 电 极 躯 干 的 发 红 程 度 和 下端 的 锥 度 是 衡 量 电 极 抗 氧 化 能 力 的 直 观 方 法 。n 残 端 损 失 电 极 连 续 使 用 到 上 下 两 根 电 极 连 接 处 时 ， 一 小段 电 极 或 接 头 （ 即 残 体 ） 因 本 体 的 氧 化 变 细 或 裂 纹 的 贯 通而 产 生 脱 离 。 残 端 损 失 的 大 小 与 接 头 形 状 扣 型 、 电 极 内 部结 构 、 电 极 柱 的 振 动 、 撞 击 有 关 。n 表 面 剥 落 及 掉 块 在 冶 炼 过 程 中 急 冷 急 热 ， 电 极 自 身 的 抗热 振 性 能 差 导 致 的 结 果 。n 电 极 折 断 包 括 电 极 躯 干 折 断 和 接 头 折 断 。 电 极 折 断 与 石墨 电 极 和 接 头 的 自 身 质 量 、 加 工 配 合 有 关 ， 也 与 炼 钢 操 作有 关 ， 产 生 原 因 往 往 是 钢 厂 与 电 极 生 产 厂 争 议 的 焦 点 。电 炉 炼 钢 简 介 及 石 墨 电 极 的 消 耗 机 理 谢 谢 大 家 的 聆 听 ！