石墨電極的生產(chǎn)工藝流程和質(zhì)量指標(biāo)的及消耗原理

1、目錄一、石墨電極的原料及制造工藝二、石墨電極的質(zhì)量指標(biāo)三、電爐煉鋼簡介及石墨電極的消耗機(jī)理石墨電極的原料及制造工藝 石墨電極是采用石油焦、針狀焦為骨料，煤瀝青為粘結(jié)劑，經(jīng)過混捏、成 型、焙燒、浸漬、石墨化、機(jī)械加工等一 系列工藝過程生產(chǎn)出來的一種耐高溫石 墨質(zhì)導(dǎo)電材料。石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導(dǎo)電材料，通過石墨電極向電爐輸 入電能，利用電極端部和爐料之間引發(fā)電弧產(chǎn)生的高溫作為熱源，使?fàn)t料熔化進(jìn)行 煉鋼。其他一些冶煉黃磷、工業(yè)硅、磨料等材料的礦熱爐也用石墨電極作為導(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)部門也有廣泛的用途。 生產(chǎn)石墨電極的原料有石油焦、針狀焦和煤瀝青 石油

2、焦是石油渣油、石油瀝青經(jīng)焦化后得到的可燃固體產(chǎn)物。色黑多孔，主 要元素為碳，灰分含量很低，一般在%以下。石油焦屬于易石墨化炭一類，石油焦在化工、冶金等行業(yè)中有廣泛的用途，是生產(chǎn)人造石墨制品及電解鋁用炭素制品的 主要原料。石油焦按熱處理溫度區(qū)分可分為生焦和煅燒焦兩種，前者由延遲焦化 所得的石油焦，含有大量的揮發(fā)分，機(jī)械強(qiáng)度低，煅燒焦是生焦經(jīng)煅燒而得。中國 多數(shù)煉油廠只生產(chǎn)生焦，煅燒作業(yè)多在炭素廠內(nèi)進(jìn)行。石油焦按硫分的高低區(qū)分，可分為高硫焦（含硫%以上）、中硫焦 （ 含硫%、） 和低硫焦 （含硫 %以下）三種，石墨電極及其它人造石墨制品生產(chǎn)一般使用低 硫焦生產(chǎn)。針狀焦是外觀具有明顯纖維狀紋理、熱膨

3、脹系數(shù)特別低和很容易石墨化的 一種優(yōu)質(zhì)焦炭，焦塊破裂時(shí)能按紋理分裂成細(xì)長條狀顆粒（長寬比一般在以上） ， 在偏光顯微鏡下可觀察到各向異性 的纖維狀結(jié)構(gòu)，因而稱之為針狀焦。 針狀焦物理機(jī)械性質(zhì)的各向異性十分明顯 , 平行于顆粒長軸方向具有 良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，熱膨脹系數(shù)較低，在擠壓成型時(shí)，大部分顆粒的長軸按擠出 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，制成的石 墨電極電阻率較低，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制煤瀝青原料 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。為多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮?溫下為黑色高粘度半固體

4、或固體，無固定的熔點(diǎn)，受熱后軟化，繼而熔化，密度為 cm3。按其軟化點(diǎn)高低分為低溫、中溫和高溫瀝青三種。中溫瀝青產(chǎn)率為煤焦油的 54 56。煤瀝青的組成極為復(fù)雜，與煤焦油的性質(zhì)及雜原子的含量有關(guān)，又受煉 焦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)很多， 如瀝青軟化點(diǎn)、 甲苯不溶物（ TI ）、喹啉不溶物（ QI）、結(jié)焦值和煤瀝青流變性等 。 煤瀝青在炭素工業(yè)中作為粘結(jié)劑和浸漬劑使用，其性能對(duì)炭素制品生 產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量影響極大。粘結(jié)劑瀝青一般使用軟化點(diǎn)適中、結(jié)焦值高、 樹脂 高的中溫或中溫改質(zhì)瀝青，浸漬劑要使用軟化點(diǎn)較低、 QI 低、流變性能好的中溫 瀝青。圖為炭素企業(yè)石墨電極生

5、產(chǎn)工藝流程圖煅燒：炭質(zhì)原料在高溫下進(jìn)行熱處理，排出所含的水分和揮發(fā)份，并相應(yīng)提高 原料理化性能的生產(chǎn)工序稱為煅燒。一般炭質(zhì)原料采用燃?xì)饧白陨頁]發(fā)份作為熱源 進(jìn)行煅燒，最高溫度為 1250- 1350 。煅燒使炭質(zhì)原料的組織結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能發(fā)生深刻變化，主要體現(xiàn)在提高了 焦炭的密度、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，提高了焦炭的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能，為后序工序奠 定了基礎(chǔ)。煅燒的設(shè)備主要有罐式煅燒爐、回轉(zhuǎn)窯和電煅燒爐。煅燒質(zhì)量控制指標(biāo)是石油焦真 密度不小于 cm3，電阻率不大于 550 .m, 針狀焦真密度不小于cm3，電阻率不大于500 .m。原料的破碎處理和配料 在配料之前，須對(duì)大塊煅后石油焦和針狀焦進(jìn)

6、行中碎、磨粉、篩分處理。 中碎通常是將 50mm左右的物料通過顎式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、對(duì)輥破碎機(jī)等 破碎設(shè)備進(jìn)一步破碎到配料所需的的粒度料。磨粉是通過懸棍式環(huán)輥磨粉機(jī)（雷蒙磨） 、球磨機(jī)等設(shè)備將炭質(zhì)原料磨細(xì)到或 粒徑以下的粉末狀小顆粒的過程。篩分是通過具有均勻開孔的一系列篩子，將破碎后尺寸范圍較寬的物料分成尺 寸范圍較窄的幾種顆粒粒級(jí)的過程，現(xiàn)行電極生產(chǎn)通常需要 4-5 個(gè)顆粒料粒級(jí)和 1-2 個(gè)粉 料粒級(jí)。配料是按配方要求，對(duì)各種粒度的骨料和粉料、粘 結(jié)劑分別計(jì)算、稱量和聚焦 的生產(chǎn)過程。 配方的科學(xué)性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)和使用性能的 最重要因素之一。配方需確定 5 方

7、面內(nèi)容： 選擇原料的種類； 確定不同種類原料的比例； 確定固體原料粒度組成； 確定粘結(jié)劑的用量；確定添加劑的種類和用量。 返回料的回用（生碎、石墨碎、焙燒碎） 配方基本原則：球體最緊密堆積原理 電極配方中最大顆粒尺寸的確定 大 顆粒配方混捏：在一定溫度下將定量的各種粒度炭質(zhì)顆粒料和粉料與定量的粘結(jié)劑 攪拌混合均勻，捏合成可塑性糊料的工藝過程稱為混捏?；炷蟮倪^程：干混（ 20-35 min ）濕混（ 40-55 min ） 混捏的作用： 干混時(shí)使各種原料混合均勻，同時(shí)使不同粒度大小的固體炭質(zhì)物料均勻地混 合和填充，提高混合料的密實(shí)度； 加入煤瀝青后使干料和瀝青混合均勻，液態(tài)瀝青均勻涂布和浸潤顆粒

8、表面， 形成一層瀝青粘結(jié)層，把所有物料互相粘結(jié)在一起，進(jìn)而形成均質(zhì)的可塑性糊料，有利于 成型； 部分煤瀝青浸透到炭質(zhì)物料內(nèi)部空隙，進(jìn)一步提高了糊料的密度和粘結(jié)性。 成型：炭材料的成型是指混捏好的炭質(zhì)糊料在成型設(shè)備施加的外部作用力 下產(chǎn)生塑性變形， 最終形成具有一定形狀、 尺寸、 密度和強(qiáng)度的生坯 （或稱生制品）的工藝過程。成型的種類、設(shè)備及所生產(chǎn)產(chǎn)品：成型方法常用設(shè)備主要產(chǎn)品模壓立式液壓機(jī)電碳、低檔次細(xì)結(jié)構(gòu)石墨擠壓臥式液壓擠壓 機(jī) 螺桿擠壓機(jī)石墨電極、方電極振動(dòng)成型振動(dòng)成型機(jī)鋁用碳磚、高爐碳 磚等靜壓等靜壓成型機(jī)各向同性石墨、異性石墨擠壓的操作涼料：圓盤涼料、圓筒涼料、混捏式?jīng)隽系确绞?排出揮

9、發(fā)份、降低至適宜溫度( 90-120 )增加 粘結(jié)力，使 糊料塊度均勻利于成型20-30 min 裝料：壓機(jī)升擋板 分 2-3 次下料 4-10MPa 壓實(shí) 預(yù)壓：壓力 20-25MPa，時(shí)間 3-5min ，同時(shí)抽真空 擠壓：壓機(jī)降擋板 5-15MPa 擠壓 剪切 翻入冷卻 水槽擠壓的技術(shù)參數(shù)：壓縮比、壓機(jī)料室及嘴型溫度、涼料溫度、預(yù)壓壓力時(shí)間、擠壓 壓力、擠壓速度、冷卻水溫度 生坯的檢查：體積密度、外觀敲擊、剖析 焙燒：是炭制品生坯在填充料保護(hù)下、裝入專門設(shè)計(jì)的加熱爐內(nèi)進(jìn)行高溫 熱處理 , 使生坯中的煤瀝青炭化的工藝過程。煤瀝青炭化后形成的瀝青焦將炭質(zhì)骨 料和粉料顆粒固結(jié)在一起 , 焙燒后

10、的炭制品具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較低的電阻率、 較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。焙燒是炭素制品生產(chǎn)的主要工序之一 , 也是石墨電極生產(chǎn)三大熱處理過程中 的重要一環(huán) , 焙燒生產(chǎn)周期較長(一焙 22-30 天，二焙依爐型 5-20 天) , 而且能耗較高。 生坯焙燒的質(zhì)量對(duì)成品質(zhì)量和生產(chǎn)成本都有一定影響 。生坯內(nèi)煤瀝青在焙燒過程中焦化， 排出 10%左右的揮發(fā)份， 同時(shí)體積產(chǎn)生 2-3%的收縮， 質(zhì)量損失 8-10%。炭坯的理化性能也發(fā)生了顯著變化， 由于氣孔率增加體積密度由cm3 降為 cm3，電阻率 10000 .m 左右降至 40- 50 .m，焙燒坯的機(jī)械強(qiáng)度也大為提高。二次焙燒是焙燒品浸漬后進(jìn)

11、行再次焙燒，使浸入焙燒品孔隙中的瀝青炭化的 工藝過程。 生產(chǎn)體積密度要求較高的電極 （除 RP以外的所有品種） 和接頭坯料需進(jìn)行二焙， 接頭坯料還需進(jìn)行三浸四焙或二浸三焙。焙燒爐主要爐型：連續(xù)作業(yè) 環(huán)式爐（帶蓋、不帶蓋） 、隧道窯間歇作業(yè) 倒焰窯、車底式焙燒爐、箱式焙燒爐焙燒曲線及最高溫度：一次焙燒 320 、 360、 422、 480 小時(shí)， 1250 二次焙燒 125 、240 、 280 小時(shí)， 700-800 焙燒品的檢查：外觀敲擊、電阻率、體積密度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)部結(jié) 構(gòu)剖析 浸漬是將炭材料置于壓力容器中，在一定的溫度和壓力條件下將液態(tài)浸漬 劑瀝青浸入滲透到制品電極孔隙中的工藝過程。

12、目的是降低制品氣孔率，增加制品 體積密度和機(jī)械強(qiáng)度，改善制品的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。浸漬的工藝流程及相關(guān)技術(shù)參數(shù)是：焙燒坯表面清理預(yù)熱（ 260-380 ， 6-10 小時(shí)） 裝入浸漬罐抽真空（ 8-9KPa ，40-50min ）注瀝青（ 180-200 ） 加壓（小時(shí)）返瀝青冷卻（罐內(nèi)或罐外）浸漬品的檢查：浸漬增重率 G=（W2-W1）/W 1100%一次浸漬品增重率 14%二次浸漬品增重率 9%三次浸漬品增重率 5%石墨化是指在高溫電爐內(nèi)保護(hù)介質(zhì)中把炭制品加熱到 2300 以上 , 使無定 形亂層結(jié)構(gòu)炭轉(zhuǎn)化成三維有序石墨晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的高溫?zé)崽幚磉^程。平面六角網(wǎng)格層狀結(jié)構(gòu)石墨化的目的和作用： 提高炭

13、材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性（電阻率降低 4-5 倍，導(dǎo)熱性提高約 10 倍）； 提高炭材料的抗熱振性能和化學(xué)穩(wěn)定性（線膨脹系數(shù)降低50-80%）；使炭材料具有潤滑性和抗磨性； 排出雜質(zhì)，提高炭材料的純度（制品的灰分由降到%左右）。石墨化過程的實(shí)現(xiàn)：炭材料的石墨化是在 2300-3000 高溫下進(jìn)行的，故工業(yè)上只有通過電加熱方式才能實(shí)現(xiàn)，即電流直接通過被加熱的焙燒品，這時(shí)裝入爐內(nèi)的焙燒品既是通過電流產(chǎn) 生高溫的導(dǎo)體，又是被加熱到高溫的對(duì)象。目前廣泛采用的爐型有艾奇遜（ Acheson ）石墨化爐和內(nèi)熱串接 （LWG）爐。前 者產(chǎn)量大、溫差大、電耗較高，后者加熱時(shí)間短、電耗低、電阻率均勻但不好裝接頭。 石

14、墨化工藝過程的控制是通過測溫確定與升溫情況相適應(yīng)的電功率曲線進(jìn)行 控制，通電時(shí)間艾奇遜爐 50-80 小時(shí)， LWG爐 9-15 小時(shí)。石墨化的電耗很大，一般為3200-4800KWh，工序成本約占整個(gè)生產(chǎn)成本的20-35%石墨化品的檢查：外觀敲擊、電阻率測試機(jī)械加工：炭石墨材料機(jī)械加工的目的是依靠切削加工來到達(dá)所需要的尺 寸、形狀、精度等，制成符合使用要求電極本體和接頭。石墨電極加工分為電極本體和接頭兩個(gè)獨(dú)立加工過程。本體加工包括鏜孔與粗平端面、車外圓與精平端面和銑螺紋 3 道工序，圓錐形接頭的 加工可分為 6 道工序：切斷、平端面、車錐面、銑螺紋、鉆孔安栓和開槽。 電極接頭連接方式：圓錐形

15、接頭連接（一吋三扣和一吋四扣） 、圓柱形接頭連 接、凹凸連接（公母扣連接） 加工精度的控制：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、電極端面平整度、接頭四點(diǎn)偏差等。用專用環(huán)規(guī)和板規(guī)等檢查。 成品電極的檢查：精度、重量、長度、直徑、體積密度、電阻率、預(yù)裝配合精 度等。石墨電極的質(zhì)量指標(biāo)反映石墨電極質(zhì)量和使用性能的指標(biāo)主要有：體積密度db、電阻率 、抗折強(qiáng)度 、彈性模量 E、熱膨脹系數(shù) 和灰分 A%。根據(jù)這幾項(xiàng)指標(biāo)的差異以及原料和制造工藝的不同， 國家標(biāo)準(zhǔn) （YB/T 4088/89/90-2000） 中將石墨電極分為普通功率石墨電極（RP）、高功率石墨電極（ H

16、P）、超高功率石墨電極（ UHP）三種。后石墨電極生產(chǎn)廠根據(jù)用戶使用需求增加了 高體密石墨電極（ HD）和準(zhǔn)超高石墨電極（ SHP）兩種。在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，各企業(yè)有自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，客戶訂貨時(shí)也會(huì)提出自己的質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)。表為方大炭素的 RP、 HP及 UHP電極內(nèi)控質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格普通功率高功率超高功率 300 350 400 450 400 450電阻率 m不大于電極接頭體積密度 g/cm 3不小于電極接頭抗折強(qiáng)度 Mpa 不小于電極接頭彈性摸量 Gpa 不大于電極接頭熱膨脹系數(shù)10-6 1/ 不大于電極接頭體積密度是石墨電極試樣的質(zhì)量與其體積的比值，單位g/cm3，體積密度越大說明電極越密實(shí)，與強(qiáng)

17、度、抗氧化性能是正相關(guān)，一般而言，同品種電極體積密 度越大，其電阻率也越低。提高體積密度的途徑是：調(diào)整配方、增加小粒級(jí)料和粉料用量，用真密度高的 焦，使用結(jié)焦值高的瀝青和增加浸漬次數(shù)等。電阻率是來衡量電極的導(dǎo)電能力的參數(shù)，是指電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體對(duì)電流阻力的一種性質(zhì)，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 m。電阻率越低，電極在使用中導(dǎo)電性越好、消耗就越低。降低電阻率的途徑有：使用優(yōu)質(zhì)原料，提高制品體積密度，提高石墨化溫度等。 抗折強(qiáng)度是表征石墨材料的力學(xué)性能的參數(shù)，也叫抗彎強(qiáng)度，是指當(dāng)外力 與物體軸線相垂直，物體受外力作用后先呈彎曲到折斷瞬間的極限抵抗能

18、力，單位 為 MPa。石墨材料的強(qiáng)度有個(gè)與其他金屬非金屬顯著不同的特點(diǎn)，其強(qiáng)度隨溫度升 高而增大， 在 2000-2500 達(dá)到最高， 為常溫的倍， 之后有所下降。 強(qiáng)度高的電極、 接頭，在使用中越不易折斷。提高抗折強(qiáng)度的途徑是：減小配方中焦炭的粒度，提高炭質(zhì)原料強(qiáng)度，提高制品的 體積密度，減少制品內(nèi)部缺陷等。彈性模量是力學(xué)性能的一個(gè)重要方面，是衡量材料彈性形變能力的指標(biāo)，指材料在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變的比值，單位為GPa。彈性模量越大，要產(chǎn)生一定彈性變形所需的應(yīng)力越大，簡單講，彈性模量越大材料越脆，彈性模量越小 材料越柔。彈性模量的高低對(duì)電極使用起一個(gè)綜合性的作用，制品的體積密度越高越密

19、 實(shí)，彈性模量越大，但制品的抗熱振性能越差，越易產(chǎn)生開裂掉塊。在生產(chǎn)中，往往通過 配方粒級(jí)的調(diào)整、制品體積密度的高低掌握一個(gè)比較適應(yīng)使用要求的彈性模量值。熱膨脹系數(shù)是指材料受熱后膨脹程度的度量，即當(dāng)溫度升高1時(shí)，引起單位的固體材料試樣在某一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 110-6/ 。在沒有特別注明之處，熱膨脹系數(shù)均指線膨脹系數(shù)，石墨電 極軸向和徑向線膨脹系數(shù)差異很大，徑向要比軸向大倍，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)是非常重要的熱學(xué)參數(shù)，數(shù)值越低，表明制品的熱穩(wěn)定性越強(qiáng)，抗 氧化性越高，表現(xiàn)在使用上反映出折斷越少，消耗越低

20、。降低熱膨脹系數(shù)的途徑：主要由原料固有性能決定使用質(zhì)量好的原料，配方使 用粒度較大配方或增加大顆粒用量（但會(huì)使制品密度和強(qiáng)度降低） 。 灰分是指制品中除碳石墨之外的其他固體元素含量。石墨電極中的灰分主 要受所用原料的灰分大小影響，石油焦針狀焦灰分較低，所以石墨電極灰分一般不 超過 %，灰分含量在 1%以內(nèi)對(duì)煉鋼無明顯影響，但灰分中的雜質(zhì)元素會(huì)降低電極的 抗氧化性能?？篃嵴褚蜃邮潜碚骺篃嵴裥阅艿膮?shù)，抗熱振性能是材料自身的一種特性，它表述 的是承受急冷急熱的一種性能，換句話說，是材料在一定的溫度梯度之下抗碎裂的 一種性能 ，是影響電極使用的一個(gè)很重要的綜合性的因素。k?EK抗熱震因子， w/m；抗拉強(qiáng)度， MPa；E彈性模量， MPa；熱導(dǎo)率， w/mk；熱膨脹系數(shù)， 1/K K 為一相對(duì)值，該值越大，抗熱振性能就越強(qiáng)。 石墨電極的 K值 與其在電弧爐中的表現(xiàn)有著較高的相關(guān)性，即較高的K 值，對(duì)應(yīng)于電極較低的破碎和斷裂。電爐煉鋼簡介 近現(xiàn)代煉鋼方法主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼法、平爐煉鋼法和電爐煉鋼法。平爐煉鋼法已 基本被淘汰，電爐煉鋼法與轉(zhuǎn)爐煉鋼法最根本的差別在于，電爐煉鋼法是以電能作為熱源， 而電弧爐煉鋼是應(yīng)用得最為普遍的電爐煉鋼方法。我們通常所說的電爐煉鋼，主要是指電 弧爐煉鋼，因?yàn)槠渌愋偷碾姞t如感應(yīng)電爐、電渣爐等所煉的鋼數(shù)量較