石墨電極的生產(chǎn)工藝流程和質(zhì)量指標的及消耗原理

目錄一、石墨電極的原料及制造工藝二、石墨電極的質(zhì)量指標三、電爐煉鋼簡介及石墨電極的消耗機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，使爐料熔化進行煉鋼。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0.5%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，機械強度低，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)進行。石油焦按硫分的高低區(qū)分，可分為高硫焦（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，焦塊破裂時能按紋理分裂成細長條狀顆粒（長寬比一般在1.75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，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。為多種碳氫化合物的混合物，常溫下為黑色高粘度半固體或固體，無固定的熔點，受熱后軟化，繼而熔化，密度為1.25－1.35g/cm3。按其軟化點高低分為低溫、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很多，如瀝青軟化點、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適中、結(jié)焦值高、β樹脂高的中溫或中溫改質(zhì)瀝青，浸漬劑要使用軟化點較低、QI低、流變性能好的中溫瀝青。下圖為炭素企業(yè)石墨電極生產(chǎn)工藝流程圖煅燒：炭質(zhì)原料在高溫下進行熱處理，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)原料采用燃氣及自身揮發(fā)份作為熱源進行煅燒，最高溫度為1250-1350℃。煅燒使炭質(zhì)原料的組織結(jié)構(gòu)和物理化學性能發(fā)生深刻變化，主要體現(xiàn)在提高了焦炭的密度、機械強度和導(dǎo)電性，提高了焦炭的化學穩(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)量控制指標是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。原料的破碎處理和配料在配料之前，須對大塊煅后石油焦和針狀焦進行中碎、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、錘式破碎機、對輥破碎機等破碎設(shè)備進一步破碎到配料所需的0.5-20mm的粒度料。磨粉是通過懸棍式環(huán)輥磨粉機（雷蒙磨）、球磨機等設(shè)備將炭質(zhì)原料磨細到0.15mm或0.075mm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的過程，現(xiàn)行電極生產(chǎn)通常需要4-5個顆粒料粒級和1-2個粉料粒級。配料是按配方要求，對各種粒度的骨料和粉料、粘結(jié)劑分別計算、稱量和聚焦的生產(chǎn)過程。配方的科學性適宜性和配料操作的穩(wěn)定性是影響產(chǎn)品質(zhì)量指標和使用性能的最重要因素之一。配方需確定5方面內(nèi)容：①選擇原料的種類；②確定不同種類原料的比例；③確定固體原料粒度組成；④確定粘結(jié)劑的用量；⑤確定添加劑的種類和用量。石墨化的目的和作用：①提高炭材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性（電阻率降低4-5倍，導(dǎo)熱性提高約10倍）；②提高炭材料的抗熱振性能和化學穩(wěn)定性（線膨脹系數(shù)降低50-80%）；③使炭材料具有潤滑性和抗磨性；④排出雜質(zhì)，提高炭材料的純度（制品的灰分由0.5-0.8%降到0.3%左右）。石墨化過程的實現(xiàn)：炭材料的石墨化是在2300-3000℃高溫下進行的，故工業(yè)上只有通過電加熱方式才能實現(xiàn)，即電流直接通過被加熱的焙燒品，這時裝入爐內(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，后者加熱時間短、電耗低、電阻率均勻但不好裝接頭。石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)的電功率曲線進行控制，通電時間艾奇遜爐50-80小時，LWG爐9-15小時。石墨化的電耗很大，一般為3200-4800KWh，工序成本約占整個生產(chǎn)成本的20-35%石墨化品的檢查：外觀敲擊、電阻率測試機械加工：炭石墨材料機械加工的目的是依靠切削加工來到達所需要的尺寸、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獨立加工過程。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)量指標反映石墨電極質(zhì)量和使用性能的指標主要有：體積密度db、電阻率ρ、抗折強度σ、彈性模量E、熱膨脹系數(shù)α和灰分A%。根據(jù)這幾項指標的差異以及原料和制造工藝的不同，國家標準(YB/T4088/89/90-2000)中將石墨電極分為普通功率石墨電極（RP）、高功率石墨電極（HP）、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）和準超高石墨電極（SHP）兩種。在國家標準基礎(chǔ)上，各企業(yè)有自己的企業(yè)標準，客戶訂貨時也會提出自己的質(zhì)量標準。下表為方大炭素的RP、HP及UHP電極內(nèi)控質(zhì)量標準規(guī)格普通功率高功率超高功率≤φ300≥φ350≤φ400≥φ450≤φ400≥φ450電阻率μΩ·m不大于電極8.56.55.5接頭6.55.54.5體積密度g/cm3不小于電極1.531.521.621.621.671.66接頭1.691.731.75抗折強度Mpa不小于電極8.57.010.59.811.0接頭15.016.020.0彈性摸量Gpa不大于電極9.312.014.0接頭14.016.018.0熱膨脹系數(shù)10-61/℃不大于電極2.92.41.5接頭2.82.21.4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，與強度、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，導(dǎo)體對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μΩ·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?？拐蹚姸仁潜碚魇牧系牧W性能的參數(shù)，也叫抗彎強度，是指當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力，單位為MPa。石墨材料的強度有個與其他金屬非金屬顯著不同的特點，其強度隨溫度升高而增大，在2000-2500℃達到最高，為常溫的1.8-2倍，之后有所下降。強度高的電極、接頭，在使用中越不易折斷。提高抗折強度的途徑是：減小配方中焦炭的粒度，提高炭質(zhì)原料強度，提高制品的體積密度，減少制品內(nèi)部缺陷等。彈性模量是力學性能的一個重要方面，是衡量材料彈性形變能力的指標，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。彈性模量的高低對電極使用起一個綜合性的作用，制品的體積密度越高越密實，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，往往通過配方粒級的調(diào)整、制品體積密度的高低掌握一個比較適應(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，即當溫度升高1℃時，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1×10-6/℃。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0.8-1倍，石墨電極質(zhì)量指標中的熱膨脹系數(shù)是指軸向熱膨脹系數(shù)。石墨電極的熱膨脹系數(shù)是非常重要的熱學參數(shù)，數(shù)值越低，表明制品的熱穩(wěn)定性越強，抗氧化性越高，表現(xiàn)在使用上反映出折斷越少，消耗越低。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（但會使制品密度和強度降低）?；曳质侵钢破分谐际獾钠渌腆w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0.5%，灰分含量在1%以內(nèi)對煉鋼無明顯影響，但灰分中的雜質(zhì)元素會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很重要的綜合性的因素。K——抗熱震因子，w/m；σ——抗拉強度，MPa；E——彈性模量，MPa；λ——熱導(dǎo)率，w/m·k；α——熱膨脹系數(shù)，1/KK為一相對值，該值越大，抗熱振性能就越強。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，因為其他類型的電爐如感應(yīng)電爐、電渣爐等所煉的鋼數(shù)量較少。電弧爐煉鋼是靠電極和爐料間放電產(chǎn)生的電弧，使電能在弧光中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并借助輻射和電弧的直接作用加熱并熔化金屬和爐渣，冶煉出各種成分的鋼和合金的一種煉鋼方法。石墨電極的消耗機理石墨電極在電爐煉鋼中的消耗量主要與電極本身質(zhì)量有關(guān)，也與煉鋼的爐況（如爐子新舊、有無機械故障、是否連續(xù)生產(chǎn)等）和煉鋼操作（如冶煉鋼種、吹氧時間、爐料情況等）關(guān)系很大。這里只探討石墨電極本身的消耗情況，其消耗機理有以下幾方面：端部消耗包括電弧高溫引起的石墨材料升華以及電極端部與鋼水及爐渣發(fā)生化學反應(yīng)的損失。端部高溫升華速率主要取決于通過電極的電流密度，其次與電極側(cè)部氧化后的直徑大小有關(guān)，端部消耗還與是否用電極插入鋼水增炭有關(guān)。側(cè)部氧化電極的化學成分是碳，碳在一定條件下與空氣、水蒸氣、二氧化碳都會發(fā)生氧化反應(yīng)，電極側(cè)部氧化量與單位氧化速率和暴露面積有關(guān)。一般情況下，電極側(cè)部氧化量要占電極總消耗量