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，煤瀝青為粘結劑，經捏合、成型、焙燒、浸漬、石墨化、機械加工等一系列工藝生產的耐高溫石墨導電制品。 材料。 石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導電材料。 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生的高溫作為熱源，熔化爐料進行煉鋼。 其他一些冶煉黃磷、工業硅、磨料等物料的潛水電爐也采用石墨電極作為導電材料。 利用石墨電極優良而特殊的物理化學性能，在其他工業部門也得到廣泛應用。

生產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焦化得到的可燃固體產品。 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。 石油焦廣泛應用于化工、冶金等行業。 是生產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。 前者是經延遲焦化得到的石油焦，含有大量揮發分，機械強度較低。 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原焦，煅燒作業大多在炭素廠進行。

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、熱膨脹系數極低、易石墨化的優質焦炭。 焦塊破碎時，可根據結構分裂成細長的條狀顆粒（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構，因此被稱為針焦點。

針狀焦物理機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電性和導熱性，并且具有較低的熱膨脹系數。 擠出成型時，大多數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鍵原料。 生產的石墨電極電阻率低、熱膨脹系數小、抗熱震性能好。

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

煤瀝青是煤焦油深加工的主要產品之一。 它是多種碳氫化合物的混合物。 常溫下為黑色半固體或高粘度固體。 它沒有固定的熔點。 加熱時它會軟化并熔化。 密度為1.25-1.35g/cm3。 按其軟化點分為低溫、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雜，與煤焦油的性質和雜原子含量有關，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有很多，如瀝青軟化點、甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）、焦化值和煤瀝青流變性等。

煤瀝青在炭素工業中用作粘結劑和浸漬劑，其性能對炭素制品的生產工藝和產品質量影響很大。 粘結劑瀝青一般采用軟化點適中、焦化值高、β樹脂含量高的中溫或中溫改性瀝青。 浸漬劑應采用軟化點較低、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工藝流程圖。

煅燒：碳質原料經高溫熱處理，排出其中所含的水分和揮發物，相應改善原料的物理、化學性能的生產過程稱為煅燒。 一般炭質原料采用氣體及其自身揮發分作為熱源進行煅燒，最高溫度為1250-1350℃。

煅燒使碳質原料的組織結構和理化性能發生深刻變化，主要體現在焦炭的密度、機械強度和導電率的提高，以及焦炭化學穩定性和抗氧化性能的提高，為后續工序打下基礎。 。

煅燒設備主要有罐式煅燒爐、回轉窯和電煅燒爐等。 煅燒質量控制指標為：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過破碎、研磨和篩分。

二級破碎通常是通過顎式破碎機、錘式破碎機、輥式破碎機等破碎設備將50mm左右的物料進一步破碎至配料所需的0.5-20mm粒度。

研磨是將碳質原料通過懸輥磨機（雷蒙磨）、球磨機等設備，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、結合劑等按照配方要求進行計算、稱重、濃縮的生產過程。 配方的科學適宜性和配料操作的穩定性是影響產品質量指標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，形成瀝青粘結層，使各物料相互粘結，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材料內部空隙中，進一步提高了膏體的致密性和粘結性。

成型：碳材料的成型是指捏合好的碳糊在成型設備施加的外力作用下發生塑性變形，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、設備和生產產品的類型：

成型方式

常用設備

主要產品

模壓

立式液壓機

電碳、低品位細結構石墨

擠壓

臥式液壓擠壓機

螺桿擠出機

石墨電極、方電極

振動成型

振動成型機

鋁用碳磚、高爐碳磚

等靜壓

等靜壓機

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。

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

②加料：壓機擋板提升----分2-3次放料----4次壓實

③預壓：壓力20-，時間3-5分鐘，同時抽真空

④擠壓：降低壓機擋板----5-擠壓----剪切----轉入冷卻水箱

擠壓技術參數：壓縮比、壓腔及口溫度、冷料溫度、預壓時間、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計的加熱爐中，在填料的保護下進行高溫熱處理，使綠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在一起。 焙燒炭產品機械強度高、電阻率低、熱穩定性和化學穩定性好。 。

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

生坯中的煤瀝青在焙燒過程中焦化，排出約10%的揮發分。 同時體積縮小2-3%，質量損失8-10%。 碳坯的物理和化學性能也發生了顯著變化。 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，焙燒坯的機械強度也有所提高。 以便改進。

二次焙燒是對焙燒品進行浸漬，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：

連續作業----環形爐（帶蓋或不帶蓋）、隧道窯

間歇作業——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℃

烘焙產品檢驗：外觀、電阻率、體積密度、抗壓強度、內部結構分析

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械強度，提高制品的導電性和導熱性。

浸漬工藝流程及相關技術參數為：焙燒坯——表面清理——預熱（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（罐內或罐外）

浸漬制品檢驗：浸漬增重率G=(W2-W1)/W1×100%

一次性浸漬產品增重率≥14%

二次浸漬制品增重率≥9%

三次浸漬產品增重率≥5%

石墨化是指將碳制品在高溫電爐中在保護介質中加熱至2300℃以上，使非晶亂層碳轉變為三維有序石墨晶體結構的高溫熱處理工藝。

石墨化的目的和作用：

①提高碳材料的導電、導熱性能（電阻率降低4-5倍，導熱系數提高10倍左右）；

②提高碳材料的抗熱震性和化學穩定性（線膨脹系數降低50-80%）；

③使碳材料具有潤滑性和抗磨性能；

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

石墨化工藝的實施：

碳材料的石墨化是在2300-3000℃的高溫下進行的。 因此，工業上只能通過電加熱來實現，即電流直接通過被加熱的烤品。 此時，裝入爐內的烘烤品通過電流產生高溫。 導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（）石墨化爐和內熱串聯（LWG）爐。 前者產量大、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成本的20-35%。

石墨化產品檢驗：外觀攻絲、電阻率測試

機械加工：碳石墨材料機械加工的目的是依靠切削加工達到所需的尺寸、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、接頭四點偏差等。用專用環規、板規檢查。

電極成品檢驗：精度、重量、長度、直徑、體積密度、電阻率、預裝配配合精度等。

石墨電極質量指標

反映石墨電極質量和性能的主要指標有：體積密度db、電阻率ρ、抗彎強度σ、彈性模量E、熱膨脹系數α和灰分A%。 根據這些指標的差異，以及原材料和制造工藝的差異，國家標準（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用戶需求又增加了高密度石墨電極（HD）和準超高石墨電極（SHP）兩種類型。

在國家標準的基礎上，每個公司都有自己的企業標準，客戶在訂購時也會提出自己的質量標準。

體積密度是石墨電極樣品的質量與其體積的比值，單位為g/cm3。 體積密度越大，電極越致密，與強度和抗氧化性能呈正相關。 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等。

電阻率是測量電極電導率的參數。 它是指電流通過導體時，導體對電流的抵抗能力的一種特性。 它在數值上等于長度為1m、截面積為1m2的導體在一定溫度條件下的電阻值。 單位為μΩ·m。 電阻率越低，導電性越好，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質原材料、提高產品體積密度、提高石墨化溫度等。

彎曲強度是表征石墨材料力學性能的參數。 它也稱為彎曲強度。 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。 石墨材料的強度與其他金屬和非金屬有顯著區別。 其強度隨溫度升高而增加，在2000-2500℃時達到最高，是常溫的1.8-2倍，然后下降。 強度高的電極和連接器在使用過程中不易斷裂。

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

彈性模量是機械性能的一個重要方面。 它是材料彈性變形能力的指標。 是指材料彈性變形范圍內應力與應變的比值。 單位為GPa。 彈性模量越大，產生一定彈性變形所需的應力也越大。 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。 產品的體積密度越高，越致密，彈性模量也越大。 但產品的耐熱震性能越差，越容易開裂、脫落。 生產中，往往通過調整配方的粒徑和產品的體積密度來確定更適合使用的彈性模量值。

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

石墨電極的熱膨脹系數是一個非常重要的熱參數。 值越低，產品的熱穩定性越強，抗氧化性越高。 這體現在使用中破損較少、消耗較低。

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

灰分是指產品中除碳、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%以內的灰分含量對煉鋼無明顯影響，但雜質元素中的灰分含量會降低電極的抗氧化性能。

抗熱震系數是表征抗熱震性能的參數。 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，w/m； σ——拉伸強度，MPa； E——彈性模量，MPa； λ——熱導率，w/m·k； α——熱膨脹系數，1/KK為相對值。 值越大，耐熱震性越強。 石墨電極的K值與其在電弧爐中的性能具有很高的相關性，即K值越高，電極的碎裂和斷裂越低。

電爐煉鋼簡介

現代煉鋼方法主要有轉爐煉鋼、平爐煉鋼和電爐煉鋼。 平爐煉鋼法已基本淘汰。 電爐煉鋼法與轉爐煉鋼法最根本的區別在于，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，因為感應爐、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生的電弧，在電弧中將電能轉化為熱能。 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。

石墨電極消耗機理

電爐煉鋼中石墨電極的消耗主要與電極本身的質量有關，也與煉鋼爐的條件有關（如爐子是新還是舊、有無機械故障、是否連續運轉等）。產量等）與煉鋼操作（如冶煉鋼種、吹氧時間、裝料條件等）有很大關系。 這里我們只討論石墨電極本身的消耗。 其消費機制有以下幾個方面：

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、爐渣發生化學反應的損耗。 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面的直徑有關。 最終消耗還與電極是否插入鋼水中添加碳有關。

側面氧化電極的化學成分是碳。 碳在一定條件下會與空氣、水蒸氣、二氧化碳發生氧化反應。 電極側面的氧化量與單位氧化率和暴露面積有關。 一般情況下，電極側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，導致電極的氧化損耗增加。 煉鋼過程中經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

當電極連續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、電極內部結構以及電極柱的振動和沖擊有關。

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、接頭的質量和加工配合以及煉鋼操作有關。 其原因往往是鋼廠與焊條生產企業糾紛的焦點。