石墨電極的制造、性能及使用
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1、 石 墨 電 極 的 制 造 、性 能 及 使 用 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l 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
2、 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(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 。 l 生 產(chǎn) 石 墨 電 極 的 原 料 有 石 油 焦 、 針 狀 焦 和 煤 瀝 青l(xiāng) 石
3、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
4、 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) 。 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 針 狀 焦 是 外 觀 具 有 明 顯 纖 維 狀 紋 理
5、 、 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(shí) 能 按 紋 理分 裂 成 細(xì) 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(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
6、 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 。 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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
7、 體 或 固 體 , 無固 定 的 熔 點(diǎn) , 受 熱 后 軟 化 , 繼 而 熔 化 , 密 度 為 1.251.35g/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
8、( 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(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 。 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 石 油 焦 ( 針 狀 焦 ) 煅 燒 破 碎 、篩 分 及配 料 混 捏 成 型
9、焙 燒 浸 漬再 次焙 燒石 墨化機(jī) 械加 工成 品 檢 驗(yàn)、 包 裝 冶 金 焦 粉 、石 英 砂( 電 阻 料 ) ( 保 濕 料 ) ( 粘 結(jié) 劑 瀝 青 ) ( 浸 漬 劑 瀝 青 )冶 金焦 粒破 碎( 填 充 料 )下 圖 為 炭 素 企 業(yè) 石 墨 電 極 生 產(chǎn) 工 藝 流 程 圖 : 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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 氣 及 自
10、 身 揮 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 2.07g/cm3, 電阻 率 不
11、 大 于 550.m,針 狀 焦 真 密 度 不 小 于 2.12g/cm3,電 阻 率 不 大 于 500.m。 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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(jìn) 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 輥 破 碎 機(jī) 等 破 碎 設(shè) 備 進(jìn) 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
12、 粉 機(jī) ( 雷 蒙 磨 ) 、 球 磨 機(jī) 等設(shè) 備 將 炭 質(zhì) 原 料 磨 細(xì) 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(gè) 顆 粒 料 粒 級 和 1-2個(gè) 粉 料粒 級 。 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 配 料 是 按 配 方 要 求 , 對 各 種 粒 度 的 骨 料 和 粉 料
13、 、 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 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 。n 返 回 料 的 回 用 ( 生 碎 、 石 墨 碎 、 焙 燒 碎 ) n 配 方 基 本 原 則 : 球
14、 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 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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 。 混 捏 的 過 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
15、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 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 。 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 成 型 : 炭 材 料 的成 型
16、 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 : 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝成 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
17、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 n 擠 壓 的 操 作 涼 料 : 圓 盤 涼 料 、 圓 筒 涼 料 、 混 捏 式 涼 料 等 方 式 排 出 揮 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 -
18、翻 入 冷 卻 水 槽n 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 n 生 坯 的 檢 查 : 體 積 密 度 、 外 觀 敲 擊 、 剖 析 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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
19、將 炭 質(zhì) 骨 料 和 粉 料 顆粒 固 結(jié) 在 一 起 , 焙 燒 后 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 成 品 質(zhì) 量 和 生 產(chǎn) 成 本 都 有 一 定 影 響 。 生 坯 內(nèi)
20、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 1.70g/cm 3降 為 1.60g/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 。 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 二 次 焙 燒 是 焙 燒 品 浸 漬 后 進(jìn) 行 再 次 焙 燒 , 使 浸 入 焙燒 品 孔 隙 中 的 瀝
21、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 。n 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n 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 、 28
22、0 小 時(shí) , 700-800 n 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 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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 。 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
23、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 ( 1.2-1.5MPa,3-4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)/W1 100% 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 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 石 墨 化 是 指 在 高
24、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 熱 處 理 過 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 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) ,
25、 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 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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 象 。 目 前 廣 泛 采 用 的 爐 型 有 艾 奇
26、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 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
27、墨 化 品 的 檢 查 : 外 觀 敲 擊 、 電 阻 率 測 試 石 墨 電 極 的 原 料 及 制 造 工 藝 l 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
28、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(diǎn) 偏 差 等 。 用 專 用 環(huán) 規(guī) 和 板 規(guī) 等 檢 查 。 成 品 電 極 的
29、 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 原 料 及 制 造 工 藝 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)
30、、 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(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) 。 下 表 為 方 大 炭 素 的 RP、 HP及 UHP電 極 內(nèi) 控 質(zhì) 量 標(biāo) 準(zhǔn) 石 墨 電 極 的 質(zhì) 量 指 標(biāo) 石 墨 電 極 的 質(zhì) 量 指 標(biāo)規(guī) 格 普 通 功
31、率 高 功 率 超 高 功 率 300 350 400 450 400 450電 阻 率 m不 大于 電 極 8.5 6.5 5.5接 頭 6.5 5.5 4.5體 積 密 度g/cm 3不 小 于 電 極 1.53 1.52 1.62 1.62 1.67 1.66接 頭 1.69 1.73 1.75抗 折 強(qiáng) 度 Mpa不 小 于 電 極 8.5 7.0 10.5 9.8 11.0接 頭 15.0 16.0 20.0彈 性 摸 量 Gpa不 大 于 電 極 9.3 12.0 14.0接 頭 14.0 16.0 18.0熱 膨 脹 系 數(shù)10 -61/ 不 大于 電 極 2.9 2.4 1.5
32、接 頭 2.8 2.2 1.4 l 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) 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 。l 電 阻 率 是 來 衡 量 電 極
33、 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 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 。 石 墨 電 極 的 質(zhì) 量 指 標(biāo) l 抗 折 強(qiáng) 度 是 表 征 石 墨 材 料 的 力 學(xué) 性 能
34、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 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 1.8-2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
35、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 。l 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 。 石 墨 電 極 的 質(zhì) 量
36、指 標(biāo) 彈 性 模 量 的 高 低 對 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 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 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 。l 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
37、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(biāo) 中 的 熱 膨 脹 系 數(shù)是 指 軸 向 熱 膨 脹 系 數(shù) 。 石 墨 電 極 的 質(zhì) 量 指 標(biāo) 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
38、 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 。 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 ) 。l 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
39、 , 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(huì) 降 低 電 極 的 抗 氧 化 性 能 。 石 墨 電 極 的 質(zhì) 量 指 標(biāo) Ek l 抗 熱 振 因 子 是 表 征 抗 熱 振 性 能 的 參 數(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
40、一 個(gè) 很 重 要 的 綜 合 性 的 因 素 。 K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/KK為 一 相 對 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 應(yīng) 于 電 極 較 低 的 破 碎 和 斷 裂 。 石 墨 電 極 的 質(zhì) 量 指 標(biāo) 電 爐 煉 鋼 簡 介 及 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 理l 電 爐 煉 鋼 簡 介 近
41、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
42、 極 和 爐 料 間 放 電 產(chǎn) 生 的 電 弧 , 使 電能 在 弧 光 中 轉(zhuǎn) 變 為 熱 能 , 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 。 n 電 爐 煉 鋼 的 特 點(diǎn) 電 爐 煉 鋼 與 其 他 煉 鋼 方 法 相 比 較 , 有 其 獨(dú) 特 的 優(yōu) 點(diǎn) 。電 弧 爐 煉 鋼 是 靠 電 弧 進(jìn) 行 加 熱 的 , 其 溫 度 可 以 高 達(dá)2000 以 上 , 超 過 了 其 他 煉 鋼 爐 用 一 般 燃 料 燃 燒 加 熱 時(shí)所 能 達(dá) 到 的 最
43、高 溫 度 。 同 時(shí) , 熔 化 爐 料 時(shí) 熱 量 大 部 分 是 在被 加 熱 的 爐 料 包 圍 中 產(chǎn) 生 的 , 而 且 無 大 量 高 溫 廢 氣 帶 走 的熱 損 失 , 所 以 熱 效 率 比 平 爐 、 轉(zhuǎn) 爐 煉 鋼 法 要 高 。 用 電 能 加熱 還 能 精 確 控 制 溫 度 。 因 為 爐 內(nèi) 沒 有 可 燃 燒 氣 體 , 所 以 可以 根 據(jù) 工 藝 要 求 在 各 種 不 同 的 氣 氛 中 進(jìn) 行 加 熱 , 也 可 在 任何 壓 力 或 真 空 中 進(jìn) 行 加 熱 。 由 于 電 弧 爐 煉 鋼 具 有 上 述 特 點(diǎn) ,能 保 證 冶 煉 含 磷 、
44、硫 、 氧 低 的 優(yōu) 質(zhì) 鋼 , 能 使 用 各 種 元 素(包 括 鋁 、 鐵 等 容 易 被 氧 化 的 元 素 )來 使 鋼 合 金 化 , 冶 煉 出各 種 類 型 的 優(yōu) 質(zhì) 鋼 和 合 金 鋼 。 電 爐 煉 鋼 簡 介 及 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 理電 爐 煉 鋼 另 一 個(gè) 優(yōu) 點(diǎn) 是 基 建 投 資 少 , 占 地 面 積 小 , 流 程 斷 , 效 率 高 。 尤 其 是 和 轉(zhuǎn) 爐 相 比 , 它 可 以 用 廢 鋼 作 為 原料 , 不 像 轉(zhuǎn) 爐 那 樣 需 要 熱 鐵 水 , 所 以 不 需 要 一 套 龐 大 的 煉鐵 和 煉 焦 系 統(tǒng) 。 從 長 遠(yuǎn)
45、 觀 點(diǎn) 看 , 電 能 的 成 本 穩(wěn) 定 , 供 應(yīng) 方 便 ; 電 孤 爐設(shè) 備 簡 單 , 操 作 方 便 ; 還 比 較 易 于 控 制 污 染 。 由 此 可 見 ,用 電 弧 爐 煉 鋼 的 優(yōu) 越 性 是 相 當(dāng) 大 的 , 所 以 現(xiàn) 在 世 界 各 國 都在 大 力 發(fā) 展 純 氧 頂 吹 轉(zhuǎn) 爐 的 同 時(shí) , 穩(wěn) 步 地 發(fā) 展 電 弧 爐 煉 鋼技 術(shù) 。 當(dāng) 前 電 弧 爐 的 發(fā) 展 趨 勢 是 : 發(fā) 展 大 型 電 弧 爐 ; 發(fā) 展超 高 功 率 供 電 技 術(shù) ; 采 用 各 種 爐 外 精 煉 法 ; 發(fā) 展 直 接 還 原法 煉 鋼 , 逐 步 擴(kuò) 大
46、 機(jī) 械 化 自 動(dòng) 化 及 用 電 子 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 過 程控 制 等 。 目 前 世 界 范 圍 電 爐 鋼 占 粗 鋼 比 例 為 35%左 右 , 我 國 只有 15-16%, 還 有 很 大 發(fā) 展 空 間 。電 爐 煉 鋼 簡 介 及 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 理 n 電 爐 的 分 類 按 爐 襯 耐 火 材 料 性 質(zhì) : 酸 性 電 爐 、 堿 性 電 爐 按 電 流 特 性 : 交 流 和 直 流 電 爐 按 功 率 大 小 : 普 通 功 率 、 高 功 率 和 超 高 功 率 電 爐 按 廢 鋼 預(yù) 熱 方 式 : 豎 爐 、 雙 殼 爐 、 爐 料 連 續(xù)
47、 預(yù) 熱 電 爐 按 出 鋼 方 式 : 槽 式 出 鋼 、 偏 心 底 出 鋼 ( EBT) 、 中 心 底出 鋼 ( CBT) 及 水 平 出 鋼 ( HOT) 電 爐 等n 電 爐 煉 鋼 的 流 程 補(bǔ) 爐 裝 料 ( 1-3次 ) 熔 化 期 ( 起 弧 、 穿 井 、 主 熔 、升 溫 四 個(gè) 階 段 ) 氧 化 期 ( 脫 磷 、 脫 碳 、 去 氣 ) 還 原 期( 脫 硫 、 脫 氧 、 調(diào) 成 分 ) 出 鋼 澆 鑄 或 爐 外 二 次 精 煉 。電 爐 煉 鋼 簡 介 及 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 理 電 爐 煉 鋼 簡 介 及 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 理下
48、 圖 為 爐 料 連 續(xù) 預(yù) 熱 電 爐 ( Consteel) 示 意 圖 l 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 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(jī) 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(shí) 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(jī) 理 有 以 下 幾 方 面 :n 端 部 消 耗 包 括 電 弧 高 溫
49、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(xué) 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) 。n 側(cè) 部 氧 化 電 極 的 化 學(xué) 成 分 是 碳 , 碳 在 一 定 條 件 下 與 空 氣 、水 蒸 氣 、 二 氧 化 碳 都 會(huì) 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
50、 有 關(guān) 。 一 般 情 況 下 , 電 極 側(cè) 部 氧電 爐 煉 鋼 簡 介 及 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 理 化 量 要 占 電 極 總 消 耗 量 的 50%左 右 。 近 年 來 為 了 提 高 電 爐冶 煉 速 度 , 更 增 加 了 吹 氧 操 作 的 頻 次 , 導(dǎo) 致 電 極 的 氧 化 損失 增 加 。 在 煉 鋼 過 程 中 經(jīng) 常 觀 察 電 極 軀 干 的 發(fā) 紅 程 度 和 下端 的 錐 度 是 衡 量 電 極 抗 氧 化 能 力 的 直 觀 方 法 。n 殘 端 損 失 電 極 連 續(xù) 使 用 到 上 下 兩 根 電 極 連 接 處 時(shí) , 一 小段 電 極
51、或 接 頭 ( 即 殘 體 ) 因 本 體 的 氧 化 變 細(xì) 或 裂 紋 的 貫 通而 產(chǎn) 生 脫 離 。 殘 端 損 失 的 大 小 與 接 頭 形 狀 扣 型 、 電 極 內(nèi) 部結(jié) 構(gòu) 、 電 極 柱 的 振 動(dòng) 、 撞 擊 有 關(guān) 。n 表 面 剝 落 及 掉 塊 在 冶 煉 過 程 中 急 冷 急 熱 , 電 極 自 身 的 抗熱 振 性 能 差 導(dǎo) 致 的 結(jié) 果 。n 電 極 折 斷 包 括 電 極 軀 干 折 斷 和 接 頭 折 斷 。 電 極 折 斷 與 石墨 電 極 和 接 頭 的 自 身 質(zhì) 量 、 加 工 配 合 有 關(guān) , 也 與 煉 鋼 操 作有 關(guān) , 產(chǎn) 生 原 因 往 往 是 鋼 廠 與 電 極 生 產(chǎn) 廠 爭 議 的 焦 點(diǎn) 。電 爐 煉 鋼 簡 介 及 石 墨 電 極 的 消 耗 機(jī) 理 謝 謝 大 家 的 聆 聽 !
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