石墨電極的生產工藝流程和質量指標的及消耗原理

石墨電極的生產工藝流程和質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出來的一種耐高溫石墨質導電材料。石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導電材料，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)煉油廠只生產生焦，煅燒作業(yè)多在炭素廠內進行。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一般使用低硫焦生產。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構，因而稱之為針狀焦。針狀焦物理機械性質的各向異性十分明顯,平行于顆粒長軸方向具有良1.25好的導電導熱性能，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的油系針狀焦和以精制煤瀝青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。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1.35g/cm3。按其軟化點高低分為低溫、中溫和高溫瀝青三種。中溫瀝青產率為煤焦油的54－56％。煤瀝青的組成極為復雜，與煤焦油的性質及雜原子的含量有關，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）、結焦值和煤瀝青流變性等。煤瀝青在炭素工業(yè)中作為粘結劑和浸漬劑使用，其性能對炭素制品生產工藝和產品質量影響極大。粘結劑瀝青一般使用軟化點適中、結焦值高、β樹脂高的中溫或中溫改質瀝青，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)石墨電極生產工藝流程圖煅燒：炭質原料在高溫下進行熱處理，排出所含的水分和揮發(fā)份，并相應提高原料理化性能的生產工序稱為煅燒。一般炭質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℃。煅燒使炭質原料的組織結構和物理化學性能發(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。煅燒的設備主要有罐式煅燒爐、回轉窯和電煅燒爐。煅燒質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）、球磨機等設備將炭質原料磨細到 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、粘結劑分別計算、稱量和聚焦的生產過程。配方的科學性適宜性和配料操作的穩(wěn)定性是影響產品質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確定粘結劑的用量；⑤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顆粒料和粉料與定量的粘結劑攪拌混合均勻，捏合成可塑性糊料的工藝過程稱為混捏?；炷蟮倪^程：干混（ 20-35min）濕混（40-55min）混捏的作用：①干混時使各種原料混合均勻，同時使不同粒度大小的固體炭質物料均勻地混合和填充，提高混合料的密實度；②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， 形成一層瀝青粘結層，把所有物料互相粘結在一起，進而形成均質的可塑性糊料，有利于成型；③部分煤瀝青浸透到炭質物料內部空隙，進一步提高了糊料的密度和粘結性。成型：炭材料的成型是指混捏好的炭質糊料在成型設備施加的外部作用力下產生塑性變形，最終形成具有一定形狀、尺寸、密度和強度的生坯（或稱生制品）的工藝過程。成型的種類、設備及所生產產品：成型方法 常用設備 主要產品模壓電碳、低檔次細結立式液壓機構石墨擠壓 臥式液壓擠壓 石墨電極、方電極機螺桿擠壓機鋁用碳磚、高爐碳振動成型 振動成型機磚各向同性石墨、異等靜壓 等靜壓成型機性石墨擠壓的操作①涼料：圓盤涼料、圓筒涼料、混捏式?jīng)隽系确绞脚懦鰮]發(fā)份、降低至適宜溫度（90-120℃）增加粘結力，使糊料塊度均勻利于成型20-30min②裝料：壓機升擋板 ---- 分2-3 次下料----4-10MPa 壓實③預壓：壓力20-25MPa，時間3-5min，同時抽真空④擠壓：壓機降擋板----5-15MPa 擠壓----剪切---- 翻入冷卻 水槽擠壓的技術參數(shù)：壓縮比、壓機料室及嘴型溫度、涼料溫度、預壓壓力時間、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下、裝入專門設計的加熱爐內進行高溫熱處理,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骨料和粉料顆粒固結在一起,焙燒后的炭制品具有較高的機械強度、較低的電阻率、較好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。焙燒是炭素制品生產的主要工序之,也是石墨電極生產三大熱處理過程中的重要一環(huán),焙燒生產周期較長（一焙22-30天，二焙依爐型5-20天）,而且能耗較高。生坯焙燒的質量對成品質量和生產成本都有一定影響。生坯內煤瀝青在焙燒過程中焦化，排出10%左右的揮發(fā)份，同時體積產生2-3%的收縮，質量損失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/cm3降為1.60g/cm3，電阻率10000μΩ.m左右降至40-50μΩ.m，焙燒坯的機械強度也大為提高。二次焙燒是焙燒品浸漬后進行再次焙燒，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）和接頭坯料需進行二焙，接頭坯料還需進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，1250℃二次焙燒----125 、240 、280 小時，700-800℃焙燒品的檢查：外觀敲擊、電阻率、體積密度、抗壓強度、內部結構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。目的是降低制品氣孔率，增加制品體積密度和機械強度，改善制品的導電和導熱性能。浸漬的工藝流程及相關技術參數(shù)是：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，40-50min）——注瀝青（180-200℃）——加壓1.2-1.5MPa,3-4小時）——返瀝青——冷卻（罐內或罐外）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%石墨化是指在高溫電爐內保護介質中把炭制品加熱到 2300℃以上,使無定形亂層結構炭轉化成三維有序石墨晶質結構的高溫熱處理過程。平面六角網(wǎng)格層狀結構石墨化的目的和作用：①提高炭材料的導電、導熱性（電阻率降低4-5倍，導熱性提高約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，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，這時裝入爐內的焙燒品既是通過電流產生高溫的導體，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）石墨化爐和內熱串接(LWG)爐。前者產量大、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、預裝配合精度等。石墨電極的質量指標反映石墨電極質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量標準。下表為方大炭素的RP、HP及UHP電極內控質量標準規(guī)格電電阻率極μΩ·m接不大于頭電體積密極度g/cm3接不小于頭電抗折強極度Mpa接不小于頭電彈性摸極量Gpa接不大于頭

普通功率 高功率 超高功率≤φ≥φ≤φ≥φ≤φ≥φ3003504004504004508.5 6.5 5.56.5 5.5 4.51.531.521.621.621.671.661.69 1.73 1.758.5 7.0 10.59.8 11.015.0 16.0 20.09.3 12.0 14.014.0 16.0 18.0熱膨脹電2.41.52.9系數(shù)極10-61/℃接2.21.4不大于2.8頭體積密度是石墨電極試樣的質量與其體積的比值，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，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：調整配方、增加小粒級料和粉料用量，用真密度高的焦，使用結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電能力的參數(shù)，是指電流通過導體時，導體對電流阻力的一種性質，數(shù)值上等于長度為1m、截面2積為1m的導體在一定溫度條件下的電阻值，單位μΩ·m。電阻率越低，電極在使用中導電性越好、消耗就越低。降低電阻率的途徑有：使用優(yōu)質原料，提高制品體積密度，提高石墨化溫度等。抗折強度是表征石墨材料的力學性能的參數(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，提高炭質原料強度，提高制品的體積密度，減少制品內部缺陷等。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，應力和應變的比值，單位為GPa。彈性模量越大，要產生一定彈性變形所需的應力越大，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，越易產生開裂掉塊。在生產中，往往通過配方粒級的調整、制品體積密度的高低掌握一個比較適應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）。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0.5%，灰分含量在1%以內對煉鋼無明顯影響，但灰分中的雜質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k述?的是E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)有著較高的相關性，即較高的值，對應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， 而電弧爐煉鋼是應用得最為普遍的電爐煉鋼方法。 我