石墨电极生产工艺标准.doc

+论文题目：石墨电极生产工艺的研究摘要 石墨电极,主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，以及在石墨电极生产过程中影响石墨电极质量的因素，并对如何提高石墨电极的质量提出了建议，指出了原材料质量的重要性，提出了添加炭纤维改善电极强度；改进电极接头形状，减少接头故障提高电极寿命。关键词：石墨电极,煅烧;配料,混捏,压型,焙烧,石墨化,机加工The research of Graphite electrodes production technologyabstractGraphite electrodes, primarily petroleum coke, needle coke, coal tar pitch as binder, calcined, ingredients, kneading, pressing, baking, graphite, machined and made to arc in electric arc furnace in the form of release electrical energy to heat the charge materials melt conductor, and graphite electrode production process factors affect the quality of graphite electrodes, graphite electrodes and how to improve the quality of recommendations, points out the importance of quality raw materials, by adding the carbon fiber to improve the electrode strength; improved electrode connector shape, reduce joint failure to improve electrode life.Keywords: graphite electrode; calcined; ingredients; kneading; profiling; roasting; graphite; machining目 录一、 引言二、 原料选用及煅烧2.1 原料的种类2.2 煅烧三、 配料与成型3.1 配料3.2 压型3.2.1 干料温度对生坯体密的影响3.2.2 沥青温度对生坯体密的影响3.2.3 糊料的下料温度与料室温度对生坯体密的影响四、 焙烧4.1焙烧过程4.2焙烧过程中的影响因素4.2.1升温速度的影响4.2.2 压力的影响4.3 填充料五、 浸渍5.1 浸渍工艺六、 电极石墨化6.1 石墨化转化理论6.2影响石墨化的主要因素6.2.1 原料6.2.2温度 停留时间 6.2.3压力6.3 石墨化生产工艺6.3.1 装炉6.3.2 通电6.3.3 冷却和卸炉6.4串接电极间的接触方式七、 石墨化成品的机械加工7.1电极及接头加工工艺7.1.2 切削用量的基本知识7.1.3 电极加工工艺7.1.4 接头的生产工艺八 提高电极质量 减少电极损耗8.1 骨料和粘结剂的选用8.2 接头设计的改进设想8.3 石墨电极折损原因及其抑制措施 九、 结语十、参考文献十一、谢词一 、引言随着现代工业的飞速发展，对工业上用的钢铁质量的要求越来越高，为了改善钢铁的质量，降低炼钢的生产成本，这样就对炼钢用石墨电极的生产提出了更高的要求，石墨电极是电炉炼钢的重要高温导电材料，通过石墨电极向电炉输入电能，利用电极端部和炉料之间引发电弧产生的高温为热源，使炉料熔化进行炼钢，其他一些电冶炼或电解设备也常使用石墨电极为导电材料。2000年全世界消耗石墨电极100万t左右，中国2000年消耗石墨电极25万t左右。利用石墨电极优良的物理化学性能，在其他工业部门中也有广泛的用途，以生产石墨电极为主要品种的炭素制品工业已经成为当代原材料工业的重要组成部门。本文就现代生产石墨电极的先进工艺做了详细的阐述。根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。主要分为三类（1）普通功率石墨电极（RP）。允许使用电流密度低于 17A厘米2的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。（2）高功率石墨电极(HP)。允许使用电流密度为1825A厘米2的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。（3）超高功率石墨电极(UHP)。允许使用电流密度大于 25A厘米 2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。石墨电极主要用于用途：（1）电炉炼钢。电炉炼钢是利用石墨电极向炉内导入电流，强大的电流在电极下端通过气体产生电弧放电，利用电弧产生的热量来进行冶炼。根据电炉容量的大小，配用不同直径的石墨电极，为使电极连续使用，电极之间靠电极螺纹接头进行连接。炼钢用石墨电极约占石墨电极总用量的7080。(2)用于矿热电炉。石墨电极矿热电炉主要用于生产铁合金，纯硅、黄磷、冰铜和电石等，其特点是导电电极的下部埋在炉料中，因此除电板和炉料之间的电弧产生热量外，电流通过炉料时由炉料的电阻也产生热量。每吨硅需消耗石墨电极150kg左右，每吨黄磷需消耗石墨电极约40kg。(3)用于电阻炉。生产石墨制品用的石墨化炉、熔化玻璃的熔窑和生产碳化硅用的电炉等都是电阻炉，炉内所装物料既是发热电阻，又是被加热的对象。通常，导电用的石墨电极插入炉床端部的炉头墙中，故导电电极并不连续消耗【1】。石墨电极生产工艺流程图如下： 图1-1 石墨电极生产工艺流程图石墨电极具有如下特点：(1)耐高温性能好石墨随温度的升高，强度不会下降，反而有所增加，石墨在(8001300) 高温段工作，能满足电极强度的需要。(2)稳定性能好石墨在急冷急热条件下服役(如盐炉频繁启动与停炉)，不易因产生裂纹而断裂。(2)导电性能好石墨随温度的升高，导电性能也提高，在高温段服役，本身耗能少，有利于节能。(3)导热性能特殊在盐炉工作温度范围(800 1300) ，石墨的导热性能下降，有利于炉子保温性能的提高。(4)化学稳定性好石墨是碳最稳定的一种变体，在(800-1300)范围，石墨抗熔盐腐蚀能力强，故石墨电极耐用，寿命长。由于在石墨电极实际生产中，总成品率起伏较大，本文详细介了各个工艺过程，每个生产工艺的影响因素及所要控制的工艺参数，以及提高电极质量的几点建议。期望能够对石墨电极的生产质量控制和产品成品率的提高等起到一点借鉴作用。二、 原料选用及煅烧2.1 原料的种类石油焦，是黑色或暗灰色坚硬固体石油产品，带有金属光泽，呈多孔性，是由微小石墨结晶形成粒状、柱状或针状构成的炭体物。石油焦组分是碳氢化合物，含碳9097%，含氢1.58%，还含有氮、氯、硫及重金属化合物。针状焦，具有明显的针状结构和纤维纹理，主要用作炼钢中的高功率和超高功率石墨电极。由于针状焦在硫含量、灰分、挥发分和真密度等方面有严格质量指标要求，所以对针状焦的生产工艺和原料都有特殊的要求。煤沥青，是由煤干馏得到的煤焦油再经蒸馏加工制成的沥青。室温下为黑色脆性块状物, 有光泽；臭味, 熔融时易燃烧, 并有毒。属二级易燃固体。做石墨电极用的沥青软化点在7590之间。生产石墨电极是作为粘结剂。2.2 煅烧煅烧是生产炭和石墨制品的第一道工序，煅后料的质量直接影响炭素产品的质量。炭质原料中由于氢以碳氢化合物的形式存在，且与碳原子的价电子结合。碳原子失去自由电子，这就使石油焦原料在煅烧前有较高的电阻率。但煅后焦的性能与其内部结构有直接关系，石墨层排列有序，点(层)堆积缺陷少，石墨化程度高，则电导率就高，质量就好。一般认为煅烧机理是，在煅烧初期，原料中挥发分逸出，氢含量降低，体积收缩，真密度提高；随煅烧温度的提高，虽然挥发分排除量减少，但热解反应加快，碳氢键断裂，氢排除，碳原子由结合状态解放出来，使煅烧原料导电性提高，电阻率降低，体积进一步收缩。而煅烧料真密度的提高，主要是由于煅烧料在高温下不断逸出挥发分并同时发生分解、缩聚反应，导致结构重排和体积收缩的结果。同样的生焦质量，煅烧温度越高，晶体缺陷越少，煅后焦挥发分越低，真密度越高。 经煅烧能够除去生料中的水分，挥发份及部分的硫，同时经煅烧后原料的体积收缩稳定，各种物化性能指标大幅度改善、提高，对提高最终产品的质量起着十分重要的作用，煅烧后原料的质量指标见表一。表2-1 燃烧料质量指标 指标项目比电阻mm2/m比重g/m3灰分%石油焦沥青焦无烟煤<5.5<6.5 <12.02.082.050.731.01.112.0三、配料与成型3.1 配料煅后焦经过破碎后，可以得到不同大小的碳质颗粒材料，为了获得高质量的石墨制品，我们要把不同粒度的碳质材料和不同种类的原料适当的混合。用合适的称量设备，按配方要求准确的称取不同粒度的重量，在碳和石墨制品生产中，正确的制定配方和准确的配料操作，对以后的压型、焙烧石墨化工序都有很大的影响。现在的生产配方中，都是根据具体的条件，经过长期的生产实践中逐步总结、完善起来的。在确定一个配方时，要注意每种产品在使用不同原料时，骨料的颗粒组成及粘结剂的用量也岁着相应的调整，理论分析告诉我们，等大的球采取相同的堆积情况，最大的空间填充率为74.05%，这样在球中间形成两种类型的间隙，一种四面体间隙和一种八面体间隙，填充四面体空隙的球体直径是基本球体的0.225，而填充八面体空隙的球体直径能够等于大颗粒球体的0.441。用实验法选择各种粒度的比例时，首先用两种颗粒做实验，用一种大颗粒和另外一种小颗粒，以大颗粒料重量为100克，然后把它分别和0100克的第二种颗粒混合，然后取所得最大容重的混合物100克，再与0100克的第三种颗粒混合，再选取第三种容重最大的混合物，与第四粒度的混合，做一系列实验，知道得到合适的混合料为止，下图是少灰焦1.51.0和1.01.3毫米的两种混合物的容重。表3-1 两种粒度不同配比所得的混合物容重号 数G（1.50.3）G（1.00.3）混合物容重g/cm31234567891010010010010010010010010010010001020304050607080900.6760.7080.7110.7200.7230.7200.7150.7120.7190.705从上述表中可以看出，第五次实验的容积比重最大，这时两中粒度的百分组成为1.51.0占100/(100+40)=71.4%1.00.3占100/(100+40)=28.6%根据这种比列就可以得到最大容重的混合物。3.2 压型混捏的目的是为了得到均匀的具有良好塑性的糊料，但由于某些因素的变化会使混捏质量发生很大的变化，造成产品质量不稳定，通过实验证明，采用软化点再8090的硬沥青时,湖料温度应提高到168174，在这个温度范围内，沥青对干料的湿润性和粘结性能最好，所得的糊料有良好的塑性和挤压性能，混合时间，一般干混为30分钟，湿混时间为40分钟，如果混合时间过长，会使大颗粒遭到破坏，破坏原来的颗粒组成，会是产品的体密降低，塑性变差，气孔率增大，机械强度降低。 最主要的就是成型型了，成型有挤压成型，震动成型和模压法。现在工厂多采用的是2500t或3500t的挤压机挤压成型，成型前，腰将所得到的糊料在凉料机中从168174降至116，而且晾了的时间不得超过11分钟，而且不的低于8分钟，晾了后要在保温台撒谎能够保温20 分钟，保温台上层和中层温度要控制在120，下层温度要控制在118，保温20分钟后，将保温好的糊料装入挤压机的缸内，用挤压机的柱塞对糊料加压，预压35分钟，压力一般不小于25MPa,制品通过安装在糊缸前面的嘴子，挤压出来，挤压机一般为间歇生产，生产分三个阶段，第一阶段：当柱塞头开始加压，糊料颗粒和快的移动，大的糊料空隙被小的颗粒所填充，颗粒间的接触趋于紧密，这一阶段糊料的紧密度主要取决于糊料的粒度和结构，若糊料快多就容易出现架桥现象。第二阶段：当压头继续施压，电极的密度就逐渐增大，在这一阶段电极的密度是均匀增加，当密度达到一定值时压力继续增加而密度却增加缓慢。第三阶段：压力达到一定极限值时，这一阶段可是电极的密度趋于均一，然后从压机嘴中挤出电极，在压型过程中，各项工艺参数为：压机料室温度120，压机嘴型温度1303，压机嘴口温度150，每秒钟挤出电极长度不大于9mm，否则将出现电极内裂或是造成废品【2】。在挤压成型过程中，温度对电极生坯质量影响的因素很多，主要有以几点：3.2.1 干料温度对生坯体密的影响混合料在混捏锅中干混到一定时间，准备加沥青时所测得的混合料的温度称为干料温度，干料温度的高低对生坯体密有重要影响。干料温度偏低，达到规定温度的沥青(一般由沥青的软化点为依据设定)进人干料进行混捏浸润时，由于热交换，使加入的沥青温度降低，从而增大了沥青的粘稠度，致使沥青与料的浸润角变小导致沥青对料的浸润性变差，从而影响了糊料的塑性。这样的糊料表面看沥青量偏大而实际料是发散的，会引起我们对加入沥青量合适与否的误导，在压型过程中也会给凉料工造成确定下料温度的误导，按照高油低下的原则进行了下料，实际却造成下料温度偏低，出现诸如裂纹、气泡、内裂废品增多，同时由于料的浸润程度不同，在挤压过程中料的运动速度存在大的差异易造成分层废品的增加。更为主要的是在缸体内的糊料由于沥青的浸润不匀和温度偏低造成料的啮合不紧，致使挤压出的生坯单只重量低(各厂有自己的规定长度)。另外，在压型过程中抽真空时，由于负压作用本来就浸润不透的糊料中沥青一部分回缩到外表，嘴型与料的接触面层较严重，致使料的内部浸润更为不匀，同等压力挤压时，也造成料挤压不实，影响单重。同时也使生坯挤出嘴型时弹性后胀增加，生坯直径增大，从而造成生坯体密低。3.2.2 沥青温度对生坯体密的影响沥青的温度是指熔化好加入混捏锅时所测的沥青的温度，一般行业专家认为沥青温度在沥青软化点的18倍左右为宜，在此温度时沥青对料的浸润角最佳，这样才能保证在干料温度达到规定时加入沥青后，使沥青的粘稠度不受影响，才获得塑性较好的糊料，也才能保证糊料的温度控制在沥青软化点的1.5-1.7倍，才能获得体密较高，质量优良的生坯【3】。3.2.3 糊料的下料温度与料室温度对生坯体密的影响在实际生产中凉料设备无论是匾盘式凉料机还是滚筒凉料机在凉料时都存在料块的内外温差，那么究竟外表温度还是料内温度为下料温度呢?为便于操作和尽量减小误差，现在部分厂家以生坯挤压出时中心温度作为控制参数，作为调整下料温度的依据，而实践证明这个温度(反映下料时的温度)的高低对生坯体密有着较大的影响。下料温度偏低时(测中心温度sp+05C时)，由于糊料下料温度较低造成糊料在料室中运动挤压时，同样的压力挤压密实程度低，从而造成单重低，道理前面已经阐述，而抽真空度已决定了直径的大小。所以决定体密大小的只是单重，单重低体密就低，这与我们想获得体密高的生坯是相悖的。稍提高下料温度，测的生坯挤压出的中心温度为sp+lOl5时，由于下料的温度与嘴型和料室温度匹配合理，而且温差小于5C，这时挤压出的生坯不但各料啮合紧挤压密实，而且不会造成嘴型与料的接触面表面沥青层的二次加热，从而使挤压出制品不只是单重增加，而且直径也无大的回胀，从而获得了较大体密的生坯，为短流程电极生坯体密能达到一定高的数值夯实基础。四、焙烧为使石墨电极具备使用时的一系列物理化学性能，使沥青粘结剂进行分解和聚合反应，和各种分子的内部重排反应，必须将电极生坯按一定的工艺条件进行焙烧，使粘结剂焦化，在骨料颗粒间形成焦化网络，把所有不同粒度的骨料颗粒牢固的链接在一起，才能使电极具有一定的机械强度，耐热耐腐蚀，导电导热性良好的成品或者半成品。焙烧的目的主要在于排除挥发份、降低比电阻、固定几何形状、粘结剂焦化，体积得到充分的收缩【4】。通过实验得到下表，为电极在焙烧前后的理化指标比较表4-1 焙烧前后石墨电极理化指标的比较No.指标焙烧前焙烧后123456挥发份（%）真密度（g/cm3）体积密度(g/cm3)比电阻10-6/m孔度（%）抗压强度kg/ cm213141.76约1.68约1000034600132.002.101.581.6440502226280500 4.1焙烧过程电极在焙烧过程中主要在36式环式焙烧炉中进行，其过程主要是粘结剂沥青焦化的过程，随着温度的升高，沥青发生分解和聚合反应，还有各种分子的内部重排反应，其过程如下：（1） 室温升高至200时，电极的粘结剂开始软化，电极处于塑性状态，还没有发生显著的变化。（2）当制品的温度升至200300时，首先吸附水和化合水以及碳的氧化物和轻馏分被排除.（3）当温度升至300时，粘结剂开始进行分解和聚合反应，随着温度的升高，气体的排出量随着增加，当温度上升至400度以上时，反应则表现最为激烈，同时粘结剂的体积开始收缩，500600时，粘结剂形成半焦，570以上半焦热解，并在电极的表面形成一层致密的碳层，粘结剂焦化后留下的焦炭的数量即结焦残炭率，这是一个很重要的指标，焙烧的升温速度对结焦残炭率影响很大，当升至800时，气体排除减少。这个阶段的反应如下：A:加成反应CH2=CH-CH=CH2 + CH2=CH-R R基环己二烯B：分解反应例如C24-H50 正构烷烃分子在约425时的中间断开的分解，可按下列方式进行：C24-H50C12H26+C12H24CH12H26C6H14+C6H12C6H14C3H8+C3H6C:聚合反应分解和聚合两种反应时同时发生的，由于分子的热分解，形成不饱和化合物，其反应能力很强，很容易进行聚合反应，例如丙烷的热分解生成甲烷和乙烯，其反应式：C3H8CH4+C2H6乙烯再经聚合首先生成丁烯，丁烯再经脱氢后成为丁二烯，丁二烯再与乙烯反应生成环烷烃，环烷烃脱氢变成苯，D：当制品升至800以上时由于这种连续的分解和聚合链接最牢固的分子就在未挥发残油中积聚起来，链接不牢固的就逐渐断掉而减小，这样，就按化学键的强度进行淘汰，使分子更加的紧密，稳定性更大，进而产生巨大的平面分子，它是由排成正六角的碳原子网格而组成的，成为碳青质。这种分解和聚合反应会在催化剂的作用下显著增加。铜和铁对反应就有促进作用。4.2焙烧过程中的影响因素4.2.1升温速度的影响在焙烧的不同阶段要控制不同的升温速度，降低焙烧升温速度可以减少挥发份排除量，相应的增加析焦量，但是在考虑升温速度的快慢时，应按阶段考虑，在焙烧前期可以按70/h，在中期要按40/h升温，后期降温时也不能太快。4.2.2 压力的影响实际的焙烧并不是在封闭体系总进行的，粘结剂分解所生成的气体从制品的气孔和填充料随着流过炉室的热气流经烟道而进入大气中，起初粘结剂的蒸汽压随着温度的升高而增大，当蒸汽压等于或大于外时，分解气体就不断的从电极内部溢出，当这些气体受到的阻力不大时，电极外围的气体浓度就会因气体的不断流走而降低，但是电极内围的气体浓度则比外面高，造成电极内外分解气体的浓度差，同时在电极内外和保护介质中都存在着浓度梯度，当保护介质和炉室的其他空间中分解气体的浓度越低，电极中分解气体扩散出来的速度就会越大，这就直接促进制品中分解反应的进行，由于分解产物的排除，能进行再聚合的分子数因而就减少，故粘结剂的析焦量就会减少。4.3 填充料在焙烧过程中，还有一个最主要的就是填充料，填充料的作用一就是防止电极氧化，温度在高于400时，如电极直接与火焰接触，会发生氧化使电极烧损，填充料的存在则避免电极直接与火焰接触，作用二就是传导热量、使电极均匀受热，在焙烧过程中，通过填充料本身的颗粒将热量传递给电极，因此电极受热会比较均匀。作用三就是固定电极的形状防止电极变形，煤沥青在温度达到软化点的温度时就会软化，并在其自重的作用下，而发生流态变形，但在填充料的保护下电极就会受到均一的挤压力，因此在制品软化时，其原来的形状就可以得到保持。常用于焙烧炉填充料的材料主要有冶金焦、河沙、无烟煤、石油焦等。目前国内多采用冶金焦，石英沙。对于要求较高强度，较高功率的石墨电极，除了在配料中加入适量的针状焦之外，还要经过二次或三次焙烧。五 浸渍经压型后的生坯电极孔度很低，但经焙烧后，由于粘结剂在焙烧过程中分解成气体逸出，另一部分焦化成沥青焦，焙烧后的半成品电极孔度大大增加，也就是体密大大的降低，生成沥青焦的体积远远小于煤沥青原来占有的体积，虽然在焙烧过程中稍有收缩，但仍在电极内部形成许多不规则的并且孔度大小不等的微小气孔，如石墨化后电极的总孔度一般达2532%，由于气孔的存在必然对碳素制品的理化性能产生一定的影响，一般来说，石墨化制品的孔度增加，其体积密度降低，电阻率上升，机械强度减小，在一定温度下的氧化速度加快，耐腐蚀性能也随之变差气体和液体很容易渗透。为了提高石墨电极的密度和强度，降低其电阻率，焙烧半成品常用煤沥青浸渍，浸渍后在进行石墨化的电极，体积密度可以从1.55g/cm3增加到1.65 g/cm3，孔度也从2532%降至2225%抗压强度也提高100kg/cm3.常用的浸渍剂时煤沥青，煤沥青要求水分不大于0.2%，灰分不大于0.5%挥发份为6070%，软化点在75至90之间【5】。5.1 浸渍工艺焙烧后的半成品经清理表面后，装入铁框内，先称重后装入预热罐中预热，根据电极的规格不同预热相应的时间，450mm以下的电极预热6小时，450550mm的预热时间为8小时，550mm以上的预热时间为10小时，预热温度为280-320之间。预热后的产品迅速的连同铁框一起装入浸渍罐中，浸渍前预热罐已经加热至100以上，关上罐盖子，开始抽真空，真空度要求在600mmHg以上，保持50分钟，抽真空完毕后加入浸渍剂煤沥青，然后开始加压，利用压力将浸渍剂压入电极的气孔中。抽真空完毕后，检查压缩空气管道是否有水，如有水的话，需要先放水，否则会影响增重率，然后视电极的规格大小选择合适的加压时间，一般为四个小时。增重率时浸渍后增加的重量与浸渍前的重量之比，以次来衡量浸渍产品是否符合要求。同样，为了提高产品的质量，满足客户的要求，焙烧后的电极半成品也要经过二次或者三次浸渍。一次浸渍的增重率要求达到11%以上，二次浸渍的增重率要达到8%以上，三次浸渍的增重率则不限。浸渍所用的浸渍剂煤沥青需要定期的更换，其中游离的含碳量和悬浮的杂质不断的增多，会影响浸渍效果。六 电极石墨化所谓石墨化，就是使六角碳原子平面网络从二维空间的无序重叠变为三维空间的有序重叠具有石墨结构的高温热热处理过程（一般需要2300以上）。说白了就是将碳转变为石墨。焙烧品和石墨化品最主要的差别就在于碳原子与碳原子的晶格在排列顺序和成都上存在着差异。6.1 石墨化转化理论碳质原料的初始物质，都是稠环芳烃化合物，这些多环化合物由于热的作用，经过连续不断的分解和聚合等一系列反应，最终生成含碳量较高的碳青质，碳青质的结构式二维平面的堆集体，网络的边缘有各种侧键，如官能团、异类原子等，由于他们间分子间力的相互作用，使得平面网格做一定角度的扭转，这是一种特殊的物质，既不是非晶体也不是结晶体，在微晶理论上称之为“微晶”。这种微晶可以视为一个大原子团，他们有六角形规则的排列结构，具有转化为石墨结构的基础【6】。由于含碳物质原来的化学组成、分子结构的不同，碳化后这些原子团的聚集状态也不一样。可石墨化的难易程度也不一样，一般以平行定向堆积和杂乱交错堆积来区分原料石墨化的难以程度，例如像石油焦、无烟煤、针状焦等，由于在他们的内部微晶大原子团的堆积都是平行定向的，交叉连结很少，所以他们都易石墨化。像糖碳、碳黑等，由于他们内部的微晶聚集时杂乱的，取向不定，在加上这些材料多微孔，它们就难石墨化。介于两者之间的有沥青焦、冶金焦等，沥青焦的原材料都是经过氧化的高温沥青，含氧较多，故微晶间的交叉就较多，冶金焦时含有多辆有机物的烟煤的焦化产物，微孔特别发达，交叉连接也比较多。6.2影响石墨化的主要因素6.2.1 原料无定形碳可转变为石墨，是因为无定形碳时由微晶大原子团堆积而成，它分为易石墨化碳、难石墨化碳、和介于两者之间的碳。易石墨化碳结构整齐完善，平行定向，石墨化后的制品结构比较均一。难石墨化碳排列混乱，微晶之间牢固的架桥结构妨碍了微晶之间的平行排列，微晶合并比较困难。6.2.2温度 停留时间 图6-1 温度和石墨化程度的关系温度在该温度下石墨化时间min电阻相邻晶层距离埃2000225025302780300068636760680.003520.002350.001300.001050.000853.42333.39893.37433.36743.3644有表中可以看出，石墨化程度和高温下的停留时间有一定的关系，但效果远没有提高温度明显，在无定形碳的石墨化过程中，热处理的文本、浓度和时间相比占据了主导地位。但在实际生产中，达到一定的温度的时候，往往还要保持一定的时间，因为石墨化炉芯部位和边缘部位存在着温度差，为了保证各部位温度基本一致，所以要保持最高温度一段时间。6.3 石墨化生产工艺6.3.1 装炉石墨化最常用的是串接石墨化法，碳制品在石墨化炉内横向放置，其长度方向和炉芯长度方向在同一中心线上，装炉的过程就是铺炉底、装入电极、，覆盖保温料等工序。装入的焙烧品两端应切平，炉床上需要设置若干v形缺口的石墨垫块，v形缺口的石墨垫块应固定在同一水平，焙烧品纵向卧放在石墨垫块上，并与炉头导电电极中心对称。根据装入焙烧品的直径，决定单柱串接还是多柱串接，多柱串接时必须保持通过串接柱所需要的电流密度，串接石墨化不能象艾奇逊石墨化炉那样密集装炉，每一次装炉数量要少得多，但是为了能较好的利用供电设备的能力，可以将石墨化炉的长度加长至3045 in或者采用“n”型炉方式，即两个较短的纵长方向平行的炉身在一端串联通电，或者在一个炉身内采用多柱串接来增大装炉量。国外有的厂采用串接柱在预装台上预装(焙烧电极前后对齐并在前后两根焙烧电极间加端部接触材料)，预装后夹紧，用专用天车及夹具将组装好的串接柱吊到炉内后，在顶推装置的压力下固定位置，再在两侧及顶部覆盖保温料【7】。下图为串接石墨化炉图63.2 通电通电前首先要做好准备工作，将送电炉的母线挂好，各个接点擦光、上紧，检查整个回路中是否有开路和接地的地方，冷却税收是否畅通炉头是否填满，检查完毕即可通知通电6.3.3 冷却和卸炉停电后，石墨化炉处于冷却降温阶段，冷却时间的长短，根据石墨化炉的元转情况和工艺参数来确定，冷却时间最低不的低于96小时，一般在96小时代150小时之间。一种是自然冷却，一种是强制水冷却，一般采用的方法是两者结合，首先通过水强制冷却，而后自然冷却。具体的卸炉过程为抓覆料，吊出产品，自然冷却。经检验合格后转入下一工序。6.4串接电极间的接触方式通过电极裸露送电发现(两端面直接接触，无接触填料)，通电半小时后制品表面温度只有100oC，但端面接触处温度已经达到1 000 oC，同时出现裂纹。由此不难看到，制品产生裂纹的主要原因是由于端面接触处接触不良，局部过热引起。为改善电极端面接触处的接触状况，由采用刚性介质改为可压缩介质置人电极端面接触处，效果较好。除了接触介质本身性质以外，接触面积的大小，也直接影响到电极外部及内部温度产生差异。因为在通电过程中，由于电极外表散热大，在同一时间外表的温度低于中间部分，石墨电极的电阻与温度成反比，温度越高电阻越小，因此电流会越来越集中到电极的中心部分，从而造成制品径向温差越来越大，最终导致制品在石墨化过程中开裂。如采取适当措施，将电流引向电极的外表面，缩小径向温差，使电极内部的热应力减少，电极就不易开裂。简单办法是在电极端面贴一张直径略小(电极直径的40左右)的厚纸片(1015 mm厚)，使通电初期电流多从电极的外圆部分通过。内热串接石墨化的串接柱是由数根焙烧品从纵长方向串联并紧压在一起，端面接触部位是个关键地方，当电流通过接触部位时，由于接触电阻比较大，导致接触部位的温度升高，很容易在端面接触部位出现裂纹，接触部位的接触好坏与焙烧品端面加工状态及加压压力有关。改善端面接触可用3种方法：第1种方法是将焙烧品的端面中心镗一个适当直径的浅槽，以迫使电流只能从焙烧品端面外缘的紧压面上通过，这样可以减少串接柱的芯部与外圆的温度差；第2种方法是在两根焙烧品端部连接处的间隙内装入石墨粒并捣实，但要有防止石墨粒漏掉的措施；第3种办法是使用适当厚度的柔性石墨压成的垫片。七 石墨化成品的机械加工石墨电极在压型后是标准圆柱形的，但是经过焙烧和石墨化后的产品又有一定程度的变形和弯曲、碰损和掉角，表面还粘附有一些填充料或保温料而显得粗糙不平，不经过一定的机械加工，还不能使用。比如电炉冶炼的电极需要在电极两端车可供连续使用时连结用的螺纹孔，并需另外特别加工连结两根电极用的代螺纹的接头，根据不同需要不同用途可加工相应的产品。7.1电极及接头加工工艺7.1.2 切削用量的基本知识电极和接头的加工都是用车床进行加工的，加工时很重要的问题就是如何选择切削用量，也即是吃刀深度，走刀量和切削深度，。这三者与车床的生产率及加工产品的质量有很大的关系（1） 吃刀深度吃刀深度是弓箭的待加工面和已加工面之间的距离，也就是车刀吃进工件的深度吃刀深度的计算方法如下： T=(D-d)2 mm式中 t-吃刀深度 mm； D-待加工工件外径 mm ； D-加工后的外径 mm 。 （2）. 走刀量S 工件转一转，车刀在工件上移动的距离吧（mm/转）称为走刀量，它有纵走刀量和横走刀量之分。（3）切削速度V工件的待加工面在一分钟之内对车刀刀刃所经过的路程称之为切削速度，切削速度的计算方法如下： V=DN/1000 (m/min) 或 V=DN/318 （m/min）式中 v-切削速度（m/min） N-车床主轴速度(转/min) D-待加工工件的外径 （mm）7.1.3 电极加工工艺电极加工分四道道工序：车外圆、平断面及镗接头孔、铣接头孔螺纹。大批量生产时可用三台车床流水作业，电极本体的车外圆不仅是为了使产品达到一定的光洁度，也是消除上道工序造成的弯曲和变形等缺陷，车外圆时电极一端有卡盘卡住，另一端用顶尖顶住，车刀按在走刀架上，车刀伸到适当位置，启动车床后工件旋转，车刀横向移动，一次即可加工完毕。经过拉荒的半成品即可交给下一道工序平断面和镗孔，这是车床上安有相应的规格的中心架，电极一端有卡盘卡住，另一端在距两端一般处有中心架托住，先平断面后镗接头孔，也可在刀架上安两把车刀同时并进，加工完一端再加工另一端。，加工完第一支产品后，应检查卡盘与中心架的同轴度，如若不同心应立即调整。加工接头孔内的螺纹，这一道工序可以切削处螺纹，也可以用铣刀进行，用铣刀加工的螺纹质量好且加工效率高，加工是在安装有有中心架及铣刀装置的车床上进行，电极一端有卡盘卡住，另一端由中心架托住，启动车床后，电极缓慢转动，铣刀则高速转动转动方向相同，经过对刀，一次将螺纹铣成，螺纹铣成后。第一支产品加工完成后，用五用量规检测同轴度<0.01、圆度<0.03、产品外径、平面度<0.01，检查合格后方可继续加工。加工好的产品经检验后入库【8】。八 提高电极质量 减少电极损耗只有优质的原材料才能生产出优质的产品，从目前石墨电极的配料工艺分析目前国内外石墨电极的配料成分大致相同以石油焦和沥青焦为原料以煤沥青为粘结剂。但在选料、配比、工序流程和工序问的控制方面有所差异，致此造成质量上差别。为改善电极质量降低电极消耗提出如下建议：8.1 骨料和粘结剂的选用石墨电极通常以沥青焦、石油焦为骨料，再以沥青做粘结剂制成固定形状。但原材料的选择十分重要。如针状焦分石油系列和煤沥青系列两大类，主要取决于针状焦的原料来源。在同一系列中由于原料不同和工艺条件不同，针状焦的各项性能参数也不同。加之针状焦、普通焦、沥青的技术指标不同，成型后的电极的主要技术参数不同，电极质量差异较大。根据目前普通功率(RP)、高功率(HP)、超高功率(UHP)3种等级石墨电极的用科分析，石油系针状焦由于良好的石墨化特性，颗粒强度高，制品的体积密度大国内外众多厂家都把它用做UHP石墨电极骨料。日本用普通针状焦(煤系)生产 45Omm以下石墨电极优质(石油系)针状焦生产 50Omm以上的UHP石墨电极。石墨电极接头均采用石油系针状焦，其制品体积密度大于电极本体制品的体积密度。我国也采用针状焦生产HP、UHP石墨电极，日本在原材料上十分重视，为避免破坏针状焦的物理结构，破碎系统采用了雷蒙磨磨粉，因为雷蒙磨磨粉为碾压过程不破坏焦炭的微观纤维结构。我国用粘结剂仍以中温煤沥青为主但从国外及国内近年来试验研究看，采用某些添加剂改用中温改质沥青(软化点在75-90)做粘结剂则可显著提高炭制品的质量。粘结剂的用量也是个重要的配比参数，少了则粘结力小，机械强度低；多了焙烧或石墨化后，体积密度下降影响电阻率和机械强度。电极原料粉在混捏过程中的温度控制也很关键，最佳温度是高出粘结剂软化点的12，约170180 ，另外对压制前的糊科温度控制和挤压速度更要注意。为提高石墨电极的机械强度可选择适当的炭纤维做为增强添料在配料时添加其中增加制品的机械强度。炭纤维在炭制品中和其他材料中做为增强材料被广泛应用。由于炭纤维有着良好的耐高温、耐热冲击、导电、导热等特性，现已在航天材料中做为首选耐热材料用于火箭的尾喷管部件其抗拉强度是高强石墨的38倍，模量是718倍抗热震性能优良，耐热膨胀性强而均匀 。如选择适宜和适量的炭纤维加人石墨电极或电极接头的配料中并使其均匀分布，元疑会增加石墨电极的机械强度改善电极电阻率，对克服制品开裂、折损等问题会起到积极作用。8.2 接头设计的改进设想由于石墨电极在工作中不断消耗，于是人们把它设计成一根根电极可以连接的形式。通常情况在电极本体的两端各加工一个锥式螺纹孔，再由接头柱将其连接起来使用。为了