浅谈提高石墨电极抗热震性的途径
2016-11-18方大炭素新材料科技股份有限公司
黄 涛 韦 楠 /方大炭素新材料科技股份有限公司
浅谈提高石墨电极抗热震性的途径
黄涛韦楠 /方大炭素新材料科技股份有限公司
针对影响石墨电极在超高功率电弧炉上使用的主要因素——抗热震性，在实验室中对比不同原料、粒度组成对石墨电极理化指标的影响，石墨电极制造过程加入碳纤维后对抗拉强度可提升20％；石墨材料不同理化指标对材料抗热震性能的影响，探索石墨电极制造工艺设计的思路和方向。
石墨电极；抗热性
随着国家产业政策的调整和环保压力的增大，钢铁行业中高炉炼铁-转炉炼钢的长流程生产模式将会受到很大制约。电弧炉炼钢由于其投资较少，适用于特殊钢生产并易于实现环保达标而受到行业关注，中国钢铁行业十多年的高速发展也已经积累了大量的社会钢铁保有量，这些钢铁资源会逐年报废而进入废钢市场，支撑电弧炉炼钢产业发展。
电弧炉炉容和变压器容量不断增加，国内新建的电炉多数是80～150t的大容量超高功率电弧炉，并将输入的电功率提高到800kW/t，超高功率电弧炉使用的石墨电极在更加苛刻的条件下运行，由于通过电极的电流密度明显增大，结果产生下列问题：（1）因电阻热和炽热气流导致电极温度升高，使得电极及接头的热膨胀量都增加了，同时电极的氧化消耗也提高了；（2）电极中心部位和电极外圆的温度差增大了，由温度差引起的热应力也相应提高，电极容易产生裂纹和表面剥落；（3）增大了电磁作用力，引起剧烈的震动，在剧烈震动下，电极因连接松动、脱扣而导致折断的几率增多了。因此超高功率石墨电极的物理机械性能必须具有以下特点：电阻率较低，体积密度较高及机械强度较高，较低的弹性模量和热膨胀系数，有良好的抗热震性能。石墨电极各项理化指标可用以下关系式表达相互间的关系：
式中，A：抗热震值；λ：导热系数；S：抗拉强度；α：热膨胀系数；E：弹性模量。
希望石墨电极有好的抗热震性，那就需要材料有较高导热系数和抗拉强度，较低的热膨胀系数和弹性模量。
导热系数和石墨材料的电阻率和体积密度关系较大，实验室措施数据如下：
石墨材料的导热系数与电阻率成反比，与体积密度成正比，体积密度达到1.70g/cm3，电阻率达到5μ Ω·m时，材料的导热系数可以达到200W/(m·K)，体积密度再提高或电阻率再降低，导热系数提升的幅度都不是很明显了。
要实现较高的体积密度，要求制品细粉用量尽可能多，孔隙率尽可能低；这样的制品一般强度也较高，测试数据如下：
细粉用量在60％以前，制品体积密度随着细粉用量的增加提高，细粉用量超过60％以后体积密度反而下降。
抗拉强度除了与制品体积密度和抗折强度有关，加入碳纤维对提高制品抗拉强度效果明显，实验数据如下：
没有加入碳纤维的小样抗拉强度为5.3MPa，加入1％碳纤维后抗拉强度提升至6.9MPa，继续增加碳纤维加入量抗拉强度反而有下降的趋势。
热膨胀系数与原料本身热膨胀系数关系较大，实验选取不同石油焦原料，制备石墨小样后测试产品各项理化指标数据如下：
日本日本美国英国中国中国中国三菱水岛海波大陆锦州宝钢抚顺热膨胀系数 10-1.081.121.101.161.421.541.806/℃体积密度 g/cm31.661.721.701.721.681.621.60电阻率 μ Ω·m5.45.05.25.05.15.86.9抗拉强度 MPa5.26.15.76.05.35.35.2弹性模量 GPa8.39.29.69.48.89.19.2
备注：不同原料均使用相同粒度组成，压制成30mm小棒，经一浸二烧和石墨化工艺路线烧制成石墨材料。
不同品级和产地的原料对产品热膨胀系数影响最大，产品体积密度和电阻率也有一定差别，强度和模量基本没有差别。总体来说：国外生产的原料热膨胀系数和电阻率低，体积密度较高。
热膨胀系数除了与原料关系较大以外，也与制品的孔隙率有一定关系，实验室数据如下：
随着石墨材料孔隙率的上升，热膨胀系数有所降低。
弹性模量与制品的体积密度和强度成正比，与孔隙率成反比。体积密度超过1.74g/cm3以后，弹性模量加速提升。
对于弹性模量与抗热震性的关系，还可以用热应力表征。对于热致断裂，主要是产生了热应力。对于材料的热应力，有定义第一热应力断裂抵抗因子，或者称第一热应力因子，记为R，其值与弹性模量成反比，即弹性模量越大，R越小，制品在热应力作用下越容易断裂。
综上所述，石墨电极要实现较好的抗热震性，需要实现以下条件：
1、使用较好的原料，日本、美国和英国生产的针状焦均有利于实现较低的热膨胀系数和电阻率，较高的体积密度。
2、石墨材料需要达到较高的导热系数和抗拉强度，对材料的体积密度和电阻率要求较高，导热系数随体积密度的升高而提高。
3、产品加入碳纤维对提高抗拉强度效果明显。
4、较低的弹性模量对提高石墨材料抗热震性帮助极大，需要控制材料合理的体积密度和孔隙率，石墨材料体积密度超过1.74g/ cm3以后弹性模量会急剧升高，结合体积密度对导热系数的影响关系，石墨电极的体积密度控制在1.70g/cm3-1.74 g/cm3较好。
5、石墨电极粒度组成中在一定范围内细粉含量增加有利于提高材料的体积密度，降低气孔率，但加入量过高会导致弹性模量过高，反而影响制品抗热震性。
