炭材料石墨化炉铜电极组件的优化改进

2021-12-29刘维鹏王茜茜康文杰张灵玉赵松邢如鹏侯卫权

炭素 2021年4期

刘维鹏，王茜茜，康文杰，张灵玉，赵松，邢如鹏，侯卫权

（西安超码科技有限公司，西安 710025）

1 前言

炭/炭复合材料是炭纤维及其织物增强炭基复合材料，其具有比重轻、比强度大、热膨胀系数小、耐高温和抗热蠕变性能好等优点, 广泛应用在航空、航天和民用等领域[1-5]。

石墨化是制备炭/炭复合材料并使其获得相应性能的重要工序之一，对炭/炭复合材料具有这五种作用: (1)实现炭材料的相结构从过渡相向石墨结构相的转变；(2)可以排除炭/炭复合材料内部的杂质，提高纯度；(3)提高和稳定炭/炭复合材料的性能；(4)改善和提高炭/炭复合材料的可机加性；(5)改善和提高致密效率。

炭素工业，尤其是电极生产中大多数采用接触电阻加热方式对工件进行石墨化，而炭/炭复合材料的石墨化通常采用辐射加热或感应加热的方式来加热工件。我司石墨化炉是在一定的真空或惰性气氛条件下，利用石墨发热体将炉内工件加热到规定温度，从而实现对炉内工件进行高温处理。该石墨化炉主要由炉体系统、电气系统、真空系统、冷却系统、供气系统等组成，需在水、电、气正常供应的前提下才能安全运行。

2 故障现象和原因分析

目前我司石墨化炉的引电核心元件（铜电极）共12根，其材质为紫铜，总长约500 mm，均布于炉底左右两侧。铜电极顶部通过螺纹连接与石墨电极相接，铜电极伸出炉腔与外部电源相通，且其底部（内部盲孔的开口处）安装可通冷却水的铜电极冷却水嘴。

该铜电极所搭接的活动法兰通过8个绝缘处理的螺栓与炉底固定法兰固定在一起。为保证2个法兰之间的绝缘性和气密性，在2个法兰之间设置一个可以放置O型密封圈的胶木套。为保证炉体气密性良好，使用2个铜螺母依次紧固在铜电极底部的螺纹上（实物照片如图1所示）。

图1 炉底铜电极及其组件实物Fig.1 Copper electrode and its components at the bottom of furnace

由于该石墨化炉在炉温升到2000℃后，铜电极及其连接法兰的外表面温度均可达70℃，致使胶木套处密封圈老化失效较快，容易使空气从密封圈处渗入炉内使得石墨电极孔周围保温层氧化损坏严重。

通过技术人员的现场跟踪、讨论分析，逐渐弄清铜电极过热的原因。原因之一，石墨化炉二次输出电流4462A，铜电极的内外径分别为φ32mm和φ90mm，其载流截面积为5554.66mm2，理论载流量0.803A/mm2，因此存在铜电极载流量偏大，冷却水道直径偏小。原因之二，铜电极的冷却水是1个水管分流供应2个铜电极，致使冷却水流量偏小，冷却效果不佳。原因之三，胶木套与固定法兰、活动法兰之间的密封圈材质为丁腈橡胶，而丁腈橡胶密封圈长期在高温环境中使用，很容易出现老化、失效现象。

3 改进措施和效果

为解决上述问题，决定对石墨化炉铜电极及其组件进行技术改造，具体改进措施包括以下3个方面：

3.1 铜电极内外径变大使载流量减小，冷却水道直径变大来增大冷却面积

改造后铜电极内外径分别为φ54mm和φ110mm，载流截面积为7209.44mm2，理论载流量0.618A/mm2，铜电极冷却水道直径加大到φ54mm，增强冷却效果。铜电极相关附属部件如O型密封圈、炉底法兰、铜螺母、铜电极冷却水嘴的配合尺寸也随之发生变动。

3.2 每个铜电极配备单独1路冷却水管

为进、出水总管分别增加一个进、出水延长管，并在该延长管上增加一倍数量的冷却水进、出水嘴，并用橡胶软管将该进、出水嘴与铜电极冷却水嘴连接起来，使每个铜电极均有1路单独冷却水管，确保冷却水流量充足。

3.3 更换O型密封圈的材质

氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分子弹性体。氟原子的引入，赋予橡胶优异的耐热性、抗氧化性、耐候性等性能。鉴于氟橡胶的耐高温性能是目前弹性体最好的，故将O型密封圈的材质由丁腈橡胶更换为氟橡胶。

由于石墨化炉左右两侧分别配有相同的独立电源系统，为对比改造前、后各组件的使用效果，右侧铜电极及其附属部件则仍为改进前的结构，而将石墨化炉左侧铜电极及其附属部件全部更换为改进后的结构。因铜电极过热的现象基本都出现在炉温高于1500℃时，故用TS550型非接触式红外测温仪监测石墨化炉运行过程中1500~2100℃范围内、左右两侧铜电极及其附属部件的温度变化情况，结果如图2~5所示。

图2 右侧（改造前）和左侧（改造后）铜电极平均温度对比Fig.2 Comparison of the average temperature of the copper electrode on the right (before modification) and the left (after modification)

图3 右侧（改造前）和左侧（改造后）铜螺母平均温度对比Fig.3 Comparison of average temperature of copper nut on the right (before modification) and the left (after modification)

图4 右侧（改造前）和左侧（改造后）活动法兰平均温度对比Fig.4 Comparison of the average temperature of movable flange on the right (before modification) and the left (after modification)

图5 右侧（改造前）和左侧（改造后）胶木套平均温度对比Fig.5 Comparison of average temperature of bakelite sleeve on the right (before modification) and the left (after modification)

由图2~5可知，随着石墨化炉运行温度的升高，右侧（改造前）和左侧（改造后）铜电极及其附件的平均温度整体呈逐渐升高的趋势，但左侧各部位平均温度比右侧可下降20~30℃。经过上述改造后，石墨化炉铜电极及其附件的温度可下降近三分之一，可见新的改进设计是成效的。