石墨电极的原材料及制造工艺
石墨电极是以石油焦、针状焦为骨料，煤沥青为粘结剂，经捏合、成型、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工等一系列工艺生产的耐高温石墨导电制品。 材料。 石墨电极是电炉炼钢的重要高温导电材料。 电能通过石墨电极输入电炉，利用电极端部与炉料之间电弧产生的高温作为热源，熔化炉料进行炼钢。 其他一些冶炼黄磷、工业硅、磨料等物料的潜水电炉也采用石墨电极作为导电材料。 利用石墨电极优良而特殊的物理化学性能，在其他工业部门也得到广泛应用。
生产石墨电极的原料包括石油焦、针状焦和煤沥青。
石油焦是石油渣油和石油沥青经焦化得到的可燃固体产品。 呈黑色多孔状，主要元素为碳，灰分含量很低，一般小于0.5%。 石油焦是一种易石墨化的碳。 石油焦广泛应用于化工、冶金等行业。 是生产人造石墨制品和电解铝用碳素制品的主要原料。
石油焦按热处理温度可分为生焦和煅烧焦两类。 前者是经延迟焦化得到的石油焦，含有大量挥发分，机械强度较低。 煅烧焦是通过生焦煅烧而得到的。 我国大部分炼油厂只生产原焦，煅烧作业大多在炭素厂进行。
石油焦按含硫量高低可分为三类：高硫焦（硫含量大于1.5%）、中硫焦（硫含量在0.5%-1.5%）、低硫焦（硫含量在0.5%-1.5%之间）。小于0.5%）。 石墨电极等人造石墨制品的生产一般采用低硫焦炭。
针状焦是一种外观具有明显纤维状纹理、热膨胀系数极低、易石墨化的优质焦炭。 焦块破碎时，可根据结构分裂成细长的条状颗粒（长径比一般在1.75以上）。 在偏光显微镜下可以观察到各向异性的纤维状结构，因此被称为针焦点。
针状焦物理机械性能的各向异性非常明显。 它具有良好的平行于颗粒长轴的导电性和导热性，并且具有较低的热膨胀系数。 挤出成型时，大多数颗粒的长轴沿挤出方向排列。 因此，针状焦是制造高功率或超高功率石墨电极的关键原料。 生产的石墨电极电阻率低、热膨胀系数小、抗热震性能好。
针状焦分为以石油渣油为原料生产的油系针状焦和以精炼煤沥青为原料生产的煤系针状焦。
煤沥青是煤焦油深加工的主要产品之一。 它是多种碳氢化合物的混合物。 常温下为黑色半固体或高粘度固体。 它没有固定的熔点。 加热时它会软化并熔化。 密度为1.25-1.35g/cm3。 按其软化点分为低温、中温和高温沥青三种。 中温沥青收率为煤焦油的54-56%。 煤沥青的成分极其复杂，与煤焦油的性质和杂原子含量有关，同时还受到焦化工艺制度和煤焦油加工条件的影响。 表征煤沥青特性的指标有很多，如沥青软化点、甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）、焦化值和煤沥青流变性等。
煤沥青在炭素工业中用作粘结剂和浸渍剂，其性能对炭素制品的生产工艺和产品质量影响很大。 粘结剂沥青一般采用软化点适中、焦化值高、β树脂含量高的中温或中温改性沥青。 浸渍剂应采用软化点较低、QI低、流变性能好的中温沥青。
下图为某炭素公司石墨电极生产工艺流程图。
煅烧：碳质原料经高温热处理，排出其中所含的水分和挥发物，相应改善原料的物理、化学性能的生产过程称为煅烧。 一般炭质原料采用气体及其自身挥发分作为热源进行煅烧，最高温度为1250-1350℃。
煅烧使碳质原料的组织结构和理化性能发生深刻变化，主要体现在焦炭的密度、机械强度和导电率的提高，以及焦炭化学稳定性和抗氧化性能的提高，为后续工序打下基础。 。
煅烧设备主要有罐式煅烧炉、回转窑和电煅烧炉等。 煅烧质量控制指标为：石油焦真密度不小于2.07g/cm3，电阻率不大于550μΩ.m，针状焦真密度不小于2.12g/cm3，电阻率不大于500μΩ.m。
原料破碎加工及配料
配料前，大块的煅烧石油焦和针状焦必须经过破碎、研磨和筛分。
二级破碎通常是通过颚式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机等破碎设备将50mm左右的物料进一步破碎至配料所需的0.5-20mm粒度。
研磨是将碳质原料通过悬辊磨机（雷蒙磨）、球磨机等设备，研磨成粒径0.15毫米以下的小粉状颗粒的过程。
筛分是将破碎后的物料通过一系列孔径均匀的筛子，分成粒度范围较窄的几种粒度的过程。 目前电极生产通常需要4-5个粒度和1-2个粉末粒度。
配料是将各种粒度的骨料、粉料、结合剂等按照配方要求进行计算、称重、浓缩的生产过程。 配方的科学适宜性和配料操作的稳定性是影响产品质量指标和性能的最重要因素之一。
该公式需要确定5个方面：
①选择原材料的种类；
②确定不同种类原材料的比例；
③确定固体原料的粒度组成；
④确定胶粘剂用量；
⑤确定添加剂的种类和用量。
混合：将一定量的碳粒和各种粒度的粉末与一定量的粘结剂在一定的温度下混合形成塑性糊状物的过程称为混合。
混合工艺：干混（20-35分钟）湿混（40-55分钟）
混合功能：
①干混时，各种原料混合均匀，不同粒径的固体碳材料均匀混合填充，提高混合物的密度；
②加入煤沥青后，将干料与沥青混合均匀，液体沥青均匀包覆、渗透颗粒表面，形成沥青粘结层，使各物料相互粘结，形成均匀的塑性膏体。 有利于成型；
③部分煤沥青渗透到碳质材料内部空隙中，进一步提高了膏体的致密性和粘结性。
成型：碳材料的成型是指捏合好的碳糊在成型设备施加的外力作用下发生塑性变形，最终形成具有一定形状、尺寸、密度和性能的生坯（或生坯制品）的过程。力量。 过程。
成型、设备和生产产品的类型：
成型方式
常用设备
主要产品
模压
立式液压机
电碳、低品位细结构石墨
挤压
卧式液压挤压机
螺杆挤出机
石墨电极、方电极
振动成型
振动成型机
铝用碳砖、高炉碳砖
等静压
等静压机
各向同性石墨、各向异性石墨
挤压操作
①冷却材料：盘式冷却材料、筒式冷却材料、捏合冷却材料等。
沥干挥发成分，降温至适当温度（90-120℃），时间20-30分钟，以增加粘结力，使糊料均匀，利于成型。
②加料：压机挡板提升----分2-3次放料----4次压实
③预压：压力20-，时间3-5分钟，同时抽真空
④挤压：降低压机挡板----5-挤压----剪切----转入冷却水箱
挤压技术参数：压缩比、压腔及口温度、冷料温度、预压时间、挤压压力、挤压速度、冷却水温度
生坯检查：体积密度、外观、敲击和分析
焙烧：是将绿色炭制品放入专门设计的加热炉中，在填料的保护下进行高温热处理，使绿色炭制品中的煤沥青炭化的过程。 煤沥青干馏后形成的沥青焦将碳聚集体和粉末颗粒固结在一起。 焙烧炭产品机械强度高、电阻率低、热稳定性和化学稳定性好。 。
焙烧是碳素制品生产中的主要工序之一，也是石墨电极生产中三大热处理的重要组成部分。 焙烧生产周期长（根据炉型不同，第一次焙烧22-30天，第二次焙烧5-20天），且能耗较高。 生坯烘焙质量的好坏对成品质量和生产成本有一定的影响。
生坯中的煤沥青在焙烧过程中焦化，排出约10%的挥发分。 同时体积缩小2-3%，质量损失8-10%。 碳坯的物理和化学性能也发生了显着变化。 由于孔隙率的增加，体积密度由1.70g/cm3下降到1.60g/cm3，电阻率由μΩ.m左右下降到40-50μΩ.m，焙烧坯的机械强度也有所提高。 以便改进。
二次焙烧是对焙烧品进行浸渍，然后再次焙烧，使浸入焙烧品孔隙中的沥青碳化的过程。 体积密度要求较高的电极（除RP外的所有品种）和接头毛坯的生产需要二次烘烤，接头毛坯还需要浸三烤四或浸二烤三。
焙烧炉主要类型：
连续作业----环形炉（带盖或不带盖）、隧道窑
间歇作业——下焰窑、台车式焙烧炉、箱式焙烧炉
烘烤曲线及最高温度：
一次性烘烤----320、360、422、480小时、1250℃
二次烘烤----125、240、280小时、700-800℃
烘焙产品检验：外观、电阻率、体积密度、抗压强度、内部结构分析
浸渍是将碳材料置于压力容器中，在一定的温度和压力条件下，将液体浸渍剂沥青浸入并渗透到制品的电极孔隙中的过程。 目的是降低制品的气孔率，增加制品的体积密度和机械强度，提高制品的导电性和导热性。
浸渍工艺流程及相关技术参数为：焙烧坯——表面清理——预热（260-380℃，6-10小时）——装入浸渍罐——抽真空（8-9KPa，40-）——注入沥青（180 -200℃）—加压（1.2-1.5MPa，3-4小时）—回流沥青—冷却（罐内或罐外）
浸渍制品检验：浸渍增重率G=(W2-W1)/W1×100%
一次性浸渍产品增重率≥14%
二次浸渍制品增重率≥9%
三次浸渍产品增重率≥5%
石墨化是指将碳制品在高温电炉中在保护介质中加热至2300℃以上，使非晶乱层碳转变为三维有序石墨晶体结构的高温热处理工艺。
石墨化的目的和作用：
①提高碳材料的导电、导热性能（电阻率降低4-5倍，导热系数提高10倍左右）；
②提高碳材料的抗热震性和化学稳定性（线膨胀系数降低50-80%）；
③使碳材料具有润滑性和抗磨性能；
④去除杂质，提高碳材料的纯度（产品灰分由0.5-0.8%降低到0.3%左右）。
石墨化工艺的实施：
碳材料的石墨化是在2300-3000℃的高温下进行的。 因此，工业上只能通过电加热来实现，即电流直接通过被加热的烤品。 此时，装入炉内的烘烤品通过电流产生高温。 导体也是被加热到高温的物体。
目前广泛使用的炉型有艾奇逊（）石墨化炉和内热串联（LWG）炉。 前者产量大、温差大、电耗高，后者加热时间短、电耗低、电阻率均匀，但安装接头较困难。
通过测量温度来控制石墨化过程，以确定适合温升的电功率曲线。 通电时间艾奇逊炉为50-80小时，LWG炉为9-15小时。
石墨化消耗大量电力，通常为3200-，其工艺成本约占整个生产成本的20-35%。
石墨化产品检验：外观攻丝、电阻率测试
机械加工：碳石墨材料机械加工的目的是依靠切削加工达到所需的尺寸、形状、精度等，并制成满足使用要求的电极本体和接头。
石墨电极加工分为两个独立的加工工序：电极本体和接头。
本体加工包括镗孔及粗平端面、车削外圆及精平端面、铣螺纹三道工序。 圆锥接头的加工可分为切削、平端面、车削锥面、铣螺纹、钻孔和螺栓连接六种工序。 和开槽。
电极接头连接方式：锥形接头连接（一寸三扣和一寸四扣）、圆柱形接头连接、凹凸连接（公母扣连接）
加工精度控制：螺纹锥度偏差、螺纹螺距、接头（孔）大径偏差、接头孔同轴度、接头孔垂直度、电极端面平面度、接头四点偏差等。用专用环规、板规检查。
电极成品检验：精度、重量、长度、直径、体积密度、电阻率、预装配配合精度等。
石墨电极质量指标
反映石墨电极质量和性能的主要指标有：体积密度db、电阻率ρ、抗弯强度σ、弹性模量E、热膨胀系数α和灰分A%。 根据这些指标的差异，以及原材料和制造工艺的差异，国家标准（YB/T 4088/89/90-2000）将石墨电极分为普通功率石墨电极（RP）和高功率石墨电极电极（HP）。 、超高功率石墨电极（UHP）三种类型。 后来石墨电极厂家根据用户需求又增加了高密度石墨电极（HD）和准超高石墨电极（SHP）两种类型。
在国家标准的基础上，每个公司都有自己的企业标准，客户在订购时也会提出自己的质量标准。
体积密度是石墨电极样品的质量与其体积的比值，单位为g/cm3。 体积密度越大，电极越致密，与强度和抗氧化性能呈正相关。 一般来说，同类型电极的体积密度越大，体积密度越高。 电阻率也较低。
提高堆积密度的途径有：调整配方、增加小颗粒和粉料的用量、使用真密度高的焦炭、使用焦化值高的沥青以及增加浸渍次数等。
电阻率是测量电极电导率的参数。 它是指电流通过导体时，导体对电流的抵抗能力的一种特性。 它在数值上等于长度为1m、截面积为1m2的导体在一定温度条件下的电阻值。 单位为μΩ·m。 电阻率越低，导电性越好，使用过程中电极的消耗也越低。
降低电阻率的途径包括采用优质原材料、提高产品体积密度、提高石墨化温度等。
弯曲强度是表征石墨材料力学性能的参数。 它也称为弯曲强度。 指物体在垂直于物体轴线的外力作用下，抵抗弯曲至断裂的极限能力。 单位为兆帕。 石墨材料的强度与其他金属和非金属有显着区别。 其强度随温度升高而增加，在2000-2500℃时达到最高，是常温的1.8-2倍，然后下降。 强度高的电极和连接器在使用过程中不易断裂。
提高抗弯强度的途径有：减小配方中焦炭的粒径、提高炭质原料的强度、提高制品的体积密度、减少制品的内部缺陷。
弹性模量是机械性能的一个重要方面。 它是材料弹性变形能力的指标。 是指材料弹性变形范围内应力与应变的比值。 单位为GPa。 弹性模量越大，产生一定弹性变形所需的应力也越大。 简单地说，弹性模量越大，材料越脆，弹性模量越小，材料越软。
弹性模量对电极的使用起着综合作用。 产品的体积密度越高，越致密，弹性模量也越大。 但产品的耐热震性能越差，越容易开裂、脱落。 生产中，往往通过调整配方的粒径和产品的体积密度来确定更适合使用的弹性模量值。
热膨胀系数是指材料受热后膨胀程度的量度。 即当温度升高1℃时，单位固体材料样品在特定方向上的膨胀比例常数称为沿该方向的线膨胀系数。 单位1×10-6/℃。 除非另有说明，热膨胀系数是指线膨胀系数。 石墨电极的轴向和径向线膨胀系数有很大差异。 径向比轴向大0.8-1倍。 石墨电极质量指标中的热膨胀系数是指轴向热膨胀系数。
石墨电极的热膨胀系数是一个非常重要的热参数。 值越低，产品的热稳定性越强，抗氧化性越高。 这体现在使用中破损较少、消耗较低。
降低热膨胀系数的途径：主要由原料的固有性能决定，采用质量好的原料，采用较大粒径的配方或增加大颗粒的用量（但这会降低产品的密度和强度）。
灰分是指产品中除碳、石墨以外的其他固体元素的含量。 石墨电极的灰分含量主要受所用原材料的灰分含量影响。 石油焦针状焦的灰分较低，因此石墨电极的灰分一般不超过0.5%。 1%以内的灰分含量对炼钢无明显影响，但杂质元素中的灰分含量会降低电极的抗氧化性能。
抗热震系数是表征抗热震性能的参数。 耐热震性是材料本身的特性。 它表示承受快速冷却和快速加热的能力。 换句话说，就是材料在一定温度梯度下承受快速冷却和快速加热的能力。 抗碎裂能力是影响电极使用的一个非常重要的综合因素。
K——抗热震系数，w/m； σ——拉伸强度，MPa； E——弹性模量，MPa； λ——热导率，w/m·k； α——热膨胀系数，1/KK为相对值。 值越大，耐热震性越强。 石墨电极的K值与其在电弧炉中的性能具有很高的相关性，即K值越高，电极的碎裂和断裂越低。
电炉炼钢简介
现代炼钢方法主要有转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢。 平炉炼钢法已基本淘汰。 电炉炼钢法与转炉炼钢法最根本的区别在于，电炉炼钢法采用电能作为热源，而电弧炉炼钢是最常用的电炉炼钢法。 我们通常所说的电炉炼钢主要是指电弧炉炼钢，因为感应炉、电渣炉等其他类型的电炉出钢量较小。
电弧炉炼钢依靠电极与炉料之间放电产生的电弧，在电弧中将电能转化为热能。 它利用辐射和电弧的直接作用加热熔化金属和炉渣，冶炼各种成分的钢和合金。 一种炼钢方法。
石墨电极消耗机理
电炉炼钢中石墨电极的消耗主要与电极本身的质量有关，也与炼钢炉的条件有关（如炉子是新还是旧、有无机械故障、是否连续运转等）。产量等）与炼钢操作（如冶炼钢种、吹氧时间、装料条件等）有很大关系。 这里我们只讨论石墨电极本身的消耗。 其消费机制有以下几个方面：
端部消耗包括电弧高温引起的石墨材料的升华以及电极端部与钢水、炉渣发生化学反应的损耗。 最终的高温升华速率主要取决于通过电极的电流密度，其次与氧化后电极侧面的直径有关。 最终消耗还与电极是否插入钢水中添加碳有关。
侧面氧化电极的化学成分是碳。 碳在一定条件下会与空气、水蒸气、二氧化碳发生氧化反应。 电极侧面的氧化量与单位氧化率和暴露面积有关。 一般情况下，电极侧面的氧化量约占电极总消耗量的50%左右。 近年来，为了提高电炉的冶炼速度，增加了吹氧操作的频率，导致电极的氧化损耗增加。 炼钢过程中经常观察电极主干的红度和下端的锥度，是衡量电极抗氧化能力的直观方法。
树桩损失
当电极连续使用到上下电极的连接处时，电极或接头的一小部分（即剩余本体）会因本体氧化变薄或裂纹渗透而脱落。 残端损失的大小与接头形状、电极内部结构以及电极柱的振动和冲击有关。
表面剥落、脱落
冶炼过程中的快速冷却和快速加热是电极本身抗热震性能差的结果。
电极破损
包括电极主干破损和连接器破损。 电极断裂与石墨电极、接头的质量和加工配合以及炼钢操作有关。 其原因往往是钢厂与焊条生产企业纠纷的焦点。
