8A Uni--20--20 学年第一学期工作计划 9864目录一、石墨电极的原料及制造工艺二、石墨电极的质量指标三、电炉炼钢简介及石墨电极的消耗机理石墨电极的原料及制造工艺石墨电极是采用石油焦、针状焦为骨料，煤沥青为粘结剂，经过混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工等一 系列工艺过程生产出来的一种耐高温石墨质导电材料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作为热源，使炉料熔化进行炼钢其他一些冶炼黄磷、工业硅、磨料等材料的矿热炉也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，在其他工业部门也有广泛的用途 产石墨电极的原料有石油焦、针状焦和煤沥青生石油焦是石油渣油、石油沥青经焦化后得到的可燃固体产物色黑多孔，主要元素为碳，灰分含量很低，一般在 0.5%以下石油焦属于易石墨化炭一类，石油焦在化工、冶金等行业中有广 泛的用途，是生产人造石墨制品及电解铝用炭素制品的主要原料石油焦按热处理温度区分可分为生焦和煅烧焦两种，前者由延迟焦化所得的石油焦，含有大 量的挥发分，机械强度低，煅烧焦是生焦经煅烧而得中国多数炼油厂只生产生焦，煅烧作业多在炭素 厂内进行。
石油焦按硫分的高低区分，可分为高硫焦（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)三种，石墨电极及其它人造石墨制品生产一般使用低硫焦生产针状焦是外观具有明显纤维状纹理、热膨胀系数特别低和很容易石墨化的一种优质焦炭，焦块破 裂时能按纹理分裂成细长条状颗粒（长宽比一般在 1.75 以上），在偏光显微镜下可观察到各向异性 的纤 维状结构，因而称之为针状焦针状焦物理机械性质的各向异性十分明显, 平行于颗粒长轴方向具有良好的导电导热性能， 热膨胀系数较低，在挤压成型时，大部分颗粒的长轴按挤出方向排列因此，针状焦是制造高功率或超 高功率石墨电极的关键原料，制成的石墨电极电阻率较低，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制煤沥青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为多种碳氢化合物的混合物，常温下为黑色高粘度半固体或固体，无固定的熔点，受热后软化，继而熔化，密度为 1.25－1.35g/cm3按其软化点高低分为低温、 中温和高温沥青三种中温沥青产率为煤焦油的 54－56％煤沥青的组成极为复杂，与煤焦油的性质及 杂原子的含量有关，又受炼焦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很多，如沥青 软化点、甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）、结焦值和煤沥青流变性等煤沥青在炭素工业中作为粘结剂和浸渍剂使用，其性能对炭素制品生产工艺和产品质量影响 极大粘结剂沥青一般使用软化点适中、结焦值高、β 树脂高的中温或中温改质沥青，浸渍剂要使用软 化点较低、 QI 低、流变性能好的中温沥青b18A Uni--20--20 学年第一学期工作计划 9864下图为炭素企业石墨电极生产工艺流程图煅烧：炭质原料在高温下进行热处理，排出所含的水分和挥发份，并相应提高原料理化性能的生产 工序称为煅烧一般炭质原料采用燃气及自身挥发份作为热源进行煅烧，最高温度为 1250- 1350℃煅烧使炭质原料的组织结构和物理化学性能发生深刻变化，主要体现在提高了焦炭的密度、机械强 度和导电性，提高了焦炭的化学稳定性和抗氧化性能，为后序工序奠定了基础煅烧的设备主要有罐式煅烧炉、回转窑和电煅烧炉煅烧质量控制指标是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.ml 原料的破碎处理和配料在配料之前，须对大块煅后石油焦和针状焦进行中碎、磨粉、筛分处理。
中碎通常是将 50mm 左右的物料通过颚式破碎机、锤式破碎机、对辊破碎机等破碎设备进一步破碎 到配料所需的 0.5-20mm 的粒度料磨粉是通过悬棍式环辊磨粉机（雷蒙磨）、球磨机等设备将炭质原料磨细到 0.15mm 或 0.075mm 粒 径以下的粉末状小颗粒的过程筛分是通过具有均匀开孔的一系列筛子，将破碎后尺寸范围较宽的物料分成尺寸范围较窄的几种颗 粒粒级的过程，现行电极生产通常需要 4-5 个颗粒料粒级和 1-2 个粉料粒级配料是按配方要求，对各种粒度的骨料和粉料、粘 结剂分别计算、称量和聚焦的生产过程 配方的 科学性适宜性和配料操作的稳定性是影响产品质量指标和使用性能的最重要因素之一配方需确定 5 方面内容：①选择原料的种类； ②确定不同种类原料的比例； ③确定固体原料粒度组成； ④确定粘结剂 的用量；⑤确定添加剂的种类和用量n 返回料的回用（生碎、石墨碎、焙烧碎）n 配方基本原则：球体最紧密堆积原理电极配方中最大颗粒尺寸的确定大颗粒配方l混捏：在一定温度下将定量的各种粒度炭质颗粒料和粉料与定量的粘结剂搅拌混合均匀，捏合成 可塑性糊料的工艺过程称为混捏混捏的过程：干混（20-35 min）湿混（40-55 min）混捏的作用：①干混时使各种原料混合均匀，同时使不同粒度大小的固体炭质物料均匀地混合和填充，提高混合b28A Uni--20--20 学年第一学期工作计划 9864料的密实度；②加入煤沥青后使干料和沥青混合均匀，液态沥青均匀涂布和浸润颗粒表面，形成一层沥青粘结层， 把所有物料互相粘结在一起，进而形成均质的可塑性糊料，有利于成型；③部分煤沥青浸透到炭质物料内部空隙，进一步提高了糊料的密度和粘结性。
l成型：炭材料的成型是指混捏好的炭质糊料在成型设备施加的外部作用力下产生塑性变形，最终 形成具有一定形状、尺寸、密度和强度的生坯（或称生制品）的工艺过程成型的种类、设备及所生产产品：成型方法模压挤压振动成型等静压n 挤压的操作常用设备立式液压机卧式液压挤压 机螺杆挤压机振动成型机等静压成型机主要产品 电碳、低档次细结构石墨石墨电极、方电极铝用碳砖、高炉碳 砖各向同性石墨、异 性石墨①凉料：圆盘凉料、圆筒凉料、混捏式凉料等方式排出挥发份、降低至适宜温度（90-120℃）增加 20-30 min②装料：压机升挡板----分 2-3 次下料----4-10MPa 压实 ③预压：压力 20-25MPa，时间 3-5min，同时抽真空 ④挤压：压机降挡板----5-15MPa 挤压----剪切----翻入冷却 水槽粘结力，使糊料块度均匀利于成型n 挤压的技术参数：压缩比、压机料室及嘴型温度、凉料温度、预压压力时间、挤压压力、挤压速度、冷 却水温度n 生坯的检查：体积密度、外观敲击、剖析n 焙烧：是炭制品生坯在填充料保护下、装入专门设计的加热炉内进行高温热处理 , 使生坯中的 煤沥青炭化的工艺过程。
煤沥青炭化后形成的沥青焦将炭质骨料和粉料颗粒固结在一起 , 焙烧后的炭制 品具有较高的机械强度、较低的电阻率、较好的热稳定性和化学稳定性焙烧是炭素制品生产的主要工序之一 , 也是石墨电极生产三大热处理过程中的重要一环 , 焙烧生产b32 1 18A Uni--20--20 学年第一学期工作计划 9864周期较长（一焙 22-30 天，二焙依炉型 5-20 天）, 而且能耗较高生坯焙烧的质量对成品质量和生产成本都有一 定影响生坯内煤沥青在焙烧过程中焦化，排出 10%左右的挥发份，同时体积产生 2-3%的收缩，质量损失8-10% 炭坯的理化性能也发生了显著变化，由于气孔率增加体积密度由 1.70g/cm3 10000μΩ.m 左右降至 40-50μΩ.m，焙烧坯的机械强度也大为提高降为 1.60g/cm3，电阻率二次焙烧是焙烧品浸渍后进行再次焙烧，使浸入焙烧品孔隙中的沥青炭化的工艺过程生产体积 密度要求较高的电极（除 RP 以外的所有品种）和接头坯料需进行二焙，接头坯料还需进行三浸四焙或二浸三焙n 焙烧炉主要炉型：连续作业----环式炉（带盖、不带盖）、隧道窑间歇作业----倒焰窑、车底式焙烧炉、箱式焙烧炉n 焙烧曲线及最高温度：一次焙烧----320、360、422、480 小时，1250 ℃二次焙烧----125、240 、280 小时，700-800 ℃n 焙烧品的检查：外观敲击、电阻率、体积密度、抗压强度、内部结构剖析n浸渍是将炭材料置于压力容器中，在一定的温度和压力条件下将液态浸渍剂沥青浸入渗透到制品 电极孔隙中的工艺过程。
目的是降低制品气孔率，增加制品体积密度和机械强度，改善制品的导电和导 热性能浸渍的工艺流程及相关技术参数是：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，40-50min）——注沥青（180-200 ℃）——加压（1.2-1.5MPa,3-4 小时）——返沥青—— 冷却（罐内或罐外）浸渍品的检查：浸渍增重率 G=(W -W )/W ×100%一次浸渍品增重率≥14%二次浸渍品增重率≥9%三次浸渍品增重率≥5%l石墨化是指在高温电炉内保护介质中把炭制品加热到 2300 ℃以上,使无定形乱层结构炭转化成三 维有序石墨晶质结构的高温热处理过程平面六角网格层状结构石墨化的目的和作用：①提高炭材料的导电、导热性（电阻率降低 4-5 倍，导热性提高约 10 倍）；②提高炭材料的抗热振性能和化学稳定性（线膨胀系数降低 50-80%）；③使炭材料具有润滑性和抗磨性；④排出杂质，提高炭材料的纯度（制品的灰分由 0.5-0.8%降到 0.3%左右）l 石墨化过程的实现：炭材料的石墨化是在 2300-3000 ℃高温下进行的，故工业上只有通过电加热方式才能实现，即电 流直接通过被加热的焙烧品，这时装入炉内的焙烧品既是通过电流产生高温的导体，又是被加热到高温的对象。
目前广泛采用的炉型有艾奇逊（ Acheson）石墨化炉和内热串接 (LWG)炉前者产量大、温差大、 电耗较高，后者加热时间短、电耗低、电阻率均匀但不好装接头石墨化工艺过程的控制是通过测温确定与升温情况相适应的电功率曲线进行控制，通电时间艾奇逊 炉 50-80 小时，LWG 炉 9-15 小时石墨化的电耗很大，一般为 3200-4800KWh，工序成本约占整个生产成本的 20-35%石墨化品的检查：外观敲击、电阻率测试l机械加工：炭石墨材料机械加工的目的是依靠切削加工来到达所需要的尺寸、形状、精度等，制 成符合使用要求电极本体和接头石墨电极加工分为电极本体和接头两个独立加工过程本体加工包括镗孔与粗平端面、车外圆与精平端面和铣螺纹 3 道工序，圆锥形接头的加工可分为 6 道工序： 切断、平端面、车锥面、铣螺纹、钻孔安栓和开槽b4b8A Uni--20--20 学年第一学期工作计划 9864电极接头连接方式：圆锥形接头连接（一吋三扣和一吋四扣）、圆柱形接头连接、凹凸连接（公母 扣连接）加工精度的控制：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、 电极端面平整度、接头四点偏差等。
用专用环规和板规等检查成品电极的检查：精度、重量、长度、直径、体积密度、电阻率、预装配合精度等石墨电极的质量指标反映石墨电极质量和使用性能的指标主要有：体积密度 d 、电阻率 ρ、抗折强度 σ、弹性模量 E、热膨胀 系数 α 和灰分 A%根据这几项指标的差异以及原料和制造工艺的不同，国家标准(YB/T 4088/89/90-2000)中将石 墨电极分为普通功率石墨电极（ RP）、高功率石墨电极（HP）、超高功率石墨电极（UHP）三种后石墨电极生 产厂根据用户使用需求增加了高体密石墨电极（HD）和准超高石墨电极（SHP）两种在国家标准基础上，各企业有自己的企业标准，客户订货时也会提出自己的质量标准下表为方大炭素的 RP、HP 及 UHP 电极内控质量标准普通功率规格高功率超高功率≤φ300≥φ350≤φ400≥φ450≤φ400≥φ450电阻率μΩ·m 不大于电极接头8.56.56.55.55.54.5体积密度 g/cm3电极1.531.521.621.621.671.66不小于抗折强度 Mpa 不小于弹性摸量 Gpa 不大于热膨胀系数 10 -61/℃不大于接头电极接头电极接头电极接头1.698.515.09.314.02.92.81.737.0 10.516.012.016.02.42.29.81.7511.020.014.018.01.51.4l 体积密度是石墨电极试样的质量与其体积的比值，单位 g/cm3，体积密度越大说明电极越密实， 与强度、抗氧化性能是正相关，一般而言，同品种电极体积密度越大，其电阻率也越低。
提高体积密度的途径是：调整配方、增加小粒级料和粉料用量，用真密度高的焦，使用结焦值高的 沥青和增加浸渍次数等l 电阻率是来衡量电极的导电能力的参数，是指电流通过导体时，导体对电流阻力的一种性质，数b58A Uni--20--20 学年第一学期工作计划 9864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μΩ·m电阻率越低，电l极在使用中导电性越好、消耗就越低降低电阻率的途径有：使用优质原料，提高制品体积密度，提高石墨化温度等抗折强度是表征石墨材料的力学性能的参数，也叫抗弯强度，是指当外力与物体轴线相垂直，物 体受外力作用后先呈弯曲到折断瞬间的极限抵抗能力，单位为 MPa石墨材料的强度有个与其他金属非 金属显著不同的特点，其强度随温度升高而增大，在 2000-2500 ℃达到最高，为常温的 1.8-2 倍，之后 有所下降强度高的电极、接头，在使用中越不易折断提高抗折强度的途径是：减小配方中焦炭的粒度，提高炭质原料强度，提高制品的体积密度，减少制品内部缺陷等l 弹性模量是力学性能的一个重要方面，是衡量材料弹性形变能力的指标，指材料在弹性变形范围 内，应力和应变的比值，单位为 GPa。
弹性模量越大，要产生一定弹性变形所需的应力越大，简单讲， 弹性模量越大材料越脆，弹性模量越小材料越柔弹性模量的高低对电极使用起一个综合性的作用，制品的体积密度越高越密实，弹性模量越大， 但制品的抗热振性能越差，越易产生开裂掉块在生产中，往往通过配方粒级的调整、制品体积密度的高低掌 握一个比较适应使用要求的弹性模量值l 热膨胀系数是指材料受热后膨胀程度的度量，即当温度升高 1℃时，引起单位的固体材料试样在某一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/℃在没有特别注明之处，热膨胀系数均指线膨胀系数，石墨电极轴向和径向线膨胀系数差异很大，径向要比轴向大 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非常重要的热学参数，数值越低，表明制品的热稳定性越强，抗氧化性越高，表现在 使用上反映出折断越少，消耗越低降低热膨胀系数的途径：主要由原料固有性能决定使用质量好的原料，配方使用粒度较大配方或增 加大颗粒用量（但会使制品密度和强度降低）l 灰分是指制品中除碳石墨之外的其他固体元素含量石墨电极中的灰分主要受所用原料的灰分大 小影响，石油焦针状焦灰分较低，所以石墨电极灰分一般不超过 0.5%，灰分含量在 1%以内对炼钢无明 显影响，但灰分中的杂质元素会降低电极的抗氧化性能。
l 抗热振因子是表征抗热振性能的参数，抗热振性能是材料自身的一种特性，它表述的是承受急冷急热的 一种性能，换句话说，是材料在一定的温度梯度之下抗碎裂的一种性能 ，是影响电极使用的一个很重要的综合性的因素s lk = •E aK——抗热震因子， w/m；σ——抗拉强度，MPa；E——弹性模量，MPa；λ——热导率，w/m·k；α——热膨胀系 数，1/K K 为一相对值，该值越大，抗热振性能就越强 石墨电极的 K 值与其在电弧炉中的表现有着较高的相关 性，即较高的 K 值，对应于电极较低的破碎和断裂l 电炉炼钢简介近现代炼钢方法主要有转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法平炉炼钢法已基本被淘汰，电炉炼 钢法与转炉炼钢法最根本的差别在于，电炉炼钢法是以电能作为热源，而电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉 炼钢方法我们通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼 的钢数量较少电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的 直接作用加热并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法l 石墨电极的消耗机理石墨电极在电炉炼钢中的消耗量主要与电极本身质量有关，也与炼钢的炉况（如炉子新旧、有无机 械故障、是否连续生产等）和炼钢操作（如冶炼钢种、吹氧时间、炉料情况等）关系很大。
这里只探讨石墨电 极本身的消耗情况，其消耗机理有以下几方面：n 端部消耗 包括电弧高温引起的石墨材料升华以及电极端部与钢水及炉渣发生化学反应的损失端部高 温升华速率主要取决于通过电极的电流密度，其次与电极侧部氧化后的直径大小有关，端部消耗还与是b68A Uni--20--20 学年第一学期工作计划 9864否用电极插入钢水增炭有关n 侧部氧化 电极的化学成分是碳，碳在一定条件下与空气、水蒸气、二氧化碳都会发生氧化反应，电极 侧部氧化量与单位氧化速率和暴露面积有关一般情况下，电极侧部氧 化量要占电极总消耗量的 50% 左右近年来为了提高电炉冶炼速度，更增加了吹氧操作的频次，导致电极的氧化损失增加在炼钢过 程中经常观察电极躯干的发红程度和下端的锥度是衡量电极抗氧化能力的直观方法n 残端损失 电极连续使用到上下两根电极连接处时，一小段电极或接头（即残体）因本体的氧化变细 或裂纹的贯通而产生脱离残端损失的大小与接头形状扣型、电极内部结构、电极柱的振动、撞击有关n 表面剥落及掉块 在冶炼过程中急冷急热，电极自身的抗热振性能差导致的结果n 电极折断 包括电极躯干折断和接头折断电极折断与石墨电极和接头的自身质量、加工配合有关，也 与炼钢操作有关，产生原因往往是钢厂与电极生产厂争议的焦点。
雨滴穿石，不是靠蛮力，而是靠持之以恒——拉蒂默b7。