（化学工艺专业论文）φ700mm超高功率石墨电极接头的研制.pdf

中文摘要 4 7 0 0 m m超高功率石墨电极是用于大容量超高功率直流电弧炉的耐高温石 墨质导电 材料，因其技术含量高，制造工艺极其复杂，产品畅销于国内 外市场， 附加值极高。目前，仅有美、日、德三国的石墨电极制造厂能生产中 7 0 0 m m 超 高功率石墨电极，国内厂家还不能进行生产。 (d 7 0 0 m m超高功率石墨电极接头起连结作用，在电 炉中承受更苛刻的冶炼 要求。因此，在中 7 0 0 m m超高功率石墨电极的制造中， 接头的生产工艺更复杂， 技术要求也更高。 为此， 在实验室中， 以 优质石油针状焦x级水岛焦为骨料， 天津改质煤沥青为粘结剂， 采用不同 工艺配方， 辅以 各种添加剂， 进行小试和中 试，探讨制备( 7 0 0 m m超高功率石墨电极接头的制造工艺和生产技术。 小试研究尝试采用振实密度测定法筛选出 配方粒度组成， 设计了9 个实验配 方， 通过一系列实验， 借助偏光显微镜和多种理化性能测试优化出适宜的工艺配 方。 小试研究表明，采用振实密度测定法，可以得到了$ 7 0 0 m m 超高功率石墨 电极接头的粒度组成， 粒度分布特征为粒度连续组成和断序组成两种。 采用断续 粒度组成配方得到的试样体积密度比采用连续粒度组成的试样高出 。 .0 20 .0 4 g /c m 3 ， 抗 折强 度 提高1 9 0/ a - 4 1， 电 阻 率 下降8 % - 2 2 % ， 但 弹 性 模 量也 相 应 上 升 8 % - 2 1 %。这说明，采用断续粒度组成的配方要优于采用连续粒度组成的配方。 与中温煤沥青相比，改质煤沥青固定炭含量高出5 %,粘结力更强，可将接头试 样的 体 积 密 度提高0 .0 2 g / c m 3 ， 机 械 强 度 提高1 0 % 。 加 入 硬 脂 酸 添 加 剂 ， 虽能 降 低沥青的软化点和粘度， 改善糊料的塑性， 有助于压型成品率的提高， 但同时也 使接头试样的机械强度下降1 6 .7 %以 上， 因此应慎重使用。 加入适量的氧化铁添 加剂，可有效抑制石墨化中的晶胀现象， 提高制品接头试样的 机械强度。 在小试研究的基础上，根据工业化生产的实际运行情况， 选择合适的配方， 优化各种工艺参数，增加了 浸渍和再焙烧处理工序，结合偏光显微镜和s e m进 行中试研究。 中试研究结果表明， 在配方组成中， 增加细颗粒的用量， 能明显提高接头试 样的机械强度。尤其是增加超细颗粒的用量时，可将接头试样的机械强度提高 1 0 %以 上。 浸溃/ 再焙烧工序是提高接头试样机械强度的有效手段， 但随 着次数的 增加，改善的幅度越来越小，还会使接头试样的热膨胀系数上升。 中 试 研 究得 到的 样品 理 化 性能 如 下: 体 积密 度1 .8 7 g /c m ， 抗 折强 度2 9 a m p a , 弹性模量1 7 . 1 g p a ， 热膨胀系数1 .5 0 x 1 0 -1 / 0c ，电 阻率4 . 9 u o m ， 实物性能己 接 近国外小 7 0 0 m m超高功率石墨电极接头产品指标。 关键词: 直流电 弧炉， 4) 7 0 0 m m超高功率石墨电极接头， 粒度分布， 抗折强度， 热膨胀系数，电阻率 abs tract (d 7 0 0 m m u h p g r a p h i t e e l e c t r o d e i s u s e d i n la r g e v o l u m e u h p d c - a r c f u rn a c e as h i g h - t e m p e r a t u r e - r e s i s t a n c e , e l e c t r i c a l c o n d u c t i n g g r a p h i t e m a t e r i a l s , w h i c h i s w e l l - s o l d in d o m e s t i c a n d f o r e i g n m a r k e t s a n d h as h i g h v a l u e b e c a u s e o f i t s h i g h - t e c h a n d c o m p l i c a t e d p r o c e s s i n g p r o c e d u r e . a s n o w , j u s t s e v e r a l g r a p h i t e e l e c t ro d e m a n u f a c t u r e r s i n u s a , j a p a n , g e r m a n c a n p r o d u c e 小 7 0 0 m m u h p g r a p h i t e e l e c t r o d e wh i l e t h e d o me s t i c c a n n o t ma k e i t . d u r i n g p r o d u c i n g (b 7 0 0 m m u h p g r a p h i t e e l e c t r o d e , h i g h e r r e q u i r e m e n t t o p r e p a r e n i p p l e i s n e e d e d b e c a u s e t h e n i p p l e as j o i n t b e a r s h i g h e r s m e l t i n g r e q u e s t . t h e r e f o r e , t h e s m a l l - s c a l e a n d m i d d l e - s c a l e e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o n i n l a b , u s i n g h i g h - g r a d e p e t r o l e u m n e e d l e c o k e - - - - x - g r a d e s u mi t o mo c o k e a s s k e l e t o n , t i a n j i n m o d i fi e d p i t c h as b i n d e r , w i t h v a r i o u s p r o c e s s f o r m u l as a n d t w o a d d i t i v e s t o i n v e s t i g a t e t h e p re p a r in g p r o c e s s a n d p r o d u c in g t e c h n i q u e s . d u r in g s m a l l - s c a l e e x p e r i m e n t s , t h e s i z e d i s t r i b u t i o n s o f f o r m u l as w e r e s e l e c t e d 妙t r 户 n g m e as u r i n g v i b r a t e d b u l k d e n s i t ie s o f a l o t o f m i x t u r e . o n b as i s o f t h e m , 9 e x p e r i m e n t a l f o r m u l as w e r e d e s i g n e d a n d c a r r i e d o u t . t h e s u i t a b l e f o r m u l a s w a s o p t i m i z e d b y p o l a r i z e d l i g h t m i c r o s c o p e a n d m e a s u r e d r e s u l t s o f s a m p l e s . s m a l l - s c a l e e x p e r i m e n t s h o w s t h a t s o m e f o r m u l as a r e g a i n e d b y m e t h o d o f m e a s u r i n g v i b r a t e d b u l k d e n s i ty , w h o s e c h a r a c t e r i s t i c s a r e i n t e r m i tt e n t s i z e d i s t r i b u t i o n a n d c o n t i n u o u s s i z e d i s t r i b u t i o n . s a m p l e s p r o p e rt i e s b a s e d o n f o r m u las d e r i v e d fr o m i n t e r mi tt e n t s i z e d i s t r i b u t i o n a r e b e tt e r t h a n t h e o n e s b ase d o n f o r mu l as d e r i v e d fr o m c o n t i n u o u s s i z e d i s t r i b u t i o n . f o r e x a m p l e , t h e b u l k d e n s i t y i s im p r o v e d 0 .0 2 0 .0 4 g / c m 3 ， fl e x u r a l s t r e n g th is im p r o v e d 1 9 % - 4 1 %， s p e c i f ic e le c t r ic a l r e s i s t a n c e i s l o w e re d 8 % - 2 2 %. c o m p a r e d w i t h m i d d l e t e m p e r a t u r e c o a l t a r p i t c h , m o d if ie d p i t c h c a n a p p a r e n t ly i m p r o v e 0 .0 2 g / c m 3 o f t h e b u lk d e n s ity a n d 1 0 % o f m e c h a n i c a l s t r e n g t h o f n i p p l e s a m p l e s b e c a u s e o f 5 % h i g h e r fi x e d c a r b o n a n d b i n d e r s t r e n g t h . s t e a r i c a c i d s h o u l d b e p ru d e n t ly u s e d b e c a u s e i t l o w e r s m o r e t h a n 1 6 % m e c h a n i c a l s t r e n g th o f 吻p l e s a m p le s a l t h o u g h it c o u ld l o w e r t h e s o ft e n i n g p o i n t a n d v i s c o s i ty o f p i t c h s o t h a t i t b e n e fi t s f o r i m p r o v i n g e x t r u s i o n p r o d u c t i v i ty . a d d i n g p r o p e r a d d i t i v e s o f f e 2 0 3 c o u l d e ff e c t iv e l y i n h a b i t t h e p u f fi n g i n g r a p h it iz a t io n a n d i m p r o v e m e c h a n i c a l s t r e n g th o f n i p p l e s a m p le s . o n b asi s o f s m a l l - s c a l e e x p e r i m e n t s , s e l e c t i n g p r o p e r p r o c e s s f o r m u l as , o p t im i z in g v a r i o u s p r o c e d u r e p a r a m e t e r s , a d d i n g p r o c e d u r e o f i m p r e g n a t i o n a n d r e - b a k i n g , m i d d l e - s c a l e e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t w i t h p o l a r i z e d l i g h t m i c r o s c o p e a n d s e m, a c c o r d i n g t o c o m m e r c ia l p r o d u c t i o n . r e s u l t s o f m i d d l e - s c a l e e x p e r i m e n t s s h o w t h a t i n c r e a s i n g c o n t e n t o f f i n e p a r ti c le i n f o r m u l a s c o u l d i m p r o v e m e c h a n i c a l s t r e n g t h o f n ip p l e s a m p l e s . e s p e c i a l l y , i n c r e a s i n g c o n t e n t o f u l t r a - fi n e p a rt i c l e i n f o r m u la s c o u l d i n c r e a s e m o r e t h a n 1 0 % o f m e c h a n ic a l s t r e n g t h o f n i p p le s a m p le s . p r o c e d u r e o f i m p r e g n a t i o n a n d r e - b a k i n g i s a g o o d m e t h o d t o i m p r o v e m e c h a n i c a l s t r e n g t h o f n i p p l e s a m p l e s . b u t m o re t i m e s , i m p r o v i n g a m p l i t u d e g e t s l e s s a n d l e s s , a n d m a k e c o e ff i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n ri s e. p r o p e rt i e s o f f in a l n ip p le s a m p le s a r e a s f o ll o w s : b u lk d e n s it y 1 .8 7 g /c m 3 , fl e x u r a l s t r e n g t h 2 9 a m p a , y o u n g s m o d u lu s 1 7 . 1 g p a , c o e ff i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n 1 .5 0 x 1 0 -6 / 0c , s p e c if i c e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e 4 .9 u tz m , w h i c h a r e c l o s e to t h o s e o f f o r e i g n (b 7 0 0 m m u h p g r a p h i t e e l e c tr o d e n i p p l e . k e y wo r d s : u h p d c - a r c f u r n a c e , 4t 7 0 0 m m u h p g r a p h i t e e l e c t r o d e n i p p l e , s i z e d i s t r ib u t i o n , c o e ff i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n m , fl e x u r a l s t r e n g t h ; s p e c i fi c e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其它人己经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 k * k色或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 了 长 屠 签 字 日 期 : 、 年 : 8 。 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解份 孟生乞 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权) ak 上 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 “ 者 签 名 : 麟 签 字 日 期 : 1, - 0 4 b 月3日 导师签名: 多 式 4 签 字 日 期 : z 禅年6月 6日 天津大学硕士学位论文第一章 前言 第一章 前言 随着世界经济全面复苏和全球化进程的加快， 对以钢铁为首的原材料的需求 越来越大。中国经济的迅猛发展， 全球瞩目。 2 0 0 3 年，中国钢产量创历年纪录， 达到了2 .2 x i o t , 2 0 0 4 年产量预 计 将达到2 . 5 x l o y 1 l a 近年来，由于电弧炉技术的快速发展和自 动化技术的广泛应用，劳动效率高 和综合成本低的大容量超高功率电弧炉日 趋增多， 电炉钢产量的比例在许多国家 超过3 0 %。 同时， 随着废钢资源的增加和直接还原铁技术的应用，电炉钢产量的 份额保持着持续增长的势头。 石墨电极是一种以石油焦、沥青焦为骨料， 煤沥青为粘结剂，经过成型、焙 烧、浸渍、再焙烧、石墨化和机械加工工序而制成的耐高温的石墨质导电 材料， 由电极本体和电极接头两部分组成。 石墨电 极具有实用温度范围广， 耐高温， 机 械强度高， 热膨胀系数低， 导热系数高，电阻率较低等特性， 是在电弧炉炼钢中 能承受阴极斑点高温的唯一实际使用的耐高 温消耗性导电材料， 作用是通过石墨 电极向电 弧炉输入电能， 以电极端部和炉料之间产生的电弧为热源进行炼钢。 目 前， 最先进的直流电弧炉炼钢中， 粗炼时石墨电 极吨钢消耗为 1 . 3 - 1 .9 k g ， 精炼 时 石墨电 极吨钢消耗为0 . 3 - 0 .9 k g ， 石墨电 极占 炼钢成本降至5 %以 下。 现代电弧炉的大容量、超高功率化的发展给石墨电极制造业带来深远的影 响，对其生产的石墨电极要求越来越高， 这主要表现在以下两个方面: 1 ) 石墨电 极规格增大， 高档次电 极比 例增加 电 炉的 大容量、 超高功 率 化要 求石墨电 极的 直径越来越大 ( d m a x = 8 0 0 m m ) , 电 流载荷也越来越高( i m a x = 1 5 0 k a ) 。 这种发展趋势迫使石墨电 极制造企业必须调 整石墨电 极产品结构， 及时更新换代， 向大规格、 超高功率的高档次石墨电极方 向发展。 2 ) 不断 提高石墨电 极的质量 由于超高功率电炉上使用的石墨电极所承受的电流密度比 普通功率电炉上 使用的电极高5 0 %以上， 而且承受的电流密度也随电炉功率的增加而越来越大， 因 此对电 极质量的要求也越来越高。 主要有: a )电阻率进一步降低， 减少自 身 发 热损耗: b ) c t e 值更低， 减少热应力; 。 ) 提高电 极本体的 热导率， 减少径向 温 度 梯 度; d ) 有较 高的 机 械强 度， 而 且电 极 接头 的 机械 强 度高 于 本体 ; e ) 气 孔率 低。 天津大学硕士学位论文第一章 前言 近年来，我国的大容量、超高功率电弧炉发展迅速， 对大规格、超高功率石 墨电极的需求日 益增加， 也对大规格、 高功率和超高功率石墨电极的生产原料和 制造工艺提出了更高的要求。目 前，( 6 0 0 mm 以下的大规格、高功率和超高功 率石墨电极市场中，国产电极已占 到6 0 %的份额。但是，国内的7 0 0 0 - 8 0 0 0 t / 年 的中 7 0 0 m m超高功率石墨电 极完全依赖进口，国内 石墨电极制造企业还没有掌 握其生产技术。 石墨电极接头直径小， 在炼钢中承载着比本体更大的应力， 这要求接头应具 有更为优异的理化性能。同时，己能 本土化的(d 5 5 0 m m , 4) 6 0 0 m m超高功率石 墨电极的接头还存在技术和工艺上的不成熟， 质量不稳定。 为此， 笔者在王成扬 教授的 指导下， 和吉林炭素股份有限公司的同事一道在实验室中， 以优质石油针 状焦 x级水岛焦为骨料， 天津改质煤沥青为粘结剂， 采用不同工艺配方， 进 行小试和中试研究，探讨制备( 7 0 0 m m超高功率石墨电极接头的制造工艺和生 产技术。 天津大学硕士学位论文第二章 文献综述 第二章 文献综述 国内外超高功率石墨电极的使用状况 国内外超高功率石墨电极的现状和发展趋势 月. 月.1 内，. 由于电弧炉技术的快速发展和自 动化技术的广泛应用， 劳动效率高和综合成 本低的大容量高功率和超高功率电弧炉日 趋增多， 电炉钢产量的比例在许多国家 超过3 0 %0 随着废钢资源的增加和直接还原铁技术的推广应用， 电炉钢产量的份 额保持着持续增长的势头。 西方发达国家电炉钢的比例高于世界平均水平， 绝大 多数使用的是高功率和超高功率电炉。 1 9 9 4 年中国钢产量为0 .9 1 亿t ， 电炉钢的 比 例为2 1 .6 % 2 1 , 2 0 0 2 年中国 钢产量为1 .8 2 亿t ， 电 炉钢的比 例为1 6 . 7 2 % 3 1 。 经 过近十年的发展， 电炉钢的比例虽然没有提高， 但绝对数量有了较大的进步。 1 9 9 5 年的中国电炉钢会议确定了新建电炉容量严禁小于6 0 t ，加速淘汰中小电炉的行 业政策， 明 确了电 炉的高功率和超高 功率化14 1 。 因此， 高功率和超高功率石墨电 极的生 产和使用 将占 主导 地 位。 表2 - 1 列出了 电 弧 炉容最 和石墨电 极的 关 系 5 1 图2 - 1 展示了电 极 直 径与允 许电 流的 关系5 1 ，图2 - 2 和图2 - 3 分别是交流 和直 流 电弧炉示意图. 加职切加加10的加的拍的功村30加拍。 y名)瑞留活长 8 1 0 1 2 1 4 1 8 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 电极直径 ( i n c h ) 图2 - 1电极直径与允许电流的关系 f i g u r e 2 - 1 t h e r e l a ti o n b e t w e e ne l e c tr o d e a n d a l l o wa b l e c u r r e n t 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 国内外超高功率石墨电极的使用状况 2 1 1 国内外超高功率石墨电极的现状和发展趋势 由于电弧炉技术的快速发展和自动化技术的广泛应用，劳动效率高和综合成 本低的大容量高功率和超高功率电弧炉日趋增多，电炉钢产量的比例在许多国家 超过3 0 。随着废钢资源的增加和直接还原铁技术的推广应用，电炉钢产量的份 额保持着持续增长的势头。西方发达国家电炉钢的比例高于世界平均水平，绝大 多数使用的是高功率和超高功率电炉。1 9 9 4 年中国钢产量为o 9 1 亿t ，电炉钢的 比例为2 1 6 【2 l ，2 0 0 2 年中国钢产量为1 8 2 亿t ，电炉钢的比例为1 6 7 2 3 。经 过近十年的发展，电炉钢的比例虽然没有提高，但绝对数量有了较大的迸步。1 9 9 5 年的中国电炉钢会议确定了新建电炉容量严禁小于6 0 t ，加速淘汰中小电炉的行 业政策，明确了电炉的高功率和超高功率化 4 1 。因此，高功率和超高功率石墨电 极的生产和使用将占主导地位。表2 1 列出了电弧炉容量和石墨电极的关系 ”。 图2 一l 展示了电极直径与允许电流的关系【5 】，图2 2 和图2 3 分别是交流和直流 电弧炉示意图。 2 兰 臻 母 妊 81 01 21 4 1 6 1 82 02 22 42 62 83 03 2 电极直径( i n o h ) 图2 - 1 电极直径与允许电流的关系 f i g u r e 2 1t h er e l a t i o nb c t w e e l ) g r a p h i t ee l e c l r o d ea n da l l o w a b l ec u r r e n t 曲酾硒仙弱协勰两w仙协o 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 图2 - 2 交流电弧炉 f i g u r e2 - 2 a ca r cf u r n a c e 图2 - 3 直流电弧炉 f i g u r e2 - 3 d ca r cf u r n a c e 表2 - 1电弧炉容量和石墨电极直径的关系 t a b l e 2 - lt h er e l a t i o nb e t w e e n a r ef u m a z ev o l u m ea n dd i a m e t e ro f g r a p h i t ee l e c t r o d e 注：r p 为普通功率，h p 为高功率，u h p 为超裹功率 世界石墨电极主要生产和出口国为美国、日本、德国和中国大陆，著名的跨 国公司主要有美国的u c a r 集团炭素公司、德国的s g l 公司、e l 本的东海炭素 公司、日本炭索公司、昭和电工炭素公司等，其产量约占全世界总产量( 约1 5 0 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 万t ) 的5 0 以上，绝大部分产品是高功率和超高功率石墨电极。我国从上世 纪8 0 年代中期开始研制高功率和超高功率石墨电极，经过2 0 年的努力，取得了 长足的进步。目前，由6 0 0 r a m 以下的大规格、高功率和超高功率石墨电极市场 中，国产电极己占到6 0 的份额。从表2 2 可以看出【6 。，从1 9 9 9 年至今，我 国石墨电极生产不但总量持续增加，而且结构也明显变化，普通功率电极产量基 本保持不变，增加部分都是高功率和超高功率石墨电极。 表2 - 21 9 9 9 年- 2 0 0 3 年我国电极生产情况 t a b l e 2 2t h ep r o d u c t i o no f g r a p h i t ee l e c t r o d ei nc h i n af r o m19 9 9t o2 0 0 3 注： 2 0 0 3 年是1 - - 9 月的产量。 2 1 2 国内外巾7 0 0 r m 超高功率石墨电极的使用情况 1 9 8 9 年，东京钢铁公司九州工厂的t 3 0 t 直流电弧炉在举世瞩目中投产了。 该炉使用咖7 0 0 m m 超高功率石墨电极，投产后一直运行正常，缩短了炼钢周期， 降低了电耗，电极消耗为1 1 k g t ，经济效益十分显著】。随后，日本钢厂纷纷 仿效。由此，迎来了大型直流电弧炉时代，世界各地燃起了建设大容量、超高功 率直流电弧炉的热潮。从1 9 9 5 起，我国也有宝钢集团、杭州钢厂、八一钢厂、 长城特钢、苏州钢厂、张家港钢厂等1 0 台1 0 0 t 以上的超高功率直流电弧炉陆续 建成投产。表2 3 列出了世界各钢厂部分运行的1 0 0 t 以上的超高功率直流电弧 炉】。这些电炉使用的都是由7 0 0 m m 和由7 5 0 r n m 超高功率石墨电极，全年用量 4 0 0 0 0 t 以上，全部由美国的u c a r 集团炭素公司、德国的s g l 公司、日本的东 海炭素公司、日本炭素公司、昭和电工炭素公司等电极制造厂生产，国内企业还 处于研制阶段，尚不能进行工业化批量生产。 2 2 由7 0 0 m 超高功率石墨电极在炼钢中的受力和损耗 2 2 1 巾7 0 0 m 超高功率石墨电极简介 巾7 0 0 m m 超高功率石墨电极公称直径为7 0 0 m m ，实际尺寸在7 0 0 - 7 1 5 r a m 天津大学硕士学位论文第二章 文献综述 万 t )的 5 0 % 以上，绝大部分产品是高功率和超高功率石墨电极。我国从上世 纪8 0 年代中期开始研制高功率和超高功率石墨电极， 经过2 0 年的努力， 取得了 长足的进步。目 前，(d 6 0 0 m m 以下的大规格、高功率和超高功率石墨电极市场 中， 国 产电 极己占 到6 0 % 的 份额。 从表2 - 2 可以 看出 6 - 1 0 1 ， 从1 9 9 9 年至 今， 我 国石墨电极生产不但总量持续增加， 而且结构也明显变化， 普通功率电极产量基 本保持不变，增加部分都是高功率和超高功率石墨电极。 表2 - 2 1 9 9 9 年 - 2 0 0 3 年 我国电 极生 产情况 丁 a b l e 2 - 2 t h e p r o d u c t i o n o f g r a p h i t e e l e c t r o d e i n c h i n a fr o m 1 9 9 9 t o 2 0 0 3 ti me1 9 9 92 0 0 02 0 01 2 0 0 22 0 0 3 * 1 8 . 2 3 1 1 . 0 5 6 . 0 1 . 1 7 1 9 . 3 8 1 0. 4 4 2 1 . 8 62 2 . 3 7 1 9 . 4 3 * l 1 . 5 91 1 . 5 18 . 7 9 * 6 . 9 7 1 . 97 8 . 418 . 518 37 * 2 . 3 42 . 2 7 * 注:* - 2 0 0 3 年是1 - 9 月的产量。 2 . 1 .2国内 外( 7 0 0 m n 超高功率石墨电 极的 使用情况 1 9 8 9 年，东京钢铁公司九州工厂的1 3 0 t 直流电弧炉在举世瞩目 中 投产了。 该炉使用ep 7 0 0 m m超高功率石墨电极， 投产后一直运行正常， 缩短了炼钢周期， 降 低了 电 耗， 电 极消 耗为1 . 1 k g lt ， 经 济 效 益 十分显 著 1 1 11 。 随 后，日 本 钢厂 纷 纷 仿效。由 此， 迎来了大型直流电弧炉时代， 世界各地燃起了建设大容量、 超高功 率直流电弧炉的热潮。从1 9 9 5 起，我国也有宝钢集团、杭州钢厂、 八一钢厂、 长城特钢、 苏州钢厂、 张家港钢厂等1 0 台1 0 0 t 以上的超高功率直流电弧炉陆续 建成投产。表2 - 3 列出了世界各钢厂部分运行的 1 o o t 以上的超高功率直流电弧 炉n u 。 这些电炉使用的都是4) 7 0 0 m m和4) 7 5 0 m m超高功率石墨电 极， 全年用量 4 0 0 0 0 1 以 上， 全部由 美国的u c a r集团 炭素公司、 德国的s g l 公司、日 本的东 海炭素公司、日本炭素公司、 昭和电工炭素公司等电极制造厂生产， 国内企业还 处于研制阶段，尚不能进行工业化批量生产。 2 . 2 4) 7 0 0 m m 超高功率石墨电 极在炼钢中的受力和损耗 2 . 2 . 1 (d 7 0 0 m m 超高功率石墨电 极简介 4) 7 0 0 m m超高功率石墨电极公称直径为7 0 0 m m，实际尺寸在7 0 0 - 7 1 5 m m, 天津大学硕士学位论文第二章 文献综述 万 t )的 5 0 % 以上，绝大部分产品是高功率和超高功率石墨电极。我国从上世 纪8 0 年代中期开始研制高功率和超高功率石墨电极， 经过2 0 年的努力， 取得了 长足的进步。目 前，(d 6 0 0 m m 以下的大规格、高功率和超高功率石墨电极市场 中， 国 产电 极己占 到6 0 % 的 份额。 从表2 - 2 可以 看出 6 - 1 0 1 ， 从1 9 9 9 年至 今， 我 国石墨电极生产不但总量持续增加， 而且结构也明显变化， 普通功率电极产量基 本保持不变，增加部分都是高功率和超高功率石墨电极。 表2 - 2 1 9 9 9 年 - 2 0 0 3 年 我国电 极生 产情况 丁 a b l e 2 - 2 t h e p r o d u c t i o n o f g r a p h i t e e l e c t r o d e i n c h i n a fr o m 1 9 9 9 t o 2 0 0 3 ti me1 9 9 92 0 0 02 0 01 2 0 0 22 0 0 3 * 1 8 . 2 3 1 1 . 0 5 6 . 0 1 . 1 7 1 9 . 3 8 1 0. 4 4 2 1 . 8 62 2 . 3 7 1 9 . 4 3 * l 1 . 5 91 1 . 5 18 . 7 9 * 6 . 9 7 1 . 97 8 . 418 . 518 37 * 2 . 3 42 . 2 7 * 注:* - 2 0 0 3 年是1 - 9 月的产量。 2 . 1 .2国内 外( 7 0 0 m n 超高功率石墨电 极的 使用情况 1 9 8 9 年，东京钢铁公司九州工厂的1 3 0 t 直流电弧炉在举世瞩目 中 投产了。 该炉使用ep 7 0 0 m m超高功率石墨电极， 投产后一直运行正常， 缩短了炼钢周期， 降 低了 电 耗， 电 极消 耗为1 . 1 k g lt ， 经 济 效 益 十分显 著 1 1 11 。 随 后，日 本 钢厂 纷 纷 仿效。由 此， 迎来了大型直流电弧炉时代， 世界各地燃起了建设大容量、 超高功 率直流电弧炉的热潮。从1 9 9 5 起，我国也有宝钢集团、杭州钢厂、 八一钢厂、 长城特钢、 苏州钢厂、 张家港钢厂等1 0 台1 0 0 t 以上的超高功率直流电弧炉陆续 建成投产。表2 - 3 列出了世界各钢厂部分运行的 1 o o t 以上的超高功率直流电弧 炉n u 。 这些电炉使用的都是4) 7 0 0 m m和4) 7 5 0 m m超高功率石墨电 极， 全年用量 4 0 0 0 0 1 以 上， 全部由 美国的u c a r集团 炭素公司、 德国的s g l 公司、日 本的东 海炭素公司、日本炭素公司、 昭和电工炭素公司等电极制造厂生产， 国内企业还 处于研制阶段，尚不能进行工业化批量生产。 2 . 2 4) 7 0 0 m m 超高功率石墨电 极在炼钢中的受力和损耗 2 . 2 . 1 (d 7 0 0 m m 超高功率石墨电 极简介 4) 7 0 0 m m超高功率石墨电极公称直径为7 0 0 m m，实际尺寸在7 0 0 - 7 1 5 m m, 天津大学硕士学位论文 第二章 文献综述 长2 7 0 0 m m ， 重量在1 8 0 0 k g 左右。 接头为 锥形， 最大 径3 7 4 m m ， 长5 5 8 m m , 重量在9 0 k g左右， 属于长接头， 螺纹为一时四 个螺纹结构， 标识为t 4 l( 如图 2 - 4 所示) 0 4 ) 7 0 0 m m超高功率石墨电极主要用于1 0 0 t以上超高功率直流电弧炉。 在炼钢时，通常把三根电极用锥形接头串联起来 ( 如图2 - 5所示) ，作为负极导 电 材料使用。 表2 - 3 世界各钢厂部分运行的1 0 0 t 以 上的超高功率直流电弧炉 t a b l e t - 3 s o m e o f o p e r a t i n g u h p d c - a r c f u rn a c e w it h v o l u m e m o re t h a n 1 0 0 t i n t h e w o r l d 序号国家及钢厂 电弧炉容 量/ t 变压器容 量/ m v a 数量供应商 11111，山1，.盆1，止 300040弘2050400000603578 1 0 1 1 内、，.1.11.通 10010010070858010010792100130洲160142l52l30150l40l20l30744910090l60 : 日 本东京钢铁公司九州工厂 日 本大和钢铁公司 水岛工 厂 日 本大和钢铁公司水岛工厂 日本东京钢铁公司冈山工厂 日本关西钢坯中心大阪_ 厂 美国纽柯钢铁公司希克曼工厂 日 本东京钢铁公司 韩国丸永钢铁公司釜山 钢厂 日 本三菱钢铁公司 中国台湾葵宏钢铁公司 美国伯利恒钢铁公司 美国加拉廷钢铁公司 印 度爱莎钢铁公司 日 本东亚钢铁公司鹿岛工厂 墨西哥希尔萨公司蒙特雷工厂 德国格 马公司 法国联合冶金公司 卢森堡罗 阿工厂 韩国汉波钢铁公司牙山工厂 西斑牙比斯开亚钢铁公司 中国宝钢公司上钢三厂 中国宝钢公司上钢五厂 中国宝钢公司 中国长城特钢公司 中国苏州苏兴特钢公司 1 5 0 nkk 科莱姆 科莱姆 nkk 新 日铁 man- ghh abb abb ab b/ i hi abb nkk nkk 科莱姆 nkk 富克斯 man- ghh 科莱姆 德马格 nkk 科莱姆 abb abb 科莱姆 科莱姆 德马格 0勺n户 勺内j气口j 勺.已，.皿.卫月.二 : 1 6 1 7 一、on“unn 勺月j00戈曰nn 心.月.且.且弓.jd.j已胜1，. : 1 5 5 1 1 9 0 八u召.ij月q气 ，白，2勺乙22 天津大学硕士学位论文第二章 文献综述 图2 - 4 t 4 l 接头螺纹细节 f ig u r e 2 - 4 t h re a d d e t a i l s o f t 4 l t a p e r n i p p l e 斗 _ 图2 - 5电 极连接示意图 f i g u r e 2 - 5 d i a g r a m o f e l e c t r o d e j o i n t 2 . 2 . 2 ( 7 0 0 m超高功率石墨电 极在炼钢中的受力 惰况 (b 7 0 0 m m超高功率石墨电极在炼钢中的受力情况与电极的机械损坏密切相 关。 由 于接头的直径小， 承受着更大的应力， 一般更多考虑的是接头的受力情况， 可分为静态时受力和热负荷时受力两种情况。 1 ) 静态时受力 静态时的受力主要是由电极自 重造成的拉伸应力。 每根7 0 0 m n 超高功率石墨 电 极重达1 8 0 0 k g ， 三根串 联起来达到5 4 0 0 k g ， 对接头的拉伸应力较大。 拉伸应 力在螺纹表面分布极不均匀， 在最大直径处应力最大， 其余螺纹上的应力依次递 减 【一 。 天津大学硕士学位论文第二章 文献综述 图2 - 4 t 4 l 接头螺纹细节 f ig u r e 2 - 4 t h re a d d e t a i l s o f t 4 l t a p e r n i p p l e 斗 _ 图2 - 5电 极连接示意图 f i g u r e 2 - 5 d i a g r a m o f e l e c t r o d e j o i n t 2 . 2 . 2 ( 7 0 0 m超高功率石墨电 极在炼钢中的受力 惰况 (b 7 0 0 m m超高功率石墨电极在炼钢中的受力情况与电极的机械损坏密切相 关。 由 于接头的直径小， 承受着更大的应力， 一般更多考虑的是接头的受力情况， 可分为静态时受力和热负荷时受力两种情况。 1 ) 静态时受力 静态时的受力主要是由电极自 重造成的拉伸应力。 每根7 0 0 m n 超高功率石墨 电 极重达1 8 0 0 k g ， 三根串 联起来达到5 4 0 0 k g ， 对接头的拉伸应力较大。 拉伸应 力在螺纹表面分布极不均匀， 在最大直径处应力最大， 其余螺纹上的应力依次递 减 【一 。 天津大学硕士学位论文 第二章 文献综述 2 ) 热负荷时受力 热负荷时的受力主要是由 膨胀 ， 引 起的 热应力， 由 于温度场的分布 14 ， 使得 圆周应力造成的损害最大， 电 极在踞最大径的受力螺纹处应力最大【 同 ， 这也可能 是接头常会在此处折断的原因。 另外， 电极中的热应力随电极直径和承载电流的 增加而呈级数增加 ， ， ， 冶炼过程中的 塌料现象也会造成接头的机械折断损害。 所 有这些表明， 对7 0 0 m m 超高功率石墨电 极接头的要求更高， 例如热膨胀系数更小， 抗 折强 度更高，电 阻率更 低【 in 7 2 . 2 .