浅谈提高石墨电极抗热震性的途径

1、    浅谈提高石墨电极抗热震性的途径    黄涛+韦楠【摘 要】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。【关键词】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

2、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80150t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

3、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：a=s/（e）式中，a：抗热震值；：导热系数；s：抗拉强度；：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5·m时，材料的导热系数可以达到200

4、w/（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

5、试产品各项理化指标数据如下：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

6、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/cm