淺談提高石墨電極抗熱震性的途徑

黃濤++韋楠

【摘 要】針對(duì)影響石墨電極在超高功率電弧爐上使用的主要因素——抗熱震性，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)比不同原料、粒度組成對(duì)石墨電極理化指標(biāo)的影響，石墨電極制造過程加入碳纖維后對(duì)抗拉強(qiáng)度可提升20%；石墨材料不同理化指標(biāo)對(duì)材料抗熱震性能的影響，探索石墨電極制造工藝設(shè)計(jì)的思路和方向。

【關(guān)鍵詞】石墨電極；抗熱性

隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整和環(huán)保壓力的增大，鋼鐵行業(yè)中高爐煉鐵-轉(zhuǎn)爐煉鋼的長(zhǎng)流程生產(chǎn)模式將會(huì)受到很大制約。電弧爐煉鋼由于其投資較少，適用于特殊鋼生產(chǎn)并易于實(shí)現(xiàn)環(huán)保達(dá)標(biāo)而受到行業(yè)關(guān)注，中國(guó)鋼鐵行業(yè)十多年的高速發(fā)展也已經(jīng)積累了大量的社會(huì)鋼鐵保有量，這些鋼鐵資源會(huì)逐年報(bào)廢而進(jìn)入廢鋼市場(chǎng)，支撐電弧爐煉鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

電弧爐爐容和變壓器容量不斷增加，國(guó)內(nèi)新建的電爐多數(shù)是80～150t的大容量超高功率電弧爐，并將輸入的電功率提高到800kW/t，超高功率電弧爐使用的石墨電極在更加苛刻的條件下運(yùn)行，由于通過電極的電流密度明顯增大，結(jié)果產(chǎn)生下列問題：（1）因電阻熱和熾熱氣流導(dǎo)致電極溫度升高，使得電極及接頭的熱膨脹量都增加了，同時(shí)電極的氧化消耗也提高了；（2）電極中心部位和電極外圓的溫度差增大了，由溫度差引起的熱應(yīng)力也相應(yīng)提高，電極容易產(chǎn)生裂紋和表面剝落；（3）增大了電磁作用力，引起劇烈的震動(dòng)，在劇烈震動(dòng)下，電極因連接松動(dòng)、脫扣而導(dǎo)致折斷的幾率增多了。因此超高功率石墨電極的物理機(jī)械性能必須具有以下特點(diǎn)：電阻率較低，體積密度較高及機(jī)械強(qiáng)度較高，較低的彈性模量和熱膨脹系數(shù)，有良好的抗熱震性能。石墨電極各項(xiàng)理化指標(biāo)可用以下關(guān)系式表達(dá)相互間的關(guān)系：

A=λS/（αE）

式中，A：抗熱震值；λ：導(dǎo)熱系數(shù)；S：抗拉強(qiáng)度；α：熱膨脹系數(shù)；E：彈性模量。

希望石墨電極有好的抗熱震性，那就需要材料有較高導(dǎo)熱系數(shù)和抗拉強(qiáng)度，較低的熱膨脹系數(shù)和彈性模量。

導(dǎo)熱系數(shù)和石墨材料的電阻率和體積密度關(guān)系較大，實(shí)驗(yàn)室措施數(shù)據(jù)如下：

石墨材料的導(dǎo)熱系數(shù)與電阻率成反比，與體積密度成正比，體積密度達(dá)到1.70g/cm3，電阻率達(dá)到5μΩ·m時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到200W/（m·K），體積密度再提高或電阻率再降低，導(dǎo)熱系數(shù)提升的幅度都不是很明顯了。

要實(shí)現(xiàn)較高的體積密度，要求制品細(xì)粉用量盡可能多，孔隙率盡可能低；這樣的制品一般強(qiáng)度也較高，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

細(xì)粉用量在60%以前，制品體積密度隨著細(xì)粉用量的增加提高，細(xì)粉用量超過60%以后體積密度反而下降。

抗拉強(qiáng)度除了與制品體積密度和抗折強(qiáng)度有關(guān)，加入碳纖維對(duì)提高制品抗拉強(qiáng)度效果明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

沒有加入碳纖維的小樣抗拉強(qiáng)度為5.3MPa，加入1%碳纖維后抗拉強(qiáng)度提升至6.9MPa，繼續(xù)增加碳纖維加入量抗拉強(qiáng)度反而有下降的趨勢(shì)。

熱膨脹系數(shù)與原料本身熱膨脹系數(shù)關(guān)系較大，實(shí)驗(yàn)選取不同石油焦原料，制備石墨小樣后測(cè)試產(chǎn)品各項(xiàng)理化指標(biāo)數(shù)據(jù)如下：

備注：不同原料均使用相同粒度組成，壓制成30mm小棒，經(jīng)一浸二燒和石墨化工藝路線燒制成石墨材料。

不同品級(jí)和產(chǎn)地的原料對(duì)產(chǎn)品熱膨脹系數(shù)影響最大，產(chǎn)品體積密度和電阻率也有一定差別，強(qiáng)度和模量基本沒有差別?？傮w來說：國(guó)外生產(chǎn)的原料熱膨脹系數(shù)和電阻率低，體積密度較高。

熱膨脹系數(shù)除了與原料關(guān)系較大以外，也與制品的孔隙率有一定關(guān)系，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)如下：

隨著石墨材料孔隙率的上升，熱膨脹系數(shù)有所降低。

彈性模量與制品的體積密度和強(qiáng)度成正比，與孔隙率成反比。體積密度超過1.74g/cm3以后，彈性模量加速提升。

對(duì)于彈性模量與抗熱震性的關(guān)系，還可以用熱應(yīng)力表征。對(duì)于熱致斷裂，主要是產(chǎn)生了熱應(yīng)力。對(duì)于材料的熱應(yīng)力，有定義第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子，或者稱第一熱應(yīng)力因子，記為R，其值與彈性模量成反比，即彈性模量越大，R越小，制品在熱應(yīng)力作用下越容易斷裂。

綜上所述，石墨電極要實(shí)現(xiàn)較好的抗熱震性，需要實(shí)現(xiàn)以下條件：

1、使用較好的原料，日本、美國(guó)和英國(guó)生產(chǎn)的針狀焦均有利于實(shí)現(xiàn)較低的熱膨脹系數(shù)和電阻率，較高的體積密度。

2、石墨材料需要達(dá)到較高的導(dǎo)熱系數(shù)和抗拉強(qiáng)度，對(duì)材料的體積密度和電阻率要求較高，導(dǎo)熱系數(shù)隨體積密度的升高而提高。

3、產(chǎn)品加入碳纖維對(duì)提高抗拉強(qiáng)度效果明顯。

4、較低的彈性模量對(duì)提高石墨材料抗熱震性幫助極大，需要控制材料合理的體積密度和孔隙率，石墨材料體積密度超過1.74g/cm3以后彈性模量會(huì)急劇升高，結(jié)合體積密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響關(guān)系，石墨電極的體積密度控制在1.70g/cm3-1.74 g/cm3較好。

5、石墨電極粒度組成中在一定范圍內(nèi)細(xì)粉含量增加有利于提高材料的體積密度，降低氣孔率，但加入量過高會(huì)導(dǎo)致彈性模量過高，反而影響制品抗熱震性。