關(guān)于溫度對(duì)石墨電極性能的影響分析

孫紅濤

摘 要：石墨電極具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，適用范圍相對(duì)廣闊，但受溫度影響比較明顯，本文簡(jiǎn)要分析了石墨電極的性能表現(xiàn)，重點(diǎn)闡述溫度對(duì)石墨電極性能優(yōu)勢(shì)發(fā)揮產(chǎn)生的影響，只有解決了溫度問(wèn)題，才能確保此類電極在煉鋼、導(dǎo)電等方面的功能充分落實(shí)，從而有效提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，推動(dòng)石墨電極相關(guān)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：溫度變化;石墨電極;性能優(yōu)化

前言：通過(guò)分析可知，石墨電極是一種以石油焦、瀝青焦為骨料，將煤瀝青充作粘結(jié)劑，在煅燒之后把原料磨成粉并與配料按照一定比例融合，通過(guò)混捏、成型、焙燒、浸漬等程序加工制造成的石墨質(zhì)導(dǎo)電材料，具有極強(qiáng)的耐高溫性。人造石墨電極相較于天然石墨電極在抵御高溫、導(dǎo)電等方面具有更明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

一、石墨電極性能簡(jiǎn)述

（一）可作耐火材料

由于石墨具有較強(qiáng)的耐火性，故而可以被用來(lái)生產(chǎn)耐火材料，比如當(dāng)前市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的坩堝、耐火磚、鑄模芯、連續(xù)鑄造粉、耐高溫材料等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，鎂碳磚等耐火材料在煉鋼爐內(nèi)襯中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛、鋁碳磚內(nèi)在連續(xù)鑄造中的應(yīng)用性逐漸增強(qiáng)，加強(qiáng)了石墨材料與冶金行業(yè)的聯(lián)系，對(duì)推動(dòng)兩個(gè)行業(yè)發(fā)展進(jìn)步起到了十分重要的作用。

（二）用于煉鋼增碳劑

石墨在煉鋼等冶金過(guò)程中通常被用作增碳劑，在現(xiàn)今技術(shù)的支持下，能夠被應(yīng)用于滲碳環(huán)節(jié)的碳質(zhì)材料逐漸增多，其中滲透性最強(qiáng)的材料具體包括天然石墨、人造石墨、冶金焦炭、石油焦等。盡管石墨電極相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用水平得到提高，但在具體使用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，例如溫度變化、石墨類型等需要研究人員深化解決。

（三）極強(qiáng)的導(dǎo)電性

石墨電極的應(yīng)用范圍極廣，在各種合金鋼、鈦合金的冶煉施工中都能看到，若是能夠充分發(fā)揮石墨電極的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，便可利用導(dǎo)電性將強(qiáng)大的電流導(dǎo)入電爐的熔煉區(qū)，利用電弧將電能轉(zhuǎn)化為熱能，以此實(shí)現(xiàn)熔煉合金的目的。另外，在電解鈉、鎂、鋁等金屬時(shí)，可以利用石墨電極替換傳統(tǒng)陽(yáng)極電極，但為了保證電極應(yīng)用質(zhì)量，需要將粒度控制在150—325目（即0.1mm—0.042mm）之間，有害雜質(zhì)必須控制在10%以下，如此才能有效提高石墨電極的品味（90%—99%）[1]。

二、溫度對(duì)石墨電極性能的影響

（一）爐芯溫度與石墨電極

如圖1所示，整個(gè)石墨電極的溫度分布相對(duì)均勻，大部分溫度都被控制在90至150攝氏度之間（除爐芯在外）。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究顯示，石墨電極在不同環(huán)境下的氧化溫度極限不同，比如在水蒸氣中其溫度限值為700攝氏度，在空氣中的限值為450攝氏度，在碳酸環(huán)境下溫度不得超過(guò)或低于900攝氏度，通過(guò)對(duì)圖1進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)該石墨電極并未達(dá)到該環(huán)境的溫度限制，電極能夠正常使用。由于爐芯溫度與石墨電極的影響性較強(qiáng)，盡管當(dāng)前不少企業(yè)選擇使用保護(hù)設(shè)置石墨電極功能發(fā)揮提供支持，但畢竟不是長(zhǎng)久之計(jì)，所以研究人員要針對(duì)石墨電極專屬冷卻設(shè)備或技術(shù)進(jìn)行深化研發(fā)，降低電極表面的氧化速度，延長(zhǎng)石墨電極的使用壽命。如，在石墨電極的表面噴涂一層隔絕性與耐高溫性較強(qiáng)的噴涂材料，一方面降低了冷卻設(shè)備的運(yùn)行成本與資源消耗，另一方面解決了石墨電極因爐芯溫度過(guò)高而氧化速度加快的問(wèn)題。

（二）電極溫度與雜質(zhì)顆粒

現(xiàn)階段，市場(chǎng)上的碳化硅多采用石墨電極作為合成材料，主要原因是石墨微晶在室溫下的導(dǎo)熱率為2400W/（m？K），有利于提高導(dǎo)熱與加熱速度。但在具體應(yīng)用過(guò)程中，因?yàn)槭姌O組成材料中含有較多雜質(zhì)且粒徑不一，所以電極孔隙率比較高，導(dǎo)致石墨電極的導(dǎo)熱率并未真正達(dá)到最高值，普遍維持在70W/（m？K）—150W/（m？K）區(qū)間內(nèi)，嚴(yán)重降低了電極的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。通過(guò)對(duì)多數(shù)石墨電極進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)要對(duì)雜質(zhì)“SiC”提高重視，在解決雜質(zhì)顆粒與石墨電極可承受溫度矛盾時(shí)，研究人員針對(duì)不同尺寸的雜質(zhì)粒徑建立了分析模型，主要研究雜質(zhì)粒徑與電極溫度場(chǎng)造成的影響，具體結(jié)果如圖2所示。

由圖可知，無(wú)雜質(zhì)的石墨電極溫度分布梯度比較小，隨著雜質(zhì)粒徑不斷加大，石墨電極內(nèi)外部溫度開(kāi)始持續(xù)增加，耐高溫性呈現(xiàn)出不斷下降的現(xiàn)象。之所以會(huì)發(fā)生這種問(wèn)題，根本原因是雜質(zhì)“SiC”的導(dǎo)熱系數(shù)小于石墨且電阻率大于電極，有該雜質(zhì)的地方溫度自然高于其他部位，使得石墨電極受熱不均勻，不僅令其使用壽命縮短，還阻礙了功能優(yōu)勢(shì)發(fā)揮。

（三）石墨電極在高溫下的消耗特征及監(jiān)測(cè)方法

1.消耗特征

石墨電極在高溫下的消耗主要表現(xiàn)為兩種：一是在氧化、侵蝕、升華等作用條件下被持續(xù)消耗，主要耗損部位是端頭與側(cè)壁;二是在熱端斷裂、殘端脫落、熱沖擊剝落等作用下發(fā)生的非連續(xù)性消耗，主要耗損原因是溫度差造成的熱應(yīng)力破壞。一般只有當(dāng)石墨電極被應(yīng)用于煉鋼冶金行業(yè)時(shí)受到溫度的影響最大，目前采用最多的煉鋼爐是交流煉鋼電爐，此類型爐子存在較強(qiáng)的三相電極柱的臨近效應(yīng)、集膚效應(yīng)，使得石墨電極在加熱過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)交流電弧偏弧外吹現(xiàn)象，尤其是在煉鋼電爐進(jìn)入超高功率作業(yè)后，石墨電極的消耗大幅度提升，對(duì)其性能應(yīng)用的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

2.三相平衡在線監(jiān)測(cè)

應(yīng)用三相平衡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)石墨電極的損耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于延長(zhǎng)該電極的使用壽命，是企業(yè)降低經(jīng)濟(jì)成本消耗與提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵手段。第一，采用三相平衡在線監(jiān)測(cè)能夠準(zhǔn)確判斷交流煉鋼電爐中的時(shí)序狀況，工作人員根據(jù)順時(shí)針、逆時(shí)針提出的不同要求，判斷三相功率與電熱廠的動(dòng)態(tài)平衡情況，一定程度上改善了相過(guò)載偏流問(wèn)題，有利于降低石墨電極因不平衡劣工造成的熱應(yīng)力破壞損耗;第二，充分發(fā)揮三相平衡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用，可以強(qiáng)化煉鋼熱區(qū)的集中性與穩(wěn)定性，有利于避免相功率、溫度場(chǎng)失衡，不僅在極大程度上降低了因上述原因造成的爐料塌料砸斷石墨電極現(xiàn)象所產(chǎn)生的非正常損失，還減少了因交流電弧偏弧外吹造成的爐襯耐火材料異常損失量。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，石墨電極擁有相對(duì)廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，即可被用作耐火材料，又能被視為煉鋼增添劑，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性。若是溫度變化不穩(wěn)定，會(huì)令石墨電極功能受到影響，爐芯溫度對(duì)電極制約性較強(qiáng)，雜質(zhì)粒徑同樣具有阻礙作用，因此企業(yè)要采用三相平衡在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)石墨電極所處溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)控。

參考文獻(xiàn)：

[1]張登躍.石墨電極高溫?zé)釕?yīng)力和熱應(yīng)變的研究[J].炭素技術(shù)，2018，37（05）：50-53+63.

[2]多孔石墨烯復(fù)合材料可增強(qiáng)電極性能[J].潤(rùn)滑與密封，2017，42（06）：46.