黃　濤　韋　楠 /方大炭素新材料科技股份有限公司

淺談提高石墨電極抗熱震性的途徑

黃濤韋楠 /方大炭素新材料科技股份有限公司

針對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)驗室中對比不同原料、粒度組成對石墨電極理化指標(biāo)的影響，石墨電極制造過程加入碳纖維后對抗拉強(qiáng)度可提升20％；石墨材料不同理化指標(biāo)對材料抗熱震性能的影響，探索石墨電極制造工藝設(shè)計的思路和方向。

石墨電極；抗熱性

隨著國家產(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)爐煉鋼的長流程生產(chǎn)模式將會受到很大制約。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)積累了大量的社會鋼鐵保有量，這些鋼鐵資源會逐年報廢而進(jìn)入廢鋼市場，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，在劇烈震動下，電極因連接松動、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。石墨電極各項理化指標(biāo)可用以下關(guān)系式表達(dá)相互間的關(guān)系：

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5μ Ω·m時，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)，加入碳纖維對提高制品抗拉強(qiáng)度效果明顯，實(shí)驗數(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。

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

日本日本美國英國中國中國中國三菱水島海波大陸錦州寶鋼撫順熱膨脹系數(shù) 10-1.081.121.101.161.421.541.806/℃體積密度　g/cm31.661.721.701.721.681.621.60電阻率 μ Ω·m5.45.05.25.05.15.86.9抗拉強(qiáng)度 MPa5.26.15.76.05.35.35.2彈性模量　GPa8.39.29.69.48.89.19.2

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。

不同品級和產(chǎn)地的原料對產(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。對于熱致斷裂，主要是產(chǎn)生了熱應(yīng)力。對于材料的熱應(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、美國和英國生產(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)品加入碳纖維對提高抗拉強(qiáng)度效果明顯。

4、較低的彈性模量對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以后彈性模量會急劇升高，結(jié)合體積密度對導(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，但加入量過高會導(dǎo)致彈性模量過高，反而影響制品抗熱震性。