黃濤++韋楠

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

【關鍵詞】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)并易于實現(xiàn)環(huán)保達標而受到行業(yè)關注，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力也相應提高，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、脫扣而導致折斷的幾率增多了。因此超高功率石墨電極的物理機械性能必須具有以下特點：電阻率較低，體積密度較高及機械強度較高，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可用以下關系式表達相互間的關系：

A=λS/（αE）

式中，A：抗熱震值；λ：導熱系數(shù)；S：抗拉強度；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熱系數(shù)和抗拉強度，較低的熱膨脹系數(shù)和彈性模量。

導熱系數(shù)和石墨材料的電阻率和體積密度關系較大，實驗室措施數(shù)據(jù)如下：

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

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

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

抗拉強度除了與制品體積密度和抗折強度有關，加入碳纖維對提高制品抗拉強度效果明顯，實驗數(shù)據(jù)如下：

沒有加入碳纖維的小樣抗拉強度為5.3MPa，加入1%碳纖維后抗拉強度提升至6.9MPa，繼續(xù)增加碳纖維加入量抗拉強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)關系較大，實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，強度和模量基本沒有差別。總體來說：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)除了與原料關系較大以外，也與制品的孔隙率有一定關系，實驗室數(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系，還可以用熱應力表征。對于熱致斷裂，主要是產(chǎn)生了熱應力。對于材料的熱應力，有定義第一熱應力斷裂抵抗因子，或者稱第一熱應力因子，記為R，其值與彈性模量成反比，即彈性模量越大，R越小，制品在熱應力作用下越容易斷裂。

綜上所述，石墨電極要實現(xiàn)較好的抗熱震性，需要實現(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、石墨材料需要達到較高的導熱系數(shù)和抗拉強度，對材料的體積密度和電阻率要求較高，導熱系數(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)合體積密度對導熱系數(shù)的影響關系，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，但加入量過高會導致彈性模量過高，反而影響制品抗熱震性。