石墨电极生产工艺Word文档下载推荐.docx
《石墨电极生产工艺Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石墨电极生产工艺Word文档下载推荐.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
三、配料与成型
3.1配料
3.2压型
3.2.1干料温度对生坯体密的影响
3.2.2沥青温度对生坯体密的影响
3.2.3糊料的下料温度与料室温度对生坯体密的影响
四、焙烧
4.1焙烧过程
4.2焙烧过程中的影响因素
4.2.1升温速度的影响
4.2.2压力的影响
4.3填充料
五、浸渍
5.1浸渍工艺
六、电极石墨化
6.1石墨化转化理论
6.2影响石墨化的主要因素
6.2.1原料
6.2.2温度停留时间
6.2.3压力
6.3石墨化生产工艺
6.3.1装炉
6.3.2通电
6.3.3冷却和卸炉
6.4串接电极间的接触方式
七、石墨化成品的机械加工
7.1电极及接头加工工艺
7.1.2切削用量的基本知识
7.1.3电极加工工艺
7.1.4接头的生产工艺
八提高电极质量减少电极损耗
8.1骨料和粘结剂的选用
8.2接头设计的改进设想
8.3石墨电极折损原因及其抑制措施
九、结语
十、参考文献
十一、谢词
一、引言
随着现代工业的飞速发展，对工业上用的钢铁质量的要求越来越高，为了改善钢铁的质量，降低炼钢的生产成本，这样就对炼钢用石墨电极的生产提出了更高的要求，石墨电极是电炉炼钢的重要高温导电材料，通过石墨电极向电炉输入电能，利用电极端部和炉料之间引发电弧产生的高温为热源，使炉料熔化进行炼钢，其他一些电冶炼或电解设备也常使用石墨电极为导电材料。
2000年全世界消耗石墨电极100万t左右，中国2000年消耗石墨电极25万t左右。
利用石墨电极优良的物理化学性能，在其他工业部门中也有广泛的用途，以生产石墨电极为主要品种的炭素制品工业已经成为当代原材料工业的重要组成部门。
本文就现代生产石墨电极的先进工艺做了详细的阐述。
根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。
主要分为三类
（1）普通功率石墨电极（RP）。
允许使用电流密度低于17A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。
（2）高功率石墨电极（HP）。
允许使用电流密度为18～25A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。
（3）超高功率石墨电极（UHP）。
允许使用电流密度大于25A／厘米2的石墨电极。
主要用于超高功率炼钢电弧炉。
石墨电极主要用于用途：
（1）电炉炼钢。
电炉炼钢是利用石墨电极向炉内导入电流，强大的电流在电极下端通过气体产生电弧放电，利用电弧产生的热量来进行冶炼。
根据电炉容量的大小，配用不同直径的石墨电极，为使电极连续使用，电极之间靠电极螺纹接头进行连接。
炼钢用石墨电极约占石墨电极总用量的70～80％。
（2）用于矿热电炉。
石墨电极矿热电炉主要用于生产铁合金，纯硅、黄磷、冰铜和电石等，其特点是导电电极的下部埋在炉料中，因此除电板和炉料之间的电弧产生热量外，电流通过炉料时由炉料的电阻也产生热量。
每吨硅需消耗石墨电极150kg左右，每吨黄磷需消耗石墨电极约40kg。
（3）用于电阻炉。
生产石墨制品用的石墨化炉、熔化玻璃的熔窑和生产碳化硅用的电炉等都是电阻炉，炉内所装物料既是发热电阻，又是被加热的对象。
通常，导电用的石墨电极插入炉床端部的炉头墙中，故导电电极并不连续消耗【1】。
石墨电极生产工艺流程图如下：
图1-1石墨电极生产工艺流程图
石墨电极具有如下特点：
（1）耐高温性能好石墨随温度的升高，强度不会下降，反而有所增加，石墨在（800～1300）℃高温段工作，能满足电极强度的需要。
（2）稳定性能好石墨在急冷急热条件下服役（如盐炉频繁启动与停炉），不易因产生裂纹而断裂。
（2）导电性能好石墨随温度的升高，导电性能也提高，在高温段服役，本身耗能少，有利于节能。
（3）导热性能特殊在盐炉工作温度范围（800～1300）·
℃，石墨的导热性能下降，有利于炉子保温性能的提高。
（4）化学稳定性好石墨是碳最稳定的一种变体，在（800-1300）℃范围，石墨抗熔盐腐蚀能力强，故石墨电极耐用，寿命长。
由于在石墨电极实际生产中，总成品率起伏较大，本文详细介了各个工艺过程，每个生产工艺的影响因素及所要控制的工艺参数，以及提高电极质量的几点建议。
期望能够对石墨电极的生产质量控制和产品成品率的提高等起到一点借鉴作用。
石油焦，是黑色或暗灰色坚硬固体石油产品，带有金属光泽，呈多孔性，是由微小石墨结晶形成粒状、柱状或针状构成的炭体物。
石油焦组分是碳氢化合物，含碳90－97%，含氢1.5－8%，还含有氮、氯、硫及重金属化合物。
针状焦，具有明显的针状结构和纤维纹理，主要用作炼钢中的高功率和超高功率石墨电极。
由于针状焦在硫含量、灰分、挥发分和真密度等方面有严格质量指标要求，所以对针状焦的生产工艺和原料都有特殊的要求。
煤沥青，是由煤干馏得到的煤焦油再经蒸馏加工制成的沥青。
室温下为黑色脆性块状物,有光泽；
臭味,熔融时易燃烧,并有毒。
属二级易燃固体。
做石墨电极用的沥青软化点在75—90℃之间。
生产石墨电极是作为粘结剂。
煅烧是生产炭和石墨制品的第一道工序，煅后料的质量直接影响炭素产品的质量。
炭质原料中由于氢以碳氢化合物的形式存在，且与碳原子的价电子结合。
碳原子失去自由电子，这就使石油焦原料在煅烧前有较高的电阻率。
但煅后焦的性能与其内部结构有直接关系，石墨层排列有序，点（层）堆积缺陷少，石墨化程度高，则电导率就高，质量就好。
一般认为煅烧机理是，在煅烧初期，原料中挥发分逸出，氢含量降低，体积收缩，真密度提高；
随煅烧温度的提高，虽然挥发分排除量减少，但热解反应加快，碳氢键断裂，氢排除，碳原子由结合状态解放出来，使煅烧原料导电性提高，电阻率降低，体积进一步收缩。
而煅烧料真密度的提高，主要是由于煅烧料在高温下不断逸出挥发分并同时发生分解、缩聚反应，导致结构重排和体积收缩的结果。
同样的生焦质量，煅烧温度越高，晶体缺陷越少，煅后焦挥发分越低，真密度越高。
经煅烧能够除去生料中的水分，挥发份及部分的硫，同时经煅烧后原料的体积收缩稳定，各种物化性能指标大幅度改善、提高，对提高最终产品的质量起着十分重要的作用，煅烧后原料的质量指标见表一。
表2-1燃烧料质量指标
指标
项目
比电阻Ωmm2/m
比重g/m3
灰分%
石油焦
沥青焦
无烟煤
<
5.5
6.5
<
12.0
2.08
2.05
0.73
1.0
1.1
三、配料与成型
煅后焦经过破碎后，可以得到不同大小的碳质颗粒材料，为了获得高质量的石墨制品，我们要把不同粒度的碳质材料和不同种类的原料适当的混合。
用合适的称量设备，按配方要求准确的称取不同粒度的重量，在碳和石墨制品生产中，正确的制定配方和准确的配料操作，对以后的压型、焙烧石墨化工序都有很大的影响。
现在的生产配方中，都是根据具体的条件，，经过长期的生产实践中逐步总结、完善起来的。
在确定一个配方时，要注意每种产品在使用不同原料时，骨料的颗粒组成及粘结剂的用量也岁着相应的调整，理论分析告诉我们，等大的球采取相同的堆积情况，最大的空间填充率为74.05%，这样在球中间形成两种类型的间隙，一种四面体间隙和一种八面体间隙，填充四面体空隙的球体直径是基本球体的0.225，而填充八面体空隙的球体直径能够等于大颗粒球体的0.441。
用实验法选择各种粒度的比例时，首先用两种颗粒做实验，用一种大颗粒和另外一种小颗粒，以大颗粒料重量为100克，然后把它分别和0—100克的第二种颗粒混合，然后取所得最大容重的混合物100克，再与0—100克的第三种颗粒混合，再选取第三种容重最大的混合物，与第四粒度的混合，做一系列实验，知道得到合适的混合料为止，下图是少灰焦1.5—1.0和1.0—1.3毫米的两种混合物的容重。
表3-1两种粒度不同配比所得的混合物容重
号数
G（1.5—0.3）
G（1.0—0.3）
混合物容重g/cm3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
100
20
30
40
50
60
70
80
90
0.676
0.708
0.711
0.720
0.723
0.715
0.712
0.719
0.705
从上述表中可以看出，第五次实验的容积比重最大，这时两中粒度的百分组成为
1.5—1.0占100/（100+40）=71.4%
1.0—0.3占100/（100+40）=28.6%
根据这种比列就可以得到最大容重的混合物。
混捏的目的是为了得到均匀的具有良好塑性的糊料，但由于某些因素的变化会使混捏质量发生很大的变化，造成产品质量不稳定，通过实验证明，采用软化点再80—90℃的硬沥青时,湖料温度应提高到168—174℃，在这个温度范围内，沥青对干料的湿润性和粘结性能最好，所得的糊料有良好的塑性和挤压性能，混合时间，一般干混为30分钟，湿混时间为40分钟，如果混合时间过长，会使大颗粒遭到破坏，破坏原来的颗粒组成，会是产品的体密降低，塑性变差，气孔率增大，机械强度降低。
最主要的就是成型型了，成型有挤压成型，震动成型和模压法。
现在工厂多采用的是2500t或3500t的挤压机挤压成型，成型前，腰将所得到的糊料在凉料机中从168—174℃降至116℃，而且晾了的时间不得超过11分钟，而且不的低于8分钟，晾了后要在保温台撒谎能够保温20分钟，保温台上层和中层温度要控制在120℃，下层温度要控制在118℃，保温20分钟后，将保温好的糊料装入挤压机的缸内，用挤压机的柱塞对糊料加压，预压3—5分钟，压力一般不小于25MPa,制品通过安装在糊缸前面的嘴子，挤压出来，挤压机一般为间歇生产，生产分三个阶段，第一阶段：
当柱塞头开始加压，糊料颗粒和快的移动，大的糊料空隙被小的颗粒所填充，颗粒间的接触趋于紧密，这一阶段糊料的紧密度主要取决于糊料的粒度和结构，若糊料快多就容易出现架桥现象。
第二阶段：
当压头继续施压，电极的密度就逐渐增大，在这一阶段电极的密度是均匀增加，当密度达到一定值时压力继续增加而密度却增加缓慢。
第三阶段：
压力达到一定极限值时，这一阶段可是电极的密度趋于均一，然后从压机嘴中挤出电极，在压型过程中，各项工艺参数为：
压机料室温度120℃，压机嘴型温度130±
3℃，压机嘴口温度150℃，每秒钟挤出电极长度不大于9mm，否则将出现电极内裂或是造成废品【2】。
在挤压成型过程中，温度对电极生坯质量影响的因素很多，主要有以几点：
混合料在混捏锅中干混到一定时间，准备加沥青时所测得的混合料的温度称为干料温度，干料温度的高低对生坯体密有重要影响。
干料温度偏低，达到规定温度的沥青（一般由沥青的软化点为依据设定）进人干料进行混捏浸润时，由于热交换，使加入的沥青温度降低，从而增大了沥青的粘稠度，致使沥青与料的浸润角变小导致沥青对料的浸润性变差，从而影响了糊料的塑性。
这样的糊料表面看沥青量偏大而实际料是发散的，会引起我们对加入沥青量合适与否的误导，在压型过程中也会给凉料工造成确定下料温度的误导，按照高油低下的原则进行了下料，实际却造成下料温度偏低，出现诸如裂纹、气泡、内裂废品增多，同时由于料的浸润程度不同，在挤压过程中料的运动速度存在大的差异易造成分层废品的增加。
更为主要的是在缸体内的糊料由于沥青的浸润不匀和温度偏低造成料的啮合不紧，致使挤压出的生坯单只重量低（各厂有自己的规定长度）。
另外，在压型过程中抽真空时，由于负压作用本来就浸润不透的糊料中沥青一部分回缩到外表，嘴型与料的接触面层较严重，致使料的内部浸润更为不匀，同等压力挤压时，也造成料挤压不实，影响单重。
同时也使生坯挤出嘴型时弹性后胀增加，生坯直径增大，从而造成生坯体密低。
沥青的温度是指熔化好加入混捏锅时所测的沥青的温度，一般行业专家认为沥青温度在沥青软化点的1．8倍左右为宜，在此温度时沥青对料的浸润角最佳，这样才能保证在干料温度达到规定时加入沥青后，使沥青的粘稠度不受影响，才获得塑性较好的糊料，也才能保证糊料的温度控制在沥青软化点的1.5-1.7倍，才能获得体密较高，质量优良的生坯【3】。
在实际生产中凉料设备无论是匾盘式凉料机还是滚筒凉料机在凉料时都存在料块的内外温差，那么究竟外表温度还是料内温度为下料温度呢?
为便于操作和尽量减小误差，现在部分厂家以生坯挤压出时中心温度作为控制参数，作为调整下料温度的依据，而实践证明这个温度（反映下料时的温度）的高低对生坯体密有着较大的影响。
下料温度偏低时（测中心温度sp+0～5~C时），由于糊料下料温度较低造成糊料在料室中运动挤压时，同样的压力挤压密实程度低，从而造成单重低，道理前面已经阐述，而抽真空度已决定了直径的大小。
所以决定体密大小的只是单重，单重低体密就低，这与我们想获得体密高的生坯是相悖的。
稍提高下料温度，测的生坯挤压出的中心温度为sp+lO～l5℃时，由于下料的温度与嘴型和料室温度匹配合理，而且温差小于5~C，这时挤压出的生坯不但各料啮合紧挤压密实，而且不会造成嘴型与料的接触面表面沥青层的二次加热，从而使挤压出制品不只是单重增加，而且直径也无大的回胀，从而获得了较大体密的生坯，为短流程电极生坯体密能达到一定高的数值夯实基础。
四、焙烧
为使石墨电极具备使用时的一系列物理化学性能，使沥青粘结剂进行分解和聚合反应，和各种分子的内部重排反应，必须将电极生坯按一定的工艺条件进行焙烧，使粘结剂焦化，在骨料颗粒间形成焦化网络，把所有不同粒度的骨料颗粒牢固的链接在一起，才能使电极具有一定的机械强度，耐热耐腐蚀，导电导热性良好的成品或者半成品。
焙烧的目的主要在于排除挥发份、降低比电阻、固定几何形状、粘结剂焦化，体积得到充分的收缩【4】。
通过实验得到下表，为电极在焙烧前后的理化指标比较
表4-1焙烧前后石墨电极理化指标的比较
No.
指标
焙烧前
焙烧后
挥发份（%）
真密度（g/cm3）
体积密度（g/cm3）
比电阻10-6Ω/m
孔度（%）
抗压强度kg/cm2
13—14
1.76
约1.68
约10000
3—4
600
1—3
2.00—2.10
1.58—1.64
40—50
22—26
280—500
4.1焙烧过程
电极在焙烧过程中主要在36式环式焙烧炉中进行，其过程主要是粘结剂沥青焦化的过程，随着温度的升高，沥青发生分解和聚合反应，还有各种分子的内部重排反应，其过程如下：
（1）室温升高至200℃时，电极的粘结剂开始软化，电极处于塑性状态，还没有发生显著的变化。
（2）当制品的温度升至200—300℃时，首先吸附水和化合水以及碳的氧化物和轻馏分被排除.
（3）当温度升至300℃时，粘结剂开始进行分解和聚合反应，随着温度的升高，气体的排出量随着增加，当温度上升至400℃度以上时，反应则表现最为激烈，同时粘结剂的体积开始收缩，500—600℃时，粘结剂形成半焦，570℃以上半焦热解，并在电极的表面形成一层致密的碳层，粘结剂焦化后留下的焦炭的数量即结焦残炭率，这是一个很重要的指标，焙烧的升温速度对结焦残炭率影响很大，当升至800℃时，气体排除减少。
这个阶段的反应如下：
A:
加成反应
CH2=CH-CH=CH2+CH2=CH-R→R基环己二烯
B：
分解反应
例如C24-H50正构烷烃分子在约425℃时的中间断开的分解，可按下列方式进行：
C24-H50→C12H26+C12H24
CH12H26→C6H14+C6H12
C6H14→C3H8+C3H6
C:
聚合反应
分解和聚合两种反应时同时发生的，由于分子的热分解，形成不饱和化合物，其反应能力很强，很容易进行聚合反应，例如丙烷的热分解生成甲烷和乙烯，其反应式：
C3H8→CH4+C2H6
乙烯再经聚合首先生成丁烯，丁烯再经脱氢后成为丁二烯，丁二烯再与乙烯反应生成环烷烃，环烷烃脱氢变成苯，
D：
当制品升至800℃以上时由于这种连续的分解和聚合链接最牢固的分子就在未挥发残油中积聚起来，链接不牢固的就逐渐断掉而减小，这样，就按化学键的强度进行淘汰，使分子更加的紧密，稳定性更大，进而产生巨大的平面分子，它是由排成正六角的碳原子网格而组成的，成为碳青质。
这种分解和聚合反应会在催化剂的作用下显著增加。
铜和铁对反应就有促进作用。
在焙烧的不同阶段要控制不同的升温速度，降低焙烧升温速度可以减少挥发份排除量，相应的增加析焦量，但是在考虑升温速度的快慢时，应按阶段考虑，在焙烧前期可以按70℃/h，在中期要按40℃/h升温，后期降温时也不能太快。
实际的焙烧并不是在封闭体系总进行的，粘结剂分解所生成的气体从制品的气孔和填充料随着流过炉室的热气流经烟道而进入大气中，起初粘结剂的蒸汽压随着温度的升高而增大，当蒸汽压等于或大于外时，分解气体就不断的从电极内部溢出，当这些气体受到的阻力不大时，电极外围的气体浓度就会因气体的不断流走而降低，但是电极内围的气体浓度则比外面高，造成电极内外分解气体的浓度差，同时在电极内外和保护介质中都存在着浓度梯度，当保护介质和炉室的其他空间中分解气体的浓度越低，电极中分解气体扩散出来的速度就会越大，这就直接促进制品中分解反应的进行，由于分解产物的排除，能进行再聚合的分子数因而就减少，故粘结剂的析焦量就会减少。
在焙烧过程中，还有一个最主要的就是填充料，填充料的作用一就是防止电极氧化，温度在高于400℃时，如电极直接与火焰接触，会发生氧化使电极烧损，填充料的存在则避免电极直接与火焰接触，作用二就是传导热量、使电极均匀受热，在焙烧过程中，通过填充料本身的颗粒将热量传递给电极，因此电极受热会比较均匀。
作用三就是固定电极的形状防止电极变形，煤沥青在温度达到软化点的温度时就会软化，并在其自重的作用下，而发生流态变形，但在填充料的保护下电极就会受到均一的挤压力，因此在制品软化时，其原来的形状就可以得到保持。
常用于焙烧炉填充料的材料主要有冶金焦、河沙、无烟煤、石油焦等。
目前国内多采用冶金焦，石英沙。
对于要求较高强度，较高功率的石墨电极，除了在配料中加入适量的针状焦之外，还要经过二次或三次焙烧。
五浸渍
经压型后的生坯电极孔度很低，但经焙烧后，由于粘结剂在焙烧过程中分解成气体逸出，另一部分焦化成沥青焦，焙烧后的半成品电极孔度大大增加，也就是体密大大的降低，生成沥青焦的体积远远小于煤沥青原来占有的体积，虽然在焙烧过程中稍有收缩，但仍在电极内部形成许多不规则的并且孔度大小不等的微小气孔，如石墨化后电极的总孔度一般达25—32%，由于气孔的存在必然对碳素制品的理化性能产生一定的影响，一般来说，石墨化制品的孔度增加，其体积密度降低，电阻率上升，机械强度减小，在一定温度下的氧化速度加快，耐腐蚀性能也随之变差气体和液体很容易渗透。
为了提高石墨电极的密度和强度，降低其电阻率，焙烧半成品常用煤沥青浸渍，浸渍后在进行石墨化的电极，体积密度可以从1.55g/cm3增加到1.65g/cm3，孔度也从25—32%降至22—25%抗压强度也提高100kg/cm3.常用的浸渍剂时煤沥青，煤沥青要求水分不大于0.2%，灰分不大于0.5%挥发份为60—70%，软化点在75至90℃之间【5】。
焙烧后的半成品经清理表面后，装入铁框内，先称重后装入预热罐中预热，根据电极的规格不同预热相应的时间，Φ450mm以下的电极预热6小时，Φ450—Φ550mm的预热时间为8小时，Φ550mm以上的预热时间为10小时，预热温度为280-320℃之间。
预热后的产品迅速的连同铁框一起装入浸渍罐中，浸渍前预热罐已经加热至100℃以上，关上罐盖子，开始抽真空，真空度要求在600mmHg以上，保持50分钟，抽真空完毕后加入浸渍剂煤沥青，，然后开始加压，利用压力将浸渍剂压入电极的气孔中。
抽真空完毕后，检查压缩空气管道是否有水，如有水的话，需要先放水，否则会影响增重率，然后视电极的规格大小选择合适的加压时间，一般为四个小时。
增重率时浸渍后增加的重量与浸渍前的重量之比，以次来衡量浸渍产品是否符合要求。
同样，为了提高产品的质量，满足客户的要求，焙烧后的电极半成品也要经过二次或者三次浸渍。
一次浸渍的增重率要求达到11%以上，二次浸渍的增重率要达到8%以上，三次浸渍的增重率则不限。
浸渍所用的浸渍剂煤沥青需要定期的更换，其中游离的含碳量和悬浮的杂质不断的增多，会影响浸渍效果。
六电极石墨化
所谓石墨化，就是使六角碳原子平面网络从二维空间的无序重叠变为三维空间的有序重叠具有石墨结构的高温热热处理过程（一般需要2300℃以上）。
说白了就是将碳转变为石墨。
焙烧品和石墨化品最主要的差别就在于碳原子与碳原子的晶格在排列顺序和成都上存在着差异。
6.1石
升级会员 