石墨电极的原料及制造基础工艺.docx

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石墨电极的原料及制造基础工艺

石墨电极原料及制造工艺

一、石墨电极原料

1、石墨电极

是采用石油焦、针状焦为骨料，煤沥青为粘结剂，通过混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工等一系列工艺过程生产出来一种耐高温石墨质导电材料。

石墨电极是电炉炼钢重要高温导电材料，通过石墨电极向电炉输入电能，运用电极端部和炉料之间引起电弧产生高温作为热源，使炉料熔化进行炼钢。

其她某些冶炼黄磷、工业硅、磨料等材料矿热炉也用石墨电极作为导电材料。

运用石墨电极优良而特殊物理化学性能，在其她工业部门也有广泛用途。

2、石墨电极原料

生产石墨电极原料有石油焦、针状焦和煤沥青

（1）石油焦

石油焦是石油渣油、石油沥青经焦化后得到可燃固体产物。

色黑多孔，重要元素为碳，灰分含量很低，普通在0.5%如下。

石油焦属于易石墨化炭一类，石油焦在化工、冶金等行业中有广泛用途，是生产人造石墨制品及电解铝用炭素制品重要原料。

石油焦按热解决温度区别可分为生焦和煅烧焦两种，前者由延迟焦化所得石油焦，具有大量挥发分，机械强度低，煅烧焦是生焦经煅烧而得。

中华人民共和国多数炼油厂只生产生焦，煅烧作业多在炭素厂内进行。

石油焦按硫分高低区别，可分为高硫焦（含硫1.5%以上）、中硫焦（含硫0.5%-1.5%）、和低硫焦（含硫0.5%如下）三种，石墨电极及其他人造石墨制品生产普通使用低硫焦生产。

（2）针状焦

针状焦是外观具备明显纤维状纹理、热膨胀系数特别低和很容易石墨化一种优质焦炭，焦块破裂时能按纹理分裂成细长条状颗粒（长宽比普通在1.75以上），在偏光显微镜下可观测到各向异性纤维状构造，因而称之为针状焦。

针状焦物理机械性质各向异性十分明显，平行于颗粒长轴方向具备良好导电导热性能，热膨胀系数较低，在挤压成型时，大某些颗粒长轴按挤出方向排列。

因而，针状焦是制造高功率或超高功率石墨电极核心原料，制成石墨电极电阻率较低，热膨胀系数小，抗热震性能好。

针状焦分为以石油渣油为原料生产油系针状焦和以精制煤沥青原料生产煤系针状焦。

（3）煤沥青

煤沥青是煤焦油深加工重要产品之一。

为各种碳氢化合物混合物，常温下为黑色高粘度半固体或固体，无固定熔点，受热后软化，继而熔化，密度为1.25－1.35g/cm3。

按其软化点高低分为低温、中温和高温沥青三种。

中温沥青产率为煤焦油54－56％。

煤沥青构成极为复杂，与煤焦油性质及杂原子含量关于，又受炼焦工艺制度和煤焦油加工条件影响。

表征煤沥青特性指标诸多，如沥青软化点、甲苯不溶物（TI）、喹啉不溶物（QI）、结焦值和煤沥青流变性等。

煤沥青在炭素工业中作为粘结剂和浸渍剂使用，其性能对炭素制品生产工艺和产品质量影响极大。

粘结剂沥青普通使用软化点适中、结焦值高、β树脂高中温或中温改质沥青，浸渍剂要使用软化点较低、QI低、流变性能好中温沥青。

二、石墨电极制造工艺

1、煅烧

炭质原料在高温下进行热解决，排出所含水分和挥发份，并相应提高原料理化性能生产工序称为煅烧。

普通炭质原料采用燃气及自身挥发份作为热源进行煅烧，最高温度为1250-1350℃。

（1）煅烧使炭质原料组织构造和物理化学性能发生深刻变化，重要体当前提高了焦炭密度、机械强度和导电性，提高了焦炭化学稳定性和抗氧化性能，为后序工序奠定了基本。

（2）煅烧设备重要有罐式煅烧炉、回转窑和电煅烧炉。

煅烧质量控制指标是石油焦真密度不不大于2.07g/cm3，电阻率不不不大于550μΩ.m,针状焦真密度不不大于2.12g/cm3，电阻率不不不大于500μΩ.m。

（3）原料破碎解决和配料

①在配料之前，须对大块煅后石油焦和针状焦进行中碎、磨粉、筛分解决。

中碎普通是将50mm左右物料通过颚式破碎机、锤式破碎机、对辊破碎机等破碎设备进一步破碎到配料所需0.5-20mm粒度料。

②磨粉是通过悬棍式环辊磨粉机（雷蒙磨）、球磨机等设备将炭质原料磨细到0.15mm或0.075mm粒径如下粉末状小颗粒过程。

③筛分是通过具备均匀开孔一系列筛子，将破碎后尺寸范畴较宽物料提成尺寸范畴较窄几种颗粒粒级过程，现行电极生产普通需要4-5个颗粒料粒级和1-2个粉料粒级。

④配料是按配方规定，对各种粒度骨料和粉料、粘结剂分别计算、称量和聚焦生产过程。

配方科学性适当性和配料操作稳定性是影响产品质量指标和使用性能最重要因素之一。

（4）配方需拟定5方面内容：

①选取原料种类；②拟定不同种类原料比例；③拟定固体原料粒度构成；④拟定粘结剂用量；⑤拟定添加剂种类和用量。

（6）返回料回用（生碎、石墨碎、焙烧碎）

（7）配方基本原则：

球体最紧密堆积原理

（8）电极配方中最大颗粒尺寸拟定

大颗粒配方

2、混捏

在一定温度下将定量各种粒度炭质颗粒料和粉料与定量粘结剂搅拌混合均匀，捏合成可塑性糊料工艺过程称为混捏。

（1）混捏过程：

干混（20-35min）湿混（40-55min）

（2）混捏作用：

①干混时使各种原料混合均匀，同步使不同粒度大小固体炭质物料均匀地混合和填充，提高混合料密实度；

②加入煤沥青后使干料和沥青混合均匀，液态沥青均匀涂布和浸润颗粒表面，形成一层沥青粘结层，把所有物料互相粘结在一起，进而形成均质可塑性糊料，有助于成型；

③某些煤沥青浸透到炭质物料内部空隙，进一步提高了糊料密度和粘结性。

3、成型

炭材料成型是指混捏好炭质糊料在成型设备施加外部作用力下产生塑性变形，最后形成具备一定形状、尺寸、密度和强度生坯（或称生制品）工艺过程。

成型种类、设备及所生产产品：

成型办法

惯用设备

重要产品

模压

立式液压机

电碳、低档次细构造石墨

挤压

卧式液压挤压机

螺杆挤压机

石墨电极、方电极

振动成型

振动成型机

铝用碳砖、高炉碳砖

等静压

等静压成型机

各向同性石墨、异性石墨

4、挤压操作

（1）凉料：

圆盘凉料、圆筒凉料、混捏式凉料等方式

排出挥发份、减少至适当温度（90-120℃）增长粘结力，使糊料块度均匀利于成型

20-30min

（2）装料：

压机升挡板----分2-3次下料----4-10MPa压实

（3）预压：

压力20-25MPa，时间3-5min，同步抽真空

（4）挤压：

压机降挡板----5-15MPa挤压----剪切----翻入冷却水槽

（5）挤压技术参数：

压缩比、压机料室及嘴型温度、凉料温度、预压压力时间、挤压压力、挤压速度、冷却水温度

（6）生坯检查：

体积密度、外观敲击、剖析

5、焙烧

是炭制品生坯在填充料保护下、装入专门设计加热炉内进行高温热解决，使生坯中煤沥青炭化工艺过程。

煤沥青炭化后形成沥青焦将炭质骨料和粉料颗粒固结在一起，焙烧后炭制品具备较高机械强度、较低电阻率、较好热稳定性和化学稳定性。

（1）焙烧是炭素制品生产重要工序之一，也是石墨电极生产三大热解决过程中重要一环，焙烧生产周期较长（一焙22-30天，二焙依炉型5-20天），并且能耗较高。

生坯焙烧质量对成品质量和生产成本均有一定影响。

（2）生坯内煤沥青在焙烧过程中焦化，排出10%左右挥发份，同步体积产生2-3%收缩，质量损失8-10%。

炭坯理化性能也发生了明显变化，由于气孔率增长体积密度由1.70g/cm3降为1.60g/cm3，电阻率10000μΩ.m左右降至40-50μΩ.m，焙烧坯机械强度也大为提高。

（3）二次焙烧是焙烧品浸渍后进行再次焙烧，使浸入焙烧品孔隙中沥青炭化工艺过程。

生产体积密度规定较高电极（除RP以外所有品种）和接头坯料需进行二焙，接头坯料还需进行三浸四焙或二浸三焙。

（4）焙烧炉重要炉型：

①持续作业----环式炉（带盖、不带盖）、隧道窑

②间歇作业----倒焰窑、车底式焙烧炉、箱式焙烧炉

（5）焙烧曲线及最高温度：

一次焙烧----320、360、422、480小时，1250℃

二次焙烧----125、240、280小时，700-800℃

（6）焙烧品检查：

外观敲击、电阻率、体积密度、抗压强度、内部构造剖析

浸渍是将炭材料置于压力容器中，在一定温度和压力条件下将液态浸渍剂沥青浸入渗入到制品电极孔隙中工艺过程。

目是减少制品气孔率，增长制品体积密度和机械强度，改进制品导电和导热性能。

浸渍工艺流程及有关技术参数是：

焙烧坯——表面清理——预热（260-380℃，6-10小时）——装入浸渍罐——抽真空（8-9KPa，40-50min）——注沥青（180-200℃）——加压（1.2-1.5MPa,3-4小时）——返沥青——冷却（罐内或罐外）

（7）浸渍品检查：

浸渍增重率G=（W2-W1）/W1×100%

一次浸渍品增重率≥14%

二次浸渍品增重率≥9%

三次浸渍品增重率≥5%

6、石墨化

是指在高温电炉内保护介质中把炭制品加热到2300℃以上,使无定形乱层构造炭转化成三维有序石墨晶质构造高温热解决过程。

平面六角网格层状构造

（1）石墨化目和作用：

①提高炭材料导电、导热性（电阻率减少4-5倍，导热性提高约10倍）；

②提高炭材料抗热振性能和化学稳定性（线膨胀系数减少50-80%）；

③使炭材料具备润滑性和抗磨性；

④排出杂质，提高炭材料纯度（制品灰分由0.5-0.8%降到0.3%左右）。

（2）石墨化过程实现：

炭材料石墨化是在2300-3000℃高温下进行，故工业上只有通过电加热方式才干实现，即电流直接通过被加热焙烧品，这时装入炉内焙烧品既是通过电流产生高温导体，又是被加热到高温对象。

当前广泛采用炉型有艾奇逊（Acheson）石墨化炉和内热串接（LWG）炉。

前者产量大、温差大、电耗较高，后者加热时间短、电耗低、电阻率均匀但不好装接头。

石墨化工艺过程控制是通过测温拟定与升温状况相适应电功率曲线进行控制，通电时间艾奇逊炉50-80小时，LWG炉9-15小时。

石墨化电耗很大，普通为3200-4800KWh，工序成本约占整个生产成本20-35%

（3）石墨化品检查：

外观敲击、电阻率测试

7、机械加工

炭石墨材料机械加工目是依托切削加工来到达所需要尺寸、形状、精度等，制成符合使用规定电极本体和接头。

（1）石墨电极加工分为电极本体和接头两个独立加工过程。

①本体加工涉及镗孔与粗平端面、车外圆与精平端面和铣螺纹3道工序，圆锥形接头加工可分为6道工序：

切断、平端面、车锥面、铣螺纹、钻孔安栓和开槽。

②电极接头连接方式：

圆锥形接头连接（一吋三扣和一吋四扣）、圆柱形接头连接、凹凸连接（公母扣连接）

（2）加工精度控制：

螺纹锥度偏差、螺纹螺距、接头（孔）大径偏差、接头孔同轴度、接头孔垂直度、电极端面平整度、接头四点偏差等。

用专用环规和板规等检查。

（3）成品电极检查：

精度、重量、长度、直径、体积密度、电阻率、预装配合精度等。

三、石墨电极质量指标

下表为方大炭素RP、HP及UHP电极内控质量原则

规格

普通功率

高功率

超高功率

≤φ300

≥φ350

≤φ400

≥φ450

≤φ400

≥φ450

电阻率

μΩ·m不不不大于

电极

8.5

6.5

5.5

接头

6.5

5.5

4.5

体积密度g/cm3

不不大于

电极

1.53

1.52

1.62

1.62

1.67

1.66

接头

1.69

1.73

1.75

抗折强度Mpa

不不大于

电极

8.5

7.0

10.5

9.8

11.0

接头

15.0

16.0

20.0

弹性摸量Gpa

不不不大于

电极

9.3

12.0

14.0

接头

14.0

16.0

18.0

热膨胀系数

10-61/℃不不不大于

电极

2.9

2.4

1.5

接头

2.8

2.2

1.4

体积密度是石墨电极试样质量与其体积比值，单位g/cm3，体积密度越大阐明电极越密实，与强度、抗氧