淺談提高石墨電極抗熱震性的途徑

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

隨著國家產業政策的調整和環保壓力的增大，鋼鐵行業中高爐煉鐵-轉爐煉鋼的長流程生產模式將會受到很大制約。電弧爐煉鋼由于其投資較少，適用于特殊鋼生產并易于實現環保達標而受到行業關注，中國鋼鐵行業十多年的高速發展也已經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，支撐電弧爐煉鋼產業發展。

電弧爐爐容和變壓器容量不斷增加，國內新建的電爐多數是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，結果產生下列問題：（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，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；S：抗拉強度；α：熱膨脹系數；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和抗拉強度，較低的熱膨脹系數和彈性模量。

導熱系數和石墨材料的電阻率和體積密度關系較大，實驗室措施數據如下：

石墨材料的導熱系數與電阻率成反比，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，導熱系數提升的幅度都不是很明顯了。

要實現較高的體積密度，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，測試數據如下：

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，實驗數據如下：

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。

熱膨脹系數與原料本身熱膨脹系數關系較大，實驗選取不同石油焦原料，制備石墨小樣后測試產品各項理化指標數據如下：

備注：不同原料均使用相同粒度組成，壓制成30mm小棒，經一浸二燒和石墨化工藝路線燒制成石墨材料。

不同品級和產地的原料對產品熱膨脹系數影響最大，產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?？傮w來說：國外生產的原料熱膨脹系數和電阻率低，體積密度較高。

熱膨脹系數除了與原料關系較大以外，也與制品的孔隙率有一定關系，實驗室數據如下：

隨著石墨材料孔隙率的上升，熱膨脹系數有所降低。

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，石墨電極要實現較好的抗熱震性，需要實現以下條件：

1、使用較好的原料，日本、美國和英國生產的針狀焦均有利于實現較低的熱膨脹系數和電阻率，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，導熱系數隨體積密度的升高而提高。

3、產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，結合體積密度對導熱系數的影響關系，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。