關于溫度對石墨電極性能的影響分析

孫紅濤

摘 要：石墨電極具有較強的應用性，適用范圍相對廣闊，但受溫度影響比較明顯，本文簡要分析了石墨電極的性能表現，重點闡述溫度對石墨電極性能優勢發揮產生的影響，只有解決了溫度問題，才能確保此類電極在煉鋼、導電等方面的功能充分落實，從而有效提高生產質量與效率，推動石墨電極相關行業進一步發展。

關鍵詞：溫度變化;石墨電極;性能優化

前言：通過分析可知，石墨電極是一種以石油焦、瀝青焦為骨料，將煤瀝青充作粘結劑，在煅燒之后把原料磨成粉并與配料按照一定比例融合，通過混捏、成型、焙燒、浸漬等程序加工制造成的石墨質導電材料，具有極強的耐高溫性。人造石墨電極相較于天然石墨電極在抵御高溫、導電等方面具有更明顯的應用優勢。

一、石墨電極性能簡述

（一）可作耐火材料

由于石墨具有較強的耐火性，故而可以被用來生產耐火材料，比如當前市場上比較常見的坩堝、耐火磚、鑄模芯、連續鑄造粉、耐高溫材料等。隨著現代科學技術的不斷發展進步，鎂碳磚等耐火材料在煉鋼爐內襯中的應用越來越廣泛、鋁碳磚內在連續鑄造中的應用性逐漸增強，加強了石墨材料與冶金行業的聯系，對推動兩個行業發展進步起到了十分重要的作用。

（二）用于煉鋼增碳劑

石墨在煉鋼等冶金過程中通常被用作增碳劑，在現今技術的支持下，能夠被應用于滲碳環節的碳質材料逐漸增多，其中滲透性最強的材料具體包括天然石墨、人造石墨、冶金焦炭、石油焦等。盡管石墨電極相關技術的應用水平得到提高，但在具體使用過程中仍存在一些問題，例如溫度變化、石墨類型等需要研究人員深化解決。

（三）極強的導電性

石墨電極的應用范圍極廣，在各種合金鋼、鈦合金的冶煉施工中都能看到，若是能夠充分發揮石墨電極的應用優勢，便可利用導電性將強大的電流導入電爐的熔煉區，利用電弧將電能轉化為熱能，以此實現熔煉合金的目的。另外，在電解鈉、鎂、鋁等金屬時，可以利用石墨電極替換傳統陽極電極，但為了保證電極應用質量，需要將粒度控制在150—325目（即0.1mm—0.042mm）之間，有害雜質必須控制在10%以下，如此才能有效提高石墨電極的品味（90%—99%）[1]。

二、溫度對石墨電極性能的影響

（一）爐芯溫度與石墨電極

如圖1所示，整個石墨電極的溫度分布相對均勻，大部分溫度都被控制在90至150攝氏度之間（除爐芯在外）。經過調查研究顯示，石墨電極在不同環境下的氧化溫度極限不同，比如在水蒸氣中其溫度限值為700攝氏度，在空氣中的限值為450攝氏度，在碳酸環境下溫度不得超過或低于900攝氏度，通過對圖1進行分析，可以發現該石墨電極并未達到該環境的溫度限制，電極能夠正常使用。由于爐芯溫度與石墨電極的影響性較強，盡管當前不少企業選擇使用保護設置石墨電極功能發揮提供支持，但畢竟不是長久之計，所以研究人員要針對石墨電極專屬冷卻設備或技術進行深化研發，降低電極表面的氧化速度，延長石墨電極的使用壽命。如，在石墨電極的表面噴涂一層隔絕性與耐高溫性較強的噴涂材料，一方面降低了冷卻設備的運行成本與資源消耗，另一方面解決了石墨電極因爐芯溫度過高而氧化速度加快的問題。

（二）電極溫度與雜質顆粒

現階段，市場上的碳化硅多采用石墨電極作為合成材料，主要原因是石墨微晶在室溫下的導熱率為2400W/（m？K），有利于提高導熱與加熱速度。但在具體應用過程中，因為石墨電極組成材料中含有較多雜質且粒徑不一，所以電極孔隙率比較高，導致石墨電極的導熱率并未真正達到最高值，普遍維持在70W/（m？K）—150W/（m？K）區間內，嚴重降低了電極的實際應用價值[2]。通過對多數石墨電極進行分析，發現要對雜質“SiC”提高重視，在解決雜質顆粒與石墨電極可承受溫度矛盾時，研究人員針對不同尺寸的雜質粒徑建立了分析模型，主要研究雜質粒徑與電極溫度場造成的影響，具體結果如圖2所示。

由圖可知，無雜質的石墨電極溫度分布梯度比較小，隨著雜質粒徑不斷加大，石墨電極內外部溫度開始持續增加，耐高溫性呈現出不斷下降的現象。之所以會發生這種問題，根本原因是雜質“SiC”的導熱系數小于石墨且電阻率大于電極，有該雜質的地方溫度自然高于其他部位，使得石墨電極受熱不均勻，不僅令其使用壽命縮短，還阻礙了功能優勢發揮。

（三）石墨電極在高溫下的消耗特征及監測方法

1.消耗特征

石墨電極在高溫下的消耗主要表現為兩種：一是在氧化、侵蝕、升華等作用條件下被持續消耗，主要耗損部位是端頭與側壁;二是在熱端斷裂、殘端脫落、熱沖擊剝落等作用下發生的非連續性消耗，主要耗損原因是溫度差造成的熱應力破壞。一般只有當石墨電極被應用于煉鋼冶金行業時受到溫度的影響最大，目前采用最多的煉鋼爐是交流煉鋼電爐，此類型爐子存在較強的三相電極柱的臨近效應、集膚效應，使得石墨電極在加熱過程中經常出現交流電弧偏弧外吹現象，尤其是在煉鋼電爐進入超高功率作業后，石墨電極的消耗大幅度提升，對其性能應用的穩定性造成嚴重影響。

2.三相平衡在線監測

應用三相平衡在線監測系統對石墨電極的損耗進行實時監控，有利于延長該電極的使用壽命，是企業降低經濟成本消耗與提高生產效率的關鍵手段。第一，采用三相平衡在線監測能夠準確判斷交流煉鋼電爐中的時序狀況，工作人員根據順時針、逆時針提出的不同要求，判斷三相功率與電熱廠的動態平衡情況，一定程度上改善了相過載偏流問題，有利于降低石墨電極因不平衡劣工造成的熱應力破壞損耗;第二，充分發揮三相平衡在線監測系統的作用，可以強化煉鋼熱區的集中性與穩定性，有利于避免相功率、溫度場失衡，不僅在極大程度上降低了因上述原因造成的爐料塌料砸斷石墨電極現象所產生的非正常損失，還減少了因交流電弧偏弧外吹造成的爐襯耐火材料異常損失量。

結束語：綜上所述，石墨電極擁有相對廣闊的應用市場，即可被用作耐火材料，又能被視為煉鋼增添劑，具有較強的導電性。若是溫度變化不穩定，會令石墨電極功能受到影響，爐芯溫度對電極制約性較強，雜質粒徑同樣具有阻礙作用，因此企業要采用三相平衡在線監測技術對石墨電極所處溫度進行實時監測、調控。

參考文獻：

[1]張登躍.石墨電極高溫熱應力和熱應變的研究[J].炭素技術，2018，37（05）：50-53+63.

[2]多孔石墨烯復合材料可增強電極性能[J].潤滑與密封，2017，42（06）：46.