石墨电极

石墨电极石墨电极 石墨电极石墨电极(graphite electrode) 以石油焦、沥青焦为颗粒料，煤沥青为黏结剂，经过}昆捏、成型、焙烧、石 墨化和机械加工而制成的一种耐高温的石墨质导电材料。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。 简史简史 早在1810年汉佛莱•戴维(Humphry Davy)利用木炭制成通电后能产生电 弧的炭质电极，开辟了使用炭素材料作为高温导电电极的广阔前景，1846年斯泰 特(Stair)和爱德华(Edwards)用焦炭粉及蔗糖混合后加压成型，并在高温下焙烧 从而制造出另一种炭质电极， 再将这种炭质电极浸在浓糖水中以提高其体积密度， 他们获得了生产这种电极的专利权。 1877年美国克利夫兰(Cleveland)的勃洛希 (C.F.Brush)和劳伦斯(w.H.Lawrence)采用煅烧过的石油焦研制低灰分的炭质电 极获得成功。 1899年普利查德(O.G.Pritchard)首先报道了用锡兰天然石墨为原料 制造天然石墨电极的方法。 1896年卡斯特纳(H.Y.Gastner)获得了使用电力将炭质 电极直接通电加热到高温，而生产出比天然石墨电极使用性能更好的人造石墨电 极的专利权。1897年美国金刚砂公司(Carborundum Co.)的艾奇逊(E.G.Acheson) 在生产金刚砂的电阻炉中制造了第一批以石油焦为原料的人造石墨电极，产品规 格为22mm×32mmX380mm，这种人造石墨电极当时用于电化学工业生产烧碱，在此 基础上设计的“艾奇逊”石墨化炉将由石油焦生产的炭质电极及少量电阻料 (冶 金焦粒)构成“炉芯电阻”，通电后产生高温，使由石油焦制成的炭质电极在高温 下“石墨化”而获得人造石墨电极。 19世纪末法国人埃鲁(P.L.T.Heroult)发明了 直接电弧炉，开始用于冶炼电石和铁合金生产，1899年首次用于炼钢，电弧炉需 要一定数量耐高温的导电电极。虽然1900年前后艾奇逊石墨公司(Acheson Graphite Co.)就出售可连接的电极，但这时只能生产小规格石墨电极，20世纪初 期电炉炼钢主要使用以无烟煤为原料的炭质电极或以天然石墨为原料的天然石墨 电极。生产炭质电极或天然石墨电极的工艺比较简单，1910年已经向市场供应直 径达610mm 的炭质电极。但是石墨电极的优良性能以及制造工艺的不断改进，大 规格石墨电极的大批量生产及售价不断下降，电炉炼钢工业逐渐改用石墨电极， 使用炭质电极或天然石墨电极逐渐减少，20世纪60年代以后绝大多数电弧炼钢炉 都使用石墨电极。1914～1918年制成的石墨电极最大直径只有356mm，1924年开始 生产直径为406mm 的石墨电极，1930年已扩大到457mm，1937年又增加到508mm， 不久又生产了直径559mm、610mm、660mm、711mm、762mm 的大规格石墨电极。20 世纪80年代世界上最大的电弧炼钢炉使用的石墨电极直径为813mm。 第二次世界大 战以后生产石墨电极的原料质量、设备和制造工艺不断改进，随着电炉炼钢输入 电功率不断提高的需要，于20世纪60～70年代又研制成功了高功率及超高功率石 墨电极。由于石墨电极质量不断提高及电炉炼钢工艺的改进，每吨电炉钢的石墨 电极消耗已由70年代的6～8kg 降低到80年代的4～6kg(普通功率电炉)，采用超高 功率石墨电极的大型电炉每吨钢的电极消耗已降低到2.5kg 左右，而超高功率直 流电弧炉(只用1根石墨电极)每吨钢的石墨电极消耗可降低到1.5kg 左右。80年代 末世界上工业发达国家电炉炼钢工业多数电炉的吨位已提高到80～200t，因此大 量使用的是直径550～750mm 的高功率或超高功率石墨电极。 品种 根据所用原料的不同和成品物理化学指标的区别，石墨电极分为普通功 率石墨电极(RP 级)，高功率石墨电极(HP 级)和超高功率石墨电极(UHP 级)3个品 种。这是因为石墨电极主要供电弧炼钢炉作为导电材料使用，20世纪80年代国际 电炉炼钢工业把电弧炼钢炉按每吨炉容量的变压器输入功率大小分为3类： 普通功 率电炉(RP 炉)、高功率电炉(HP 炉)和超高功率电炉(UHP 炉)。20t 以上的普通功 率电炉每吨炉容量的变压器输入功率一般为300kW/t 左右；高功率电炉为400kW/t 左右；把40t 以下的电炉输入功率500～600kW/t、50～80t 的电炉输入功率400～ 500kW/t、100t 以上的电炉输入功率350～450kW/t 称为超高功率电炉。到了20世 纪80年代末，经济发达国家大量淘汰50t 以下的中小型普通功率电炉，新建的电 炉多数是80～150t 的超高功率大电炉，并将输入的电功率提高到800kW/t，90年 代初期一部分超高功率电炉又进一步提高到1000～1200kW/t。高功率和超高功率 电炉使用的石墨电极在更加苛刻的条件下运行，由于通过电极的电流密度明显增 大，结果产生下列问题： (1)因电阻热和炽热气流导致电极温度升高，使得电极及 接头的热膨胀量都增加了，同时电极的氧化消耗也提高了。(2)电极中心部位和电 极外圆的温度差增大了，由温度差引起的热应力也相应提高，电极容易产生裂纹 和表面剥落。(3)增大了电磁作用力，引起剧烈的振动，在剧烈振动下，电极因连 接松动、脱扣而导致折断的几率增多了。因此高功率和超高功率石墨电极的物理 机械性能必须优于普通功率石墨电极，如电阻率较低，体积密度较大及机械强度 较高，热膨胀系数要小，有良好的抗热震性能。表1列出了20世纪80年代末期3种 不同功率电弧炼钢炉的通用标准系列和配用的石墨电极直径。为了适应炼钢厂大 量发展高功率及超高功率电炉的需要，80年代起欧美、日本的炭素厂主要生产两 种质量标准的石墨电极，即高功率石墨电极和超高功率石墨电极，普通功率石墨 电极因销路不大而很少生产。 直流电弧炉用石墨电极直流电弧炉是20世纪80年代初发展成熟的新型电炉 炼钢设备，初期的直流电弧炉是在原来的交流电弧炉基础上改造而成，有的使用3 根石墨电极，有的使用2根石墨电极，但80年代中期以后新设计的直流电弧炉多数 只用1根石墨电极，与相同功率使用3根石墨电极的交流电弧炉相比，在高温下受 到氧化的电极总表面积大大减少，同样以超高功率运行的直流电弧炉，每吨钢的 石墨电极的消耗可以降低50％左右，直流电弧炉电流通过电极时不产生趋肤效应 及邻近效应，在电极横截面上电流分布均匀，而且直流电弧的稳定性好，运行中 机械振动较小，电炉的噪声也较低。直流电弧炉配用石墨电极的直径也是根据电 炉容量和电极允许电流密度计算出来的，对相同输入功率的超高功率电炉而言， 使用1根石墨电极的直流炉，电极直径要大一些，如容量为150t