石墨電極()是以石油焦、瀝青焦為粒狀原料，煤焦油瀝青為粘結劑，經捏煉、成型、焙燒、石墨化、機械加工等工藝制成的一種耐低溫石墨導電材料。石墨電極是一種重要的低溫導電材料。電爐煉鐵用導電材料。

石墨電極()

是以石油焦、瀝青焦為粒狀原料，煤焦油瀝青為結合劑，經捏煉、成型、焙燒、石墨化、機械加工等工藝制成的耐低溫石墨導電材料。 石墨電極是電爐煉鐵重要的低溫導電材料。 電能通過石墨電極輸入電爐，以電極端與爐料之間形成的電弧產生的低溫為熱源，熔化爐料進行冶煉。 其他一些電爐煉鋼或電解設備石墨電極也常用作導電材料。 2000年世界消耗石墨電極約100萬噸，我國2000年消耗石墨電極約25萬噸。借助石墨電極優異的數學物理性能，還廣泛應用于其他工業部門。 以生產石墨電極為主的碳素制品工業，已成為當代原材料工業的重要組成部分。

介紹

早在1810年，漢弗萊·戴維（Davy）就用木炭制成通電后能形成電弧的碳電極，開辟了用碳材料作為低溫導電電極的廣闊前景。

1846年，施泰特（）和愛德華（）將焦粉和蔗糖混合，壓制成型，低溫煅燒制成另一個碳電極，然后將這些碳電極浸入濃糖水中強化，由于體積密度大，他們已經為這些電極的生產申請了專利。 1877年，克利夫蘭（日本）的布洛赫（CF）和勞倫斯（WH）利用焙燒石油焦成功研制出低酸值碳電極。

1899年，（OG）首先報道了以斯里蘭卡天然石墨為原料制造天然石墨電極的方法。

1896年，卡斯特納（HY）獲得專利權，利用電將碳電極直接加熱至低溫，生產出性能優于天然石墨電極的人造石墨電極。

1897年，日本金剛砂公司（株式會社）的艾奇遜（EG）在內電阻爐中制造出第一批以石油焦為原料的人造石墨電極，用于生產金剛砂。 產品尺寸為22mm×。 當時的電物理工業用人造石墨電極來生產純堿。 在此基礎上設計的“艾奇遜”石墨化爐，將使用石油焦生產的碳電極和少量內阻材料（冶金焦顆粒）組成“爐芯內阻”。 ”，通電后形成低溫，將石油焦制成的碳電極在低溫下“石墨化”，得到人造石墨電極。

19世紀末，英國人埃盧（PLT）發明了直接電弧爐，開始用于煉鋼電石和鐵合金的生產。

1899年首次用于焦化，電弧爐需要一定數量的耐低溫的導電電極。 雖然在1900年左右轉移了可連接的電極，但此時只能生產小尺寸的石墨電極，

20世紀初，電爐冶煉主要采用不含褐煤為原料的碳素電極或以天然石墨為原料的天然石墨電極。 生產碳電極或天然石墨電極的過程比較簡單，

1910年，半徑可達100毫米的碳電極已供應市場。 而且，由于石墨電極的優良性能和制造工藝的不斷改進，大型石墨電極的量產和價格不斷提高。 電爐冶煉行業逐漸使用石墨電極，碳素電極或天然石墨電極的使用逐漸減少。

20世紀60年代以后，電弧煉鐵爐大多采用石墨電極。

1914年至1918年制造的石墨電極的最大半徑僅為，

1924年，生產出半徑為

1930年擴大到，

1937年又縮小為半徑為,,,,的大尺寸石墨電極，不久之后。 80年代世界上最大的電弧煉鐵爐使用的石墨電極半徑為. 第二次世界大戰后，石墨電極的原材料質量、設備和制造工藝不斷改進。 隨著電爐冶煉對電功率輸入的需求不斷增加，高功率和超高功率石墨電極在1960年代和70年代相繼研制成功。 . 由于石墨電極質量的不斷提高和電爐煉鐵工藝的改進，每公斤電爐鋼消耗石墨電極已由1970年代的6～8公斤增加到1980年代的4～6公斤（普通功率電爐），采用超高功率石墨電極。 小型電爐每公斤鋼的電極消耗降低到2.5kg左右，而超高功率直流電弧爐（僅一根石墨電極）每公斤鋼的石墨電極消耗可提高到1.5kg左右.

20世紀80年代末，世界工業發達國家電爐冶煉行業大部分電爐噸位增加到80-200t，因此大量高功率或超高功率石墨電極與使用 550~ 的半徑。

種類

根據所用原材料的不同和成品的數理指標的差異，石墨電極分為普通功率石墨電極（RP級）、高功率石墨電極（HP級）和超高功率石墨電極三種。功率石墨電極（UHP 級）。 這是因為石墨電極主要用作電弧煉鐵爐的導電材料。 20世紀80年代，國際電爐冶煉界根據每公斤爐容的變壓器輸入功率將電弧煉鐵爐分為三類：普通功率電爐（RP爐）、大功率電爐（HP ）和超高功率電爐電爐（UHP 爐）。 20t以上普通功率電爐每公斤爐容的變壓器輸入功率通常約為/t； 對于大功率電爐，輸入功率約為/t； t、100t以上電爐輸入功率350～/t稱為超大功率電爐。 到20世紀80年代末，經濟發達國家淘汰了大量普通功率50t以下的中大型電爐。 一些超高功率電爐進一步提高到1000~/t。

大功率和超大功率電爐中使用的石墨電極，由于電極兩端的電壓密度顯著降低，在越來越苛刻的條件下工作，導致出現以下問題：

(1)由于內部熱阻和灼熱氣流的作用，電極溫度下降，導致電極和接頭的熱膨脹減小，同時也增加了電極的氧化消耗.

(2)電極中心與電極外圓溫差減小，溫差引起的熱變形也相應增大，電極易產生裂紋和表面裂紋。

(3)電磁斥力減小，引起劇烈振動。 在劇烈振動下，電極因連接松動和跳閘而扭曲的可能性增加。

因此，高功率和超高功率石墨電極的化學和機械性能必須優于普通功率石墨電極，如內電阻率低、體積密度高、機械硬度高、熱膨脹系數小、耐光性好等。抗震性。 表1列出了20世紀80年代后期三種不同功率電弧煉鐵爐的通用標準系列和所用石墨電極的半徑。 為滿足煉鐵廠大批量開發大功率和超大功率電爐的需要，從20世紀80年代開始，歐美、日本的碳素廠主要生產石墨電極，其質量標準有兩個，即高-功率石墨電極和超高功率石墨電極，以及普通功率石墨電極。 由于銷售不佳，石墨電極很少生產。

直流電弧爐用石墨電極

直流電弧爐是20世紀80年代初開發的一種新型電爐冶煉設備。 早期的直流電弧爐是在原有交流電弧爐的基礎上改建而成。 有的用了3個石墨電極，有的用了2個石墨電極。 , 但 20 世紀 80 年代中期以后新設計的直流電弧爐大多只使用一個石墨電極。 對于超大功率運行的直流電弧爐，每公斤鋼的石墨電極消耗量可降低50%左右。 直流電弧爐的電壓通過電極時，不會形成集膚效應和相鄰效應。 電極截面上電壓分布均勻，直流電弧穩定性好，運行時機械振動小，電爐噪音也低。

直流電弧爐所用石墨電極的半徑也是根據電爐的容量和電極的允許電壓密度來估算的。 同樣輸入功率的超大功率電爐，使用石墨電極的直流電爐，電極半徑要大一些，如150t容量的交流電弧爐，使用700的電極半徑~，而相同容量的直流電弧爐采用半徑為700~的電極。 直流電弧爐對石墨電極的質量要求高于交流電弧爐。

質量指標

判斷石墨電極好壞的主要指標有內阻、體積密度、機械硬度、線膨脹系數、彈性撓度等，石墨電極在使用中的抗氧化性能、耐光沖擊性能都與上述指標有關。 連接的準確性和可靠性也是重要的檢查項目。

內阻

石墨電極的電阻率是一項重要的化學性能指標，一般采用電壓降法檢測。 內阻率可以判斷石墨電極的石墨化程度。 石墨電極的電阻率越低，其導熱系數越低。 該值越高，抗氧化性能越好。 石墨電極的允許電壓密度與其內電阻率和電極半徑有關。 石墨電極的內電阻率越低，允許的電壓密度相應增加，但允許的電壓密度與電極半徑成正比。 這是因為電極半徑較小。 較大時，電極截面中心部分與表層溫差減小，熱撓度增大會導致電極產生裂紋或表面裂紋，因此電壓密度降低為有限的。 圖1列出了電極半徑、允許電壓密度和電極品種之間的關系。

堆積密度

降低體積密度有利于降低氣孔率和提高機械硬度，提高抗氧化性，但過大會導致抗光沖擊性能下降，因此需要采取其他措施來彌補這一不足，如提高石墨化溫度降低電極的導熱率和使用針狀焦為原料提高成品的熱膨脹系數。

機械硬度

石墨電極的機械硬度分為抗壓性、抗彎性和伸長率三種。 石墨電極在接觸物體時，或因材料塌陷的沖擊、強烈振動的損壞等情況下，常有發生扭曲的危險。石墨電極抗彎硬度高，不易扭曲。 數個電極串聯組成電極柱時，接頭處承受較大拉力，接頭最好規定伸長硬度指標。

彈性撓度

它是反映材料撓度的指標。 一般石墨電極只測量楊氏彈性泊松比（縱向彈性撓度），即材料受壓或拉伸時形成單位彈性形變所需的撓度。 石墨電極的彈性撓度與其耐光性和耐沖擊性有直接關系，石墨電極的彈性撓度與其體積密度成反比，隨著溫度升高彈性撓度減小。

耐光沖擊性

石墨電極的抗光沖擊性能是指在水溫變化較大時，石墨電極抵抗熱撓曲破壞的能力，可用下式表示：

R=(κ×S)/(α×E)

式中，R為光抗震性； S——延伸硬度，MPa； κ為導熱系數，W/(m·K)； α為線膨脹系數，1/℃； E為彈性泊松比，MPa。

由上式可知，石墨電極的伸長硬度越高、彈性撓度越低，其耐光震性能越好。 另一方面，石墨電極的導熱系數越小，熱膨脹系數越大，耐光震性越差。 當水溫變化較大時，電極更容易剝落和表面裂紋。

線膨脹系數

通常只測量沿電極軸的線膨脹系數。 石墨電極的線膨脹系數與所用原料有關，還與配方的細度組成、石墨化濕度等誘因有關。 線膨脹系數小的石墨電極具有較好的耐光震性。 因此，生產超高功率石墨電極應選用線膨脹系數低的針狀焦作為原料，但石墨化溫度應達到2800-3000℃。 石墨電極的線膨脹系數與測量的溫度范圍有關。 中國標準的溫度范圍是100-600℃。 在一些國家，炭素廠對石墨電極線膨脹系數的測量溫度范圍比較低，有的是20-100℃，有的是30-30℃。 130℃，所以同一產品在不同水溫范圍內測得的線膨脹系數不能直接比較。

石墨電極的質量取決于原材料性能、工藝技術、管理和生產武器四個方面，其中原材料性能是首要條件。 普通功率石墨電極采用普通級石油焦生產，具有較低的數學和機械性能，如內阻高、線膨脹系數大、抗熱震性差等，因此允許的電壓密度較低。 大功率石墨電極采用優質石油焦（或低品位針狀焦）生產，其數學和機械性能均高于普通功率石墨電極，可提供更大的電壓密度。 而超高功率石墨電極必須使用高檔針狀焦生產。 大功率和超高功率石墨電極的接頭質量非常重要，除了接頭鑄件的電阻率和線膨脹系數大于電極本體外，接頭鑄件應具有更高的伸長率，硬度和導熱性。 為加強電極，保證連接的可靠性，接頭處應裝有接頭螺栓。 普通功率石墨電極和高功率、超高功率石墨電極的化學性能如表2所示。

表23不同功率電爐用石墨電極的化學性能

項目單位

公稱外徑/mm

400～～～600

普通功率 高功率石 超高功率

石墨電極 油墨電極 石墨電極

內阻/μΩ·m

電極<

接頭<

11.07.04.5～5.5

8.56.53.4～4.5

彎曲硬度/MPa

電極>

連接器>

6.409.87.0～13.0

12.714.0（測量伸長率）

彈性撓度/GPa

電極<

接頭<

9.3012.07.0～9.5

13.7214.012～18

堿度/%<

0.500.300.30

真密度/g·cm–3>

2.202.212.22

體積密度/g cm–3

電極>

連接器>

1.521.601.67～1.75

1.681.701.76～1.86

接頭伸長硬度/MPa

15～24歲

線膨脹系數，l0-6/℃

20～="0"=""=""="1"TCSc="0">00℃

電極

連接器

100～="600"=""=""="1"tcsc="0">600℃

電極

連接器

0.20～0.6

0.02～0.5

2.92.2

3.22.4

導熱系數/W·(m·℃)–1

210～290

注：表2所列普通功率石墨電極和高功率石墨電極為中國鋼鐵工業標準-92和-92質量指標，超高功率石墨電極為2000產品所列質量標準日本UCAR目錄。

生產特點

生產石墨電極的主要原料是石油焦（包括針狀焦）。 生產普通功率石墨電極時可加入少量瀝青焦，粘結劑為煤焦油瀝青。 石墨電極的生產特點是：（1）生產工序多，生產周期長，普通功率石墨電極的生產周期為45天左右，超高功率石墨電極的生產周期需要70天以上。 需要多次浸漬的接頭具有較長的生產周期。 (2)能耗較高。 1噸普通功率石墨電極約需消耗電·h、數千立方米煤氣或天然氣，約1噸冶金焦顆粒和冶金焦粉（二次能源）。 (3)石墨電極的生產工序多，需要許多特殊的機械設備和特殊結構的窯爐。 建設投資大，投資回收期長。 (4)石墨電極在生產過程中會形成一定量的煙塵和有害二氧化碳，因此需要采取既定的通風、降塵和去除有害二氧化碳等環保措施。

工藝流程

生產石墨電極的工藝流程如圖2所示，幾種主要的生產工藝如下：

(1) 烘烤。 石油焦和瀝青焦均需焙燒，焙燒溫度應達到1300℃，以充分脫除原料中的揮發分，提高焦炭的真密度和電導率。

(2)粉碎、篩選、調味。 將焙炒后的原料粉碎、篩分成規定規格的分級顆粒，一部分原料磨成細粉，按配方稱重，聚合成各種顆粒的混合物。

(3)揉捏。 在加熱狀態下，將各種顆粒的定量混合物與定量的粘結劑混合混煉，形成塑料糊狀物。

(4)成型。 在外壓（模壓成型或擠壓成型）或振動（振動成型）作用下，將糊料壓制成具有一定形狀和較高萊西度的坯體。

(5)燒結。 將生坯放入專門設計的低溫爐中，在生坯上覆蓋填料（焦粉或河沙），逐漸升溫至900-1100℃左右，使結合劑碳化，得到燒結制品。

(6)浸漬。 為了提高制品的堆積密度和機械硬度，將燒結制品放入高壓釜中，將液體浸漬劑壓入燒結制品的孔隙中。 浸漬后，應進行重新燒結。 為獲得高強度、高硬度的接頭鑄件，浸滲需要重復2～3次。

(7)石墨化。 將燒結品放入石墨化爐中（需覆蓋保溫材料），采用直接通電的加熱方式，使燒結品轉變為石墨晶體結構，進而獲得人造石墨電極所需的數學和物理性能.

(8) 機械加工。 根據使用要求，將石墨化毛坯進行平面磨削、端面加工、連接工件加工，再加工連接接頭。

(9) 檢驗合格的包裝為成品。

電爐冶煉用其他類型導電電極

抗氧化涂層石墨電極 降低電極外表面的氧化損失是增加電極消耗的有效途徑。 各國對石墨電極的抗氧化涂層工藝做了大量的研究工作，如在電極表面涂覆一層抗氧化材料或將電極浸入專用氨水中，抗氧化涂層許多鞋廠長期采用的工藝是在電極表面鋁和耐火材料的“替代涂層-燃燒法”。 這些工藝的要點是：首先，石墨電極在外圓表面加工出一些淺槽，然后將電極放入加熱爐中加熱至250℃左右，然后在其上噴涂一層薄薄的鋁。用金屬噴槍在電極表面噴一層耐火泥，再在鋁層外面噴涂一層耐火泥，最后用電弧形成低溫將鋁和耐火泥熔化在一起，產生金屬陶瓷層，即既導電又抗低溫氧化。 為使涂層達到一定長度，噴鋁耐火泥和快速電弧熔化必須重復2～3次，這些抗氧化涂層的性能可滿足以下要求：

(1)內阻率為0.07～0.1μΩ?m。

(2) 900℃不透二氧化碳持續時間超過50h。

(3) 涂層分解溫度在1850℃以上。

實際使用結果表明，與同等質量但不帶抗氧化涂層的石墨電極相比，帶抗氧化涂層的石墨電極每公斤電爐鋼的電極凈耗可降低20%～30%，并且還可以降低每公斤鋼材的能耗5%左右，減少抗氧化涂層的成本約為石墨電極銷售價格的10%。 電爐鋼廠采用抗氧化涂層電極，對焦爐夾持電極的夾持器進行改造，適當加大夾持器的半徑，然后在外側鑲嵌幾片加工成弧形的石墨墊，使夾持器與抗氧化氧化涂層的石墨電極通過石墨墊引出電壓。 如果抗氧化涂層與刀柄直接接觸，接觸面容易產生火花，燒毀刀柄。

風冷復合石墨電極

這是石墨電極與一段特殊的鐵管連接后使用的導電電極（圖3）。 風冷復合電極上部為非自耗無縫鐵管，約占復合電極總寬度的1/3。 鐵管為單層，內水冷，下段為石墨電極，通過水冷金屬接頭與上鐵管相連。 風冷鐵管外表面光滑，與焊鉗接觸良好。 由于石墨電極連接在水冷鐵管的底部，必須將帶有電極的整個鐵管從爐中拉出連接電極，并送至專門的組裝工位連接新電極，并且特別設計的快裝軟管確保水路可以快速連接或斷開，避免因過熱而形成蒸汽或損壞上部風冷鐵管。 1980年，美國埃德蒙頓()電爐煉鋼廠試用風冷復合電極（半徑大的石墨電極，消耗量提高20.9%（每斤鋼消耗電極從5.69kg增加到4.5kg）風冷復合電極之所以能節省石墨電極用量，主要原因是石墨電極暴露在空氣中的外表面積大大減少，可減少約45%，操作連接電極比較麻煩，對電爐的生產效率有一定的影響，所以到20世紀80年代末還沒有得到廣泛推廣。

空心石墨電極

空心石墨電極是空心電極（通常石墨電極是實心的），這些產品的生產是在電極成型時直接壓制成空心管狀，后續的生產過程與生產普通電極的過程相同。 原料，在煉鐵過程中減輕提升電極的重量，通過電極中空區域產生的通道加入冶煉所需的合金材料和其他材料，或從提升爐內輸入不同用途的二氧化碳。空心通道，雖然空心石墨電極沒有很多優點，但是對于電極廠家來說，生產空心石墨電極的擠壓工藝復雜，原材料的節省有限，成品率低，所以空心石墨電極一直沒有被廣泛使用。

天然石墨電極

天然石墨電極是以天然石墨為主要原料生產的電極。 碳電極（不含褐煤和冶金焦為原料）和天然石墨電極用于電爐冶煉。 天然石墨是一種非金屬礦物，具有良好的導電性。 精選天然石墨的沸程濃度可降至5%以下，甚至更低。 天然石墨電極可以用天然石墨和煤焦油瀝青經捏合、成型、焙燒和機械加工制成，其電阻率通常為15. ~20μΩ?m，比人造石墨電極的電阻率高1倍左右以石油焦為原料，其伸長率和抗彎硬度較低，使用時易扭曲，所以1960年代以后天然石墨電極很少生產和長期使用。

性能及消耗機理 石墨電極主要用作電弧熔煉爐的導電材料。 因此，對石墨電極性能的評價主要集中在冶煉過程中石墨電極的消耗。 每公斤電爐鋼的石墨電極消耗量主要與電極本身的質量有關。 與冶煉操作（如煉鋼碳化物、廢鋼是否切割加工、吹氧時間等）有很大關系。 電爐冶煉中石墨電極的消耗可分解為4部分：

電極尖端消耗

電極端的消耗包括電弧低溫引起的升華和電極端與鋼水、礦粉物理反應的損失。 氧化后（形成圓錐）的半徑大小是相關的。

電極、鋼水和爐渣在一定濕度下發生如下物理反應：

+3C→2Fe+3CO

3Fe+C→Fe3C

CaO+3C→CaC2+CO

在電爐煉鐵過程中熔化或產生泡沫渣階段，部分熔融褐煤飛濺到電極表面，富氧褐煤與電極的反應速度較快。 電極端的消耗還與電極是否插入鋼水中增碳有關。

電極外表面氧化損失石墨電極的物理成分主要是碳。 , will with air, , and as (the of the on the and in the drum at that time) :

xC+yO→CxOy

2C+O2→2CO

C+CO2→2CO

C+H2O→CO+H2

C+2H2O→CO2+2H2

The loss on the of the is the of the unit rate (kg/m2?h) and the area. In , in to the rate of , is used, the loss of . , the loss on the of the for half of the . ( 4) the , the is into a cone . that the of the is D when it is not , and the of the end of the is d , the loss on the of the may be to the size of d/D In , the the d/D, the the of the of the ; the the d/D, the the of the . the of the the is an way to the of the .

loss of or The is used a of or () at the of the and is easy to drop to . loss of are to the of the , and are . is body loss on the , and the does not body loss. of body loss on the body or of the body due to and .

, and loss of lost

This part of the loss is also loss ( from the - loss on ). to such as and at low as "net ". " loss" plus loss such as and loss are " loss". The main and of loss are in 3.