石墨电极生产工艺

河南科技学院2010届本科毕业论文论文题目：石墨电极生产工艺的研究学生姓名:张林林所在院系：化学化工学院所学专业：化学工程与工艺导师姓名：张甲敏完成时间：2010年5月30日论文题目：石墨电极生产工艺的研究摘要石墨电极,主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青作结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，以及在石墨电极生产过程中影响石墨电极质量的因素，并对如何提高石墨电极的质量提出了建议，指出了原材料质量的重要性，提出了添加炭纤维改善电极强度；改进电极接头形状，减少接头故障提高电极寿命。关键词：石墨电极,煅烧;配料,混捏,压型,焙烧,石墨化,机加工TheresearchofGraphiteelectrodesproductiontechnologyabstractGraphiteelectrodes,primarilypetroleumcoke,needlecoke,coaltarpitchasbinder,calcined,ingredients,kneading,pressing,baking,graphite,machinedandmadetoarcinelectricarcfurnaceintheformofreleaseelectricalenergytoheatthechargematerialsmeltconductor,andgraphiteelectrodeproductionprocessfactorsaffectthequalityofgraphiteelectrodes,graphiteelectrodesandhowtoimprovethequalityofrecommendations,pointsouttheimportanceofqualityrawmaterials,byaddingthecarbonfibertoimprovetheelectrodestrength;improvedelectrodeconnectorshape,reducejointfailuretoimproveelectrodelife.Keywords:graphiteelectrode;calcined;ingredients;kneading;profiling;roasting;graphite;machining目录一、引言二、原料选用及煅烧2.1原料的种类2.2煅烧三、配料与成型3.1配料3.2压型3.2.1干料温度对生坯体密的影响3.2.2沥青温度对生坯体密的影响3.2.3糊料的下料温度与料室温度对生坯体密的影响四、焙烧4.1焙烧过程4.2焙烧过程中的影响因素4.2.1升温速度的影响4.2.2压力的影响4.3填充料五、浸渍5.1浸渍工艺六、电极石墨化6.1石墨化转化理论6.2影响石墨化的主要因素6.2.1原料6.2.2温度停留时间6.2.3压力6.3石墨化生产工艺6.3.1装炉6.3.2通电6.3.3冷却和卸炉6.4串接电极间的接触方式七、石墨化成品的机械加工7.1电极及接头加工工艺7.1.2切削用量的基本知识7.1.3电极加工工艺7.1.4接头的生产工艺八提高电极质量减少电极损耗8.1骨料和粘结剂的选用8.2接头设计的改进设想8.3石墨电极折损原因及其抑制措施九、结语十、参考文献十一、谢词一、引言随着现代工业的飞速发展，对工业上用的钢铁质量的要求越来越高，为了改善钢铁的质量，降低炼钢的生产成本，这样就对炼钢用石墨电极的生产提出了更高的要求，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。本文就现代生产石墨电极的先进工艺做了详细的阐述。根据其质量指标高低，可分为普通功率、高功率和超高功率。主要分为三类（1）普通功率石墨电极（RP）。允许使用电流密度低于17A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢、炼硅、炼黄磷等的普通功率电炉。（2）高功率石墨电极(HP)。允许使用电流密度为18～25A／厘米2的石墨电极，主要用于炼钢的高功率电弧炉。（3）超高功率石墨电极(UHP)。允许使用电流密度大于25A／厘米2的石墨电极。主要用于超高功率炼钢电弧炉。石墨电极主要用于用途：（1）电炉炼钢。电炉炼钢是利用石墨电极向炉内导入电流，强大的电流在电极下端通过气体产生电弧放电，利用电弧产生的热量来进行冶炼。根据电炉容量的大小，配用不同直径的石墨电极，为使电极连续使用，电极之间靠电极螺纹接头进行连接。炼钢用石墨电极约占石墨电极总用量的70～80％。(2)用于矿热电炉。石墨电极矿热电炉主要用于生产铁合金，纯硅、黄磷、冰铜和电石等，其特点是导电电极的下部埋在炉料中，因此除电板和炉料之间的电弧产生热量外，电流通过炉料时由炉料的电阻也产生热量。每吨硅需消耗石墨电极150kg左右，每吨黄磷需消耗石墨电极约40kg。(3)用于电阻炉。生产石墨制品用的石墨化炉、熔化玻璃的熔窑和生产碳化硅用的电炉等都是电阻炉，炉内所装物料既是发热电阻，又是被加热的对象。通常，导电用的石墨电极插入炉床端部的炉头墙中，故导电电极并不连续消耗【1】。石墨电极生产工艺流程图如下：图1-1石墨电极生产工艺流程图石墨电极具有如下特点：(1)耐高温性能好石墨随温度的升高，强度不会下降，反而有所增加，石墨在(800～1300)℃高温段工作，能满足电极强度的需要。(2)稳定性能好石墨在急冷急热条件下服役(如盐炉频繁启动与停炉)，不易因产生裂纹而断裂。(2)导电性能好石墨随温度的升高，导电性能也提高，在高温段服役，本身耗能少，有利于节能。(3)导热性能特殊在盐炉工作温度范围(800～1300)·℃，石墨的导热性能下降，有利于炉子保温性能的提高。(4)化学稳定性好石墨是碳最稳定的一种变体，在(800-1300)℃范围，石墨抗熔盐腐蚀能力强，故石墨电极耐用，寿命长。由于在石墨电极实际生产中，总成品率起伏较大，本文详细介了各个工艺过程，每个生产工艺的影响因素及所要控制的工艺参数，以及提高电极质量的几点建议。期望能够对石墨电极的生产质量控制和产品成品率的提高等起到一点借鉴作用。二、原料选用及煅烧2.1原料的种类石油焦，是黑色或暗灰色坚硬固体石油产品，带有金属光泽，呈多孔性，是由微小石墨结晶形成粒状、柱状或针状构成的炭体物。石油焦组分是碳氢化合物，含碳90－97%，含氢1.5－8%，还含有氮、氯、硫及重金属化合物。针状焦，具有明显的针状结构和纤维纹理，主要用作炼钢中的高功率和超高功率石墨电极。由于针状焦在硫含量、灰分、挥发分和真密度等方面有严格质量指标要求，所以对针状焦的生产工艺和原料都有特殊的要求。煤沥青，是由煤干馏得到的煤焦油再经蒸馏加工制成的沥青。室温下为黑色脆性块状物,有光泽；臭味,熔融时易燃烧,并有毒。属二级易燃固体。做石墨电极用的沥青软化点在75—90℃之间。生产石墨电极是作为粘结剂。2.2煅烧煅烧是生产炭和石墨制品的第一道工序，煅后料的质量直接影响炭素产品的质量。炭质原料中由于氢以碳氢化合物的形式存在，且与碳原子的价电子结合。碳原子失去自由电子，这就使石油焦原料在煅烧前有较高的电阻率。但煅后焦的性能与其内部结构有直接关系，石墨层排列有序，点(层)堆积缺陷少，石墨化程度高，则电导率就高，质量就好。一般认为煅烧机理是，在煅烧初期，原料中挥发分逸出，氢含量降低，体积收缩，真密度提高；随煅烧温度的提高，虽然挥发分排除量减少，但热解反应加快，碳氢键断裂，氢排除，碳原子由结合状态解放出来，使煅烧原料导电性提高，电阻率降低，体积进一步收缩。而煅烧料真密度的提高，主要是由于煅烧料在高温下不断逸出挥发分并同时发生分解、缩聚反应，导致结构重排和体积收缩的结果。同样的生焦质量，煅烧温度越高，晶体缺陷越少，煅后焦挥发分越低，真密度越高。经煅烧能够除去生料中的水分，挥发份及部分的硫，同时经煅烧后原料的体积收缩稳定，各种物化性能指标大幅度改善、提高，对提高最终产品的质量起着十分重要的作用，煅烧后原料的质量指标见表一。表2-1燃烧料质量指标指标项目比电阻Ωmm2/m比重g/m3灰分%石油焦沥青焦无烟煤5.56.512.02.082.050.731.01.112.0三、配料与成型3.1配料煅后焦经过破碎后，可以得到不同大小的碳质颗粒材料，为了获得高质量的石墨制品，我们要把不同粒度的碳质材料和不同种类的原料适当的混合。用合适的称量设备，按配方要求准确的称取不同粒度的重量，在碳和石墨制品生产中，正确的制定配方和准确的配料操作，对以后的压型、焙烧石墨化工序都有很大的影响。现在的生产配方中，都是根据具体的条件，，经过长期的生产实践中逐步总结、完善起来的。在确定一个配方时，要注意每种产品在使用不同原料时，骨料的颗粒组成及粘结剂的用量也岁着相应的调整，理论分析告诉我们，等大的球采取相同的堆积情况，最大的空间填充率为74.05%，这样在球中间形成两种类型的间隙，一种四面体间隙和一种八面体间隙，填充四面体空隙的球体直径是基本球体的0.225，而填充八面体空隙的球体直径能够等于大颗粒球体的0.441。用实验法选择各种粒度的比例时，首先用两种颗粒做实验，用一种大颗粒和另外一种小颗粒，以大颗粒料重量为100克，然后把它分别和0—100克的第二种颗粒混合，然后取所得最大容重的混合物100克，再与0—100克的第三种颗粒混合，再选取第三种容重最大的混合物，与第四粒度的混合，做一系列实验，知道得到合适的混合料为止，下图是少灰焦1.5—1.0和1.0—1.3毫米的两种混合物的容重。表3-1两种粒度不同配比所得的混合物容重号数G（1.5—0.3）G（1.0—0.3）混合物容重g/cm31234567891010010010010010010010010010010001020304050607080900.6760.7080.7110.7200.7230.7200.7150.7120.7190.705从上述表中可以看出，第五次实验的容积比重最大，这时两中粒度的百分组成为1.5—1.0占100/(100+40)=71.4%1.0—0.3占100/(100+40)=28.6%根据这种比列就可以得到最大容重的混合物。3.2压型混捏的目的是为了得到均匀的具有良好塑性的糊料，但由于某些因素的变化会使混捏质量发生很大的变化，造成产品质量不稳定，通过实验证明，采用软化点再80—90℃的硬沥青时,湖料温度应提高到168—174℃，在这个温度范围内，沥青对干料的湿润性和粘结性能最好，所得的糊料有良好的塑性和挤压性能，混合时间，一般干混为30分钟，湿混时间为40分钟，如果混合时间过长，会使大颗粒遭到破坏，破坏原来的颗粒组成，会是产品的体密降低，塑性变差，气孔率增大，机械强度降低。最主要的就是成型型了，成型有挤压成型，震动成型和模压法。现在工厂多采用的是2500t或3500t的挤压机挤压成型，成型前，腰将所得到的糊料在凉料机中从168—174℃降至116℃，而且晾了的时间不得超过11分钟，而且不的低于8分钟，晾了后要在保温台撒谎能够保温20分钟，保温台上层和中层温度要控制在120℃，下层温度要控制在118℃，保温20分钟后，将保温好的糊料装入挤压机的缸内，用挤压机的柱塞对糊料加压，预压3—5分钟，压力一般不小于25MPa,制品通过安装在糊缸前面的嘴子，挤压出来，挤压机一般为间歇生产，生产分三个阶段，第一阶段：当柱塞头开始加压，糊料颗粒和快的移动，大的糊料空隙被小的颗粒所填充，颗粒间的接触趋于紧密，这一阶段糊料的紧密度主要取决于糊料的粒度和结构，若糊料快多就容易出现架桥现象。第二阶段：当压头继续施压，电极的密度就逐渐增大，在