石墨電極的發(fā)展簡史和品種

石墨電極(graphite electrode)  以石油焦、瀝青焦為顆粒料，煤瀝青為黏結(jié)劑，經(jīng)過}昆捏、成型、焙燒、石墨化和機(jī)械加工而制成的一種耐高溫的石墨質(zhì)導(dǎo)電材料。石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導(dǎo)電材料，通過石墨電極向電爐輸入電能，利用電極端部和爐料之間引發(fā)電弧產(chǎn)生的高溫為熱源，使?fàn)t料熔化進(jìn)行煉鋼，其他一些電冶煉或電解設(shè)備也常使用石墨電極為導(dǎo)電材料。2000年全世界消耗石墨電極100萬t左右，中國2000年消耗石墨電極25萬t左右。利用石墨電極優(yōu)良的物理化學(xué)性能，在其他工業(yè)部門中也有廣泛的用途，以生產(chǎn)石墨電極為主要品種的炭素制品工業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)代原材料工業(yè)的重要組成部門。

簡史 

早在1810年漢佛萊?戴維(Humphry Davy)利用木炭制成通電后能產(chǎn)生電弧的炭質(zhì)電極，開辟了使用炭素材料作為高溫導(dǎo)電電極的廣闊前景，1846年斯泰特(Stair)和愛德華(Edwards)用焦炭粉及蔗糖混合后加壓成型，并在高溫下焙燒從而制造出另一種炭質(zhì)電極，再將這種炭質(zhì)電極浸在濃糖水中以提高其體積密度，他們獲得了生產(chǎn)這種電極的zhuanli權(quán)。

1877年美國克利夫蘭(Cleveland)的勃洛希(C.F.Brush)和勞倫斯(w.H.Lawrence)采用煅燒過的石油焦研制低灰分的炭質(zhì)電極獲得成功。

1899年普利查德(O.G.Pritchard)首先報道了用錫蘭天然石墨為原料制造天然石墨電極的方法。1896年卡斯特納(H.Y.Gastner)獲得了使用電力將炭質(zhì)電極直接通電加熱到高溫，而生產(chǎn)出比天然石墨電極使用性能更好的人造石墨電極的zhuanli權(quán)。

1897年美國金剛砂公司(Carborundum Co.)的艾奇遜(E.G.Acheson)在生產(chǎn)金剛砂的電阻爐中制造了 批以石油焦為原料的人造石墨電極，產(chǎn)品規(guī)格為22mm×32mmX380mm，這種人造石墨電極當(dāng)時用于電化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)燒堿，在此基礎(chǔ)上設(shè)計的“艾奇遜”石墨化爐將由石油焦生產(chǎn)的炭質(zhì)電極及少量電阻料(冶 金焦粒)構(gòu)成“爐芯電阻”，通電后產(chǎn)生高溫，使由石油焦制成的炭質(zhì)電極在高溫下“石墨化”而獲得人造石墨電極。

19世紀(jì)末法國人埃魯(P.L.T.Heroult)發(fā)明了直接電弧爐，開始用于冶煉電石和鐵合金生產(chǎn)，1899年首次用于煉鋼，電弧爐需要一定數(shù)量耐高溫的導(dǎo)電電極。雖然1900年前后艾奇遜石墨公司(Acheson Graphite Co.)就出售可連接的電極，但這時只能生產(chǎn)小規(guī)格石墨電極，

20世紀(jì)初期電爐煉鋼主要使用以無煙煤為原料的炭質(zhì)電極或以天然石墨為原料的天然石墨電極。生產(chǎn)炭質(zhì)電極或天然石墨電極的工藝比較簡單，

1910年已經(jīng)向市場供應(yīng)直徑達(dá)610mm的炭質(zhì)電極。但是石墨電極的優(yōu)良性能以及制造工藝的不斷改進(jìn)，大規(guī)格石墨電極的大批量生產(chǎn)及售價不斷下降，電爐煉鋼工業(yè)逐漸改用石墨電極，使用炭質(zhì)電極或天然石墨電極逐漸減少，

20世紀(jì)60年代以后絕大多數(shù)電弧煉鋼爐都使用石墨電極。

1914～1918年制成的石墨電極 直徑只有356mm，

1924年開始生產(chǎn)直徑為406mm的石墨電極，1930年已擴(kuò)大到457mm，1937年又增加到508mm，不久又生產(chǎn)了直徑559mm、610mm、660mm、711mm、762mm的大規(guī)格石墨電極。

20世紀(jì)80年代世界上 的電弧煉鋼爐使用的石墨電極直徑為813mm。第二次世界大戰(zhàn)以后生產(chǎn)石墨電極的原料質(zhì)量、設(shè)備和制造工藝不斷改進(jìn)，隨著電爐煉鋼輸入電功率不斷提高的需要，于20世紀(jì)60～70年代又研制成功了高功率及超高功率石墨電極。

由于石墨電極質(zhì)量不斷提高及電爐煉鋼工藝的改進(jìn)，每噸電爐鋼的石墨電極消耗已由70年代的6～8kg降低到80年代的4～6kg(普通功率電爐)，采用超高功率石墨電極的大型電爐每噸鋼的電極消耗已降低到2.5kg左右，而超高功率直流電弧爐(只用1根石墨電極)每噸鋼的石墨電極消耗可降低到1.5kg左右。80年代末世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家電爐煉鋼工業(yè)多數(shù)電爐的噸位已提高到80～200t，因此大量使用的是直徑550～750mm的高功率或超高功率石墨電極。

  品種 

根據(jù)所用原料的不同和成品物理化學(xué)指標(biāo)的區(qū)別，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(UHP級)3個品種。這是因?yàn)槭姌O主要供電弧煉鋼爐作為導(dǎo)電材料使用，20世紀(jì)80年代國際電爐煉鋼工業(yè)把電弧煉鋼爐按每噸爐容量的變壓器輸入功率大小分為3類：普通功率電爐(RP爐)、高功率電爐(HP爐)和超高功率電爐(UHP爐)。20t以上的普通功率電爐每噸爐容量的變壓器輸入功率一般為300kW/t左右；高功率電爐為400kW/t左右；把40t以下的電爐輸入功率500～600kW/t、50～80t的電爐輸入功率400～500kW/t、100t以上的電爐輸入功率350～450kW/t稱為超高功率電爐。

到了20世紀(jì)80年代末，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家大量淘汰50t以下的中小型普通功率電爐，新建的電爐多數(shù)是80～150t的超高功率大電爐，并將輸入的電功率提高到800kW/t，90年代初期一部分超高功率電爐又進(jìn)一步提高到1000～1200kW/t。高功率和超高功率電爐使用的石墨電極在更加苛刻的條件下運(yùn)行，由于通過電極的電流密度明顯增大，

結(jié)果產(chǎn)生下列問題：(1)因電阻熱和熾熱氣流導(dǎo)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。

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(yīng)力也相應(yīng)提高，電極容易產(chǎn)生裂紋和表面剝落。

(3)增大了電磁作用力，引起劇烈的振動，在劇烈振動下，電極因連接松動、脫扣而導(dǎo)致折斷的幾率增多了。因此高功率和超高功率石墨電極的物理機(jī)械性能必須優(yōu)于普通功率石墨電極，如電阻率較低，體積密度較大及機(jī)械強(qiáng)度較高，熱膨脹系數(shù)要小，有良好的抗熱震性能。表1列出了20世紀(jì)80年代末期3種不同功率電弧煉鋼爐的通用標(biāo)準(zhǔn)系列和配用的石墨電極直徑。為了適應(yīng)煉鋼廠大量發(fā)展高功率及超高功率電爐的需要，80年代起歐美、日本的炭素廠主要生產(chǎn)兩種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的石墨電極，即高功率石墨電極和超高功率石墨電極，普通功率石墨電極因銷路不大而很少生產(chǎn)。  直流電弧爐用石墨電極 直流電弧爐是20世紀(jì)80年代初發(fā)展成熟的新型電爐煉鋼設(shè)備，初期的直流電弧爐是在原來的交流電弧爐基礎(chǔ)上改造而成，有的使用3根石墨電極，有的使用2根石墨電極。