石墨電極的發展簡史和品種

       石墨電極(graphite electrode)  以石油焦、瀝青焦為顆粒料，煤瀝青為黏結劑，經過}昆捏、成型、焙燒、石墨化和機械加工而制成的一種耐高溫的石墨質導電材料。石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導電材料，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電弧產生的高溫為熱源，使爐料熔化進行煉鋼，其他一些電冶煉或電解設備也常使用石墨電極為導電材料。2000年全******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。利用石墨電極優良的物理化學性能，在其他工業部門中也有廣泛的用途，以生產石墨電極為主要品種的炭素制品工業已經成為當代原材料工業的重要組成部門。

       簡史 

       早在1810年漢佛萊?戴維(Humphry Davy)利用木炭制成通電后能產生電弧的炭質電極，開辟了使用炭素材料作為高溫導電電極的廣闊前景，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電極，再將這種炭質電極浸在濃糖水中以提高其體積密度，他們獲得了生產這種電極的專利權。

       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電極直接通電加熱到高溫，而生產出比天然石墨電極使用性能更好的人造石墨電極的專利權。

       1897年美國金剛砂公司(Carborundum Co.)的艾奇遜(E.G.Acheson)在生產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，產品規格為22mm×32mmX380mm，這種人造石墨電極當時用于電化學工業生產燒堿，在此基礎上設計的“艾奇遜”石墨化爐將由石油焦生產的炭質電極及少量電阻料(冶 金焦粒)構成“爐芯電阻”，通電后產生高溫，使由石油焦制成的炭質電極在高溫下“石墨化”而獲得人造石墨電極。

       19世紀末法國人埃魯(P.L.T.Heroult)發明了直接電弧爐，開始用于冶煉電石和鐵合金生產，1899年首次用于煉鋼，電弧爐需要一定數量耐高溫的導電電極。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，但這時只能生產小規格石墨電極。

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

       1910年已經向市場供應直徑達610mm的炭質電極。但是石墨電極的優良性能以及制造工藝的不斷改進，大規格石墨電極的大批量生產及售價不斷下降，電爐煉鋼工業逐漸改用石墨電極，使用炭質電極或天然石墨電極逐漸減少，

       20世紀60年代以后絕大多數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年開始生產直徑為406mm的石墨電極，1930年已擴大到457mm，1937年又增加到508mm，不久又生產了直徑559mm、610mm、660mm、711mm、762mm的大規格石墨電極。

       20世紀80年代******上******的電弧煉鋼爐使用的石墨電極直徑為813mm。第二次******大戰以后生產石墨電極的原料質量、設備和制造工藝不斷改進，隨著電爐煉鋼輸入電功率不斷提高的需要，于20世紀60～70年代又研制成功了高功率及超高功率石墨電極。

       由于石墨電極質量不斷提高及電爐煉鋼工藝的改進，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******上工業發達國家電爐煉鋼工業多數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 

       根據所用原料的不同和成品物理化學指標的區別，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。這是因為石墨電極主要供電弧煉鋼爐作為導電材料使用，20世紀80年代國際電爐煉鋼工業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80年代末，經濟發達國家大量淘汰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行，由于通過電極的電流密度明顯增大，

       結果產生下列問題：(1)因電阻熱和熾熱氣流導致電極溫度升高，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力也相應提高，電極容易產生裂紋和表面剝落。

       (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械性能必須優于普通功率石墨電極，如電阻率較低，體積密度較大及機械強度較高，熱膨脹系數要小，有良好的抗熱震性能。表1列出了20世紀80年代末期3種不同功率電弧煉鋼爐的通用標準系列和配用的石墨電極直徑。為了適應煉鋼廠大量發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兩種質量標準的石墨電極，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。  直流電弧爐用石墨電極 直流電弧爐是20世紀80年代初發展成熟的新型電爐煉鋼設備，初期的直流電弧爐是在原來的交流電弧爐基礎上改造而成，有的使用3根石墨電極，有的使用2根石墨電極。