电极在钢铁工业中的应用

电极在钢铁工业中的应用在钢铁冶金工业中，经常用的电极主要有：石墨电极、炭电极（炭素电极）、自焙电极（电极糊）。

石墨电极的应用领域主要是在电弧炉或精炼炉中作为导电材料，加热金属。

而在冶炼铁合金的矿热炉中，以上三种电极均有应用，通过电极将电能传递到炉料内依靠炉料的电阻发热将炉料自身熔化。

电极在生产过程中承受高温、高应力和烟尘破坏的作用，因此研究电极的制造工艺、使用性能，从而改善电极的各项使用指标，对提高电极寿命、较低成本具有很重要的意义。

下面本文将分别论述石墨电极、炭电极、电极糊和一些特殊电极的制造、加工过程，以及在使用中出现的问题及处理。

一、石墨电极使用石油焦、沥青焦为颗粒料，煤沥青为粘结剂，经过成型、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，称人造石墨电极，简称石墨电极。

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，以电极端部和炉料之间产生的电弧为热源进行炼钢，其他一些电冶炼设备也常使用石墨电极为导电材料。

石墨电极材料与其他导电材料相比，其最大优点在于具有良好的导电导热性能和较好的韧性，能够接受较大电流的冲击，在高温下不软化也不会熔化等特点。

炼钢电弧炉上以它为导电材料，通过弧光放电将热能传递到炉料上将废钢熔化；在冶炼黄磷和工业硅等矿热炉上通过电极将电能传递到炉料内依靠炉料的电阻发热将炉料自身熔化。

1.1发展简史早在1810年汉佛莱·戴维利用木炭制成通电后能产生电弧的炭电极，开辟了使用炭材料作为高温导电电极的广阔前景。

1896年卡斯特纳获得了使用电力将炭电极直接通电加热到高温而生产出比天然石墨电极导电性能更好的人造石墨电极的专利权。

19世纪末法国人海洛脱发明了直流电弧炉，开始用于冶炼电石和铁合金，1899年首次用于炼钢。

20世纪初期电炉炼钢主要使用以无烟煤为原料的炭电极或以天然石墨为原料的天然石墨电极, 生产炭电极、天然石墨电极的工艺比较简单。

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年代和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，超高功率直流电弧炉每吨钢的石墨电极消耗可降低到2kg以下。

1.2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3个品种：普通功率石墨电极（NP），高功率石墨电极（HP），超高功率石墨电极（UHP）。

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。

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, 有良好的抗震性能。

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，直流电弧炉多数只用1根石墨电极，和相同功率使用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集肤效应及邻近效应，在电极横截面上电流分布均匀，而且直流电弧的稳定性好，行中机械振动较小，电炉噪音也较低。

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容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，直流电弧炉对石墨电极的质量要求与交流电弧炉相同。

1.3生产特点及工艺流程生产石墨电极主要原料为石油焦（包括针状焦），粘结剂为煤沥青。

石墨电极的生产特点有：①生产工序多、生产周期长，超高功率石墨电极的生产周期需60天以上，而需要多次浸渍的接头生产周期更长。

②能源消耗较高,1普通功率石墨电极需消耗电力6000kWh左右；煤气或天然气数千立方米，冶金焦粒及冶金焦粉约1t。

③生产石墨电极工序多，需要许多专用机械设备和特殊结构的窑炉，建设投资较大、投资回收期较长。

④石墨电极生产过程产生一定数量的粉尘和有害气体，因此需要采取完善的通风降尘及消除有害气体的环境保护措施。

石墨电极生产的几个主要工艺流程如下：①锻烧。

石油焦或沥青焦都需要进行锻烧，锻烧温度应达到1300℃，以充分除去原料中挥发分，提高焦炭的真密度及导电性。

②破碎、筛分及配料。

将锻烧过的原料破碎及筛分成指定尺寸的骨料颗粒，一部分原料磨成细粉，按照配方称量后集聚组成各种颗粒的混合料。

③混捏。

在加热状态下将定量的各种颗粒的混合料与定量的粘结剂混合、捏合成可塑性糊料。

④成型。

在外加压力作用下（模压成型或挤压成型）或振动作用下（振动成型）将糊料压制成具有一定形状及较高密度的生坯。

⑤焙烧。

将生坯置于专门设计的高温炉中，生坯用填充料（焦粉或河砂）覆盖，逐步升温至900～1100℃左右，使粘结剂炭化,从而获得焙烧品。

⑥浸渍。

为了提高产品的体积密度和机械强度，焙烧品装入高压釜中，将液体浸渍剂压入焙烧品的孔隙中，浸渍后应进行再次焙烧，为了得到高密度及高强度的接头，浸渍需进行2～3次。

⑦石墨化。

将焙烧品装入石墨化炉内（需用保温料覆盖），用直接通电的加热方法，使焙烧品转化为石墨晶质结构，从而获得人造石墨电极所需要的物理化学性能。

⑧机械加工，按照使用要求，对石墨化后的毛坯进行表面车削、端面加工及连接用的螺孔的加工、另外再加工用于连接的接头。

⑨检验合格后进行包装即为成品。

1.4电极质量衡量石墨电极质且的主要指标有电阻率、体积密度、机械强度、热膨胀系数、弹性模量等，石墨电极在使用中的抗氧化性与抗热震性都与以上几项指标有关，产品机械加工的精确度和连接的可靠性也是重要检测项目。

⑴电阻率石墨电极的电阻率是一项重要的物理性能指标，通常用电压降法测量，电阻率的大小可以衡量石墨电极石墨化度的高低，石墨电极的电阻率越低其热导率越高，抗氧化性能越好。

石墨电极使用时的允许电流密度与其电阻率及电极直径有关，石墨电极的电阻率越低，允许电流密度相应提高，但允许电流密度并不是正比于电极直径而增加，而是随电极（同一品种）直径增大而减少，这是因为电极直径越大、电极横截面内中心部位与表层的温差增大，由此产生热应力的提高将引起电极产生裂纹或表面剥落，所以电流密度的增加受到限制。

⑵体积密度增加体积密度有利于降低孔隙率和提高机械强度，改善抗氧化性能，但同时抗热震性能下降了，为此需要采取其他措施弥补这一不足，如提高石墨化温度以增加电极的热导率和采用针状焦为原料降低成品的热膨胀系数。

⑶机械强度石墨电极的机械强度分为抗压、抗折和抗拉三种，主要测定抗折强度，抗折强度是石墨电极在使用时与折断有关的性能指标。

在电炉上，当电极和不导电物体接触时，或由于受到塌料的碰撞、强烈振动的破坏作用等原因，石墨电极经常有被折断的危险，抗折强度高的石墨电极不容易被折断。

数根电极串接成电极柱使用时，连接受到很大的拉力，所以接头最好规定抗拉强度指标。

⑷弹性模量是反映材料刚度的一个指标，通常石墨电极只测定杨氏弹性模量（纵弹性模量），即材料受到压缩或拉伸时产生单位弹性变形需要的应力，石墨电极的弹性模量与其抗热震性直接有关，石墨电极的弹性模量与其体积密度成正比，并且弹性模量随温度上升而增力口。

⑸抗热震性其表现在温度急剧变化时抵抗热应力破坏的能力。

石墨电极的抗拉强度越高和弹性模量越低，其抗热震性能越好，另一方面石墨电极的热导率越小，热膨胀系数越大则抗热震性越差，电极在温度急剧变化时产生龟裂、表面剥落的可能性越多。

⑹热膨胀系数一般只测定线膨胀系数，石墨电极的热膨胀系数与采用原料有关，也与配方的粒度组成、石墨化温度等因素有关。

热膨胀系数小的石墨电极，抗热震性能比较好，所以生产超高功率石墨电极应选用热膨胀系数较低的针状焦为原料，并且石墨化温度应该达到2800～3000℃。

石墨电极的热膨胀系数与测定温度范围有关，因此同样产品在不同温度范围内测定的热膨胀系数不能直接比较。

石墨电极质量的优劣取决于原料性能、工艺技术和生产装备三个方面，其中原料性能是首要条件。

高功率石墨电极采用优质石油焦（或低级别的针状焦）生产，其物理机械性能比普通功率石墨电极要高一些，允许通过较大的电流密度，而超高功率石墨电极一定要使用高级别的针状焦生产。

高功率及超高功率石墨电极的接头质量特别重要，不仅接头坯料的电阻率及热膨胀系数要小于电极本体，而且接头坯料应有较高的抗拉强度及热导率，为了加强电极连接的可靠性，接头上应配有接头拴。

1.5使用性能与消耗机理石墨电极作为电弧炉冶炼中的导电材料，其消耗随着电功的消耗而成正比关系。

现代电弧炉炼钢以电能和化学能为热能源，来实现炼钢过程中四脱（C、P、S、O）、二去（气、夹杂）、二调（成分、温度）的目的，石墨电极的使用性能在用户中主要体现在是否适用和消耗多少，而电极的消耗除与自身质量有关外，还与冶炼设备、工艺水平及送电操作有着直接关系。

石墨电极在电弧炉冶炼中的消耗主要由以下几部分组成。

⑴电炉内的石墨电极端部与外圆表面的消耗石墨电极在电弧炉内送电中产生的电弧有长、中、短弧之分，而熔化炉料和升温则取决于电弧功率。

弧长与二次电压成正比关系，与二次电流和升温速度成反比。

为提高冶炼速度而大幅度缩短冶炼时间，均采用强制吹氧的高化学能操作，这对石墨电极的抗氧化性和抗热震性提出了更高要求。

冶炼中石墨电极的端部消耗包括—电弧高温中产生的升华，与钢水和钢渣接触中产生的化学反应。

石墨电极的外圆氧化消耗是随着端部消耗而延伸的。

石墨电极的氧化损失约占总消耗的2/3左右，其氧化损失是单位氧化速率与面积的积且与时间有正比关系，冶炼中加热时间越长消耗越大，所以在电弧炉电极上安装水冷喷淋系统是十分必要的。

正常冶炼中石墨电极进入钢水的含碳量一般为0.01%左右，其端部消耗形状呈非锥尖状为正常现象。

⑵在冶炼中产生的石墨电极的残体消耗残体消耗是指冶炼中最下支电极因故掉入炉内并成为最终废品而脱离生产过程的非生产性消耗部分。

残体的产生不仅与接头和电极的内在质量有关，而且还与炉内布料分布、炉内气氛和送电操作等因素有着直接关系。

主要的外观现象有：残体底端部有“人”字型裂纹且有大型纵裂或劈裂；连接处不严密致使接头先行氧化而脱落或折断；连接不到位或公差配合不好而产生脱落或折断；电极受外力作用发生接头或孔底部折断；炉内布料不合理致使穿井后塌料面积大或送电曲线操作不合理均能造成电极严重折断；电极本身质量差等。

这部分损失在保证电极质量的前提下，正常生产中产生的量不大，但直接使用者对此却很重视。

⑶电极表面氧化剥落并伴有开裂和掉块的消耗在正常冶炼生产中，若石墨电极表面出现凸凹不平或伴有剥落和掉块现象，那么在钢水中就存在了增碳问题。

这种现象一方面反映出了电极的抗氧化性能和抗热震性能差；另一方面则是冶炼中水平吹氧时间过长或吹氧量过大而造成炉内和炉上严重富氧，致使电极过氧化损失加大；第三是如果存在严重的脱落现象，还必须要考虑到电极的相序问题。