盧良油

摘要：為了順應(yīng)電爐煉鋼技術(shù)發(fā)展的需要，本文對(duì)超高功率石墨電極生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)行淺談與探討，包括超高功率石墨電極生產(chǎn)工藝流程，原料選擇，主要生產(chǎn)工藝方案選擇及生產(chǎn)過(guò)程控制等。

關(guān)鍵詞：超高功率石墨電極；焙燒；石墨化；針狀焦

Discuss on the Production Process Technology of Ultra-high power graphite electrode

Liang You- Lu

（Guiyang Aluminium Magnesium Design & Research Institute Co.lid， Guiyang 550081，China）

Abstract： In order to acclimate the need of electric furnace steel-makings technology develop，in this paper，discuss on the production process technology of ultra-high power graphite electrode，include discuss on the production flow of ultra-high power graphite electrode，select material，select the main production process project，production process control，etc.

Key words： Ultra-high power graphite electrode；Baking；Graphiting； needle coke

前言

隨著煉鋼工業(yè)的發(fā)展，電爐冶煉從普通功率電爐煉鋼到高功率，進(jìn)而發(fā)展成為超高功率（UHP）電爐煉鋼，UHP石墨電極市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，對(duì)超高功率電弧爐用石墨電極的使用性能要求也越來(lái)越高。據(jù)報(bào)道，超高功率電爐冶煉每噸鋼可節(jié)電22%以上，冶煉時(shí)間可縮短50%，產(chǎn)量可增加1.5倍。目前這種方法已成為世界電爐煉鋼的主要方法。由于超高功率煉鋼的電爐容量大，冶煉條件比較苛刻，必須使用超高功率（UHP）石墨電極， UHP石墨電極應(yīng)具備：電阻應(yīng)盡可能低，約在5～6μΩm之間或以下，使用中允許電流密度為30A/cm2以上，并在電弧沖擊中要有“穩(wěn)弧”作用和承受熱壓力和熱沖擊；高質(zhì)量的UHP石墨電極在高電流密度帶來(lái)的熱應(yīng)力變化情況下，不會(huì)開(kāi)裂和折斷；此外要求UHP石墨電極熱膨脹系數(shù)盡量低以及具有較高的機(jī)械強(qiáng)度等。從工業(yè)發(fā)展來(lái)看，UHP石墨電極是鋼鐵工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。美國(guó)和日本超高功率電爐發(fā)展很快，大容量電爐幾乎全部使用UHP石墨電極。隨著中國(guó)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)近幾年電爐煉鋼逐漸向大容量大規(guī)格方向發(fā)展，而且比重越來(lái)越大，因此所需求的UHP石墨電極，也向大規(guī)格方向發(fā)展，市場(chǎng)需求量也越來(lái)越大。為了順應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需要，本文對(duì)超高功率石墨電極生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)行淺談與探討。

1 工藝生產(chǎn)流程

在UHP石墨電極工藝生產(chǎn)流程上，國(guó)內(nèi)外UHP石墨電極本體最初普遍采用二次浸漬三次焙燒的生產(chǎn)工藝路線，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前普遍采用一次浸漬二次焙燒工藝路線，由于采用二次浸漬三次焙燒的生產(chǎn)工藝路線多出一次浸漬、一次焙燒，增加生產(chǎn)周期15～30天，多占用了企業(yè)生產(chǎn)能力，每噸產(chǎn)品的生產(chǎn)成本提高約2000元，同時(shí)增加了大量的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。從長(zhǎng)期來(lái)看，這種落后的二次浸漬三次焙燒生產(chǎn)技術(shù)工藝適應(yīng)不了市場(chǎng)需求的發(fā)展，必然被先進(jìn)的一次浸漬二次焙燒生產(chǎn)工藝所取代。

浸漬次數(shù)的增多，導(dǎo)致產(chǎn)品的體積密度明顯提高，產(chǎn)品強(qiáng)度有一定的增長(zhǎng)，但隨之是彈性模量大幅提高，熱膨脹系數(shù)（CTE）增大，產(chǎn)品使用過(guò)程中的抗熱震性能明顯下降，對(duì)實(shí)際使用效果造成不利影響，產(chǎn)品在使用過(guò)程中表現(xiàn)為開(kāi)裂、掉塊、消耗高，內(nèi)在品質(zhì)不行，承受不了大電流。一次浸漬二次焙燒工藝是國(guó)內(nèi)外先進(jìn)炭素企業(yè)多年成熟的經(jīng)驗(yàn)，可在保證產(chǎn)品質(zhì)量與降低生產(chǎn)成本間找到最佳的平衡點(diǎn)。

UHP石墨電極接頭產(chǎn)品指標(biāo)要求與UHP石墨電極本體有所不同，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)電極接頭目前普遍采用三次浸漬四次焙燒工藝。

UHP石墨電極本體和接頭工藝生產(chǎn)流程詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 UHP石墨電極本體工藝生產(chǎn)流程圖

圖2 UHP石墨電極接頭工藝生產(chǎn)流程圖

2 原料選擇

UHP石墨電極的主要原料包括針狀焦、粘結(jié)劑瀝青和浸漬瀝青。優(yōu)質(zhì)原料是生產(chǎn)UHP石墨電極的先決條件，原料的質(zhì)量必須保證均質(zhì)及穩(wěn)定。

1）針狀焦

作為生產(chǎn)UHP石墨電極的主要原料，針狀焦的性能對(duì)成品電極的理化指標(biāo)和實(shí)際使用效果好壞有著直接的關(guān)系。針狀焦分石油系和煤系兩種，目前生產(chǎn)石油系針狀焦的國(guó)家主要有美國(guó)、英國(guó)、日本，煤系針狀焦主要由日本和中國(guó)生產(chǎn)。目前全球針狀焦產(chǎn)量約1200kt/a左右，我國(guó)產(chǎn)量約240kt/a，80%～90%依賴(lài)進(jìn)口。有研究表明，由于煤系針狀焦纖維較粗，在石墨化過(guò)程中容易引發(fā)“晶脹”，其次煤系針狀焦的顆粒之間空多而小，粘結(jié)劑不容易浸入，故煤系針狀焦的強(qiáng)度一般低于石油系針狀焦。因此煤系針狀焦適合生產(chǎn)HP石墨電極，石油系針狀焦更適合生產(chǎn)UHP石墨電極。建議生產(chǎn)UHP石墨電極采用石油系針狀焦為主要原料。生產(chǎn)UHP石墨電極的針狀焦技術(shù)要求見(jiàn)下表1。

表1 針狀焦技術(shù)要求

序號(hào) 指標(biāo)名稱(chēng) 單位 指標(biāo)

1 CTE 10-6/℃ 1.27

2 體積密度 g/cm3 ≥0.88

3 真密度 g/cm3 ≥2.13

4 硫份 % ≤0.6

5 水份 % ≤0.5

6 粒度 ㎜ >3.36 最少43%

>12 最少18%

2）粘結(jié)劑瀝青

在UHP石墨電極生產(chǎn)中，粘結(jié)劑的作用有兩個(gè)方面：一方面是液態(tài)時(shí)，對(duì)炭質(zhì)骨料及粉料潤(rùn)濕，粘結(jié)及混捏成可塑性糊料，糊料加壓成型及冷卻后粘結(jié)劑硬化，將骨料及粉料固結(jié)成生坯。另方面是生坯在高溫下焙燒，此時(shí)粘結(jié)劑被焦化，使制品機(jī)械強(qiáng)度提高，并獲得固定的幾何形狀。

UHP石墨電極生產(chǎn)可采用改質(zhì)瀝青或中溫瀝青作為粘結(jié)劑，改質(zhì)瀝青與中溫瀝青相比，有軟化點(diǎn)高、甲苯不溶物及喹啉不溶物含量高、結(jié)焦值高、在焙燒時(shí)的熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，用它作粘結(jié)劑能提高UHP石墨電極的體積密度、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，降低氣孔率，在電爐煉鋼中的使用性能更好。因此目前國(guó)內(nèi)外UHP石墨電極生產(chǎn)已逐步推廣使用改質(zhì)瀝青作為粘結(jié)劑。

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的改質(zhì)瀝青指標(biāo)基本滿(mǎn)足UHP石墨電極的生產(chǎn)要求，但軟化點(diǎn)和甲苯不溶物指標(biāo)波動(dòng)范圍偏大，結(jié)焦值低1%，作為粘結(jié)劑瀝青中喹啉不溶物含量值不是越低越好，為了保證制品在焦化時(shí)有足夠的強(qiáng)度和較高的結(jié)焦率，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)， 生產(chǎn)UHP石墨電極中，喹啉不溶物含量應(yīng)該控制在10～12%，采購(gòu)時(shí)需要從嚴(yán)控制。生產(chǎn)UHP石墨電極的改質(zhì)瀝青技術(shù)要求見(jiàn)下表2。

表2 改質(zhì)瀝青技術(shù)要求

序號(hào) 指標(biāo)名稱(chēng) 單位 要求指標(biāo) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

1 軟化點(diǎn)（環(huán)球法） ℃ 108～112 108～114

2 甲苯不溶物含量（抽提法） % 28～30 28～32

3 喹啉不溶物含量 % 10～12 8～12或6～10

4 結(jié)焦值 % ≥57 ≥56

5 灰分 % ≤0.25 ≤0.25

6 水分 % ≤1 ≤5

7 餾分（0～360℃） % ≤3

3）浸漬劑瀝青

由于用改質(zhì)瀝青生產(chǎn)的UHP石墨電極一次焙燒產(chǎn)品體積密度已經(jīng)較高，產(chǎn)品表面有致密層，為確保浸漬效果，提高再焙燒制品的體積密度，實(shí)現(xiàn)短流程生產(chǎn)電極的目的，浸漬劑必須使用專(zhuān)用的浸漬瀝青。一般來(lái)說(shuō)浸漬劑應(yīng)具有低喹啉不溶物、較高結(jié)焦值、低軟化點(diǎn)等特點(diǎn)，但這三項(xiàng)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，對(duì)浸漬效果的影響也是綜合性的，我們不應(yīng)因過(guò)于追求其中的某一項(xiàng)性能而忽略其它指標(biāo)。

我國(guó)尚沒(méi)有浸漬瀝青標(biāo)準(zhǔn)，各瀝青供應(yīng)商自行制定了一些企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其指標(biāo)差異很大，而且基本上都是中溫浸漬瀝青，與UHP石墨電極生產(chǎn)要求相距甚遠(yuǎn)。還有不少UHP石墨電極廠采用高溫改質(zhì)瀝青加焦油的方式調(diào)整瀝青軟化點(diǎn)，由于其輕質(zhì)餾分進(jìn)入制品后會(huì)形成氣體，容易引起瀝青反滲，浸漬效果差；由于煤焦油殘?zhí)柯实停s30%），不利于提高焙燒后產(chǎn)品的體積密度；普通瀝青喹啉不溶物較高，容易形成過(guò)濾焦餅，阻礙瀝青滲入，也嚴(yán)重影響浸漬效果。這是造成我國(guó)石墨電極產(chǎn)品體積密度不高的主要原因之一。

國(guó)外浸漬普遍采用專(zhuān)用高溫浸漬瀝青。日本采用的是煤焦油浸漬專(zhuān)用瀝青，美國(guó)既有煤焦油浸漬瀝青也有石油系浸漬瀝青，石油系浸漬瀝青含致癌物質(zhì)較少。國(guó)內(nèi)也有幾家開(kāi)始試生產(chǎn)煤焦油浸漬專(zhuān)用瀝青。專(zhuān)用浸漬瀝青要求嚴(yán)格控制喹啉不溶物，流動(dòng)性好，結(jié)焦值高。

專(zhuān)用浸漬瀝青在蒸餾前要脫水、脫銨鹽并采用超級(jí)離心機(jī)進(jìn)行脫灰脫渣處理，降低原生喹啉不溶物含量。

生產(chǎn)UHP石墨電極的浸漬瀝青技術(shù)要求見(jiàn)下表3。

表3 浸漬瀝青技術(shù)要求

序號(hào) 指標(biāo)名稱(chēng) 單位 指標(biāo)要求

1 軟化點(diǎn)（環(huán)球法） ℃ 105～110

2 甲苯不溶物含量（抽提法） % 18～25

3 喹啉不溶物含量 % ≤0.5

4 結(jié)焦值 % ≥51

5 灰分 % ≤0.1

6 水分 % ≤1

4）輔助原料

目前，國(guó)內(nèi)外在UHP石墨電極生產(chǎn)中，常添加氧化鐵粉和硬酯酸兩種添加劑，分別添加的量為1%和0.5%。原料針狀焦含有一定的硫分，生產(chǎn)UHP石墨電極時(shí)加入適量氧化鐵粉，能起催化石墨化和緩解石墨化過(guò)程中的“晶脹”作用，減少裂紋廢品，提高UHP石墨電極的質(zhì)量。用高軟化點(diǎn)改質(zhì)瀝青作粘結(jié)劑時(shí)，加入少量硬酯酸可降低改質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)和粘度，可提高糊料的塑性，降低擠壓壓力，改善電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可減輕設(shè)備負(fù)荷，減少能源浪費(fèi)。

4 主要工藝方案選擇

1）制糊系統(tǒng)

UHP石墨電極生產(chǎn)的制糊系統(tǒng)包括中碎篩分、磨粉、配料和混捏系統(tǒng)。

a.中碎篩分系統(tǒng)

篩分設(shè)備是碎篩分系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，UHP石墨電極的生產(chǎn)篩分設(shè)備主要有直線振動(dòng)篩和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)篩。為確保各種粒子料的穩(wěn)定，建議采用引進(jìn)的ROTAX旋轉(zhuǎn)振動(dòng)篩，這種振動(dòng)篩配有振打球，可及時(shí)清理篩網(wǎng)，篩分效率和篩分純度高；篩網(wǎng)更換方便。

b.磨粉系統(tǒng)

磨粉機(jī)主要有滾球磨、懸輥磨和球磨機(jī)三種。

球磨機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，操作簡(jiǎn)便，但運(yùn)轉(zhuǎn)中噪聲較大；磨粉原理為擊碎和研磨，擊碎對(duì)物料的顯微結(jié)構(gòu)破壞較大，因此國(guó)內(nèi)外石墨電極廠都較少選用。滾球磨和懸輥磨磨粉原理為依靠擠壓和研磨作用將物料粉碎，在磨針狀焦時(shí)有利于保持針狀焦的不等軸性，從而使生產(chǎn)的UHP石墨電極具有較好的各向異性， 因此UHP石墨電極生產(chǎn)比較適合采用滾球磨或懸輥磨方案生產(chǎn)粉料。

c.配料混捏系統(tǒng)

混捏是UHP石墨電極的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。將一定的炭質(zhì)骨料和粉料與一定量的黏結(jié)劑在一定溫度下混合，捏合成可塑性糊料的工藝過(guò)程中，各種不同粒徑的骨料和粉料要均勻混合，顆粒間的空隙要被更小的粒子填充，粘結(jié)劑瀝青要均勻覆蓋于干料顆粒的表面，依靠粘結(jié)劑瀝青的粘結(jié)力把不同粒徑的骨料和粉料黏結(jié)成在一起成為均勻的可塑性糊料。同時(shí)，部分黏結(jié)劑瀝青滲透到骨料和粉料孔隙中，從而使糊料結(jié)構(gòu)均勻、溫度適宜、可塑性良好，易于成型。

配料混捏有兩種方式：連續(xù)和間斷式，連續(xù)式一般用于品種單一，產(chǎn)量要求大的工程；間斷式主要用于多品種及產(chǎn)量要求小的情況。電極產(chǎn)品品種較多、單品種產(chǎn)量小，適宜采用間斷式。糊料混捏可采用導(dǎo)熱油加熱的混捏鍋或采用引進(jìn)的愛(ài)立許混捏系統(tǒng)。

保證糊料的均質(zhì)，是生產(chǎn)均質(zhì)UHP石墨電極的前提。在混捏工序應(yīng)選擇交合重疊混捏方式的混捏設(shè)備，部分國(guó)產(chǎn)混捏機(jī)就是按“交合重疊”混捏方式設(shè)計(jì)的，能夠滿(mǎn)足糊料均質(zhì)的需要，但在糊料的分散性上尚需要進(jìn)一步改進(jìn)，克服糊料團(tuán)對(duì)成型均質(zhì)的影響。國(guó)內(nèi)有幾家UHP石墨電極生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)了德國(guó)愛(ài)立許公司的強(qiáng)力混捏機(jī)，該機(jī)利用不同轉(zhuǎn)速的兩對(duì)攪拌槳和一個(gè)旋轉(zhuǎn)底盤(pán)，實(shí)現(xiàn)混捏過(guò)程中物料的充分交換，達(dá)到強(qiáng)力混捏效果。根據(jù)某些UHP石墨電極生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，愛(ài)立許混捏機(jī)生產(chǎn)的炭塊糊料基本呈散狀，在不同位置所取糊料的揮發(fā)分值偏差很小，糊料質(zhì)量較為均勻，能與成型工藝較好地匹配，而且該混捏機(jī)對(duì)骨料粒度的改變較小，有利于保持配方的穩(wěn)定。如果資金不短缺的情況下，建議引進(jìn)德國(guó)愛(ài)立許公司的強(qiáng)力混捏機(jī)生產(chǎn)糊料。

2）成型

成型是決定產(chǎn)品內(nèi)在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，選擇合理的成型工藝技術(shù)是有效保證和提高炭素制品質(zhì)量的最重要環(huán)節(jié)。目前，石墨電極成型國(guó)內(nèi)外主要采用擠壓成型機(jī)，采用3500t或4000t擠壓成型機(jī)生產(chǎn)大規(guī)格的電極本體，采用2500t擠壓成型機(jī)生產(chǎn)電極接頭及小規(guī)格的電極本體。擠壓成型機(jī)主要采用立搗、臥壓、抽真空油擠壓成型壓機(jī)。由于糊料塑性等性能穩(wěn)定，壓型壓力基本穩(wěn)定在3.0～4.0Mpa，電極擠壓過(guò)程中同步剪切，剪切后的電極經(jīng)翻轉(zhuǎn)裝置輕輕送入冷卻水槽，保證生坯不變形或粘料，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，每?jī)慑佒g的接頭料全部切掉作為生碎返回料。目前2500t及3500t擠壓成型機(jī)國(guó)內(nèi)外都有設(shè)備制造商，4000t擠壓成型機(jī)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有設(shè)備制造商，可從國(guó)外引進(jìn)。

3）焙燒

根據(jù)前面的工藝生產(chǎn)流程圖，在UHP石墨電極生產(chǎn)中，石墨電極本體需要經(jīng)過(guò)一次浸漬二次焙燒處理；石墨電極接頭需要經(jīng)過(guò)三次浸漬四次焙燒處理。目前用于石墨電極制品一次焙燒的設(shè)備主要有車(chē)底爐和帶蓋環(huán)式焙燒爐，再焙燒設(shè)備主要采用隧道窯和車(chē)底式焙燒爐。

采用帶蓋環(huán)式焙燒爐方案，具有基建費(fèi)用和能耗較低的優(yōu)點(diǎn)，但是帶蓋環(huán)式焙燒爐在焙燒過(guò)程中，焙燒周期長(zhǎng)，不同制品的品種裝爐時(shí)，只能采用其中最長(zhǎng)的焙燒曲線進(jìn)行生產(chǎn)，因而生產(chǎn)效率較低，特別是在焙燒過(guò)程中，制品上下溫差較大，影響產(chǎn)品的均勻性；制品采用錯(cuò)位方式裝爐時(shí)還容易造成陰陽(yáng)面現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不均。質(zhì)量不均的制品在串接石墨化過(guò)程中極易形成廢品。

采用車(chē)底式焙燒爐方案時(shí)，每臺(tái)車(chē)底爐均為獨(dú)立運(yùn)行，可以根據(jù)制品規(guī)格和焙燒階段，靈活調(diào)整焙燒曲線，焙燒周期短，生產(chǎn)效率高，制品各部分溫度均勻，其產(chǎn)品質(zhì)量非常均勻，特別適宜串接石墨化生產(chǎn)的需要。這種爐型采用微正壓操作，煙氣量較少，適合采用焚燒法處理3、4苯并芘，避免有害氣體排放。由于排出的高溫?zé)煔鉀](méi)有被處于預(yù)熱階段的爐室利用，能源消耗較高，通過(guò)對(duì)焙燒過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱利用后，可使綜合能耗降低。

由于再次焙燒曲線相對(duì)固定，因此既可以采用車(chē)底爐也可以采用隧道窯對(duì)制品進(jìn)行焙燒。隧道窯的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用制品中的揮發(fā)份作燃料，外加燃料少，碳排放量低，不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的煙氣治理和余熱回收利用系統(tǒng)，從源頭實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)。

綜上所述，UHP石墨電極生產(chǎn)一次焙燒適合采用車(chē)底式焙燒爐方案，再焙燒適合采用隧道窯方案。

4）高壓浸漬

UHP石墨電極生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)焙燒后的制品存在大量的氣孔，有氣孔的存在，必然會(huì)對(duì)制品的理化性能產(chǎn)生一定的影響，如使制品的體積密度下降，機(jī)械強(qiáng)度減小，電阻率上升，在一定溫度下的氧化速度加快，耐腐蝕性變差等，從而不能滿(mǎn)足超高功率電爐煉鋼及其他使用行業(yè)的使用要求。為此，必須采用高壓浸漬工藝，來(lái)提高制品的性能。如在UHP石墨電極生產(chǎn)中，一次高壓浸漬可使制品增重約11%。影響高壓浸漬效果的因素比較復(fù)雜，主要有三方面的因素：

a.浸漬劑的性能，它是影響高壓浸漬效果的主要因素，浸漬劑主要的物理性質(zhì)包括：相對(duì)密度、黏度、表面張力、熱處理后浸漬的變化、結(jié)焦值等。

b.焙燒制品的結(jié)構(gòu)及狀態(tài)，浸漬只能在開(kāi)氣孔內(nèi)進(jìn)行，因此對(duì)開(kāi)孔率高的制品，易于浸漬達(dá)到較好效果。

c.浸漬的工藝條件，包括浸漬溫度、浸漬前浸漬罐真空度、浸漬壓力、浸漬時(shí)間等。

目前國(guó)內(nèi)普遍采用三種形式的浸漬系統(tǒng)，其一是早年從日本引進(jìn)的日空浸漬系統(tǒng)，其二是從德國(guó)引進(jìn)的菲斯特浸漬系統(tǒng)，其三是從UCAR引進(jìn)的管式浸漬系統(tǒng)。

日空浸漬系統(tǒng)產(chǎn)能較小，電極熱進(jìn)熱出，瀝青煙容易外溢，浸漬后產(chǎn)品容易返滲，但配套有換框機(jī)，帶有瀝青的電極框不進(jìn)入預(yù)熱爐，可確保預(yù)熱爐煙氣潔凈。

菲斯特浸漬系統(tǒng)產(chǎn)能較大，電極熱進(jìn)冷出，瀝青煙不易外溢，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境衛(wèi)生比較好，本系統(tǒng)配套有大型真空保持罐，浸漬效果比較理想。

管式浸漬的電極不需要裝框，輔助環(huán)節(jié)少，裝出罐方便，浸漬后的電極直接推入水槽中冷卻，工藝流程簡(jiǎn)單，但由于浸漬罐直徑較小，主要考慮單根制品浸漬，要求浸漬制品規(guī)格不能有大的變化，否則影響其生產(chǎn)效率。

目前以上三種形式的浸漬系統(tǒng)都已經(jīng)可以國(guó)產(chǎn)化，可根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行選用。

5）石墨化

在UHP石墨電極生產(chǎn)中，石墨化爐是石墨化工序的核心設(shè)備。石墨化爐主要有直流艾奇遜石墨化爐和內(nèi)熱串接石墨化爐。與艾奇遜石墨化爐比較，串接石墨化爐爐芯溫度梯度小，產(chǎn)品質(zhì)量均勻穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，工藝電耗低。所以目前國(guó)內(nèi)外新建設(shè)項(xiàng)目都選用內(nèi)熱串接石墨化爐生產(chǎn)技術(shù)以及配套設(shè)備。

目前UHP石墨電極的石墨化采用串接石墨化爐還普遍存在些問(wèn)題，因?yàn)槭瘻囟雀哌_(dá)2500～2800℃，目前測(cè)溫技術(shù)還無(wú)法測(cè)量，所以不可能實(shí)現(xiàn)反饋控制。所以串接石墨化爐必須建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)修正模型，用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出爐內(nèi)升溫速率，控制串接石墨化爐的送電功率，降低能耗；另外，還需要測(cè)試電極在升溫和冷卻過(guò)程中的膨脹性及收縮性，進(jìn)行力學(xué)性能分析，從而可合理的控制升溫速度、冷卻速度及加壓大小，防止產(chǎn)品開(kāi)裂，提高石墨化過(guò)程的成品率。

4 生產(chǎn)過(guò)程控制與管理

為了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的UHP石墨電極，不僅需要選擇合理的生產(chǎn)工藝流程， 選擇先進(jìn)可靠的生產(chǎn)工藝方案和選擇優(yōu)質(zhì)的原料外，生產(chǎn)過(guò)程控制與管理也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。為降低人為因素對(duì)生產(chǎn)的影響，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡量采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)。

a.生坯體積密度的控制

生坯體積密度是配方、混捏工藝和成型工藝的綜合反映。控制好生塊的體積密度是提高UHP石墨電極總合格率的有效手段，根據(jù)電爐煉鋼的相關(guān)要求，UHP石墨電極生坯體積密度需要控制在1.75～1.80g/cm3之間。

在混捏、涼料工序中，需根據(jù)瀝青特性制定工藝參數(shù)，按瀝青粘度制定溫度制度。由于改質(zhì)瀝青粘度大，干料溫度要高混捏效果才好，應(yīng)提高混捏、涼料溫度，從而提高糊料流動(dòng)性，也可加入少量增塑劑降低瀝青粘度。

b.焙燒溫度控制

在焙燒過(guò)程中，各溫度階段的溫度控制尤為重要。生坯加熱的溫度制度被編成曲線稱(chēng)為升溫曲線，升溫曲線反映了開(kāi)始加熱到最終結(jié)束的各個(gè)溫度階段所給定的升溫速度。焙燒升溫曲線是焙燒的關(guān)鍵，制定合理的升溫曲線，是焙燒爐正常運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。因此必須根據(jù)生坯在焙燒過(guò)程中各物理化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律，來(lái)確定各溫度階段的升溫速度的快慢。另外，必須考慮焙燒爐的結(jié)構(gòu)、填充料的種類(lèi)、焙燒的品種和規(guī)格、生坯中的揮發(fā)分含量等因素。

c.石墨化溫度控制

石墨化過(guò)程主要分為三個(gè)階段：重復(fù)焙燒電極階段（850℃以下）；電極結(jié)構(gòu)變化階段（850～1800℃）；石墨晶體完善階（1800℃以上）。在石墨化過(guò)程的第二階段，隨著溫度的升高，電極的各項(xiàng)理化指標(biāo)發(fā)生較大的變化，碳結(jié)構(gòu)開(kāi)始向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，但此階段如果加熱控制不當(dāng)，就容易產(chǎn)生廢品。而石墨化爐是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象，其具有大慣性、純滯后等特點(diǎn)，而且在石墨化過(guò)程中，爐阻、爐溫等參數(shù)的變化，都呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性和不確定性，很難建立石墨化爐的精確數(shù)學(xué)模型，這就使得無(wú)法采用普通的PID（比例積分微分）控制來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的控制。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)石墨電極主要是按照一條預(yù)先設(shè)定好的功率曲線進(jìn)行送電加熱，如此以來(lái)，存在如下的缺點(diǎn)：

（1） 按照預(yù)先設(shè)定好的功率曲線進(jìn)行升溫，但是該功率曲線并不一定適合該爐的實(shí)際情況，從而不能很好的控制爐子的升溫速度；

（2） 一些生產(chǎn)廠家，在石墨化過(guò)程中為了縮短每爐的送電時(shí)間，使功率上升過(guò)快造成溫升速度過(guò)快，從而使熱應(yīng)力超過(guò)了允許的范圍，使產(chǎn)品出現(xiàn)了裂紋，導(dǎo)致廢品率的上升；

（3） 現(xiàn)行石墨化生產(chǎn)末期對(duì)結(jié)束時(shí)間的控制有很多的弊病，很多廠家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判斷，雖然對(duì)結(jié)束時(shí)間的控制也進(jìn)行了試驗(yàn)，但每爐的具體情況不一樣，保溫料的差別對(duì)石墨化送電曲線有很大的影響。如保溫料含水量大，送電時(shí)間長(zhǎng)；含水量少，送電時(shí)間短，所以說(shuō)，對(duì)送電時(shí)間沒(méi)有合理的控制往往造成很大的誤差。

因此，如果采用預(yù)先設(shè)定的功率曲線進(jìn)行加熱控制，很容易出現(xiàn)如下的現(xiàn)象：有時(shí)電量到了，溫度不高；有時(shí)爐溫很高，電量卻有余。這樣，不但耗電量高，而且產(chǎn)品質(zhì)量也得不到可靠的保證，容易造成能源浪費(fèi)，從而增加生產(chǎn)的成本。而實(shí)際上，影響石墨化電極質(zhì)量的決定因素是最終溫度，如果采用溫度來(lái)進(jìn)行控制就可以確保電極制品的質(zhì)量。因?yàn)橐环矫婵梢钥刂茽t子的升溫速度，另一方面可以控制爐子的通電結(jié)束時(shí)間，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)就可以實(shí)行停爐，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本。但由于目前受?chē)?guó)內(nèi)測(cè)溫技術(shù)的限制，無(wú)法對(duì)如此高溫的串接石墨化爐進(jìn)行溫度測(cè)量，在實(shí)際的生產(chǎn)中，多數(shù)是根據(jù)爐阻的變化來(lái)制定送電制度，從而控制爐子的升溫速度。因此，研究石墨化爐在升溫過(guò)程中，其它工藝參數(shù)對(duì)爐阻變化的影響也尤其重要。如果能夠建立起正確的爐阻變化數(shù)學(xué)模型，將可以對(duì)爐子的升溫速度進(jìn)行精確的控制。因而串接石墨化爐技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)各工藝參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，建立精確的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然對(duì)爐子的升溫速度進(jìn)行控制，也可采用模糊控制，模糊控制則不依賴(lài)于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，采用模擬人腦的思維方式來(lái)達(dá)到精確的控制目的；對(duì)于石墨化爐具有純滯后的特性，則可以采用預(yù)估的方式來(lái)提前進(jìn)行校正，保證系統(tǒng)的控制的精度。

5 結(jié)語(yǔ)

UHP石墨電極的生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，為了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的UHP石墨電極，首先需要選擇合理的生產(chǎn)工藝流程，其次是選擇先進(jìn)可靠的生產(chǎn)工藝方案，然后是選擇優(yōu)質(zhì)的原料，另一方面是要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，盡量采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高生產(chǎn)管理水平。

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