超高功率石墨电极生产工艺技术探讨

摘要：为了顺应电炉炼钢技术发展的需要，本文对超高功率石墨电极生产工艺技术进行浅谈与探讨，包括超高功率石墨电极生产工艺流程，原料选择，主要生产工艺方案选择及生产过程控制等。

关键词：超高功率石墨电极；焙烧；石墨化；针状焦

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-making’s 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

随着炼钢工业的发展，电炉冶炼从普通功率电炉炼钢到高功率，进而发展成为超高功率（UHP）电炉炼钢，UHP石墨电极市场需求量越来越大，对超高功率电弧炉用石墨电极的使用性能要求也越来越高。据报道，超高功率电炉冶炼每吨钢可节电22%以上，冶炼时间可缩短50%，产量可增加1.5倍。目前这种方法已成为世界电炉炼钢的主要方法。由于超高功率炼钢的电炉容量大，冶炼条件比较苛刻，必须使用超高功率（UHP）石墨电极， UHP石墨电极应具备：电阻应尽可能低，约在5～6μΩm之间或以下，使用中允许电流密度为30A/cm2以上，并在电弧冲击中要有“稳弧”作用和承受热压力和热冲击；高质量的UHP石墨电极在高电流密度带来的热应力变化情况下，不会开裂和折断；此外要求UHP石墨电极热膨胀系数尽量低以及具有较高的机械强度等。从工业发展来看，UHP石墨电极是钢铁工业发展的必然趋势。美国和日本超高功率电炉发展很快，大容量电炉几乎全部使用UHP石墨电极。随着中国钢铁行业的发展，我国近几年电炉炼钢逐渐向大容量大规格方向发展，而且比重越来越大，因此所需求的UHP石墨电极，也向大规格方向发展，市场需求量也越来越大。为了顺应工业发展的需要，本文对超高功率石墨电极生产工艺技术进行浅谈与探讨。

1 工艺生产流程

在UHP石墨电极工艺生产流程上，国内外UHP石墨电极本体最初普遍采用二次浸渍三次焙烧的生产工艺路线，随着技术的发展，目前普遍采用一次浸渍二次焙烧工艺路线，由于采用二次浸渍三次焙烧的生产工艺路线多出一次浸渍、一次焙烧，增加生产周期15～30天，多占用了企业生产能力，每吨产品的生产成本提高约2000元，同时增加了大量的能源浪费和环境污染。从长期来看，这种落后的二次浸渍三次焙烧生产技术工艺适应不了市场需求的发展，必然被先进的一次浸渍二次焙烧生产工艺所取代。

浸渍次数的增多，导致产品的体积密度明显提高，产品强度有一定的增长，但随之是弹性模量大幅提高，热膨胀系数（CTE）增大，产品使用过程中的抗热震性能明显下降，对实际使用效果造成不利影响，产品在使用过程中表现为开裂、掉块、消耗高，内在品质不行，承受不了大电流。一次浸渍二次焙烧工艺是国内外先进炭素企业多年成熟的经验，可在保证产品质量与降低生产成本间找到最佳的平衡点。

UHP石墨电极接头产品指标要求与UHP石墨电极本体有所不同，国内外生产电极接头目前普遍采用三次浸渍四次焙烧工艺。

UHP石墨电极本体和接头工艺生产流程详见图1、图2。

图1 UHP石墨电极本体工艺生产流程图

图2 UHP石墨电极接头工艺生产流程图

2 原料选择

UHP石墨电极的主要原料包括针状焦、粘结剂沥青和浸渍沥青。优质原料是生产UHP石墨电极的先决条件，原料的质量必须保证均质及稳定。

1）针状焦

作为生产UHP石墨电极的主要原料，针状焦的性能对成品电极的理化指标和实际使用效果好坏有着直接的关系。针状焦分石油系和煤系两种，目前生产石油系针状焦的国家主要有美国、英国、日本，煤系针状焦主要由日本和中国生产。目前全球针状焦产量约1200kt/a左右，我国产量约240kt/a，80%～90%依赖进口。有研究表明，由于煤系针状焦纤维较粗，在石墨化过程中容易引发“晶胀”，其次煤系针状焦的颗粒之间空多而小，粘结剂不容易浸入，故煤系针状焦的强度一般低于石油系针状焦。因此煤系针状焦适合生产HP石墨电极，石油系针状焦更适合生产UHP石墨电极。建议生产UHP石墨电极采用石油系针状焦为主要原料。生产UHP石墨电极的针状焦技术要求见下表1。

表1 针状焦技术要求

序号 指标名称 单位 指标

1 CTE 10-6/℃ 1.27

2 体积密度 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 L >3.36 最少43%

>12 最少18%

2）粘结剂沥青

在UHP石墨电极生产中，粘结剂的作用有两个方面：一方面是液态时，对炭质骨料及粉料润湿，粘结及混捏成可塑性糊料，糊料加压成型及冷却后粘结剂硬化，将骨料及粉料固结成生坯。另方面是生坯在高温下焙烧，此时粘结剂被焦化，使制品机械强度提高，并获得固定的几何形状。

UHP石墨电极生产可采用改质沥青或中温沥青作为粘结剂，改质沥青与中温沥青相比，有软化点高、甲苯不溶物及喹啉不溶物含量高、结焦值高、在焙烧时的热稳定性好等特点，用它作粘结剂能提高UHP石墨电极的体积密度、机械强度和导电性，降低气孔率，在电炉炼钢中的使用性能更好。因此目前国内外UHP石墨电极生产已逐步推广使用改质沥青作为粘结剂。

我国标准规定的改质沥青指标基本满足UHP石墨电极的生产要求，但软化点和甲苯不溶物指标波动范围偏大，结焦值低1%，作为粘结剂沥青中喹啉不溶物含量值不是越低越好，为了保证制品在焦化时有足够的强度和较高的结焦率，应控制在一定范围内， 生产UHP石墨电极中，喹啉不溶物含量应该控制在10～12%，采购时需要从严控制。生产UHP石墨电极的改质沥青技术要求见下表2。

表2 改质沥青技术要求

序号 指标名称 单位 要求指标 国家标准

1 软化点（环球法） ℃ 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 结焦值 % ≥57 ≥56

5 灰分 % ≤0.25 ≤0.25

6 水分 % ≤1 ≤5

7 馏分（0～360℃） % ≤3

3）浸渍剂沥青

由于用改质沥青生产的UHP石墨电极一次焙烧产品体积密度已经较高，产品表面有致密层，为确保浸渍效果，提高再焙烧制品的体积密度，实现短流程生产电极的目的，浸渍剂必须使用专用的浸渍沥青。一般来说浸渍剂应具有低喹啉不溶物、较高结焦值、低软化点等特点，但这三项指标是相互关联的，对浸渍效果的影响也是综合性的，我们不应因过于追求其中的某一项性能而忽略其它指标。

我国尚没有浸渍沥青标准，各沥青供应商自行制定了一些企业标准，其指标差异很大，而且基本上都是中温浸渍沥青，与UHP石墨电极生产要求相距甚远。还有不少UHP石墨电极厂采用高温改质沥青加焦油的方式调整沥青软化点，由于其轻质馏分进入制品后会形成气体，容易引起沥青反渗，浸渍效果差；由于煤焦油残炭率低（约30%），不利于提高焙烧后产品的体积密度；普通沥青喹啉不溶物较高，容易形成过滤焦饼，阻碍沥青渗入，也严重影响浸渍效果。这是造成我国石墨电极产品体积密度不高的主要原因之一。

国外浸渍普遍采用专用高温浸渍沥青。日本采用的是煤焦油浸渍专用沥青，美国既有煤焦油浸渍沥青也有石油系浸渍沥青，石油系浸渍沥青含致癌物质较少。国内也有几家开始试生产煤焦油浸渍专用沥青。专用浸渍沥青要求严格控制喹啉不溶物，流动性好，结焦值高。

专用浸渍沥青在蒸馏前要脱水、脱铵盐并采用超级离心机进行脱灰脱渣处理，降低原生喹啉不溶物含量。

生产UHP石墨电极的浸渍沥青技术要求见下表3。

表3 浸渍沥青技术要求

序号 指标名称 单位 指标要求

1 软化点（环球法） ℃ 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 结焦值 % ≥51

5 灰分 % ≤0.1

6 水分 % ≤1

4）辅助原料

目前，国内外在UHP石墨电极生产中，常添加氧化铁粉和硬酯酸两种添加剂，分别添加的量为1%和0.5%。原料针状焦含有一定的硫分，生产UHP石墨电极时加入适量氧化铁粉，能起催化石墨化和缓解石墨化过程中的“晶胀”作用，减少裂纹废品，提高UHP石墨电极的质量。用高软化点改质沥青作粘结剂时，加入少量硬酯酸可降低改质沥青的软化点和粘度，可提高糊料的塑性，降低挤压压力，改善电极的内部结构，同时也可减轻设备负荷，减少能源浪费。

4 主要工艺方案选择

1）制糊系统

UHP石墨电极生产的制糊系统包括中碎筛分、磨粉、配料和混捏系统。

a.中碎筛分系统

筛分设备是碎筛分系统中的关键设备，UHP石墨电极的生产筛分设备主要有直线振动筛和旋转振动筛。为确保各种粒子料的稳定，建议采用引进的ROTAX旋转振动筛，这种振动筛配有振打球，可及时清理筛网，筛分效率和筛分纯度高；筛网更换方便。

b.磨粉系统

磨粉机主要有滚球磨、悬辊磨和球磨机三种。

球磨机结构比较简单，运转可靠，操作简便，但运转中噪声较大；磨粉原理为击碎和研磨，击碎对物料的显微结构破坏较大，因此国内外石墨电极厂都较少选用。滚球磨和悬辊磨磨粉原理为依靠挤压和研磨作用将物料粉碎，在磨针状焦时有利于保持针状焦的不等轴性，从而使生产的UHP石墨电极具有较好的各向异性， 因此UHP石墨电极生产比较适合采用滚球磨或悬辊磨方案生产粉料。

c.配料混捏系统

混捏是UHP石墨电极的关键环节之一。将一定的炭质骨料和粉料与一定量的黏结剂在一定温度下混合，捏合成可塑性糊料的工艺过程中，各种不同粒径的骨料和粉料要均匀混合，颗粒间的空隙要被更小的粒子填充，粘结剂沥青要均匀覆盖于干料颗粒的表面，依靠粘结剂沥青的粘结力把不同粒径的骨料和粉料黏结成在一起成为均匀的可塑性糊料。同时，部分黏结剂沥青渗透到骨料和粉料孔隙中，从而使糊料结构均匀、温度适宜、可塑性良好，易于成型。