超高功率石墨电极生产工艺技术探讨

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1、超高功率石墨电极生产工艺技术探讨卢良油乩F斛荊赭I|山幅閱|石氛硼11童戦腫电奴垂聊需中黑带裁* 宮圧录裁孙倉弓潇片厂备膏秋厂|齡建北血工!=*韻恥图1 UHP石墨电极本体工艺生产流程图和書卜砕附北血加-ma nz tl 八 I丄d表1针状焦技术要求序号扌&标名称单位指标1CTE10-6/DCL272体积密度g/cTTl3 0.883貞潘度g/cnF2J34硫份%0.65水份%3.36 最少 43%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

2、;焙烧;石墨化;针状焦Discuss on the Production Process Technology of Ultra-high power graphite electrodeLiang You- Lu(Guiyang Aluminium Magnesium Design & Research Institute Co.lid,Guiyang 550081,China)Abstract: In order to acclimate the need of electric furnace steelmakings technology develop,in this paper,d

3、iscuss 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.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

4、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56Qm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

5、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術进行浅谈与探讨。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

6、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15一30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

7、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

8、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/OC 1.272体积密度g/cm3 0.883 真密

9、度 g/cm3 2.134硫份% 0.65水份% 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

10、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U HP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)C 108112 1081142 甲苯不溶物含量(抽提法) % 2830

11、28323 喹啉不溶物含量 % 1012 812或6104结焦值% 57 565 灰分 % 0.25 0.256水分% 1 57 馏分(0360C) % 33)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業标准,其指标差

12、 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

13、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)C 1051102甲苯不溶物含量(抽提法)% 18253喹啉不溶物含量% 0.54结焦值% 515 灰分% 0.16 水分% 14)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

14、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

15、、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

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