摘 要：本文介绍了应用高温沥青试制炭电极的研发背景及采取的生产工艺条件，包括原料的选择，混捏、压型、焙烧、机加工等技术，将所制得的炭电极在金属硅冶炼中应用，满足了客户对所需导电材料要求强度高、低消耗、不易折断的要求，达到了研制开发目的。
关键词：高温沥青 炭电极 高强度 金属硅冶炼
随着世界经济竞争的加剧，电子、化工行业及新能源领域，对金属硅企业产品的质量和价格提出了更苛刻的要求。因而使得金属硅生产厂家，为了进一步提高产品质量、产量，降低生产成本，对所需的导电材料炭电极，提出了高强度、低消耗的要求。
1.高温沥青试制炭电极的研制
1.1 研制背景
目前，在我国炭电极生产领域，多数厂家使用中温改质沥青做为粘结剂进行生产，而国外同行业已普遍采用高温沥青进行生产同类产品。为了进一步的满足客户需求，公司技术开发部门不断摸索提高产品质量的途径和方法，尤其是工艺的改进与原料的选择方面，其中采用高温沥青做为粘结剂试制炭电极是一项重点研发课题。
2012年6月，公司研发、生产技术人员，通过到供应商生产现场进行实地考察了解生产工艺情况，并依托多年来生产炭电极的经验，通过在实验室进行小样试验和生产线上批量试制，攻克了很多工序中的难关，最终采用高温沥青成功试制出了符合客户要求的炭电极，达到了较为理想的应用效果。
1.2 研制的主要技术指标
通过了解掌握客户冶炼条件和相关炉型电气参数，结合硅炉冶炼特点，制定了试制成品电极理化指标的目标值，在原有配方原料和粒度组成不变的情况下，以高温沥青为粘结剂，研制Φ1020炭电极，以提高电极的热导率、抗折强度、抗热震性能和降低电极消耗。主要技术指标：体积密度≥1.63g/cm3，电阻率≤31.0μΩ·m，抗折强度≥6.5Mpa，灰分≤2.0%。
1.3工艺路线
确立高温沥青试制Φ1020炭电极的生产工艺路线为：原料 破碎、筛分 配料 混捏 压型 焙烧 机械加工 成品
1.4主要生产设备
主要设备有双层混捏机、抽真空振动成型机、自动温控环式焙烧炉、数控加工车床
1.5原料的选择
1.5.1沥青的选择
经技术研发人员对沥青供应商的调研走访，最终确定购进了某厂的高温沥青。其理化指标与中温改质沥青的指标比较，见表1。
表1 试验用高温沥青与中温改质沥青检测指标数据的比较
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沥青种类 |
软化点 ℃ |
挥发分 % |
灰分 % |
TI % |
QI % |
结焦值 % |
|
高温沥青 |
108.5 |
55.5 |
0.1 |
30.0 |
10.0 |
57.5 |
|
中温改质沥青 |
97.5 |
57.2 |
0.1 |
29.1 |
9.9 |
56.3 |
1.5.2石油焦的选择
采用抚顺二厂石油焦，该原料具有热膨胀系数低，电阻率低，真密度和强度高等特点，是理想的炭电极生产原料。
1.5.3无烟煤的选择
采用宁夏汝箕沟的优质无烟煤，并在配方中适当比例的应用，可以提升电极的导热性能和抗氧化性能。
1.6混捏、压型工艺
根据高温沥青特性制定工艺参数，按沥青的粘度制定温度制度，采用双层预热混捏机；较采用中温改质沥青适当提高了沥青使用温度、混捏温度，并添加少量硬脂酸降低沥青粘度，一方面提升了沥青对物料的浸入性能，另一方面使糊料保持了较好的塑性和流动性。
成型时采用大型抽真空振动成型设备，适当提高糊料入模温度，以保证糊料塑性，并结合变频加压振动工艺法，有效的保障了电极整体质量的均匀性。
1.7焙烧工艺
根据沥青的热失重曲线制定了焙烧升温曲线。挥发期炉室上下温差控制在不超50℃，不同阶段采用不同的升温速度和恒温制度，采用自动温控加热系统进行调整，以使电极均匀受热。出炉温度控制在350℃以下，以免电极因出炉温度高受内外应力的急剧变化出现裂纹废品。
1.8机加工
采用数控机床加工，有效地保证了电极的加工精度，保障了电极连接的可靠性，降低了电极连接部位的接触电阻。
2.试验结果及应用
2.1首次试验结果
首次试验生产了Φ1020 空心炭电极生坯制品共计20根，本次试验生坯电极的压型合格品率为100%。生坯电极体积密度在1.71～1.73g/cm3之间，平均体积密度1.725g/cm3。较采用中温改质沥青生产的该电极平均体积密度提高了0.003 g/cm3，体积密度升高不明显。
焙烧品出炉检测合格率90%，电极平均体积密度为1.633 g/cm3，最大值为1.65 g/cm3，最小值为1.632g/cm3，电阻率平均值为29.5μΩ·m，最大值为31.0μΩ·m，最小值为28.1μΩ·m。
Φ1020电极试样检测结果为：体积密度1.633 g/cm3，电阻率为29.2μΩ·m，，抗折强度6.6Mpa，灰分1.75%，各项理化性能指标均达到了预期目标值，电极试样与中温改质沥青生产的电极相比较见表2。
表2 不同沥青电极试样的主要理化指标的比较
|
种类 项目 |
高温沥青试产电极 |
中温改质沥青生产电极 |
|
体积密度 g/cm3 |
1.633 |
1.629 |
|
电阻率 μΩ·m |
29.2 |
31.5 |
|
抗折强度 Mpa |
6.6 |
6.0 |
|
灰分 % |
1.75 |
1.82 |
2.2技术分析
此次工业试验说明以高温沥青为粘结剂是可行的，成型工序较理想，废品很少。从表2看，高温沥青产品与中温改质沥青生产的产品相比，指标也略有提高，但也存在体积密度增加不十分明显，焙烧工序合格率低于日常产品的问题。我们经过认真讨论分析后认为：.
1）虽然提高了沥青使用温度和混捏温度，但没有增加硬脂酸量，糊料塑性没有达到最佳状态，这样造成电极理化指标比中温改质沥青生产的电极指标无明显变化。
2）高温沥青的挥发速率、结焦特性与中温改质沥青不同，对其性能认识不够，造成焙烧升温控制不到位，影响合格品率。
2.3第二次试验结果
经过对首次试验总结分析，我们通过优化生产工艺再次进行了生产试验：
本次共计生产Φ1020 空心炭电极生坯制品共计60根，在混捏过程适当增加了硬脂酸含量，糊料塑性较首次试验有了较好的改善；本次试验生坯电极的压型合格品率为100%，生坯电极体积密度在1.72～1.74g/cm3之间，平均体积密度1.735g/cm3。较第一次试验生坯电极体积密度提高了0.01 g/cm3，较采用中温改质沥青生产的该电极平均体积密度提高了0.013g/cm3。
焙烧工序我们进一步优化了升温曲线，在焦化后期缩小了火道与料箱的温差，焙烧品出炉检测合格率100%，电极平均体积密度为1.643 g/cm3，最大值为1.66 g/cm3，最小值为1.632g/cm3，电阻率平均值为29.0μΩ·m，最大值为30.8μΩ·m，最小值为28.0μΩ·m；较首次试验合格率和电极理化指标均有了较好的提高，达到了预期质量要求。
Φ1020电极试样检测结果为：体积密度1.643 g/cm3，电阻率为28.9μΩ·m，抗折强度7.1Mpa，灰分1.75%，各项理化性能指标均达到了预期目标值，电极试样与首次高温沥青试验和中温改质沥青生产的电极相比较见表3，主要理化性能指标对比说明，通过合理的工艺参数设计采用高温沥青试产的炭电极具有体积密度高，抗折强度高、电阻率低的特性。
表4不同沥青电极试样的主要理化指标的比较
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种类 项目 |
高温沥青试产电极 第二次试验 |
高温沥青试产电极 首次试验 |
中温改质沥青 生产电极 |
|
体积密度 g/cm3 |
1.643 |
1.633 |
1.629 |
|
电阻率 μΩ·m |
28.9 |
29.2 |
31.5 |
|
抗折强度 Mpa |
7.1 |
6.6 |
6.0 |
|
灰分 % |
1.75 |
1.75 |
1.82 |
2.4用户使用效果
采用高温沥青试产的炭电极在用户经某公司12600KVA的工业硅炉进行试验，与中温改质沥青生产的电极比较，首批18根成品电极使用稍好，但吨硅电极消耗未有明显变化；第二批试产的60根成品电极使用效果好，导电、导热性能好，吨硅电极消耗低降低6%左右，而且具有不易折断等优点，达到了预期研发的效果。
3.结论
工业性试验的结果证明：通过优化工艺技术条件，采用高温沥青为粘结剂是可行的，能够生产出符合客户需求的高强度、低消耗的高品质产品。
(1) 选购高指标的高温沥青，能够有效改善电极的理化性能，提高产品质量。
(2) 应用高温沥青生产采用干料高温加热技术，适当提升沥青使用温度、混捏温度和糊料入模温度，并增加硬脂酸量，可有效改善糊料塑性；经实践混捏温度控制在165～180℃，糊料入模温度控制在140～150℃，可有效保障糊料塑性，保证压型合格品率，提高电极理化性能。
(3) 高温沥青的挥发速率、结焦特性与中温改质沥青不同，焙烧过程充分考虑沥青的热失重及焙烧温度场分布，制定科学合理的焙烧曲线，能够保证焙烧合格品率，保证产品质量。
参考文献
［1］ 许斌 王金铎著 炭素材料生产技术 冶金工业出版社 2006
［2］ 许斌.炭素材料工业生产用粘结剂和浸渍煤沥青的再认识.炭素技术，2011。
［3］ 1997许斌 潘立慧《炭材料用煤沥青的制备、性能和应用》武汉、湖北科学技术出版社2002
(关键字：高温沥青 炭电极)