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石墨制品石墨化裂纹原因剖析

石墨制品石墨化裂纹原因剖析

分类：行业动态
作者：
来源：
宣布时间：2021-08-29
会见量：0

【提要描述】石墨化是炭-石墨制品生产工艺历程中热处理的主要工序之一。艾奇逊石墨化炉是现行炭-石墨制品石墨化生产的主要炉型，是由装入炉内的制品与电阻料做“内热源”的直接加热间歇运转的一种特殊电阻炉，石墨化炉中装入制品和电阻料的空间被称为炉芯，炉芯截面积通常为3-6M2，向石墨化炉内通入强大的电流，借助于石墨化炉炉芯电阻，将电能转化为热能，使制品抵达石墨化的最高温度，完成石墨化历程，它遵循焦耳—楞茨定律。

石墨制品石墨化裂纹原因剖析

【提要描述】石墨化是炭-石墨制品生产工艺历程中热处理的主要工序之一。艾奇逊石墨化炉是现行炭-石墨制品石墨化生产的主要炉型，是由装入炉内的制品与电阻料做“内热源”的直接加热间歇运转的一种特殊电阻炉，石墨化炉中装入制品和电阻料的空间被称为炉芯，炉芯截面积通常为3-6M2，向石墨化炉内通入强大的电流，借助于石墨化炉炉芯电阻，将电能转化为热能，使制品抵达石墨化的最高温度，完成石墨化历程，它遵循焦耳—楞茨定律。

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石墨化是炭-石墨制品生产工艺历程中热处理的主要工序之一。艾奇逊石墨化炉是现行炭-石墨制品石墨化生产的主要炉型，是由装入炉内的制品与电阻料做“内热源”的直接加热间歇运转的一种特殊电阻炉，石墨化炉中装入制品和电阻料的空间被称为炉芯，炉芯截面积通常为3-6M2，向石墨化炉内通入强大的电流，借助于石墨化炉炉芯电阻，将电能转化为热能，使制品抵达石墨化的最高温度，完成石墨化历程，它遵循焦耳—楞茨定律。

由此可知，石墨化炉炉芯内差别点上的温度是差别的，并且在同一点，时间差别其温度也不相同，可见，石墨化炉炉芯温度既是空间的函数，也是时间的函数，从而炉芯内各部分的温度漫衍是不均衡的。

艾奇逊石墨化炉通电后，是依靠电阻料爆发的热量来加热制品，使炉芯温度逐渐升高，炉芯各处的温度上升很不均匀，温度漫衍的差别很大，石墨化炉炉芯中心部位与炉芯两侧靠近保温料处的温度可相差数百摄氏度，炉芯上部与下部的温度差也可达百摄氏度。因此，同一石墨化炉炉芯内加热温度漫衍的不均匀是造成炉芯制品爆发裂纹的主要原因。

自己凭据多年的石墨化生产经验，关于炭-石墨制品在石墨化生产历程中爆发裂纹废品的原因进行了简要的总结和剖析；在此和炭素工程技术人员配合探讨，以期抵达减少炭-石墨制品石墨化生产工艺历程中的裂纹废品，提高石墨化工序的制品率，降低石墨化工序的生产本钱，提高经济效益的目的。

制品石墨化裂纹原因

在石墨化历程中，制品爆发裂纹的内在因素是制品的本体质量不高，抗热性能较差；外部因素是制品在石墨化历程中炉芯温度上升速度过快，制品上下或四周温度差也随之加大，热应力也相应增大是制品爆发裂纹的主要原因。

1、石墨化工艺制度不对理

装炉方法

艾奇逊石墨化炉制品通常接纳立装法装炉，立装法有正装和错装两种形式。炉芯制品正装时，关于任何一根制品来说，只有一条高密度电流加热带，这一条加热带越宽，制品受热相对均匀一些，反之，受热很不均匀。错装时，每根制品保存两条高密度电流加热带，制品受热相对正装要均匀一些。因此，石墨化炉制品装炉方法选择不当，在石墨化送电历程中，制品周围温升速度相差较大，制品爆发的热应力凌驾了本体能够蒙受的热应力，极容易使制品爆发裂纹。

通电制度不对理

艾奇逊石墨化炉芯的温度变革曲线是接纳定功率配电的功率曲线来控制的，如果石墨化炉通电制度不对理，确定的石墨化炉通电曲线开始功率过大和上升功率过快，使制品在通电历程中内外温度梯度过大，爆发的热应力大大凌驾制品对抗能力而爆发裂纹。尤其是炉温在1300-1800度时，为严控炉温上升阶段，此阶段制品的物理结构和化学组成开始爆发很大变革，无定形炭的石墨化并未开始，实际上以化学反应为主，无定形炭微晶结构中结合的氢、氧、氮、硫等元素不绝逸出，逸出的结果使无定形炭微晶结构边沿部分的杂质元素不绝减少，并残留下若干晶格缺陷，同时促使热应力相对集中，极容易使制品爆发裂纹。

电阻料的电阻

石墨化炉芯电阻是由制品的电阻与电阻料的电阻串联组成的，石墨化炉开始通电时电阻料的电阻约占炉芯电阻的99%左右，通电结束后电阻料的电阻还要占到97%左右，可见在整个石墨化历程中主要是电流通过电阻料爆发的热量来加热制品，电阻料的电阻与制品的电阻相差较大时，在石墨化通电历程中，电阻料爆发的热量远远大于制品自己的热量，造成制品内外温度相差过大，就会引起热应力过大使制品爆发裂纹废品。

2、石墨化操作质量不高

装炉质量不高

石墨化妆炉操作不切合工艺技术标准要求，装炉时炉芯制品排列不整齐，制品组间距纷歧致，电阻料填充不均匀，甚至泛起电阻料 “膨料”现象，这样就会泛起在石墨化炉送电历程中炉芯各处的电流漫衍很不均匀，导致制品加热和温升速度很不均匀，制品内部温差过大，爆发的热应力使制品爆发裂纹废品。

电阻料质量不均匀

石墨化妆炉接纳混淆焦做电阻料时，由于冶金焦的电阻率比石墨化焦大5-8倍，如果冶金焦和石墨化焦混淆不均匀，炉芯各处的电阻漫衍很不均匀，造成通电时炉芯各部位的温升速度很不均匀，制品上下和四周温差过大，热应力也随之增大，容易使制品爆发大批量的裂纹废品。

石墨化炉炉芯偏流

凭据艾奇逊石墨化炉电热纪律可知，石墨化炉芯内的温度漫衍，不但与炉芯电阻有关系，并且也与炉芯中通过的电流巨细有密切关系。当艾奇逊石墨化炉炉芯由于种种原因泛起偏流情况时，炉芯各处通过的电流大不相同，炉芯温度的漫衍差别很大。当炉芯电流漫衍相差较大时，电流大的部位爆发的热量多，该区域的制品温升较快，电流小的部位爆发的热量少，该区域的制品温升较慢，因此炉芯温度漫衍相差较大，从而制品内部温差也大，爆发的热应力也相应增大，使制品爆发裂纹废品。

3、焙烧品本体质量

焙烧品内部裂纹

有资料介绍，制品在焙烧历程中 350-500度和700度及其以上的温度区间是炭质料有可能爆发破坏的最危险的温度规模。当制品的外外貌温度为800度，最大径向温差为10.7度时，半径50-65mm的区域决定质料的强度状况，在毛坯中心半径65mm的规模内，形成了危险的拉应力区。当温度为700度或更高时，该区域的应力远远大于质料的断裂强度的极限，这就是制品爆发纵向平直裂纹的原因，这种裂纹一般不会扩展到制品的外外貌，即制品的内部裂纹。

制品的均质性

炭-石墨制品密度漫衍的均匀性，制品的径向密度与轴向密度漫衍的均匀性崎岖与制品石墨化热处理历程中质量优劣密切相关。制品密度漫衍不均匀处，在石墨化热处理历程中，由于热应力的作用，制品容易爆发内应力，相应地制品内应力的漫衍也不均匀，这种不均匀的内应力容易使制品爆发裂纹，从而造成石墨化历程中泛起裂纹废品。

制品体积密度偏高

炭-石墨制品的体积密度主要随生产原料、工艺技术条件的差别而变革，制品的抗折强度、弹性模量、热导率随体积密度的增加而增大。当体积密度偏高时，制品的弹性模量增加，脆性增大，导致制品的抗热攻击性能较差，在石墨化热处理历程中，由于高温爆发的热应力大大凌驾了制品自己能够蒙受的应力，内外应力相差较大，制品爆发裂纹废品。

前工序生产不稳定

由于石墨化是炭-石墨制品生产的最后一个热处理历程，也是温度最高的一个热处理历程。一般认为，目今工序生产不稳定或泛起质量波动时，在石墨化历程中会集中袒露出来。如果煅烧料温度低，沥青软化点缺乏格，焙烧温度低，浸渍增重率缺乏格等，制品在石墨化高温处理时，会造成二次收缩，或收缩不均匀，很是容易爆发裂纹废品。

气胀现象

制品石墨化历程中爆发某种水平的不可逆体积膨胀，其主要原因是制品在石墨化历程中，由于硫分集中急剧逸出而引起的，这种不可逆膨胀的水平随着含硫量的增加和热处理速度的加速而增加，这种不可逆膨胀行为被称为“气胀现象”。

众所周知，经过1350温度煅烧处理后的石油焦，非碳元素如氢、氧、氮等的含量一般低于0.1%；可是，硫和芳香烃的碳原子结合得很是牢固，以致于c—-s键在1400度以上才开始断裂，生成硫和硫碳化合物；在更高的温度下，主要是在1500-1800度时，所生成的硫和硫碳化合物以气体的形式急剧地从制品中释放出来，对制品爆发很大的内应力，在制品内形成微小的孔洞和裂纹，当硫分含量抵达一定的水平时，往往会导致石墨化历程中的制品爆发裂纹。

4、制品石墨化裂纹预防

a、石墨化工艺要合理

装炉方法的选择

在艾奇逊石墨化炉生产工艺历程中，合理的装炉方法是制品石墨化的包管。制品接纳立装法照旧卧装法，是正装照旧错装，都要凭据制品的品种、规格、质量标准及设备的工艺参数来确定，以包管制品在炉芯内的受热相对均匀，以减小热应力，减少制品在石墨化历程中裂纹。关于大规格的制品，接纳错位1/2D装炉方法，可以减少制品裂纹，石墨化效果好。关于石墨化裂纹废品率高，质量不稳定的制品，也可以接纳炉芯均流步伐。

确定合理的通电制度

石墨化炉芯的温度是接纳定功率配电的功率曲线来控制的，正确合理地制定和运用石墨化炉通电制度，关于提高制品率、节约能源、缩短制品石墨化周期，都有十分重要的意义。石墨化炉通电制度简直定，不但要考虑到炉型结构、制品品种规格、质量信息、电阻料、保温效果、配电系统的参数等方面的因素，更重要的是切合制品在石墨化炉内差别阶段对温升速度的差别要求。

合理的石墨化炉通电制度，应该是“快—慢—快的三阶段功率曲线，以适应制品在温升历程中三个阶段的差别要求，应坚持炉芯有较快的温升速度，既减少石墨化炉散热损失，又不至于炉芯温度梯度过大，使制品裂纹。关于石墨化质量不稳定的制品，更要严控温升阶段的炉芯温度上升速度，以制止温升过快使制品爆发裂纹，这时对送电曲线的上升功率要做适当调解，形成“快—慢—慢—快”的四阶段功率送电曲线。

确定合适的电阻料

艾奇逊石墨化炉主要是电流通过电阻料爆发的热量来加热制品的，电阻料与炉芯温度的变革有密切关系，从提高石墨化炉芯温度的角度，要求电阻料的电阻大一些，特别是送电后期，变压器的二次输出电流已经抵达最大值，此时炉芯电阻较大，可以坚持较高的电效率；但电阻料的电阻过大，也是不对理的。因此，在确定电阻料时，既要考虑设备性能，也要考虑制品的品种规格和送电曲线，使制品的电阻和电阻料的电阻不可相差过大。关于中小规格制品，可以接纳冶金焦做电阻料，纵然接纳较高的开始功率和较快的上升功率，制品一般也不会爆发裂纹；关于大规格制品，使用混淆焦或石墨化焦做电阻料比较合适，这样制品与电阻料的电阻相差较小，制品内外的温差也减小了，纵然接纳较快的上升功率，也不会造成制品裂纹。

b、操作质量要切合标准

在石墨化生产操作工艺历程中，装炉操作是要害，由于装入石墨化炉内的制品既是发热电阻，又是被加热的工具，配以合适的电阻料配合组成炉芯电阻，适当的炉芯电阻，是制品石墨化的必备条件。首先，石墨化炉的炉体状况、母线短网、供电系统的设备要完好，装炉时炉芯截面要和导电截面相对称，以避免炉芯偏流，装炉操作要切合工艺技术规程要求，制品在炉芯内排列要横平竖直，制品的组间距要一致，电阻料要填充好，制止悬空现象，确保石墨化炉送电历程中，炉芯温度漫衍均衡。其次，电阻料的配比要切合生产工艺技术标准要求，质量要稳定均一，制止石墨化炉送电历程中，炉芯温度漫衍不均衡。再次，石墨化炉要凭据给定的送电曲线送电，功率波动要控制在正惯例模内，制止送电功率的异常波动，以包管炉芯温度均衡上升。

c、掌握前工序的质量信息

要实时掌握前工序的生产情况和质量信息，针对前工序的制品生产稳定情况和质量技术指标，结合本工序的生产实际，制定切实可行的石墨化生产工艺技术条件，预防制品在石墨化历程中泛起裂纹废品，确保石墨化质量稳定。在石墨化妆炉时，要逐根检查制品的外观和本体质量，关于不切合石墨化工艺技术条件的制品，不得装入石墨化炉内进行石墨化，要实时向上工序退料。

d、配料中加入适量气胀抑制剂

石墨化历程中由于硫分的保存而引起的不可逆膨胀开裂现象，是不可能完全消除的，但必须加以控制。目前比较有效的途径是控制制品石墨化历程中硫分的逸出速度，最切实可行的步伐是在配料时加入适量气胀抑制剂，通常接纳1%-2%的Fe2O3粉。

关于添加气胀抑制剂的机理，主要是抑制剂在制品石墨化气胀的温度区间内能够捕获硫而生成硫的化合物并在更高的温度区间内形成气体释放出来，从而加宽了硫分逸出的温度区间，使制品不致因为集中急剧逸出的气体，爆发过大的内应力而开裂。最常用的气胀抑制剂是Fe2O3粉，其作用机理是在 1000度以上高温时，Fe2O3粉很容易被还原而生成铁或碳铁化合物，碳铁化合物在更高温度下会进一步剖析成铁和碳，在此历程中所形成的铁与制品中剖析释放出来的硫爆发化合反应，以硫化铁的形式缓慢放出，从而减缓了制品中硫分的逸出速度，起到抑制硫的作用。有关的化学反应式为：

由于Fe2O3粉不但对制品中的硫有着较高的化学亲协力，抑制硫的效果好，并且资源充分，价格低廉，在电炉炼钢历程中也不会爆发任何不良影响。别的，Fe2O3粉对制品的石墨化历程还具有较强的催化作用，是优良的石墨化催化剂�？杉�，关于硫分含量高的石油焦，加入适量气胀抑制剂Fe2O3粉，对炭-石墨制品的生产可起到一举多得的作用。

结束语

总之，炭-石墨制品在石墨化热处理历程中爆发裂纹废品的原因是多方面的，也是比较庞大的。要预防炭-石墨制品石墨化热处理历程中爆发裂纹废品，就要接纳种种工艺技术革新步伐，标本并重。最要害的是制品的本体质量要高，抗热性能要好，抵达均质化生产，前工序的质量技术指标要切合生产工艺技术标准要求，质量波动要控制在正常规模内�Ａ碛性谑却砝讨�，制品在艾奇逊石墨化炉炉芯中温度上升的速度应严格控制，制止炉芯温度上升速度过快，制品内部温度差加大，引起热应力也相应增大，而爆发裂纹废品。

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