热膨胀系数对石墨电极使用性能的影响
(廖云中平能化集团开封炭素有限公司河南475000)
1热膨胀系数
对石墨电极和接头来说，热膨胀系数(CTE)是一个很重要的质量指标。石墨电极具有很强的各向异性，它们的纵向CTE和横向CTE大小不同，因而在这两个方向上它们的膨胀行为也不同。石墨电极相关标准规定的CTE指标是指纵向CTE值，其数值是按照GB3074.4—2003使用石英膨胀仪测定的，测试温度范围为室温～600℃，（为方便计算设定温度范围为100℃～600℃）计算公式为：
修正系数
式中：—试样在100℃～600℃温度区间的膨胀量，rnrn；
L—试样在室温时的长度，rnrn；
—温升范围，即600℃—100℃=500℃；
K—膨胀仪放大倍数。
修正系数为石英在100℃～600℃的平均热膨胀系数，其值为0.618×10-6/℃。
热膨胀系数()值的大小对炼钢过程中电极的行为及其消耗有很大影响。下面将讨论电极和接头的热膨胀行为及其对炼钢作业的影响。
2石墨电极和接头的热膨胀
2.1不同品种电极的热膨胀
为了了解不同品种石墨电极的热膨胀行为，我们从500mmRP、HP和UHP电极上沿轴向各取一个试样，并按规定标准测定它们的CTE。试样尺寸都是20mm×50mm。测试数据如表1(表1中，L0=50.0mm，位移计读数为试样与石英的热膨胀尺寸差值)。
表1500mmRP、HP和UHP石墨电极热膨胀测试数据
温度
/℃ 500mmRP电极 500mmHP电极 500mmUHP电极 位移计读数/
10-3 位移计读数/
10-3 位移计读数/
10-3 25 280.0 270.5 292.8 100 279.5 -0.10 270.4 -0.02 291.8 -0.20 200 283.0 0.60 269.8 -0.14 290.1 -0.54 300 289.5 1.90 273.9 0.68 289.1 -0.74 400 293.0 2.60 279.8 1.86 290.6 -0.44 500 303.0 4.60 289.0 3.70 300.9 1.62 600 316.0 7.20 297.5 5.40 310.9 3.62
图1电极试样△L/L0与温度的关系图
从以上数据可以得出：RP电极试样的100～600=2.08×10-6/℃；HP电极试样的100～600==1.70×10-6/℃；UHP电极试样的100～600=1.38×10-6/℃。图1是这3种试样的△L/L0与温度的关系图。由表1可以看出：就RP电极试样而言，大约在100℃之前，随温度上升，制品是发生收缩的，超过这个温度才开始膨胀，且随温度上升，膨胀幅度较大；就HP电极试样而言，其随温度上升而发生收缩的温度一直要持续到200℃左右。之后，随着温度继续上升制品开始膨胀，但膨胀的幅度比RP电极试样小。而对UHP电极试样来说，其随温度上升发生收缩的温度一直要持续到400℃左右。之后，随温度继续上升，制品发生膨胀，且膨胀幅度比HP电极试样的小。3种电极不同的热膨胀行为主要与它们所用的原料有关。普通功率石墨电极以优质石油焦、沥青焦等为主要原料；高功率石墨电极一般采用一定比例的针状焦和石油焦混合制成；超高功率石墨电极生产原料一般使用针状焦，而针状焦分子排列规整，其微观结构中纤维组分含量高，镶嵌形态组分含量少。由于纤维组分容纳膨胀的能力比镶嵌形态的大6倍多，所以，以针状焦为原料生产的UHP电极的热膨胀系数低。
2.2不同方向的热膨胀
挤压成型石墨电极的热膨胀具有各向异性。为了验证挤压石墨制品膨胀的各向异性，我们从UHP600T4成品接头上沿轴向和径向各取两个试样，分别标以A-1、A-2、C-1、C-2，对4个试样进行CTE测试，试样尺寸都是20mm×50mm。测试数据如表2(表2中，L0=50.0mm，位移计读数为试样与石英的热膨胀尺寸差值)。
表2UHP600T4接头热膨胀测试数据
温度
/℃ A-1 A-2 C-1 C-2 位移计读数/
10-3 位移计读数/
10-3 位移计读数/
10-3 位移计读数/
10-3 25 192.1 239.9 329.9 222.3 100 191.4 -0.14 238.5 -0.28 329.8 -0.02 222.2 -0.02 200 188.2 -0.78 236.6 -0.66 339.0 1.82 231.2 1.78 300 187.8 -0.86 236.2 -0.74 348.1 3.64 242.8 4.10 400 189.1 -0.60 240.2 0.06 362.2 6.46 256.7 6.88 500 194.7 0.52 246.8 1.38 373.0 8.62 270.9 9.72 600 201.3 1.84 250.8 2.18 385.0 11.02 284.3 12.40 从以上数据可以得到：试样A-1的100～600=1.01×10-6/℃，试样A-2的100～600=1.11×10-6/℃，试样C-1的100～600=2.83×10-6/℃，试样C-2的100～600=3.10×10-6/℃。可以看出，径向CTE是轴向CTE的3倍左右。图2是这4个试样的△L/L0与温度的关系图。
图2接头试样△L/L0与温度的关系图
由图2可知，径向试样随温度上升几乎一直在膨胀，且膨胀幅度小；而轴向试样随温度上升先是发生收缩，一直到400℃左右才开始膨胀，而且膨胀幅度较大。这主要是由石墨材料的结构决定的。在石墨的层面上，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同一层来说，它是原子晶体，原子间结合很强，极难破坏，不容易膨胀；而在石墨晶体层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体，由于分子间的作用力小，所以容易膨胀。
3CTE对电极与接头使用性能的影响
(1)CTE与抗热冲击
抗热冲击系数=K(热导率)×S(抗拉强度)/[(热膨胀系数)×E(弹性模量)]
公式(1)表明，电极的抗热冲击系数与其热膨胀系数成反比。在炼钢过程中，电极中心温度高，周边温度低，使得电极中心与周边发生不同步膨胀。当由这种不同步膨胀引起的应力增大到超过电极强度时，电极上就会产生裂纹，并随着裂纹扩大，最终导致其折断脱落。所以，控制CTE对降低电极和接头的折断损耗具有重要意义。随着炼钢电弧炉功率密度的不断提高,冶炼过程的不断强化,人们发现仅仅靠降低石墨电极的电阻率和提高机械强度,仍然不能满足对冶炼的需要。这时的主要问题是电极容易断裂和碎裂。于是炼钢工程师和电极制造工程师们逐渐认识到,石墨电极这种脆性材料,在高强度冶炼过程中受到急冷、急热的冲击,电极内部产生很大的温度梯度,因而引发了强大的热应力,石墨电极因耐受不住这种热应力的作用而出现破碎、断裂。工程师们联想到玻璃杯在冷天倒进热水时会炸裂的现象,是由于玻璃的脆性、低强度、低热导率和高热膨胀系数综合作用的结果。
(2)电极与接头的CTE匹配问题
石墨电极与接头在通电过程中的集肤效应德国著名炭素专家赫尔穆特·威尔斯戴特在《石墨电极生产、检验与应用基本原理》一书中指出:“石墨电极与接头在使用中大约80%的电流是流经电极端面的。”就是说，在电流传导过程中，80％的电流从导体外表面流过，即所谓的“集肤效应”。而电极与接头在使用过程中也是电导体，所以也存在“集肤效应”。在炼钢过程中，接头温度总是大于同一水平位置电极的温度。随温度升高，电极和接头都产生线膨胀。电极与接头连接面不因膨胀而产生间隙的条件为：接头轴向<电极轴向。
只要电极与接头的线膨胀系数匹配适当，连接面就不会产生间隙。这时候，塌料产生的冲击力就会大部分由电极本体承担，接头断裂的几率将减少。另一方面，要防止接头孔胀裂必须满足：接头径轴向<电极径向。要满足上述两个要求，必须保证生产接头的原料比生产电极的原料高档，尤其是前者的CTE要小于后者。另外，接头的石墨化温度应比电极的石墨化温度高。
总之，CTE是石墨电极和接头的重要理化指标之一，我们应加深对CTE的认识，了解石墨电极和接头的热膨胀行为，并采取必要措施，确保电极和接头的CTE符合前述要求。
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