石墨电极和接头的热膨胀系数

2020-03-25 点击量：2371

 

石墨电极和接头的热膨胀系数

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。电极石墨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G B3074.4—82[1]使用石英膨胀仪测定的，测试温度范围为100～600℃，计算公式为[:

α=ΔL /(K ×L 0×Δt )+修正系数式中:ΔL ———试样在100～600℃温度区间的膨胀量,mm ;

L 0———试样在室温时的长度,mm ;Δt ———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01618×10-6/℃。

热膨胀系数(α

)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 电极和接头的热膨胀

不同品种电极的热膨胀

为了了解不同品种电极的热膨胀行为，我们从Φ400mmRP 、HP 和U HP 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

表1 Φ400mmRP 、HP 和UHP 电极热膨胀测试数据

温度/℃

Φ400mmRP 电极

千分表读数/

μm (ΔL /L 0)/10-3

Φ400mmHP 电极

千分表读数/μm

(ΔL /L 0)/10-3

Φ400mmU HP 电极

千分表读数/μm

(ΔL /L 0)/10-3

图1 电极试样ΔL /L 0与温度的关系

是Φ20mm ×50mm 。测试数据如表1(表1中,L 0=5010mm ，千分表读数为试样与石英的热膨胀尺寸差值)。

从以上数据可以得出:RP 电极试样的α100～600

=2136×10-6

/℃;HP 电极试样的α100～600=1178×10-6/℃;U HP 电极试样的α100～600=1114×10-6/℃。图1是这3种试样的ΔL /L 0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U HP 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。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U HP 电极的热膨胀系数低。212 不同方向的热膨胀

挤压石墨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U HP400T4

图2 接头试样ΔL /L 0与温度的关系

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Φ20mm ×50mm 。测试数据如表2(表2中,L 0=5010mm ，千分表读数为试样与石英的热膨胀尺寸差值)。

从以上数据可以得到：试样A —1的α100～600=0193×10-6/℃，试样A —2的α100～600=1121×10-6/℃，试样C —1的α100～600=2186×

10-6/℃，试样C —2的α100～600=3112×

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ΔL /L 0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[3]。在石墨的层面上，碳原子之间以共价键结合，不容易膨胀；而在层与层之间，碳原子是以分子间的作用力结合的，由于分子间的作用力小，所以容易膨胀。

3 CTE 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)/

[α(热膨胀系数)×E (弹性模量)][4]

(1)表2 UHP400T 4接头热膨胀测试数据

温度/℃

A —1

千分表读数/μm (ΔL /L 0)/10-3 A —2

千分表读数/μm (ΔL /L 0)/

10-3

 C —1

千分表读数/μm (ΔL /L 0)/

10-3

 C —2

千分表读数/μm (ΔL /L 0)/

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。

(2)电极与接头的CTE 匹配问题

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:α接头轴向<α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:α接头径向<α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。