石墨電極和接頭的熱膨脹系數

2020-03-25 點擊量：2845

 

石墨電極和接頭的熱膨脹系數

1 熱膨脹系數

對石墨電極和接頭來說，熱膨脹系數(CTE )是一個很重要的質量指標。電極石墨具有很強的各向異性，它們的縱向CTE 和橫向CTE 大小不同，因而在這兩個方向上它們的膨脹行為也不同。石墨電極相關標準規定的CTE 指標是指縱向CTE 值，其數值是按照G B3074.4—82[1]使用石英膨脹儀測定的，測試溫度范圍為100～600℃，計算公式為[:

α=ΔL /(K ×L 0×Δt )+修正系數式中:ΔL ———試樣在100～600℃溫度區間的膨脹量,mm ;

L 0———試樣在室溫時的長度,mm ;Δt ———溫升

范圍，即600℃-100℃=500℃;

K ———膨脹儀放大倍數。

修正系數為石英在100～600℃的平均熱膨脹系數，其值為01618×10-6/℃。

熱膨脹系數(α

)值的大小對煉鋼過程中電極的行為及其消耗有很大影響。下面將討論電極和接頭的熱膨脹行為及其對煉鋼作業的影響。

2 電極和接頭的熱膨脹

不同品種電極的熱膨脹

為了了解不同品種電極的熱膨脹行為，我們從Φ400mmRP 、HP 和U HP 電極上沿軸向各取一個試樣，并按規定標準測定它們的CTE 。試樣尺寸都

表1 Φ400mmRP 、HP 和UHP 電極熱膨脹測試數據

溫度/℃

Φ400mmRP 電極

千分表讀數/

μm (ΔL /L 0)/10-3

Φ400mmHP 電極

千分表讀數/μm

(ΔL /L 0)/10-3

Φ400mmU HP 電極

千分表讀數/μm

(ΔL /L 0)/10-3

圖1 電極試樣ΔL /L 0與溫度的關系

是Φ20mm ×50mm 。測試數據如表1(表1中,L 0=5010mm ，千分表讀數為試樣與石英的熱膨脹尺寸差值)。

從以上數據可以得出:RP 電極試樣的α100～600

=2136×10-6

/℃;HP 電極試樣的α100～600=1178×10-6/℃;U HP 電極試樣的α100～600=1114×10-6/℃。圖1是這3種試樣的ΔL /L 0與溫度的關系圖。由表1可以看出：就RP 電極試樣而言，大約在100℃之前，隨溫度上升，制品是發生收縮的，超過這個溫度才開始膨脹，且隨溫度上升，膨脹幅度較大；就HP 電極試樣而言，其隨溫度上升而發生收縮的溫度一直要持續到200℃左右。之后，隨著溫度繼續上升制品開始膨脹，但膨脹的幅度比RP 電極試樣小。而對U HP 電極試樣來說，其隨溫度上升發生收縮的溫度一直要持續到400℃左右。之后，隨溫度繼續上升，制品發生膨脹，且膨脹幅度比HP 電極試樣的小。3種電極不同的熱膨脹行為主要與它們所用的原料有關。針狀焦分子排列規整，其微觀結構中纖維組分含量高，鑲嵌形態組分含量少。由于纖維組分容納膨脹的能力比鑲嵌形態的大6倍多，所以，以針狀焦為原料生產的U HP 電極的熱膨脹系數低。212 不同方向的熱膨脹

擠壓石墨的熱膨脹具有各向異性。為了驗證擠壓石墨制品膨脹的各向異性，我們從U HP400T4

圖2 接頭試樣ΔL /L 0與溫度的關系

品接頭上沿軸向和徑向各取兩個試樣，分別標以A —1、A —2、C —1、C —2，對4個試樣進行CTE 測試，試樣尺寸都是Φ20mm ×50mm 。測試數據如表2(表2中,L 0=5010mm ，千分表讀數為試樣與石英的熱膨脹尺寸差值)。

從以上數據可以得到：試樣A —1的α100～600=0193×10-6/℃，試樣A —2的α100～600=1121×10-6/℃，試樣C —1的α100～600=2186×

10-6/℃，試樣C —2的α100～600=3112×

10-6/℃。可以看出，徑向CTE 是軸向CTE 的3倍左右。圖2是這4個試樣的ΔL /L 0與溫度的關系圖。由圖2可知，徑向試樣隨溫度上升幾乎一直在膨脹，且膨脹幅度小；而軸向試樣隨溫度上升先是發生收縮，一直到400℃左右才開始膨脹，而且膨脹幅度較大。這主要是由石墨材料的結構決定的[3]。在石墨的層面上，碳原子之間以共價鍵結合，不容易膨脹；而在層與層之間，碳原子是以分子間的作用力結合的，由于分子間的作用力小，所以容易膨脹。

3 CTE 對電極與接頭使用性能的影響

(1)CTE 與抗熱沖擊

抗熱沖擊系數=K (熱導率)×S (抗拉強度)/

[α(熱膨脹系數)×E (彈性模量)][4]

(1)表2 UHP400T 4接頭熱膨脹測試數據

溫度/℃

A —1

千分表讀數/μm (ΔL /L 0)/10-3 A —2

千分表讀數/μm (ΔL /L 0)/

10-3

 C —1

千分表讀數/μm (ΔL /L 0)/

10-3

 C —2

千分表讀數/μm (ΔL /L 0)/

公式(1)表明，電極的抗熱沖擊系數與其熱膨脹系數成反比。在煉鋼過程中，電極中心溫度高，周邊溫度低，使得電極中心與周邊發生不同步膨脹。當由這種不同步膨脹引起的應力增大到超過電極強度時，電極上就會產生裂紋，并隨著裂紋擴大，最終導致其折斷脫落。所以，控制CTE 對降低電極和接頭的折斷損耗具有重要意義。

(2)電極與接頭的CTE 匹配問題

在煉鋼過程中，接頭溫度總是大于同一水平位置電極的溫度。隨溫度升高，電極和接頭都產生線膨脹。電極與接頭連接面不因膨脹而產生間隙的條件為:α接頭軸向<α電極軸向。

只要電極與接頭的線膨脹系數匹配適當，連接面就不會產生間隙。這時候，塌料產生的沖擊力就會大部分由電極本體承擔，接頭斷裂的幾率將減少。另一方面，要防止接頭孔脹裂必須滿足:α接頭徑向<α電極徑向。

要滿足上述兩個要求，必須保證生產接頭的原料比生產電極的原料高檔，尤其是前者的CTE要小于后者。另外，接頭的石墨化溫度應比電極的石墨化溫度高。

總之,CTE 是石墨電極和接頭的重要理化指標之一，我們應加深對CTE 的認識，了解石墨電極和接頭的熱膨脹行為，并采取必要措施，確保電極和接頭的CTE 符合前述要求。