石墨電極和接頭的熱膨脹系數(shù)

2020-03-25 點(diǎn)擊量：2885

 

石墨電極和接頭的熱膨脹系數(shù)

1 熱膨脹系數(shù)

對(duì)石墨電極和接頭來說，熱膨脹系數(shù)(CTE )是一個(gè)很重要的質(zhì)量指標(biāo)。電極石墨具有很強(qiáng)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(gè)方向上它們的膨脹行為也不同。石墨電極相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CTE 指標(biāo)是指縱向CTE 值，其數(shù)值是按照G B3074.4—82[1]使用石英膨脹儀測(cè)定的，測(cè)試溫度范圍為100～600℃，計(jì)算公式為[:

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

L 0———試樣在室溫時(shí)的長(zhǎng)度,mm ;Δt ———溫升

范圍，即600℃-100℃=500℃;

K ———膨脹儀放大倍數(shù)。

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

熱膨脹系數(shù)(α

)值的大小對(duì)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(duì)煉鋼作業(yè)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(gè)試樣，并按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定它們的CTE 。試樣尺寸都

表1 Φ400mmRP 、HP 和UHP 電極熱膨脹測(cè)試數(shù)據(jù)

溫度/℃

Φ400mmRP 電極

千分表讀數(shù)/

μm (ΔL /L 0)/10-3

Φ400mmHP 電極

千分表讀數(shù)/μm

(ΔL /L 0)/10-3

Φ400mmU HP 電極

千分表讀數(shù)/μm

(ΔL /L 0)/10-3

圖1 電極試樣ΔL /L 0與溫度的關(guān)系

是Φ20mm ×50mm 。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1(表1中,L 0=5010mm ，千分表讀數(shù)為試樣與石英的熱膨脹尺寸差值)。

從以上數(shù)據(jù)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(guān)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(fā)生收縮的，超過這個(gè)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(fā)生收縮的溫度一直要持續(xù)到200℃左右。之后，隨著溫度繼續(xù)上升制品開始膨脹，但膨脹的幅度比RP 電極試樣小。而對(duì)U HP 電極試樣來說，其隨溫度上升發(fā)生收縮的溫度一直要持續(xù)到400℃左右。之后，隨溫度繼續(xù)上升，制品發(fā)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(guān)。針狀焦分子排列規(guī)整，其微觀結(jié)構(gòu)中纖維組分含量高，鑲嵌形態(tài)組分含量少。由于纖維組分容納膨脹的能力比鑲嵌形態(tài)的大6倍多，所以，以針狀焦為原料生產(chǎn)的U HP 電極的熱膨脹系數(shù)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(yàn)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(guān)系

品接頭上沿軸向和徑向各取兩個(gè)試樣，分別標(biāo)以A —1、A —2、C —1、C —2，對(duì)4個(gè)試樣進(jìn)行CTE 測(cè)試，試樣尺寸都是Φ20mm ×50mm 。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2(表2中,L 0=5010mm ，千分表讀數(shù)為試樣與石英的熱膨脹尺寸差值)。

從以上數(shù)據(jù)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(gè)試樣的ΔL /L 0與溫度的關(guān)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(fā)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(jié)構(gòu)決定的[3]。在石墨的層面上，碳原子之間以共價(jià)鍵結(jié)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(jié)合的，由于分子間的作用力小，所以容易膨脹。

3 CTE 對(duì)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(shù)=K (熱導(dǎo)率)×S (抗拉強(qiáng)度)/

[α(熱膨脹系數(shù))×E (彈性模量)][4]

(1)表2 UHP400T 4接頭熱膨脹測(cè)試數(shù)據(jù)

溫度/℃

A —1

千分表讀數(shù)/μm (ΔL /L 0)/10-3 A —2

千分表讀數(shù)/μm (ΔL /L 0)/

10-3

 C —1

千分表讀數(shù)/μm (ΔL /L 0)/

10-3

 C —2

千分表讀數(shù)/μm (ΔL /L 0)/

公式(1)表明，電極的抗熱沖擊系數(shù)與其熱膨脹系數(shù)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(fā)生不同步膨脹。當(dāng)由這種不同步膨脹引起的應(yīng)力增大到超過電極強(qiáng)度時(shí)，電極上就會(huì)產(chǎn)生裂紋，并隨著裂紋擴(kuò)大，最終導(dǎo)致其折斷脫落。所以，控制CTE 對(duì)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(chǎn)生線膨脹。電極與接頭連接面不因膨脹而產(chǎn)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(shù)匹配適當(dāng)，連接面就不會(huì)產(chǎn)生間隙。這時(shí)候，塌料產(chǎn)生的沖擊力就會(huì)大部分由電極本體承擔(dān)，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(gè)要求，必須保證生產(chǎn)接頭的原料比生產(chǎn)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(yīng)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(biāo)之一，我們應(yīng)加深對(duì)CTE 的認(rèn)識(shí)，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。