[科普中国]-石墨化电阻料

石墨化电阻料（resistance material for graphitization）是指石墨化炉中起到“电阻发热”作用的材料。一般使用冶金焦粒（或石墨化冶金焦粒）为石墨化电阻料，艾奇逊石墨化炉是电流通过由焙烧品与电阻料组成的炉芯电阻而产生的热量，将焙烧品加热到石墨化所需的高温。

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简介石墨化炉均为用直流供电方式的艾奇逊石墨化炉，属于单相电阻炉，被处理的材料作为炉中的加热电阻，沿炉芯中心线装入炉中。炉芯是由立装的圆柱形电极的毛坯及填充在其中间的加热电阻料组成，电阻料一般使用冶金焦。根据对电极和电阻料建立数学模型的计算得知,送电开始,电极毛坯的电阻只占1.5%,送电结束后，电极毛坯的电阻增大到4%。按焦耳一楞次定律，炉芯可看作电阻料和电极的串联电路，电流相同，送电开始时，全部热能的98.5%是毛坯之间的电阻料发出来的，仅有1.5%是毛坯本身发出来的，由于每段材料的电阻随温度而变化，在通电结束时，96%的热量是电阻料中发出来的，仅有4%的热量是毛坯本身发出的。

圆柱形电极毛坯从外面加热，热量逐渐向中心传递。实际上，炉芯中的毛坯从通电开始到结束的整个过程中，是由电阻料层中放出来的热量加热的。也就是说，电阻料是石墨化炉产生热能的基本要素，炉子的温度梯度取决于电阻料，所以合理选择使用电阻料至关重要1。

不同类别电阻料的特性电阻料的热电特性在很大程度上取决于温度，其电阻率与温度的关系尤为密切，作为构筑数学模型的基础，采用了具有内热源和带变量系数的热传导方程，形式上近似于有限单元法。这一数学模型把所有各种装炉物料的热电物理特性与温度的关系都考虑到了，借助于这样的模型就能够洞察整个炉内在加热过程中的三维空间温度场的势态，并能确定毛坯内温度梯度变化大小及特点。所以，把毛坯径向温度梯度的大小，选作判断裂纹生成的可能性。

采用石墨化焦和生焦的混合焦作为电阻料，其热电特性介于两者之间，但由于设备无法保证配比的准确度及均匀度，炉内个别地方生焦比例偏大，送电时产品周围产生较大的温度梯度，尤其对大规格电极，其承受热应力能力较差，容易使产品开裂。致使产品质量出现了较大的波动，从1994年-1997年统计的成品率结果来看RP∅500mm、HP∅450mm成品率在93.0%左右波动，低于计划指标2.5%，通过对电阻料特性的分析,结合电阻料特性及实际情况,对于大规格必及以上电极采用石墨化焦作电阻料，对于必及以下中小规格电极用生焦作电阻料进行改进2。

电阻料改进对RP∅500mm、HP∅400mm用石墨化焦作电阻料各试两炉,炉长18m,炉芯截面分别为6.3m2、5.9m2，变压器容量为16700kVA，最大输出电流125000A，两种规格都采用三阶段送电曲线，开始功率20000kW,9000kW为第三阶段。并逐炉跟踪测温。1200℃用光学高温计测量。从测温看，用石墨化焦作电阻料温升均匀，预热脱水期0-300℃温升21℃/h ，重复焙烧期300-1200℃温升45℃/h左右，结构转变期1200-1800℃温升42℃/h左右，但>1800℃平均为35℃/h，因石墨化焦开始炉阻低约为5.0×10-6Ω,炉芯电阻小，电效率较低，因此最高炉温偏低，电阻率略高，但根据石墨化焦温度场均匀的特点及结合测温数据看，重复焙烧期升温较低，第二次对石墨化焦的曲线逐步加快，前两个阶段各加快50kW/h-100kW/h，加快了送电速度，第三阶段由9000kW开始快速上升提前到8500kW快速上升,从改进情况看，预热脱水期及重复焙烧期温升加快10℃/h 左右，最高功率提高了1000-2000kW，最高炉温提高了100-200℃ ，成品率非常稳定，电阻率下降了约0.7μΩm。

生焦由于温度梯度大，易产生裂纹，但根据后期炉阻高，其电效率高的特点，对RP ∅350mm、HP ∅350mm用生焦作电阻料，但出炉后必电极成品率低于计划指标1.5%，说明曲线有不合理的地方，后适当放慢第一阶段送电速度，下降幅度，效果良好，其最高功率达到15000kW。

出炉产品电阻率较低，成品率稳定，经过多次总结，正式下发了石墨化焦、生焦曲线，开始正式用石墨化焦、生焦代替混合焦生产。可以说对石墨化工序的生产进行了一次重大的工艺变革3。

总结（1）根据对石墨化焦、生焦热电物理特性与温度梯度变化的特点的分析，可知用石墨化焦作电阻料在炉内可得到相当均匀的温度场，而设备无法保证混合焦的均匀度与配比的准确度，送电时产品周围温度梯度大，大规格产品易开裂。通过对大规格电极用石墨化焦作电阻料发现可明显提高成品率，为了弥补其电阻小、电效率低的弱点，通过加快温升曲线来弥补。从产品结果看，用强化石墨化加快曲线的作法，产品电阻率相比混合焦下降了0.5μΩm左右，成品率提高幅度在1.0%以上，保证了产品质量的稳定。

（2）石墨化焦作电阻料的质量关键在于送电曲线，在电极本体质量稳定的情况下，加快强化送电,在保证制品不开裂的情况下，不仅能提高品级率，而且可以通过缩短通电时间来降低工艺电耗。

（3）生焦作电阻料炉阻大，热效率高，用生焦作年电阻料可大幅度降低产品的比电阻，选择合理的曲线至关重要，从实践结果看，成品率高于计划指标2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学