[科普中国]-石墨电极

简述

石墨电极主要以石油焦、针状焦为原料，煤沥青做结合剂，经煅烧、配料、混捏、压型、焙烧、石墨化、机加工而制成，是在电弧炉中以电弧形式释放电能对炉料进行加热熔化的导体，根据其质量指标高低，可分为普通功率石墨电极、高功率石墨电极和超高功率石墨电极。

石墨电极生产的主要原料为石油焦，普通功率石墨电极可加入少量沥青焦，石油焦和沥青焦含硫量都不能超过0.5%。生产高功率或超高功率石墨电极时还需要加针状焦。铝用阳极生产的主要原料为石油焦，并控制硫分不大于1.5%～2%，石油焦和沥青焦应符合国家有关质量标准。2

优点(1)模具几何形状的日益复杂化以及产品应用的多元化导致对火花机的放电精确度要求越来越高。石墨电极的优点是加工较容易，放电加工去除率高，石墨损耗小，因此，部分群基火花机客户放弃了铜电极而改用石墨电极。另外，有些特殊形状的电极无法用铜制造，但石墨则较容易成型，而且铜电极较重，不适合加工大电极，这些因素都造成部分群基火花机客户应用石墨电极。

(2)石墨电极较容易加工，且加工速度明显快于铜电极。比如采用铣削工艺加工石墨，其加工速度较其他金属加工快2～3倍且不需要额外的人工处理，而铜电极则需要人手挫磨。同样，如果采用高速石墨加工中心制造电极，速度会更快，效率也更高，还不会产生粉尘问题。在这些加工过程中，选择硬度合适的工具和石墨可减少刀具的磨损耗和铜电极的破损。如果具体比较石墨电极与铜电极的铣削时间，石墨电极较铜电极快67%，在一般情况下的放电加工中，采用石墨电极的加工要比采用铜电极快58%。这样一来，加工时间大幅减少，同时也减少了制造成本。

(3)石墨电极与传统铜电极的设计不同。许多模具厂通常在铜电极的粗加工和精加工方面有不同的预留量，而石墨电极则使用几乎相同的预留量，这减少了CAD/CAM和机器加工的次数，单是这个原因，就足以在很大程度上提高模具型腔的精度。3

加工**(一)石墨材料的加工形式**

石墨电极的加工主要有三种形式：加压振动法、数控自动成形法和机械加工方法。

(1)加压振动法：加压振动法需要专门机床，电极母模与电极形状相反。石墨材料和成形工具在加工时相对放置，留有一定的间隙。由水和磨料混合而成的加工液注入其问。在通过加工液的同时，使石墨和成形工具发生超声波振动。在磨料冲击力的作用下，石墨被微量剥离而成所需要的形状。磨料为SiC、B4C或金刚石，磨料越粗则加工速度越快。机床工作时采用密封式和水幕式进行加工。适合于批量生产情况用的电火花成形加工。

(2)数控自动成形法：数控自动成形法需要专用的石墨电极成形机，它采用数控方式，有刀具自动调换装置，可容纳多把刀具。为改善加工环境，加工石墨电极的四周用水幕包围，防止石墨粉尘四处分散。另外也可以用湿式加工法，由水溶性切削液防止刀具被磨损和石墨粉尘飞散。机床具有高性能过滤装置，可以将切削液和石墨切屑分离，可保证长时间连续加工，是石墨电极加工的理想专用设备，适合于模具用电极加工。但是其价格较高，在国内应用还不普遍。

(3)机械加工方法：机械加工方法为国内一般模具生产单位采用的主要方法。

石墨材料可以采用车削、铣削、钻削和磨削的方法进行加工。另外，石墨材料在机械加工时易产生灰粉飞扬，给加工设备和操作人员带来不利的影响。

(二)石墨材料的加工程序

1)石墨浸油。石墨材料在机械加工之前，应该在机油内浸数十小时，使油渗入石墨材料，以使机械加工时灰粉不致飞扬，并能得到较光滑的表面。

2)涂漆划线。电极在外形表面粗加工以后，在划线表面喷涂一层很薄的白漆再进行划线，这样线条清晰，便于机械加工。

3)进行机械加工。3

生产特点(1)生产周期长。普通功率石墨电极的生产周期为45天左右，超高功率石墨电极的生产周期达70天以上，而需要多次浸渍的石墨电极接头生产周期更长。

(2)能源消耗较高。生产1t普通功率石墨电极需要消耗电能6000kW·h左右，煤气或天然气数千立方米，冶金焦粒和冶金焦粉约1t。

(3)生产工序多。生产工序包括原料煅烧、破碎磨粉、配料、混捏、成型、焙烧、浸渍、石墨化和机械加工等。其生产需要许多专用机械设备和特殊结构的窑炉，建设投资较大，投资回收期较长。

(4)生产过程中产生一定数量的粉尘和有害气体，需要采取完善的通风降尘及消除有害气体的环境保护措施。

(5)生产所需炭质原料石油焦和煤沥青等为炼油企业和煤化工企业生产加工副产品，原料的质量及其稳定性难以得到充分的保障，尤其是高功率和超高功率石墨电极生产用针状焦、改质电极沥青和低喹啉不溶物含量专用浸渍剂沥青，急需我国石油和煤化工加工企业的重视和积极配合。1

应用(1)用于电弧炼钢炉

电炉炼钢是石墨电极的使用大户。我国电炉钢产量约占粗钢产量的18%左右，炼钢用石墨电极占石墨电极总用量的70%～80%。电炉炼钢是利用石墨电极向炉内导入电流，利用电极端部和炉料之间引发电弧所产生的高温热源来进行冶炼。

(2)用于矿热电炉

矿热电炉主要用于生产工业硅和黄磷等，其特点是导电电极的下部埋在炉料中，在料层内形成电弧，并利用炉料自身的电阻所发出的热能来加热炉料，其中要求电流密度较高的矿热电炉需用石墨电极，例如每生产1t硅需消耗石墨电极约100kg，每生产1t黄磷需消耗石墨电极约40kg。

(3)用于电阻炉

生产石墨制品的石墨化炉、熔化玻璃的熔窑和生产碳化硅用的电炉等都属于电阻炉，炉内所装物料既是发热电阻又是被加热对象，通常，导电用的石墨电极嵌入电阻炉端部的炉头墙中，用于此处的石墨电极不连续消耗。

(4)用于制备异型石墨产品

石墨电极的毛坯还用于加工成各种坩埚、模具、舟皿和发热体等异型石墨产品。例如，在石英玻璃行业，每生产1t电熔管，需用石墨电极坯料10t；每生产1t石英砖，需消耗石墨电极坯料100kg。1