炭-石墨製品石墨化裂紋（wén）原因分析

炭-石墨製品石墨化裂紋原因分析

石墨化是炭-石墨製品生產工藝（yì）過程中熱處理的主要工序之（zhī）一。艾（ài）奇遜石墨化爐是現行炭-石墨製品石墨化生產的主要爐型，是由裝入爐內的製品與電阻料做“內熱源”的直接加熱間歇運轉的一種特殊電阻爐，石墨化爐中裝入製品（pǐn）和電阻（zǔ）料的空（kōng）間被稱為爐芯，爐芯截麵積通常為3-6M2，向石墨化（huà）爐內通入（rù）強大（dà）的電（diàn）流，借助於石墨化爐爐芯電阻，將電能轉化（huà）為熱能，使製（zhì）品達到石墨化的最高溫度（dù），完成石墨化過程，它遵循焦耳—楞茨定律。



由此可知，石墨（mò）化爐爐芯內不（bú）同點上（shàng）的溫度是不同的，而且在同一點，時間不同其溫度也不（bú）相同，可見，石墨化爐爐芯溫度既是空間的函數，也是時間的函數，從（cóng）而爐（lú）芯內各部分的溫度分布是不均衡的。



艾奇遜石墨化爐（lú）通電後，是依靠電阻（zǔ）料產生的熱量來加熱製品，使爐芯溫度逐漸升高，爐芯各處的溫度上升（shēng）很不均勻，溫度分（fèn）布的差別很大，石墨化爐爐（lú）芯中心部位（wèi）與爐芯兩側靠近保溫料處的溫度可相差數百攝氏度，爐芯上部（bù）與下部的溫度差也可達百攝氏度。因此，同一石墨化爐爐芯內加熱溫度（dù）分布（bù）的不均勻是造成爐芯製品產生裂紋的主要 原因（yīn）。



本人根據多年的石墨化生產經驗，對於（yú）炭-石墨製品在石墨化（huà）生產過程中（zhōng）產生裂紋廢品的原因進行了簡要（yào）的總結和分析（xī）；在此和炭素工程技（jì）術人員共（gòng）同探討，以期達到減少炭-石墨製品石墨（mò）化（huà）生產工藝過程中的裂紋廢品，提高石墨化工序的成品率，降低石墨化（huà）工（gōng）序的（de）生產（chǎn）成本，提高經濟效益的目的。



製品石墨（mò）化裂紋原因



在石墨化過程中，製品產生裂紋的內在因素是製品（pǐn）的本體質量不高，抗熱性能較差；外部因素是製品在石墨化過程中爐芯溫度上升速度過快，製品上下（xià）或四周溫度差（chà）也隨之加大，熱應力也相應增大是製（zhì）品產生裂紋的主要原因。



1、石墨化工藝（yì）製度不合理（lǐ）



裝爐方式



艾奇遜石墨化爐製品（pǐn）通常采用立裝法裝爐，立裝法有正裝和錯裝兩種形式。爐芯製品正裝時，對（duì）於任何一根製品來說，隻有一條高密度電流（liú）加熱帶（dài），這（zhè）一條加熱帶越寬，製品受（shòu）熱相對均勻一些，反之，受熱很不均勻。錯裝時，每根製品存在兩條高密度電流加熱帶，製品受熱相對（duì）正裝要均勻一些。因此，石墨化爐製品裝爐方式選擇（zé）不當，在石墨（mò）化送電過程（chéng）中，製品周圍溫升速度相差較大，製品產（chǎn）生的熱應力超出了本體能夠承受的熱（rè）應力，極（jí）容易使製品產（chǎn）生裂紋。



通電製度不合理



艾奇遜石墨化爐芯的溫度變化曲線是采用定功率（lǜ）配電的功率曲線來控製的，如果石墨化爐通（tōng）電製度不合理（lǐ），確定的石墨化爐通電曲線開始（shǐ）功率過大和上（shàng）升功率過快，使製品在通電過程中內外溫度梯度（dù）過大，產（chǎn）生的熱應（yīng）力大大超過（guò）製品抵抗能力而產生裂紋。尤其是爐溫在1300-1800度時，為嚴控（kòng）爐溫（wēn）上升階段，此階段製品的物理結構和化學組 成開始發生很（hěn）大（dà）變化，無定形炭的石墨化並未開始，實際上以化學反（fǎn）應為主，無（wú）定形炭微晶結構中（zhōng）結合（hé）的氫、氧、氮、硫等元素不斷逸出，逸出的結果使無定形炭微晶結構（gòu）邊緣部分的雜質元（yuán）素不斷減少，並殘留下若幹（gàn）晶格缺陷，同時促使（shǐ）熱應力相對集中，極（jí）容易使製品產生裂紋。



電阻料的電阻



石墨化爐（lú）芯電阻是由製品的電阻與電阻料的電阻串聯構成的（de），石（shí）墨化爐開始通電時電阻料的電阻約占爐芯電（diàn）阻的99%左（zuǒ）右，通電結束後電阻（zǔ）料的電阻還要占到97%左右，可見在整個石墨（mò）化過程中主要是電流通過電阻料產生的熱量來加熱（rè）製品，電阻料的電阻與（yǔ）製（zhì）品的電阻相差較大時，在石墨化通電過程中，電阻料產生的熱量遠遠大於製品本身的熱量，造成製品（pǐn）內外（wài）溫度相差過大，就會引起熱應力過（guò）大使製品產生裂紋廢品。



2、石墨化操作質量不高



裝爐質量（liàng）不高



石墨化裝爐操（cāo）作不符合工藝技術標準要求，裝爐時爐芯製品排（pái）列不整齊，製品組間（jiān）距不一致，電阻料填充不均（jun1）勻（yún），甚至出現電阻料 “膨料”現象，這樣就會（huì）出現在石墨化爐送電過程中爐芯各（gè）處的電流分布很不均勻，導（dǎo）致製品加熱和溫升速（sù）度很不（bú）均勻，製品內部溫差過大，產生的熱（rè）應力使製品產（chǎn）生裂紋廢品。



電阻料質量不均勻



石墨化裝爐采用混合焦做電阻料時，由於冶（yě）金焦的電阻率（lǜ）比石（shí）墨化焦大5-8倍，如果冶金焦和石墨化焦混（hún）合不均勻，爐芯各處的電阻分（fèn）布很不均勻，造成通電時爐芯各部位的溫升（shēng）速度（dù）很不均勻，製品上下和四周溫差過大，熱應力也隨之增大，容易（yì）使製品產生大批量的裂紋廢品。



石（shí）墨化爐爐芯偏流



根據艾奇遜石墨化爐電熱規律可知，石墨化爐芯（xīn）內的溫度分布（bù），不僅與爐芯電阻（zǔ）有關係，而（ér）且也與爐芯中通過的電流大（dà）小（xiǎo）有密切關係。當艾（ài）奇遜石墨化爐爐芯由於各種（zhǒng）原因出現偏（piān）流情況時，爐芯各處通過的電流大不相同，爐芯溫度的（de）分布差別很大。當爐芯電流分布相（xiàng）差較大時，電流大的部位產生的熱（rè）量多，該區域的製品溫（wēn）升較快，電流小的部 位產生的熱量（liàng）少，該區域（yù）的製品溫升較慢，因此爐芯溫度分（fèn）布（bù）相差較大，從而製品內部溫（wēn）差也（yě）大，產生的熱應力（lì）也相應增大，使製品（pǐn）產（chǎn）生裂紋廢品。



3、焙燒品本體質量（liàng）



焙燒品內部裂紋



有（yǒu）資料介（jiè）紹（shào），製品在焙燒過程中 350-500度和700度及其以上的溫度區間是炭材料有可能發生破壞的最危險（xiǎn）的溫度範（fàn）圍。當製品（pǐn）的外（wài）表麵溫（wēn）度為800度（dù），最大徑向溫差為（wéi）10.7度時，半徑50-65mm的（de）區域決定材料的強度狀況，在毛坯（pī）中心半（bàn）徑65mm的範（fàn）圍內，形成（chéng）了（le）危險的拉應力區。當溫度為700度或更（gèng）高時，該區域的應力遠遠大於材料的斷裂強度（dù）的極（jí）限，這就是製品產生縱向（xiàng）平直裂紋的（de）原因，這種裂紋（wén）一般不會擴展到製品的外表麵，即製品的內部裂紋。



製品的均質性



炭-石墨（mò）製品密度分布（bù）的均勻性，製品的徑向密（mì）度與軸向密度（dù）分布（bù）的（de）均勻性高低與製品石墨化熱處理過程中質量好壞密切相關。製品密度分（fèn）布不均（jun1）勻處，在石（shí）墨化熱處理過程中，由於熱應力的（de）作用，製品容易產生內應（yīng）力，相應地製品內應力的分（fèn）布也不均勻，這種不均勻的（de）內應力（lì）容易使製品產生裂紋，從而造成石墨化過程中出現裂紋廢品。



製品體（tǐ）積密度偏高



炭-石（shí）墨製品的體積密度主要隨生（shēng）產原料（liào）、工藝（yì）技術條件（jiàn）的不同而變化，製品的抗折強度、彈性模量、熱導率隨（suí）體積密度的增加（jiā）而增大。當體積密度偏高時（shí），製品的彈性模量增加（jiā），脆性增（zēng）大，導（dǎo）致製品的抗熱衝擊性（xìng）能較差，在石墨化熱處理過程中，由於高溫產生的熱應力大大超出了製品（pǐn）本身能夠（gòu）承受的應力，內外應（yīng）力相差較大，製品產生裂紋廢品。



前工序生產不穩定



由於（yú）石墨化是炭-石（shí）墨製品生產的最後一個 熱處理過程，也是溫度最高的一個熱處理過程。一般認為，當（dāng）前工序生產不穩定或出現質量波動時，在石墨化過程中會集中暴露出來。如果煆（duàn）燒料（liào）溫度低，瀝青軟（ruǎn）化點不合格，焙燒溫（wēn）度（dù）低，浸漬增重率不合格等，製品在（zài）石墨化高（gāo）溫處理時，會造成二次收縮，或收縮（suō）不均勻，非常（cháng）容易產生裂紋廢（fèi）品。



氣脹現象



製品石墨化過程中產生某種程度的不可逆體積膨脹，其主（zhǔ）要原因是製品在石墨化過程中，由於硫分集中急劇逸出而引起的，這種不可逆膨脹的程度隨著（zhe）含硫量（liàng）的增加和熱處理速度的加（jiā）快而增加，這種不（bú）可逆膨脹行為被稱為“氣（qì）脹現象”。



眾所周（zhōu）知，經（jīng）過1350溫度煆（duàn）燒（shāo）處理後的石油焦，非碳元素如氫、氧、氮等的含（hán）量一般低（dī）於0.1%；但是，硫和芳香烴的碳原子結合得（dé）非常牢（láo）固，以（yǐ）致於c—-s鍵在（zài）1400度以上才開始斷裂，生成硫和硫碳化合物（wù）；在更高的溫度下，主要是（shì）在1500-1800度時，所生成的硫和硫碳化合物以氣體的形式急（jí）劇地從（cóng）製品中釋（shì）放出來，對製品產生很大的（de）內應力，在製品內形成微小的孔洞和裂紋，當硫分含量達到一定的程度時，往往會導致石 墨化過程中的製品產生裂紋。



4、製品石墨化裂紋預防



a、石墨化工（gōng）藝要合理



裝爐（lú）方（fāng）式的選擇



在艾奇遜石墨化爐生產工藝過程中，合理的（de）裝爐方式是（shì）製品石墨化的保障。製品采用立裝法還是臥（wò）裝法，是正裝還是錯裝，都要根（gēn）據製（zhì）品的品種、規格、質量標準及設備的工藝參數來確定，以保證製品在爐芯內的受熱相對均勻，以減小熱（rè）應（yīng）力，減（jiǎn）少製（zhì）品在石墨化過（guò）程中裂紋。對於大規格的製品，采用錯位1/2D裝爐方式，可以減少製品裂紋，石墨化效果好。對於石（shí）墨化裂紋廢品率高，質量（liàng）不穩定的製（zhì）品，也可以采取爐芯均流措施。



確定合理（lǐ）的通電製度



石墨化爐芯的溫（wēn）度（dù）是采用（yòng）定功率配電的功率曲線來控製的，正（zhèng）確合理地製定和運用石墨化爐通電製度，對於提（tí）高成品率、節約（yuē）能源、縮短製品石墨化周期，都有十分重要的意義。石墨化爐通電製度的確定（dìng），不僅要考慮到爐型結構、製品（pǐn）品種規（guī）格、質量信息、電阻料、保（bǎo）溫（wēn）效果（guǒ）、配電係統的參數等方麵 的因（yīn）素，更重要的是符合製品在石墨化爐內不同階段對溫升速度的不同要求。



合理的石墨化爐通電製度，應該是“快—慢—快（kuài）的三階段功率曲線，以適應製品在溫升過程中三個階段的不同要求，應（yīng）保持爐芯有較快的溫升速（sù）度，既減少（shǎo）石墨化爐散熱損失，又不至於爐芯溫度梯度過大（dà），使製（zhì）品裂紋。對於石墨化質量不穩定的製（zhì）品（pǐn），更要嚴控溫（wēn）升階段的爐芯溫度上升速度，以避免溫升過快使（shǐ）製品產生裂紋，這時對送（sòng）電曲線的 上升（shēng）功率要做適當調整（zhěng），形成“快—慢—慢—快”的四階段功率送電曲線。



確定合適的電阻料



艾（ài）奇遜石墨化爐主要是（shì）電流通過（guò）電阻料產生的熱量來加熱製品的，電阻料與爐芯溫度的變化有密切關係，從提高石墨化爐芯溫度（dù）的角度，要求電阻料的電阻大一些，特別是送電後期，變壓器的二次輸出電（diàn）流已經達到最大值，此時爐芯電阻較大，可以保持較高（gāo）的電效率；但電阻（zǔ）料的電阻過大，也是不合理的。因此，在確定電阻料時，既要考慮（lǜ）設備性能，也要考慮製品的（de）品種規格和送電曲線，使製品的電阻和電阻料（liào）的電阻不能相差過大。對於中小規格製品，可以（yǐ）采用冶金（jīn）焦做電阻料，即使采用較高的開（kāi）始功率和較快的上升功率，製品一（yī）般也不會產生裂（liè）紋；對於大規格製品，使（shǐ）用混合焦或石墨化焦做電（diàn）阻料比較合適，這樣製（zhì）品與電阻料（liào）的電阻相 差較（jiào）小，製品內外的溫差也減小了，即使采用較快的上升功率，也不會（huì）造成製（zhì）品裂紋。



b、操作質量要符合標準



在石墨化生產操作工（gōng）藝過程中，裝爐操作是關鍵，由於裝入石墨化爐內的製品（pǐn）既（jì）是發熱電阻，又（yòu）是被加熱的對象（xiàng），配以合適的電阻料（liào）共同構成爐芯電阻，適（shì）當（dāng）的爐芯電阻，是製品石墨化的必備條（tiáo）件。首先，石墨化爐（lú）的爐體狀況、母線短網、供電係統的設備要完好，裝爐時爐芯截麵（miàn）要和導電（diàn）截麵相對稱，以防止（zhǐ）爐芯偏（piān）流（liú），裝爐操作要符（fú）合工藝技術 規程（chéng）要求，製品在爐（lú）芯內排（pái）列要橫平（píng）豎直，製品（pǐn）的（de）組間距要一致，電阻料要（yào）填充好，避（bì）免懸空現象，確保石墨化爐送電過程中，爐芯（xīn）溫（wēn）度分布均衡。其次，電阻料的（de）配比要符合（hé）生產工藝技術標準要求，質量要穩（wěn）定均一，避免石墨化（huà）爐送電過程中，爐芯溫度分布不均衡。再次，石墨化爐要（yào）按照給定的送電曲線送電，功率波動要控製在正常範圍內，避免送電功率的異常波動（dòng），以（yǐ）保證（zhèng）爐（lú）芯溫（wēn）度均衡上升。



c、掌握前工序的質量信息



要及時掌（zhǎng）握前工序的生產情況和質量信息，針（zhēn）對前工序的製品生產穩定情況和質量技術指標（biāo），結合本工序的生產實際，製定切實可行的石墨化生產工藝技術條件（jiàn），預防（fáng）製品在石（shí）墨化過程中出現裂紋（wén）廢品，確保石墨化質量穩定。在石墨化裝爐時，要（yào）逐根檢查製品的外觀和本體質量，對（duì）於不符合石墨（mò）化 工藝技術條件的製品，不得裝入石墨（mò）化爐內進行石（shí）墨化（huà），要及時向上工序退（tuì）料。



d、配料中加入適量氣脹抑（yì）製劑



石墨化過（guò）程中由於硫（liú）分的存在而（ér）引起的不可逆膨脹開裂現象，是不可能完全消除的，但必須加以控製。目前比較（jiào）有效（xiào）的途徑是控製製品石墨化過程中硫分的逸出速度，最切實可（kě）行的辦法是在配料時加入適量（liàng）氣脹抑製劑，通常采用1%-2%的Fe2O3粉。



關於添加氣脹抑製劑的機理，主要是（shì）抑製劑在製品石墨化氣脹的溫度（dù）區間內能夠捕捉硫而生成硫的化合物並在更高的溫度區間內形成氣體釋放出來，從（cóng）而加寬了硫分逸出的（de）溫度區間，使製品不致因為集中急劇逸出的氣體，產生過（guò）大的內應力而開裂。最常（cháng）用（yòng）的氣脹（zhàng）抑製劑是Fe2O3粉，其作（zuò）用機理是在 1000度以上高溫（wēn）時，Fe2O3粉很容易（yì）被還原 而生成鐵或碳鐵化合物，碳（tàn）鐵（tiě）化合物在更（gèng）高溫度下（xià）會進一步分（fèn）解成鐵和碳，在此過程中（zhōng）所（suǒ）形成的鐵與製品中分解釋放出來（lái）的硫發生化合反應（yīng），以（yǐ）硫化鐵的（de）形式緩慢放出，從而減緩了製品中硫分的逸出速（sù）度，起到抑製硫的作用。有關的化學（xué）反應式為：

圖片

由於Fe2O3粉不僅對製品中的硫有著較高的化學親合力，抑製硫的效果好，而且資源充沛，價格低廉，在電爐煉鋼過程中也不（bú）會產生任何不良影響。此外，Fe2O3粉對製品（pǐn）的石墨化（huà）過程還具有較強的催化（huà）作（zuò）用，是優良的石墨化催化劑。可見，對於硫分含量高的石油焦，加入適量氣（qì）脹抑製劑Fe2O3粉，對 炭（tàn）-石墨製品的生產可起到（dào）一舉多得的作用。



結束語



總之，炭-石墨製品在石（shí）墨化（huà）熱（rè）處理過程中產生（shēng）裂紋廢品（pǐn）的（de）原因是多方麵的，也是比較複雜的。要預防炭-石墨製品石（shí）墨化熱（rè）處理過程中產生裂紋廢品，就要采取各種工藝技（jì）術（shù）改進措（cuò）施，標本並重。最關鍵的是製品的本體質量要高，抗熱性能要好（hǎo），達到均（jun1）質化生產，前工序的質量技術指標要符合（hé）生產工藝技術（shù）標準要求，質量波動要控製在正常 範（fàn）圍內。還有在石墨化熱處理過程中，製品在艾（ài）奇遜石墨（mò）化爐爐芯中溫度上升（shēng）的速度應嚴格控製，避免爐芯溫度上升速度過快，製品內部溫度差加大，引起熱應力也相應增大，而產生裂紋廢品。

本文出自東莞市捷誠（chéng）石墨製品有限公司官網：http://www.hryok.com 權威發布，    東莞市捷誠（chéng）石墨製品有限公司是一家集銷售、應用開發，產品加工（gōng）的石（shí）墨專業廠家，專門為模具行業、機械行業、真空熱處理爐、電子半導體及（jí）太陽能光伏產業（yè）等提供石墨材料、石墨電極和相關的石墨製品，歡迎致電13549365158更多關於石墨製（zhì）品方麵信（xìn）息，可回本網（wǎng）站（zhàn）產品（pǐn）頁麵詳細了解點擊：石墨（mò）製品  石墨模具  石墨坩堝 石墨轉子（zǐ） 石墨軸承 石墨板 石墨棒 石（shí）墨（mò）匣體 石墨熱場 真空爐石墨製品 電子石墨模具