CN104591771B - 石墨电极的表面改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨电极的表面改性方法，采用含碳化硅晶须和短切碳纤维的面浆料与芯部浆料复合制成复合生胚，接着焙烧、浸渍和固化，然后在合适的温度进行石墨化处理得到石墨电极。本发明的制品既具有高导电率、耐腐蚀，同时抗折弯和抗冲击性能均明显提高。

Description

石墨电极的表面改性方法

技术领域

本发明涉及石墨电极的制造技术。

背景技术

石墨电极一般采用焦炭、沥青和一些添加剂为原料，经过配料、预成型、焙烧和浸渍、石墨化处理、后加工等工序制成。具有良好的导电性能和耐腐蚀性能，广泛用于冶金、化工等生产企业的电炉、电解、电化学工艺过程中。

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还可制成高级耐火材料。

β-Sic，与金刚石接近，光洁度及抛光性能远超白刚玉和α-Sic（黑碳化硅和绿碳化硅）；在1600℃以上温度时β-Sic仍具有超高的强度和；β-Sic比α-Sic的导电性高几倍；β-Sic具有优良的热导率和低膨胀系数，使得其在加热和冷却过程中受到的热应力很小。β-SiC微粉有很高的化学稳定性、高熔点（2973℃）、高硬度、高热导率、低热胀系数、宽能带隙、高电子漂移速度、高电子迁移率、特殊的电阻温度特性等，因此具有抗磨、耐高温、耐热震、耐腐蚀、耐辐射、良好的半导电特性等优良性能，被广泛应用于电子、信息、精密加工技术、军工、航空航天、高级耐火材料、特种陶瓷材料、高级磨削材料和和增强材料等领域。

申请专利号为2011103951749的发明公开了一种石墨电极表面改性提高抗氧化性能的方法。该方法将石墨电极包埋于Si粉中高温反应得到SiC表面防护层；又运用真空等离子喷涂技术在已得到的SiC防护层表面喷涂熔融SiC涂层，填补修饰包埋法SiC防护层中的表面缺陷，提高了表面防护层的质量。根据化学常识，碳和硅不能直接反应制取碳化硅，所以该方法对石墨电极的表面处理技术是不可行的。

申请专利号为2013100824859的发明揭示了一种提高硅钢石墨辊套抗高温氧化性的表面处理方法，包括以下步骤：步骤1，辊套基体表面处理；步骤2，浸渍处理；步骤3，中温固化处理；步骤4，无氧化高温裂解陶瓷化。其中，辊套基体为石墨基体；辊套基体表面处理使抗氧化涂覆层与辊套基体更好地结合；浸渍处理的浸渍溶液为液态聚碳硅烷；中温固化处理的固化温度为150～200℃；无氧化裂解陶瓷化温度为1000～1200℃。该发明采用聚碳硅烷的熔点为200度左右，在甲苯等有机溶剂中易溶解，所以其处理的石墨电极耐温性和抗有机溶剂性能很差。

发明内容

发明内容

发明目的：克服传统的石墨电极力学强度偏低、耐蚀性欠佳的缺点，提供一种抗折弯、抗冲击、抗氧化的石墨电极的表面改性方法。

技术方案：

采用下述工艺步骤：

1）将碳化硅的微粉、微粒、晶须或短纤维（晶须或短纤维能够提供更好的抗拉抗折弯强度），短切碳纤维，与其它原料（沥青、焦炭、助剂等传统石墨电极的原料）一起混配料、混捏，形成面浆料。所述的面浆料中，碳化硅的重量比为1-5%，碳纤维的重量比为1-10%，碳化硅和碳纤维交错混合在一起，能够形成网络状的内在支撑结构，两种材料的优势以及其它原料的性能能够有机结合起来，带来优越的综合性能。另外，碳化硅优选β-Sic，焦炭优选采用针状焦炭。助剂指传统石墨电极制造中需要使用的溶剂、湿润剂、惰性填料等辅助成份。

2）将其它原料单独配料、混捏，形成芯部浆料。

3）在生坯成型阶段，将面浆料先挤出或涂覆在模具的型腔内表面，再挤出其它原料组成的芯部浆料（或者，采用共挤出机械配套双层共挤出模口），使得面浆料包裹芯部浆料。然后，共同加压干燥定型，成为复合生坯。其中，面浆料层的厚度占整个石墨电极径向尺寸的2-30%（进一步优选5-15%，过薄不易制造，过厚成本偏高） 。

4）将复合生坯焙烧和浸渍，反复进行多次，然后固化；焙烧的温度为700-1500℃，使得沥青碳化；浸渍浆料为沥青，浸渍容器的气压为负压，浸渍使得制品密实度提高。

5）固化后，表面形成一层纤维或粒子增强的复合材料层。而且，由于沥青是共同的基体材料，表面层与芯部结合牢固，没有明显的分层，对石墨电极的力学强度和石墨化处理后导电性能的提升比较有利。

6）最后的石墨化处理工序中，最高温度控制在2730℃（α-Sic的熔点）或者2973℃（β-Sic的熔点）之内，使得对复合材料层中的纤维没有损伤，而且其中的碳纤维有同步的石墨化转变过程。

由于碳化硅和碳纤维的导热性好于粒状碳材料，本发明的石墨化温度即使稍低于传统配方的石墨化转变温度（3000℃左右），电极内部的传热及石墨化效果均不低于传统的石墨电极产品）。

本发明的优点：

本发明中，由于采用了具有良好导电性的碳纤维，使得制成的石墨电极保持了传统石墨电极的高导电率、耐高电压、耐大电流的优点。

同时，本发明的制品兼具了碳化硅的耐磨、耐火、耐腐蚀、耐高温、导热性好、抗冲击的特点，提高了石墨电极的抗氧化性以及耐火耐蚀耐磨等级。

该方法制成的石墨电极表面形成的纤维增强复合材料的表面层，对芯部有良好的保护作用，整个电极的比强度、比刚性提高了很多，抗折弯和抗冲击性能提高了20-50%，在产品的制造、机加工、运输和使用中减少了破损率，延长了使用寿命。

具体实施方式

本发明的石墨电极的表面改性方法，采用下述工艺步骤：

1）配料：选取重量比为2%的β-Sic的晶须、重量比为5%的1-5mm长度的短切碳纤维、沥青、针状焦炭粒、助剂等原料，一起配料、混捏，形成面浆料；另将沥青、针状焦炭粒、助剂这些原料单独配料，混捏，形成芯部浆料；

2）生坯成型：采用共挤出机械配套双层共挤出模口，使得整个石墨电极径向尺寸的10%的面浆料外层包裹芯部浆料内层，共同加压干燥预成型，成为复合生坯；

3）焙烧和浸渍：将复合生坯焙烧和浸渍反复进行二次后固化，隔绝空气焙烧的温度为1000度左右，浸渍采用的气压为负压，在表面形成厚度为3mm（占直径6%）的纤维增强复合材料层；

4）石墨化处理：温度控制在2970℃左右完成石墨化转变过程；

5）对制品进行车、铣、磨等机加工处理工序，获得耐蚀性好、抗折弯强度高的石墨电极成品。

Claims (3)

1.一种石墨电极的表面改性方法，先将原料进行配料，接着生坯成型，然后浸渍和焙烧，最后进行石墨化处理，其特征在于：具有下述工艺步骤：

1）配料：

选取碳化硅的晶须、短切碳纤维，加入沥青、焦炭、助剂为主的原料中，一起配料、混捏，形成面浆料；所述的面浆料中，碳化硅晶须的重量比为1-5%，碳纤维的重量比为1-10%；

将沥青、焦炭粒、助剂的原料单独配料，混捏，形成芯部浆料；

2）生坯成型：

采用共挤出机械配套双层共挤出模口，使得面浆料包裹芯部浆料；然后共同加压干燥定型，成为复合生坯；

3）焙烧和浸渍：将复合生坯焙烧和浸渍反复进行多次后固化，在表面形成一层纤维增强复合材料层；

4）石墨化处理：最高温度控制在2730℃左右，既对复合材料层中的碳化硅的微粒或短切纤维没有损伤，而且其中的短切碳纤维与芯部有基本同步的石墨化转变。

2.如权利要求1所述的石墨电极的表面改性方法，其特征在于：所述的面浆料层的厚度占整个石墨电极径向尺寸的5-15%。

3.如权利要求1或2所述的石墨电极的表面改性方法，其特征在于：1）中所述的碳化硅为β-Sic晶须，4）中所述的最高温度控制在2973℃左右。