CN113788710A - 一种石墨电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨电极及其制备方法，所述石墨电极包括石墨芯材以及附着于石墨芯材表面的涂层，所述涂层的材质为陶瓷和复合金属的混合物，所述复合金属由金属Ⅰ和金属Ⅱ组成，所述金属Ⅰ为铝和/或钛，所述金属Ⅱ选自钨、钽、铁、镍、钴、铜、锰中的至少一种，该石墨电极不仅电阻率低，而且还能够明显降低石墨损耗，极具工业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及石墨电极领域，具体是涉及一种石墨电极及其制备方法。
背景技术
石墨电极是冶金领域应用的重要导电材料。石墨电极主要应用于电炉炼钢，利用石墨电极向炉内导入电流，强大的电流在电极下端通过气体产生电弧放电，利用电弧产生的热量来进行冶炼。然而，石墨电极在炼钢过程中损耗非常严重，一般分为有功损耗和无功损耗。有功损耗是在送电过程中电极侧面的氧化消耗和电极下端面的气化升华消耗。无功损耗主要来源于电极折断、脱落、掉块等。降低石墨电极的损耗对于降低电炉冶炼成本具有十分重要的意义，已经成为近年来科研工作者研究的重点。
CN111892833A公开了一种降低石墨电极损耗的方法，该方法包括将石墨电极采用超导性石墨电极纳米抗氧化剂进行浸渍后热处理，所述超导性石墨电极纳米抗氧化剂由80-100重量份水、20-40重量份陶瓷粉、20-25重量份石墨烯、10-25重量份聚乙二醇、6-12重量份稳定剂(葡甲胺和氮化锆的混合物)、5-10重量份抗氧化助剂(膨化钙、二硼化钒和磷酸二氢钠的混合物)、10-15重量份聚乙烯醇组成，这样不仅能够形成阻止氧气和反应产物扩散到石墨电极内部的阻挡层，而且还可以提高石墨电极的抗折强度，从而降低石墨电极的损耗。
CN111996331A公开了一种降低电弧炉石墨电极消耗的冶炼方法，该方法包括如下步骤：(a)向电弧炉内加入第一批废钢铁料，送电，当耗电量≥70kwh/吨时进行氧燃助熔，第一批废钢铁料的熔化率达70～80％时进行吹氧助熔，加入石灰，喷吹碳粉造泡沫渣；(b)造渣结束后，第一批废钢铁料的熔化率达90～95％时，向电弧炉中继续加入第二批废钢铁料，送电，当耗电量≥70kwh/吨时进行氧燃助熔，第二批废钢铁料的熔化率达70～80％时进行吹氧助熔，喷吹碳粉；(c)第二批废钢铁料的熔化率达90～95％时，向所述电弧炉中继续加入第三批废钢铁料，重复步骤b的操作，得冶金熔体；(d)将步骤(c)所得冶金熔体吹氧脱碳，喷吹碳粉造渣埋弧，升温至温度≥1580℃时流出45～55％的钢渣，温度≥1610℃、成分符合要求组织出钢，出钢后电弧炉内的留钢量为钢水总重量的18～22wt％；(e)重复步骤(a)至步骤(d)的操作继续下一次的电弧炉冶炼；其中，步骤(a)至步骤(d)中，送电开始的同时，采用全水喷淋冷却的方式冷却超高功率石墨电极，使超高功率石墨电极下端的红热电极的长度不超过800mm。
发明内容
本发明旨在提供一种能够明显降低石墨损耗的石墨电极及其制备方法。
本领域技术人员公知，采用在石墨电极表面设置涂层的方式降低石墨的损耗需要考虑到涂层的导电性、电阻率、热胀冷缩幅度等，该涂层不仅需要具备导电性好、电阻率低、热胀冷缩幅度小的特点，而且还需要能够很好地保护石墨芯材。此外，由于石墨芯材表面较为光滑，难以在其表面形成结合强度高的涂层。因此，涂层材质的选择以及在光滑石墨芯材表面形成防止石墨损耗的涂层的方法一直是本领域的技术难点。本发明的发明人经过深入研究之后发现，将陶瓷和/或复合金属(铝和/或钛以及其他金属的复合物)作为材质并采用热喷涂技术形成石墨涂层，使得涂层不仅导电性好、电阻率低、热胀冷缩幅度小，而且还能够明显降低石墨损耗。基于此，完成了本发明。
具体方案如下：
一种石墨电极，所述石墨电极包括石墨芯材以及附着于石墨芯材表面的涂层，所述涂层的材质为陶瓷和复合金属的混合物，所述复合金属由金属Ⅰ和金属Ⅱ组成，所述金属Ⅰ为铝和/或钛，所述金属Ⅱ选自钨、钽、铁、镍、钴、铜、锰中的至少一种。
进一步的，所述金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为(7～11)：1。
进一步的，所述金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为9：1。
进一步的，所述金属Ⅱ选自铁、镍、钨和钽中的至少一种，且陶瓷、金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为(4～7)：(3～6)：1。
进一步的，所述陶瓷、金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为5：4：1。
进一步的，所述涂层厚度为0.3～0.5cm。
进一步的，所述陶瓷为二氧化硅或者氮化硅陶瓷。
进一步的，所述涂层中复合金属的质量含量不低于30％。
进一步的，所述涂层中复合金属的质量含量为40％～50％。
本发明还提供了上述任意一项所述的石墨电极的制备方法，该方法包括在石墨芯材表面通过热喷涂法形成涂层。
本发明提供的石墨电极不仅电阻率低，而且还能够明显降低石墨损耗，极具工业应用前景。
具体实施方式
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
该实施例用于说明石墨电极及其制备方法，该石墨电极包括石墨芯材以及附着于石墨芯材表面的涂层，所述石墨芯材为直径d为300mm、长度为1600mm的圆柱体，所述涂层的厚度为3mm，且材质为二氧化硅、铝和铁按照质量比4：3：1的混合物。
涂层以等离子热喷涂的方式附着于石墨芯材的表面上，包括以下步骤：
S1、提供石墨芯材，并对石墨芯材的表面进行除油除脂处理，并用等离子火焰进行清洁和预热；
S2、在厦门佰事兴新材料科技有限公司的BSX-APS-8OKW型号的等离子喷涂设备上进行二氧化硅、铝和铁粉末的热喷涂，具体热喷涂参数见表1。这里需说明的是，由于陶瓷和复合金属的附着效率不同，因此送粉率并非为涂层中各组分的质量比例。
实施例2
该实施例用于说明石墨电极及其制备方法，该石墨电极包括石墨芯材以及附着于石墨芯材表面的涂层，所述石墨芯材为直径d为300mm、长度为1600mm的圆柱体，所述涂层的厚度为5mm，且材质为二氧化硅、铝、钛、铁、镍按照质量比5：2：1：1：1的混合物。
涂层以等离子热喷涂的方式附着于石墨芯材的表面上，包括以下步骤：
S1、提供石墨芯材，并对石墨芯材的表面进行除油除脂处理，并用等离子火焰进行清洁和预热；
S2、在XXXXX公司XXXX型号的等离子喷涂设备上进行二氧化硅、铝、钛、铁、镍粉末的热喷涂，具体热喷涂参数见表1。
实施例3
该实施例用于说明石墨电极及其制备方法，该石墨电极包括石墨芯材以及附着于石墨芯材表面的涂层，所述石墨芯材为直径d为300mm、长度为1600mm的圆柱体，所述涂层的厚度为4mm，且材质为二氧化硅、钛、铁、镍按照质量比5：2：1：2的混合物。
涂层以等离子热喷涂的方式附着于石墨芯材的表面上，包括以下步骤：
S1、提供石墨芯材，并对石墨芯材的表面进行除油除脂处理，并用等离子火焰进行清洁和预热；
S2、在厦门佰事兴新材料科技有限公司的BSX-APS-8OKW型号的等离子喷涂设备上进行二氧化硅、铝、钛、铁、镍粉末的热喷涂，具体热喷涂参数见表1。
实施例4
该实施例用于说明石墨电极及其制备方法，该石墨电极包括石墨芯材以及附着于石墨芯材表面的涂层，所述石墨芯材为直径d为300mm、长度为1600mm的圆柱体，所述涂层的厚度为4mm，且材质为氮化硅、钛、铁、镍按照质量比5：2：1：2的混合物。
涂层以等离子热喷涂的方式附着于石墨芯材的表面上，包括以下步骤：
S1、提供石墨芯材，并对石墨芯材的表面进行除油除脂处理，并用等离子火焰进行清洁和预热；
S2、在厦门佰事兴新材料科技有限公司的BSX-APS-8OKW型号的等离子喷涂设备上进行二氧化硅、铝、钛、铁、镍粉末的热喷涂，具体热喷涂参数见表1。
对比例1
按照实施例1的方法制备石墨复合材料，不同的是，涂层中未加入铝，其余条件与实施例1相同，得到参比石墨电极。
对比例2
按照实施例4的方法制备石墨复合材料，不同的是，涂层中未加入钛，其余条件与实施例4相同，得到参比石墨电极。
对比例3
无涂层的石墨电极，石墨电极的直径d为300mm、长度为1600mm。
测试例
(1)电阻率：将各实施例和对比例制备得到的石墨电极按照YB/T 120-1997中第六章(石墨电极制品的现场测定)的规定进行测定，所得结果见表2；
(2)抗氧化性：在空气环境中，将石墨电极通电加热至1400℃，并维持此温度60分钟，到时间后断电冷却，测量通电前后石墨电极的失重量，所得结果见表2。
由表2的数据可知，本发明提供的具有陶瓷-复合金属涂层的石墨电极相对于没有涂层的石墨电极几乎没有增加了电阻率，但却大大降低了石墨电极的氧化失重量，能够明显降低石墨损耗，极具工业应用前景。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种石墨电极，其特征在于：所述石墨电极包括石墨芯材以及附着于石墨芯材表面的涂层，所述涂层的材质为陶瓷和复合金属的混合物，所述复合金属由金属Ⅰ和金属Ⅱ组成，所述金属Ⅰ为铝和/或钛，所述金属Ⅱ选自钨、钽、铁、镍、钴、铜、锰中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的石墨电极，其特征在于：所述金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为(7～11)：1。
3.根据权利要求2所述的石墨电极，其特征在于：所述金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为9：1。
4.根据权利要求1所述的石墨电极，其特征在于：所述金属Ⅱ选自铁、镍、钨和钽中的至少一种，且陶瓷、金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为(4～7)：(3～6)：1。
5.根据权利要求4所述的石墨电极，其特征在于：所述陶瓷、金属Ⅰ和金属Ⅱ的质量比为5：4：1。
6.根据权利要求1所述的石墨电极，其特征在于：所述涂层厚度为0.3～0.5cm。
7.根据权利要求1所述的石墨电极，其特征在于：所述陶瓷为二氧化硅或者氮化硅陶瓷。
8.根据权利要求1所述的石墨电极，其特征在于：所述涂层中复合金属的质量含量不低于30％。
9.根据权利要求8所述的石墨电极，其特征在于：所述涂层中复合金属的质量含量为40％～50％。
10.权利要求1-9中任意一项所述的石墨电极的制备方法，其特征在于：该方法包括在石墨芯材表面通过热喷涂法形成涂层。
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