CN1968551A - 用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于减少保护层的处理工艺及装置，对石墨电极采用浸渍与喷涂及两种方法结合的工艺，采用特殊的浸渍装置实现湿法浸渍，并且使用与石墨电极亲合力好涂料成分，通过这两种方法都可实现减少石墨电极消耗的目的，本发明的优点及效果还在于在对石墨电极进行浸渍处理提高其密度减少孔隙率的基础上，结合高温防氧化涂层对石墨电极进行抗高温氧化保护，提高了保护涂层与石墨基体的机械相容性和化学相容性，而且避免在升温过程中，石墨孔隙种气体因加热外溢破毁连续的涂层，可确保涂层具有明显有效的保护作用。
Description
技术领域：
本发明属于冶金技术领域及表面工程技术领域，具体是一种电弧炉和炉外精炼钢包炉用减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺及装置。
背景技术：
石墨电极是电弧炉和炉外精炼钢包炉不可缺少的重要材料。石墨电极消耗过大是电弧炉炼钢及LF精炼的主要问题，目前我国的电炉用石墨电极平均单耗为7～8kg/t钢，约占电炉炼钢成本的8％。世界主要产钢国石墨电极消耗平均低于5kg/t钢，世界最好水平为2.4kg/t钢。
冶金企业使用的石墨电极，原材料主要是石油沥青和煤焦油沥青，它具有良好的高温性能，热膨胀系数低、重量轻，耐腐蚀性强，易于加工，抗热冲击性能优良，但是它在高温下极易氧化，石墨的氧化从450℃开始，超过750℃后氧化急剧增加，且随着温度的升高而加剧，通常石墨电极表面温度很高，并处在空气环境下，造成严重的氧化。
在氧化性气氛下，高温使石墨很容易被氧化，因此石墨电极从氧化部位开始往下逐渐变细，使电极的抗耗性下降；另外由于电流的集肤效应，较细的电极，电流密度增大，电极的抗大电流冲击能力亦下降，从而导致了石墨电极的单耗增加。
从工艺角度分析，石墨电极在制造过程中受生产条件的限制，不可避免地在电极内部残留有微孔，电极表面和孔隙处与其它有序排列的碳原子相比，其活性较高，是石墨电极的氧化活性部位，在高温状态下，逐渐向内部扩展，形成整个石墨电极的氧化消耗，经研究发现，其空隙率达15％～25％。
通过检索可以发现，中国专利CN91103258.4选择多种氧化物及其它盐类为熔剂，高温熔化，高温融体温度控制在800～1500℃，将石墨电极浸入高温融体内进行浸渍处理，此方法需将浸渍材料加热至熔融态，因此，但该法工艺复杂，综合经济效果不佳，而且随着技术进步，石墨电极尺寸和重量都越来越大，在使用中难以顺利实现。
通过检索还发现，目前相关文献及专利都是根据石墨电极的氧化特性，普遍采取降低电极表面温度、防止氧化性气体侵入石墨电极和延缓电极氧化反应进行的时间等方法，达到降低电极表面氧化的目的。如美国专利No.4588700和中国专利CN1052878以磷硅玻璃等结合碳化物、氮化物和TiO2等制成石墨电极防氧化涂料；日本特许公报46-35602和欧洲专利EP0134789以莫来石、SiC和SiO2为主要填料制成碳素涂料；中国专利CN103585和CN1070933以耐火材料与有机粘接剂制成底料和表面涂料，以上这些方法虽可对石墨电极起到一定的保护作用，但由于未解决石墨电极升温过程中涂料与石墨电极热膨胀系数差异较大的问题，常导致在升至高温过程中局部剥离或剥落，直接影响使用效果，而且这些方法使用大量有机粘接剂，导致涂料在使用过程中的高度挥发分解，造成涂层孔隙过多，不能形成有效的连续涂层，减弱了对保护的作用，此外还不能解决石墨电极内部残留有微孔问题；中国专利CN1354206A以水玻璃作为粘结剂结合耐火材料制成石墨电极防氧化涂料，这种涂料最大的缺点是涂层不易干燥，无法使用。
发明内容：
根据以上石墨电极存在的问题，本发明公开一种用于减少石墨极消耗的保护层的处理工艺及装置。
本发明采用如下工艺：
1)浸渍方法；其特点为采用湿法浸渍，
a对待处理石墨电极进行预处理，用铁刷和压缩空气清理石墨电极表面；
b将石墨电极吊装至浸渍容器中，将通电加热极接在石墨电极两端；
c在石墨电极两端通电加热，电压：20～30V，电流：20～60A，加热1～5min使石墨电极升温至120～150℃后断电，将石墨电极孔隙中的空气加热至稀薄状态后，注入常温的浸渍液(25℃左右)，由于石墨电极迅速降温，石磨孔隙中的空气降温形成负压，可将浸渍液吸入孔隙中。
d石墨电极在浸渍液中降温后，在进行间断加热，温度为120～150℃，对浸渍液进行蒸发处理，蒸发过程中，因为石墨电极作为发热体，饱和浸渍液中的硼化物不断析出在石墨电极的孔隙中和石墨电极表面。
e加热蒸发20～30min后，打开排空阀，放出残余浸渍液，再等2～3min后，断电停止加热石墨电极，浸渍处理完毕。
2)喷涂方法；
将石墨电极用毛刷和压缩空气清除表面的污垢，采用高压无气喷涂工艺将保护涂料涂敷于石墨电极表面，无气喷涂压力为0.6Mpa～1.5Mpa，喷枪口径为0.1～0.15mm，每次喷涂厚度为0.5～1mm，每层涂敷间隔20～30min，确保每层涂料表干后再进行下一道次喷涂，涂层总厚度为2.5～3.5mm。
3)本发明的减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺还可以采用浸渍加喷涂相结合的方法，先对石墨电极进行浸渍处理，然后加喷涂处理，其效果更好。
本发明的浸渍液配方(重量百分比)为：
硼酸15～25％、硅化钼1～3％、NNO扩散剂5～10％、盐酸(浓度：4N)1～3％、余量为水。
本发明涂料采用下列配方(重量百分比)为：
B2O3：5～8％、MoSi2：8～15％、TiO2：5～10％、Cr2O3：3～10％、Al2O3：3～10％、磺化硅树脂：40～65％。
本发明石墨电极保护涂料的制作方法为：首先，将各种原料粉末按比例在湿磨机中进行充分混合，湿磨介质为水或酒精，湿磨时间12～48小时，卸料后烘干制团粒；
第二，将粉末团粒置进行预熔烧结处理，融化温度1400～1600℃，融化10～20min后出炉冷却；
第三，将冷却后的熔化烧结料进行破碎处理，将熔化烧结料全部破碎至-180目；
第四，将-180目粉末进行进一步筛分，分为-180～+300目作为A组填料，-300目粉末作为B组填料；
第五，A、B两组填料按7∶3比例混合成涂料固体填料；
最后，将固体填料粉末与磺化有机硅树脂在胶磨机和混合机中进行混合、搅拌、溶解、分散、均质，卸出装罐即可使用。
本发明石墨电极浸渍处理装置是一种筒体结构，其特征在于在电极的上下两端设置通电加热电极并在其间加入电源，浸渍容器的下部设有排空阀。浸渍器采用整体或分体式结构，分体式结构由筒体和端盖构成。
采用本发明的保护涂料对用于钢包精炼的石墨电极进行保护处理后，在生产实践应用中测试，减少石墨电极消耗15％～25％。
本发明对石墨电极进行浸渍处理提高其密度减少孔隙率，浸渍处理后，减少石墨电极表面孔隙率，从而减少高温氧化反应的接触面积，提高了石墨电极的的使用寿命。
本发明采用独特浸渍液及保护涂料，在涂料中加入具有与石墨材料热膨胀系数相近的微量硅化钼，提高涂层与石墨电极的结合强度，并保证涂层在升温的各温度区间均可保持与石墨电极近似的热膨胀系数，而且控制涂料固体成分的粒度组成，可快速形成稳定连续的具有梯度结构的涂层，都可避免涂层剥离或剥落，实现有效的保护效果。
本发明的优点及效果还在于在对石墨电极进行浸渍处理提高其密度减少孔隙率的基础上，结合高温防氧化涂层对石墨电极进行抗高温氧化保护，提高了保护涂层与石墨基体的机械相容性和化学相容性，而且避免在升温过程中，石墨孔隙种气体因加热外溢破毁连续的涂层，可确保涂层具有明显有效的保护作用。
通过采用本发明的浸渍液及相关工艺对石墨电极进行保护处理，在生产实践应用中测试，减少石墨电极消耗10％～16％；采用本发明的高温保护涂层的方式单独进行石墨保护，经测试，减少石墨电极消耗11％～15％；采用本发明的浸渍结合涂料保护工艺进行石墨电极保护处理，减少石墨电极消耗15％～25％。
附图说明
附图为本发明浸渍方法的装置示意图。
具体实施方式
本发明采用浸渍与喷涂的方法对石墨电极进行加保护层处理，减少消耗，下面对具体实施方式做详细说明：
1)浸渍方法；其特点为采用湿法浸渍，
a对待处理石墨电极进行预处理，用铁刷和压缩空气清理石墨电极表面。
b石墨电极10上端安装悬挂器7、悬挂器7的外面加绝缘层，将石墨电极10吊装至筒式结构浸渍容器中；电极的上下两端设置通电加热电极3、4并在其间加入电源5，石墨电极10放入后，当浸渍容器采用分体式时，将端盖2安装到上浸渍容器1的下端，筒体1与端盖2之间加密封绝缘圈8并用螺栓9连接，注意密封严密，对通电加热电极通电，。
c在石墨电极7两端通电加热，电压：20～30V，电流：20～60A，加热1～5min使石墨电极升温至120～150℃后断电，将石墨电极孔隙中的空气加热至稀薄状态后，注入常温的浸渍液(25℃左右)，由于石墨电极迅速降温，石磨孔隙中的空气降温形成负压，可将浸渍液吸入孔隙中。
d石墨电极在浸渍液中降温后，在进行间断加热，温度为120～150℃，对浸渍液进行蒸发处理，蒸发过程中，因为石墨电极作为发热体，饱和浸渍液中的硼化物不断析出在石墨电极的孔隙中和石墨电极表面。
e浸渍容器的下部设有排空阀，加热蒸发20～30min后，打开排空阀，放出残余浸渍液，再等2～3min后，断电停止加热石墨电极，浸渍处理完毕。
2)喷涂方法；
将石墨电极用毛刷和压缩空气清除表面的污垢，采用高压无气喷涂工艺将保护涂料涂敷于石墨电极表面，无气喷涂压力为0.6Mpa～1.5Mpa，喷枪口径为0.1～0.15mm，每次喷涂厚度为0.5～1mm，每层涂敷间隔20～30min，确保每层涂料表干后再进行下一道次喷涂，涂层总厚度为2.5～3.5mm。
3)本发明的减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺还可以采用浸渍加喷涂相结合的方法，先对石墨电极进行浸渍，然后加喷涂处理，其效果更好。
本发明的浸渍液配方(重量百分比)为：
硼酸15～25％、硅化钼1～3％、NNO扩散剂5～10％、盐酸浓度4N：1～3％、余量为水。
上述配方中，硼酸：工业级，H3BO3≥99％，B2O5≥56.0％，全硫(SO4)≤150ppm，全氯(Cl)≤500ppm，铁(Fe)≤20ppm。
硅化钼：工业级，MoSi2≥99％，可利用工业炉消耗后废弃的硅钼电热棒粉碎后使用可大幅度降低成本。
NNO扩散剂：工业级，分解温度≥220℃，颜色为暗褐色液体，水溶液为棕色透明液体，无渗透起泡现象。
盐酸：工业级，浓度为4N。
将上述原料按比例放入容器中搅拌均匀即可。
本发明涂料采用下列配方(重量百分比)为：
B2O3：5～8％、MoSi2：8～15％、TiO2：5～10％、Cr2O3：3～10％ Al2O3：3～10％、磺化硅树脂：40～65％。
本发明石墨电极保护涂料的制作方法为：首先，将各种原料粉末按比例在湿磨机中进行充分混合，制备中，注意将各种原料粉末按一定比例进行充分混合，最佳湿磨介质为酒精，湿磨时间12h～48h，卸料后烘干制团粒；
第二，将粉末团粒置进行预熔烧结处理，融化温度1400～1600℃，融化10～20min后出炉冷却；
第三，将冷却后的熔化烧结料进行破碎处理，将熔化烧结料全部破碎至-180目，破碎过程中注意防止金属污染。
第四，将-180目粉末进行进一步筛分，分为-180～+300目作为A组填料，-300目粉末作为B组填料；
第五，A、B两组填料按7∶3比例混合成涂料固体填料；
最后，将固体填料粉末与磺化有机硅树脂在胶磨机和混合机中进行混合、搅拌、溶解、分散、均质，卸出装罐即可使用。
下表为实施例在170吨LF精炼生产相同条件下试验测试结果。
实施例1～3为采用单一涂料保护处理测试结果，实施例4为采用单一浸渍处理的测试结果，实施例5为采用浸渍处理结合涂料保护处理的测试结果。
| 实例 | 成分 | 消耗 | 效果 |
| 未做处理石墨电极 | - | 17.94kg(平均) | - |
| 实例1 | 5％B2O3+8％MoSi2+8％TiO2+10％Cr2O3+10％Al2O3+余量磺化硅树脂 | 15.60kg | 减少消耗13％ |
| 实例2 | 8％B2O3+l0％MoSi2+5％TiO2+3％Cr2O3+3％Al2O3+余量磺化硅树脂 | 15.35kg | 减少消耗14％ |
| 实例3 | 8％B2O3+15％MoSi2+10％TiO2+7％Cr2O3+8％Al2O3+余量磺化硅树脂 | 15.07kg | 减少消耗16％ |
| 实例4 | 浸渍液成分：15％硼酸+1％硅化钼+10％NNO扩散剂+1％盐酸(4N)+水进行浸渍处理 | 15.50kg | 减少消耗13％ |
| 实例5 | 浸渍液成分：25％硼酸+3％硅化钼+5％NNO扩散剂+3％盐酸(4N)+水涂料成分：8％B2O3+10％MoSi2+8％TiO2+7％Cr2O3+10％Al2O3+余量磺化硅树脂进行浸渍处理后喷涂涂料0.3mm | 13.45kg | 减少消耗25％ |
Claims (7)
1、一种用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺，采用浸渍渡层的方法，其特征在于：石墨电极保护采用湿法浸渍，其工艺过程如下，
a对待处理石墨电极进行预处理，用铁刷和压缩空气清理石墨电极表面；
b将石墨电极吊装至浸渍容器中，将通电加热极接在石墨电极两端；
c在石墨电极两端通电加热，电压：20～30V，电流：20～60A，加热1～5min使石墨电极升温至120～150℃后断电，将石墨电极孔隙中的空气加热至稀薄状态后，注入常温的浸渍液(25℃左右)，由于石墨电极迅速降温，石磨孔隙中的空气降温形成负压，可将浸渍液吸入孔隙中；
d石墨电极在浸渍液中降温后，在进行间断加热，温度为120～150℃，对浸渍液进行蒸发处理，蒸发过程中，因为石墨电极作为发热体，饱和浸渍液中的硼化物不断析出在石墨电极的孔隙中和石墨电极表面；
e加热蒸发20～30min后，打开排空阀，放出残余浸渍液，再等2～3min后，断电停止加热石墨电极，浸渍处理完毕。
2、如权利要求1所述的一种用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺，石墨电极保护采用涂料喷涂渡层的方法，其特征在于：
将石墨电极用毛刷和压缩空气清除表面的污垢，采用高压无气喷涂工艺将保护涂料涂敷于石墨电极表面，无气喷涂压力为0.6Mpa～1.5Mpa，喷枪口径为0.1～0.15mm，每次喷涂厚度为0.5～1mm，每层涂敷间隔20～30min，确保每层涂料表干后再进行下一道次喷涂，涂层总厚度为2.5～3.5mm。
3、如权利要求1和2所述的一种用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺，其特征在于：采用浸渍加喷涂渡层的方法，先对石墨电极进行浸渍液处理，然后再进行涂料喷涂处理的方法。
4、如权利要求1所述的一种用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺，其特征在于浸渍液的配方(重量百分比)为：
硼酸15～25％、硅化钼1～3％、NNO扩散剂5～10％、盐酸(浓度：4N)1～3％、余量为水。
5、如权利要求2所述的一种用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺，其特征在于石墨电极保护涂料的配方(重量百分比)为：
B2O3：5～8％、MoSi2：8～15％、TiO2：5～10％、Cr2O3：3～10％、Al2O3：3～10％、磺化硅树脂：40～65％。
6、如权利要求2或5所述的一种用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺，其特征在于石墨电极保护涂料的制作方法为：
首先，将各种原料粉末按比例在湿磨机中进行充分混合，湿磨介质为水或酒精，湿磨时间12h～48h，卸料后烘干制团粒；
第二，将粉末团粒置进行预熔烧结处理，融化温度1400～1600℃，融化10～20min后出炉冷却；
第三，将冷却后的熔化烧结料进行破碎处理，将熔化烧结料全部破碎至-180目；
第四，将-180目粉末进行进一步筛分，分为-180～+300目作为A组填料，-300目粉末作为B组填料；
第五，A、B两组填料按7∶3比例混合成涂料固体填料；
最后，将固体填料粉末与磺化有机硅树脂在胶磨机和混合机中进行混合、搅拌、溶解、分散、均质，卸出装罐即可使用。
7、如权利要求1所述的一种用于减少石墨电极消耗的保护层的处理工艺的装置，它是一种筒体结构，其特征在于在电极的上下两端设置通电加热电极并在其间加入电源，浸渍容器的下部设有排空阀，浸渍器采用整体或分体式结构，分体式结构由筒体和端盖构成。
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