炭-石墨制品石墨化裂紋原因分析

石墨化是炭-石墨制品生產(chǎn)工藝過程中熱處理的主要工序之一。艾奇遜石墨化爐是現(xiàn)行炭-石墨制品石墨化生產(chǎn)的主要爐型，是由裝入爐內(nèi)的制品與電阻料做“內(nèi)熱源”的直接加熱間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的一種特殊電阻爐，石墨化爐中裝入制品和電阻料的空間被稱為爐芯，爐芯截面積通常為3-6M2，向石墨化爐內(nèi)通入強(qiáng)大的電流，借助于石墨化爐爐芯電阻，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使制品達(dá)到石墨化的最高溫度，完成石墨化過程，它遵循焦耳—楞茨定律。

由此可知，石墨化爐爐芯內(nèi)不同點(diǎn)上的溫度是不同的，而且在同一點(diǎn)，時(shí)間不同其溫度也不相同，可見，石墨化爐爐芯溫度既是空間的函數(shù)，也是時(shí)間的函數(shù)，從而爐芯內(nèi)各部分的溫度分布是不均衡的。

艾奇遜石墨化爐通電后，是依靠電阻料產(chǎn)生的熱量來加熱制品，使?fàn)t芯溫度逐漸升高，爐芯各處的溫度上升很不均勻，溫度分布的差別很大，石墨化爐爐芯中心部位與爐芯兩側(cè)靠近保溫料處的溫度可相差數(shù)百攝氏度，爐芯上部與下部的溫度差也可達(dá)百攝氏度。因此，同一石墨化爐爐芯內(nèi)加熱溫度分布的不均勻是造成爐芯制品產(chǎn)生裂紋的主要 原因。

本人根據(jù)多年的石墨化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于炭-石墨制品在石墨化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂紋廢品的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)和分析；在此和炭素工程技術(shù)人員共同探討，以期達(dá)到減少炭-石墨制品石墨化生產(chǎn)工藝過程中的裂紋廢品，提高石墨化工序的成品率，降低石墨化工序的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

制品石墨化裂紋原因

在石墨化過程中，制品產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在因素是制品的本體質(zhì)量不高，抗熱性能較差；外部因素是制品在石墨化過程中爐芯溫度上升速度過快，制品上下或四周溫度差也隨之加大，熱應(yīng)力也相應(yīng)增大是制品產(chǎn)生裂紋的主要原因。

1、石墨化工藝制度不合理

裝爐方式

艾奇遜石墨化爐制品通常采用立裝法裝爐，立裝法有正裝和錯(cuò)裝兩種形式。爐芯制品正裝時(shí)，對(duì)于任何一根制品來說，只有一條高密度電流加熱帶，這一條加熱帶越寬，制品受熱相對(duì)均勻一些，反之，受熱很不均勻。錯(cuò)裝時(shí)，每根制品存在兩條高密度電流加熱帶，制品受熱相對(duì)正裝要均勻一些。因此，石墨化爐制品裝爐方式選擇不當(dāng)，在石墨化送電過程中，制品周圍溫升速度相差較大，制品產(chǎn)生的熱應(yīng)力超出了本體能夠承受的熱應(yīng)力，極容易使制品產(chǎn)生裂紋。  

通電制度不合理

艾奇遜石墨化爐芯的溫度變化曲線是采用定功率配電的功率曲線來控制的，如果石墨化爐通電制度不合理，確定的石墨化爐通電曲線開始功率過大和上升功率過快，使制品在通電過程中內(nèi)外溫度梯度過大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力大大超過制品抵抗能力而產(chǎn)生裂紋。尤其是爐溫在1300-1800度時(shí)，為嚴(yán)控爐溫上升階段，此階段制品的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組 成開始發(fā)生很大變化，無定形炭的石墨化并未開始，實(shí)際上以化學(xué)反應(yīng)為主，無定形炭微晶結(jié)構(gòu)中結(jié)合的氫、氧、氮、硫等元素不斷逸出，逸出的結(jié)果使無定形炭微晶結(jié)構(gòu)邊緣部分的雜質(zhì)元素不斷減少，并殘留下若干晶格缺陷，同時(shí)促使熱應(yīng)力相對(duì)集中，極容易使制品產(chǎn)生裂紋。

電阻料的電阻

石墨化爐芯電阻是由制品的電阻與電阻料的電阻串聯(lián)構(gòu)成的，石墨化爐開始通電時(shí)電阻料的電阻約占爐芯電阻的99%左右，通電結(jié)束后電阻料的電阻還要占到97%左右，可見在整個(gè)石墨化過程中主要是電流通過電阻料產(chǎn)生的熱量來加熱制品，電阻料的電阻與制品的電阻相差較大時(shí)，在石墨化通電過程中，電阻料產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制品本身的熱量，造成制品內(nèi)外溫度相差過大，就會(huì)引起熱應(yīng)力過大使制品產(chǎn)生裂紋廢品。

2、石墨化操作質(zhì)量不高

裝爐質(zhì)量不高

石墨化裝爐操作不符合工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，裝爐時(shí)爐芯制品排列不整齊，制品組間距不一致，電阻料填充不均勻，甚至出現(xiàn)電阻料 “膨料”現(xiàn)象，這樣就會(huì)出現(xiàn)在石墨化爐送電過程中爐芯各處的電流分布很不均勻，導(dǎo)致制品加熱和溫升速度很不均勻，制品內(nèi)部溫差過大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力使制品產(chǎn)生裂紋廢品。

電阻料質(zhì)量不均勻

石墨化裝爐采用混合焦做電阻料時(shí)，由于冶金焦的電阻率比石墨化焦大5-8倍，如果冶金焦和石墨化焦混合不均勻，爐芯各處的電阻分布很不均勻，造成通電時(shí)爐芯各部位的溫升速度很不均勻，制品上下和四周溫差過大，熱應(yīng)力也隨之增大，容易使制品產(chǎn)生大批量的裂紋廢品。

石墨化爐爐芯偏流

根據(jù)艾奇遜石墨化爐電熱規(guī)律可知，石墨化爐芯內(nèi)的溫度分布，不僅與爐芯電阻有關(guān)系，而且也與爐芯中通過的電流大小有密切關(guān)系。當(dāng)艾奇遜石墨化爐爐芯由于各種原因出現(xiàn)偏流情況時(shí)，爐芯各處通過的電流大不相同，爐芯溫度的分布差別很大。當(dāng)爐芯電流分布相差較大時(shí)，電流大的部位產(chǎn)生的熱量多，該區(qū)域的制品溫升較快，電流小的部 位產(chǎn)生的熱量少，該區(qū)域的制品溫升較慢，因此爐芯溫度分布相差較大，從而制品內(nèi)部溫差也大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也相應(yīng)增大，使制品產(chǎn)生裂紋廢品。

3、焙燒品本體質(zhì)量

焙燒品內(nèi)部裂紋

有資料介紹，制品在焙燒過程中 350-500度和700度及其以上的溫度區(qū)間是炭材料有可能發(fā)生破壞的最危險(xiǎn)的溫度范圍。當(dāng)制品的外表面溫度為800度，最大徑向溫差為10.7度時(shí)，半徑50-65mm的區(qū)域決定材料的強(qiáng)度狀況，在毛坯中心半徑65mm的范圍內(nèi)，形成了危險(xiǎn)的拉應(yīng)力區(qū)。當(dāng)溫度為700度或更高時(shí)，該區(qū)域的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的斷裂強(qiáng)度的極限，這就是制品產(chǎn)生縱向平直裂紋的原因，這種裂紋一般不會(huì)擴(kuò)展到制品的外表面，即制品的內(nèi)部裂紋。

制品的均質(zhì)性

炭-石墨制品密度分布的均勻性，制品的徑向密度與軸向密度分布的均勻性高低與制品石墨化熱處理過程中質(zhì)量好壞密切相關(guān)。制品密度分布不均勻處，在石墨化熱處理過程中，由于熱應(yīng)力的作用，制品容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，相應(yīng)地制品內(nèi)應(yīng)力的分布也不均勻，這種不均勻的內(nèi)應(yīng)力容易使制品產(chǎn)生裂紋，從而造成石墨化過程中出現(xiàn)裂紋廢品。

制品體積密度偏高

炭-石墨制品的體積密度主要隨生產(chǎn)原料、工藝技術(shù)條件的不同而變化，制品的抗折強(qiáng)度、彈性模量、熱導(dǎo)率隨體積密度的增加而增大。當(dāng)體積密度偏高時(shí)，制品的彈性模量增加，脆性增大，導(dǎo)致制品的抗熱沖擊性能較差，在石墨化熱處理過程中，由于高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力大大超出了制品本身能夠承受的應(yīng)力，內(nèi)外應(yīng)力相差較大，制品產(chǎn)生裂紋廢品。

前工序生產(chǎn)不穩(wěn)定

由于石墨化是炭-石墨制品生產(chǎn)的最后一個(gè) 熱處理過程，也是溫度最高的一個(gè)熱處理過程。一般認(rèn)為，當(dāng)前工序生產(chǎn)不穩(wěn)定或出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng)時(shí)，在石墨化過程中會(huì)集中暴露出來。如果煅燒料溫度低，瀝青軟化點(diǎn)不合格，焙燒溫度低，浸漬增重率不合格等，制品在石墨化高溫處理時(shí)，會(huì)造成二次收縮，或收縮不均勻，非常容易產(chǎn)生裂紋廢品。

氣脹現(xiàn)象

制品石墨化過程中產(chǎn)生某種程度的不可逆體積膨脹，其主要原因是制品在石墨化過程中，由于硫分集中急劇逸出而引起的，這種不可逆膨脹的程度隨著含硫量的增加和熱處理速度的加快而增加，這種不可逆膨脹行為被稱為“氣脹現(xiàn)象”。

眾所周知，經(jīng)過1350溫度煅燒處理后的石油焦，非碳元素如氫、氧、氮等的含量一般低于0.1%；但是，硫和芳香烴的碳原子結(jié)合得非常牢固，以致于c—-s鍵在1400度以上才開始斷裂，生成硫和硫碳化合物；在更高的溫度下，主要是在1500-1800度時(shí)，所生成的硫和硫碳化合物以氣體的形式急劇地從制品中釋放出來，對(duì)制品產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，在制品內(nèi)形成微小的孔洞和裂紋，當(dāng)硫分含量達(dá)到一定的程度時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致石 墨化過程中的制品產(chǎn)生裂紋。

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