你知道嗎？看似不起眼的石墨電極，其質量與規(guī)格的每一次突破，都直接對應著世界電爐煉鋼效率的躍升，從最初僅供應小規(guī)格電極，到如今支持著全球每年數百萬噸鋼產量的背后，是一場跨越百年的材料進化史。

石墨電極(Graphite electrode) 以石油焦、瀝青焦為顆粒料，煤瀝青為黏結劑，經過混捏、成型、焙燒、石墨化和機械加工而制成的一種耐高溫的石墨質導電材料。石墨電極是電爐煉鋼的重要高溫導電材料，通過石墨電極向電爐輸入電能，利用電極端部和爐料之間引發(fā)電弧產生的高溫為熱源，使爐料熔化進行煉鋼，其他一些電冶煉或電解設備也常使用石墨電極為導電材料。2000 年全世界消耗石墨電極 100 萬 t 左右，中國 2000 年消耗石墨電極 25 萬 t 左右。利用石墨電極優(yōu)良的物理化學性能，在其他工業(yè)部門中也有廣泛的用途，以生產石墨電極為主要品種的炭素制品工業(yè)已經成為當代原材料工業(yè)的重要組成部分。

石墨電極的發(fā)展過程：

早在 1810 年漢弗萊·

1877 年美國克利夫蘭(Cleveland)的勃洛希(C.F.Brush)和勞倫斯(W.H.Lawrence)采用煅燒過的石油焦研制低灰分的炭質電極獲得成功

1899 年普利查德(O.G.Pritchard)首先報道了用錫蘭天然石墨為原料制造天然石墨電極的方法。1896 年卡斯特納(H.Y.Gastner)獲得了使用電力將炭質電極直接通電加熱到高溫，而生產出比天然石墨電極使用性能更好的人造石墨電極的專利權。

1897 年美國金剛砂公司(Carborundum Co.)的艾奇遜(E.G.Acheson)在生產金剛砂的電阻爐中制造了第一批以石油焦為原料的人造石墨電極，產品規(guī)格為 22mm×32mm×380mm，這種人造石墨電極當時用于電化學工業(yè)生產燒堿，在此基礎上設計的“艾奇遜”石墨化爐將由石油焦生產的炭質電極及少量電阻料(冶金焦粒)構成“爐芯電阻”，通電后產生高溫，使由石油焦制成的炭質電極在高溫下“石墨化”而獲得人造石墨電極。

19 世紀末法國人埃魯(P.L.T.Heroult)發(fā)明了直接電弧爐，開始用于冶煉電石和鐵合金生產，1899 年首次用于煉鋼，電弧爐需要一定數量耐高溫的導電電極。雖然 1900 年前后艾奇遜石墨公司(Acheson Graphite Co.)就出售可連接的電極，但當時只能生產小規(guī)格石墨電極，

20 世紀初期電爐煉鋼主要使用以無煙煤為原料的碳質電極或以天然石墨為原料的天然石墨電極。生產碳質電極或天然石墨電極的工藝比較簡單，

1910 年已經向市場供應直徑達 610mm 的炭質電極。但是，由于石墨電極的優(yōu)良性能以及制造工藝的不斷改進，大規(guī)格石墨電極實大批量生產且售價不斷下降，電爐煉鋼工業(yè)逐漸改用石墨電極，使用炭質電極或天然石墨電極的情況逐漸減少。

20 世紀 60 年代以后絕大多數電弧煉鋼爐都使用石墨電極。

1914～1918 年制成的石墨電極最大直徑只有 356mm，

1924 年開始生產直徑為 406mm 的石墨電極，1930 年已擴大到 457mm，1937 年又增加到 508mm，不久又生產了直徑 559mm、610mm、660mm、711mm、762mm 的大規(guī)格石墨電極。

20 世紀 80 年代世界上最大的電弧煉鋼爐使用的石墨電極直徑為 813mm。第二次世界大戰(zhàn)以后，生產石墨電極的原料質量、設備和制造工藝不斷改進，隨著電爐煉鋼輸入電功率不斷提高的需求，20 世紀 60～70 年代又研制成功了高功率及超高功率石墨電極。

由于石墨電極質量不斷提高及電爐煉鋼工藝的改進，每噸電爐鋼的石墨電極消耗已由 70 年代的 6～8kg 降低到 80 年代的 4～6kg(普通功率電爐)，采用超高功率石墨電極的大型電爐每噸鋼的電極消耗已降低到 2.5kg 左右，而超高功率直流電弧爐(只用 1 根石墨電極)每噸鋼的石墨電極消耗可降低到 1.5kg 左右。80 年代末世界上工業(yè)發(fā)達國家電爐煉鋼工業(yè)多數電爐的噸位已提高到 80～200t，因此大量使用的是直徑 550～750mm 的高功率或超高功率石墨電極。

石墨電極的種類：

根據所用原料的不同和成品物理化學指標的區(qū)別，石墨電極分為普通功率石墨電極(RP 級)，高功率石墨電極(HP 級)和超高功率石墨電極(UHP 級)3 個品種。這是因為石墨電極主要供電弧煉鋼爐作為導電材料使用，20 世紀 80 年代國際電爐煉鋼工業(yè)把電弧煉鋼爐按每噸爐容量的變壓器輸入功率大小分為 3 類：普通功率電爐(RP 爐)、高功率電爐(HP 爐)和超高功率電爐(UHP 爐)。20t 以上的普通功率電爐每噸爐容量的變壓器輸入功率一般為 300kW/t 左右；高功率電爐為 400kW/t 左右；將 40t 以下的電爐輸入功率 500～600kW/t、50～80t 的電爐輸入功率 400～500kW/t、100t 以上的電爐輸入功率 350～450kW/t 的電爐稱為超高功率電爐。

到了 20 世紀 80 年代末，經濟發(fā)達國家大量淘汰 50t 以下的中小型普通功率電爐，新建的電爐多數是 80～150t 的超高功率大電爐，并將輸入的電功率提高到 800kW/t，90 年代初期一部分超高功率電爐又進一步提高到 1000～1200kW/t。高功率和超高功率電爐使用的石墨電極在更加苛刻的條件下運行，由于通過電極的電流密度明顯增大，

結果產生下列問題：(1)因電阻熱和熾熱氣流導致電極溫度升高，使得電極及接頭的熱膨脹量都增加了，同時電極的氧化消耗也增大了。

電極中心部位和電極外圓的溫度差增大了，由溫度差引起的熱應力也相應增大，電極容易產生裂紋和表面剝落。

(3)增大了電磁作用力，引起劇烈的振動，在劇烈振動下，電極因連接松動、脫扣而導致折斷的幾率增大了。因此高功率和超高功率石墨電極的物理機械性能必須優(yōu)于普通功率石墨電極，如電阻率較低，體積密度較大及機械強度較高，熱膨脹系數要小，有良好的抗熱震性能。表 1 列出了 20 世紀 80 年代末期 3 種不同功率電弧煉鋼爐的通用標準系列和配用的石墨電極直徑。為了適應煉鋼廠大量發(fā)展高功率及超高功率電爐的需要，20 世紀 80 年代起歐美、日本的炭素廠主要生產兩種質量標準的石墨電極，即高功率石墨電極和超高功率石墨電極，普通功率石墨電極因銷路不大而很少生產。 直流電弧爐用石墨電極 直流電弧爐是 20 世紀 80 年代初發(fā)展成熟的新型電爐煉鋼設備，初期的直流電弧爐是在原來的交流電弧爐基礎上改造而成，有的使用 3 根石墨電極，有的使用 2 根石墨電極。