石墨電極與接頭的“理想連接”及實(shí)現(xiàn)

陳敬全 周麗華 陳善元 朱 強(qiáng)

（泰興市晨光高新技術(shù)開發(fā)有限公司，江蘇泰興 225400）

1 石墨電極與接頭在通電過程中的集膚效應(yīng)

德國著名炭素專家赫爾穆特·威爾斯戴特在《石墨電極生產(chǎn)、檢驗(yàn)與應(yīng)用基本原理》一書中指出：“石墨電極與接頭在使用中大約80%的電流是流經(jīng)電極端面的?！?/p>

這段話來自電學(xué)的基本原理。就是說在電流傳導(dǎo)過程中，80%的電流從導(dǎo)體最大直徑處流過，即所謂的“集膚效應(yīng)”。而電極與接頭在使用過程中也是電導(dǎo)體，所以也適用“集膚效應(yīng)”。

那么，“集膚效應(yīng)”與電極和接頭的“理想連接”有什么關(guān)系呢？

2 集膚效應(yīng)是電極與接頭“理想連接”的理論基礎(chǔ)

毫無疑問，“集膚效應(yīng)”對電極與接頭的使用是極為有利的。首先，由于“集膚效應(yīng)”，電極與接頭在使用過程中大約80%的電流是流經(jīng)電極端面的，而電極端面如果實(shí)現(xiàn)大面積接觸，接觸電阻很小，因而功耗大大減少，從而可降低冶煉企業(yè)的單位電極損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

其次，電極與接頭在使用過程中僅20%的電流流經(jīng)其螺紋連接處，與傳統(tǒng)的電極端面不接觸或接觸不良、100%電流流經(jīng)螺紋連接處相比，功耗下降80%以上，發(fā)熱量大大減少，可以杜絕傳統(tǒng)電極與接頭螺紋連接處因電流大而產(chǎn)生局部高溫?zé)灾抡蹟嗟默F(xiàn)象。

但是，由圖1可見，“集膚效應(yīng)”的存在并發(fā)揮作用是有條件的。條件為：

（1）電極端面接觸率趨近100%，通電面積最大化，特別是電極最大直徑處接觸良好。這是“集膚效應(yīng)”存在的基礎(chǔ)。如果這一條件做不到，通電時(shí)由于電極端面不接觸或接觸不良，電流只能從螺紋連接處通過，其“集膚效應(yīng)”只能是螺紋連接最大直徑處的“集膚效應(yīng)”，傳導(dǎo)電阻和功耗將大大增加。

（2）螺紋連接處各項(xiàng)有關(guān)精度匹配良好，連接緊密可靠，不但使20%電流通過時(shí)電阻和發(fā)熱量降到最低，而且確保端面接觸良好。

符合以上兩個(gè)條件的電極和接頭的連接就是“理想連接”。

3 實(shí)現(xiàn)石墨電極與接頭“理想連接”的加工要求

首先從上述第1條件來分析，為達(dá)到電極與接頭連接端面接觸率趨近100%，則加工必須符合以下要求：

（1）電極端面高度平整，平面度誤差 ≤0.012 mm；

（2）電極端面不得中凸，只能中凹，中凹量 ≤0.05 mm；

（3）電極端面與螺紋中心線垂直度誤差≤0.01 mm；

（4）電極與接頭螺紋的4點(diǎn)偏差≤0.04 mm。

其次，從第2條件來分析，為達(dá)到螺紋連接處各項(xiàng)有關(guān)精度匹配良好，連接緊密，則加工精度必須達(dá)到以下要求：

（1）單牙螺距誤差≤0.012 mm，螺距累積誤差≤0.03 mm/152.4 mm，從而保證連接螺紋每個(gè)螺牙都能緊密均勻配合；

（2）電極與接頭螺紋直徑分別為（d+1/2t）mm 和（d+1/2t4）mm，其中 t為根據(jù)電極與接頭材料的熱膨脹系數(shù)及經(jīng)驗(yàn)而定的直徑方向保證間隙值，使其未通電時(shí)螺牙連接良好，通電發(fā)熱后不會(huì)因膨脹而壓潰和燒斷；

（4）螺紋牙形半角為30°±10′，牙面粗糙度Ra≤3.2!m，此外，電極與接頭連接處外徑錯(cuò)開量必須≤0.15 mm，以防止夾持通電時(shí)夾斷。因此要求電極螺紋中心線與外圓的同軸度≤0.07 mm。

顯而易見，電極與接頭的“理想連接”對加工精度提出了很多超出常規(guī)的要求，傳統(tǒng)加工技術(shù)已難以解決，因此推廣數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度加工是必由之路。

4 推廣數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“理想連接”

20世紀(jì)90年代，我國除吉炭、蘭炭從美、日進(jìn)口了幾條電極與接頭自動(dòng)加工線外，對大多數(shù)中小炭素廠來講，使用自動(dòng)加工線或數(shù)控加工機(jī)床來解決電極與接頭的精密加工還只能是遙不可及的夢想。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國陸續(xù)研制成功了各種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電極與接頭加工機(jī)床單機(jī)和數(shù)控自動(dòng)加工線。國產(chǎn)設(shè)備的高技術(shù)、高性能和高性價(jià)比毫不遜色于國外進(jìn)口同類設(shè)備，經(jīng)過幾年的努力，已得到了大面積推廣。截至目前為止，我國已建成和正在新建CGK·RZ·01數(shù)控接頭自動(dòng)加工線15條，改造接頭自動(dòng)線3條，CGK·RZ·02數(shù)控電極自動(dòng)加工線6條。廣大中小炭素企業(yè)，特別是出口炭素企業(yè)，認(rèn)識到數(shù)控加工的重要性，積極推廣應(yīng)用數(shù)控機(jī)床，數(shù)控化率已達(dá)到80%以上，為實(shí)現(xiàn)電極與接頭的“理想連接”打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我國的數(shù)控加工電極與接頭技術(shù)的推廣得到了世界特別是歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的認(rèn)可，并形成了自己獨(dú)特的優(yōu)勢：

（1）國產(chǎn)機(jī)床突出了“全數(shù)控加工”，消除傳動(dòng)鏈誤差，使螺紋螺距、錐度、精度優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備，引導(dǎo)了電極與接頭精密加工的新潮流；

（2）直徑尺寸采用數(shù)控方法精細(xì)調(diào)整，特別方便，尺寸變化范圍極?。?/p>

（3）數(shù)控技術(shù)先進(jìn)，單機(jī)采用國產(chǎn)專用高性能數(shù)控系統(tǒng)，整線采用西門子PLC和自行開發(fā)的數(shù)控軟件控制，并帶上位計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷；

（4）電極螺紋與端面加工方法特殊，其端面加工不同于美國線的車削，也不同于日本線的銑削（只能銑平或銑凸，不能銑凹）和德國線的二次銑削，而是由同一根主軸帶動(dòng)下進(jìn)行螺紋加工和端面刮削，端面平直度好而且可以輕而易舉地實(shí)行中凹，端面與螺紋軸心線的垂直度明顯領(lǐng)先；

（5）自行配套經(jīng)高精度磨削的鑲嵌硬質(zhì)合金梳刀，價(jià)廉物美，便于推廣。

由于國產(chǎn)電極與接頭數(shù)控機(jī)床及數(shù)控自動(dòng)加工線具有上述優(yōu)勢，現(xiàn)已開始出口印度HEG公司等，并受到好評，有望進(jìn)一步出口德、意等國家。

隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展，對電極與接頭使用的安全性和經(jīng)濟(jì)性日益凸顯出來。建立在其高精度的基礎(chǔ)上，提出了電極與接頭“理想連接”的新概念，實(shí)現(xiàn)電極與接頭的“理想連接”，其在使用過程中燒損、松脫的危險(xiǎn)性大大減小，部分彌補(bǔ)材質(zhì)缺陷帶來的強(qiáng)度不足等影響，并且明顯地降低電能和材料損耗從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。