炭材料石墨化爐銅電極組件的優(yōu)化改進(jìn)

劉維鵬，王茜茜，康文杰，張靈玉，趙松，邢如鵬，侯衛(wèi)權(quán)

（西安超碼科技有限公司，西安 710025）

1 前言

炭/炭復(fù)合材料是炭纖維及其織物增強(qiáng)炭基復(fù)合材料，其具有比重輕、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫和抗熱蠕變性能好等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用在航空、航天和民用等領(lǐng)域[1-5]。

石墨化是制備炭/炭復(fù)合材料并使其獲得相應(yīng)性能的重要工序之一，對炭/炭復(fù)合材料具有這五種作用: (1)實(shí)現(xiàn)炭材料的相結(jié)構(gòu)從過渡相向石墨結(jié)構(gòu)相的轉(zhuǎn)變；(2)可以排除炭/炭復(fù)合材料內(nèi)部的雜質(zhì)，提高純度；(3)提高和穩(wěn)定炭/炭復(fù)合材料的性能；(4)改善和提高炭/炭復(fù)合材料的可機(jī)加性；(5)改善和提高致密效率。

炭素工業(yè)，尤其是電極生產(chǎn)中大多數(shù)采用接觸電阻加熱方式對工件進(jìn)行石墨化，而炭/炭復(fù)合材料的石墨化通常采用輻射加熱或感應(yīng)加熱的方式來加熱工件。我司石墨化爐是在一定的真空或惰性氣氛條件下，利用石墨發(fā)熱體將爐內(nèi)工件加熱到規(guī)定溫度，從而實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)工件進(jìn)行高溫處理。該石墨化爐主要由爐體系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等組成，需在水、電、氣正常供應(yīng)的前提下才能安全運(yùn)行。

2 故障現(xiàn)象和原因分析

目前我司石墨化爐的引電核心元件（銅電極）共12根，其材質(zhì)為紫銅，總長約500 mm，均布于爐底左右兩側(cè)。銅電極頂部通過螺紋連接與石墨電極相接，銅電極伸出爐腔與外部電源相通，且其底部（內(nèi)部盲孔的開口處）安裝可通冷卻水的銅電極冷卻水嘴。

該銅電極所搭接的活動法蘭通過8個絕緣處理的螺栓與爐底固定法蘭固定在一起。為保證2個法蘭之間的絕緣性和氣密性，在2個法蘭之間設(shè)置一個可以放置O型密封圈的膠木套。為保證爐體氣密性良好，使用2個銅螺母依次緊固在銅電極底部的螺紋上（實(shí)物照片如圖1所示）。

圖1 爐底銅電極及其組件實(shí)物Fig.1 Copper electrode and its components at the bottom of furnace

由于該石墨化爐在爐溫升到2000℃后，銅電極及其連接法蘭的外表面溫度均可達(dá)70℃，致使膠木套處密封圈老化失效較快，容易使空氣從密封圈處滲入爐內(nèi)使得石墨電極孔周圍保溫層氧化損壞嚴(yán)重。

通過技術(shù)人員的現(xiàn)場跟蹤、討論分析，逐漸弄清銅電極過熱的原因。原因之一，石墨化爐二次輸出電流4462A，銅電極的內(nèi)外徑分別為φ32mm和φ90mm，其載流截面積為5554.66mm2，理論載流量0.803A/mm2，因此存在銅電極載流量偏大，冷卻水道直徑偏小。原因之二，銅電極的冷卻水是1個水管分流供應(yīng)2個銅電極，致使冷卻水流量偏小，冷卻效果不佳。原因之三，膠木套與固定法蘭、活動法蘭之間的密封圈材質(zhì)為丁腈橡膠，而丁腈橡膠密封圈長期在高溫環(huán)境中使用，很容易出現(xiàn)老化、失效現(xiàn)象。

3 改進(jìn)措施和效果

為解決上述問題，決定對石墨化爐銅電極及其組件進(jìn)行技術(shù)改造，具體改進(jìn)措施包括以下3個方面：

3.1 銅電極內(nèi)外徑變大使載流量減小，冷卻水道直徑變大來增大冷卻面積

改造后銅電極內(nèi)外徑分別為φ54mm和φ110mm，載流截面積為7209.44mm2，理論載流量0.618A/mm2，銅電極冷卻水道直徑加大到φ54mm，增強(qiáng)冷卻效果。銅電極相關(guān)附屬部件如O型密封圈、爐底法蘭、銅螺母、銅電極冷卻水嘴的配合尺寸也隨之發(fā)生變動。

3.2 每個銅電極配備單獨(dú)1路冷卻水管

為進(jìn)、出水總管分別增加一個進(jìn)、出水延長管，并在該延長管上增加一倍數(shù)量的冷卻水進(jìn)、出水嘴，并用橡膠軟管將該進(jìn)、出水嘴與銅電極冷卻水嘴連接起來，使每個銅電極均有1路單獨(dú)冷卻水管，確保冷卻水流量充足。

3.3 更換O型密封圈的材質(zhì)

氟橡膠是指主鏈或側(cè)鏈的碳原子上含有氟原子的合成高分子彈性體。氟原子的引入，賦予橡膠優(yōu)異的耐熱性、抗氧化性、耐候性等性能。鑒于氟橡膠的耐高溫性能是目前彈性體最好的，故將O型密封圈的材質(zhì)由丁腈橡膠更換為氟橡膠。

由于石墨化爐左右兩側(cè)分別配有相同的獨(dú)立電源系統(tǒng)，為對比改造前、后各組件的使用效果，右側(cè)銅電極及其附屬部件則仍為改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)，而將石墨化爐左側(cè)銅電極及其附屬部件全部更換為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)。因銅電極過熱的現(xiàn)象基本都出現(xiàn)在爐溫高于1500℃時，故用TS550型非接觸式紅外測溫儀監(jiān)測石墨化爐運(yùn)行過程中1500~2100℃范圍內(nèi)、左右兩側(cè)銅電極及其附屬部件的溫度變化情況，結(jié)果如圖2~5所示。

圖2 右側(cè)（改造前）和左側(cè)（改造后）銅電極平均溫度對比Fig.2 Comparison of the average temperature of the copper electrode on the right (before modification) and the left (after modification)

圖3 右側(cè)（改造前）和左側(cè)（改造后）銅螺母平均溫度對比Fig.3 Comparison of average temperature of copper nut on the right (before modification) and the left (after modification)

圖4 右側(cè)（改造前）和左側(cè)（改造后）活動法蘭平均溫度對比Fig.4 Comparison of the average temperature of movable flange on the right (before modification) and the left (after modification)

圖5 右側(cè)（改造前）和左側(cè)（改造后）膠木套平均溫度對比Fig.5 Comparison of average temperature of bakelite sleeve on the right (before modification) and the left (after modification)

由圖2~5可知，隨著石墨化爐運(yùn)行溫度的升高，右側(cè)（改造前）和左側(cè)（改造后）銅電極及其附件的平均溫度整體呈逐漸升高的趨勢，但左側(cè)各部位平均溫度比右側(cè)可下降20~30℃。經(jīng)過上述改造后，石墨化爐銅電極及其附件的溫度可下降近三分之一，可見新的改進(jìn)設(shè)計是成效的。

4 結(jié)束語

石墨化爐銅電極載流量大、冷卻水供應(yīng)量小，易使銅電極及其組件溫度較高，不利于石墨化爐穩(wěn)定運(yùn)行。通過優(yōu)化銅電極尺寸、增加冷卻水供應(yīng)量、更換O型密封圈材質(zhì)，既可以降低銅電極及其組件的溫度，又可以保持爐體良好氣密性，有利于石墨化爐的穩(wěn)定運(yùn)行和生產(chǎn)效率的提高。