石墨電極的表面改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨電極的制造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨電極一般采用焦炭、浙青和一些添加劑為原料，經(jīng)過配料、預(yù)成型、焙燒和浸潰、石墨化處理、后加工等工序制成。具有良好的導(dǎo)電性能和耐腐蝕性能，廣泛用于冶金、化工等生產(chǎn)企業(yè)的電爐、電解、電化學(xué)工藝過程中。
[0003]碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用夕卜，還可制成高級耐火材料。
[0004]β-Sic,與金剛石接近,光潔度及拋光性能遠(yuǎn)超白剛玉和a-Sic (黑碳化娃和綠碳化硅)；在1600°C以上溫度時β-Sic仍具有超高的強(qiáng)度和；i3-Sic比α-Sic的導(dǎo)電性高幾倍；β -Sic具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率和低膨脹系數(shù)，使得其在加熱和冷卻過程中受到的熱應(yīng)力很小。β-SiC微粉有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、高熔點(2973°C)、高硬度、高熱導(dǎo)率、低熱脹系數(shù)、寬能帶隙、高電子漂移速度、高電子遷移率、特殊的電阻溫度特性等，因此具有抗磨、耐高溫、耐熱震、耐腐蝕、耐輻射、良好的半導(dǎo)電特性等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于電子、信息、精密加工技術(shù)、軍工、航空航天、高級耐火材料、特種陶瓷材料、高級磨削材料和和增強(qiáng)材料等領(lǐng)域。
[0005]申請專利號為2011103951749的發(fā)明公開了一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法。該方法將石墨電極包埋于Si粉中高溫反應(yīng)得到SiC表面防護(hù)層；又運用真空等離子噴涂技術(shù)在已得到的SiC防護(hù)層表面噴涂熔融SiC涂層，填補(bǔ)修飾包埋法SiC防護(hù)層中的表面缺陷，提高了表面防護(hù)層的質(zhì)量。根據(jù)化學(xué)常識，碳和硅不能直接反應(yīng)制取碳化硅，所以該方法對石墨電極的表面處理技術(shù)是不可行的。
[0006]申請專利號為2013100824859的發(fā)明揭示了一種提高硅鋼石墨輥套抗高溫氧化性的表面處理方法，包括以下步驟:步驟1，輥套基體表面處理；步驟2，浸潰處理；步驟3，中溫固化處理；步驟4，無氧化高溫裂解陶瓷化。其中，輥套基體為石墨基體；輥套基體表面處理使抗氧化涂覆層與輥套基體更好地結(jié)合；浸潰處理的浸潰溶液為液態(tài)聚碳硅烷；中溫固化處理的固化溫度為150?200°C;無氧化裂解陶瓷化溫度為1000?1200°C。該發(fā)明采用聚碳硅烷的熔點為200度左右，在甲苯等有機(jī)溶劑中易溶解，所以其處理的石墨電極耐溫性和抗有機(jī)溶劑性能很差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:克服傳統(tǒng)的石墨電極力學(xué)強(qiáng)度偏低、耐蝕性欠佳的缺點，提供一種抗折彎、抗沖擊、抗氧化的石墨電極的表面改性方法。
[0008]技術(shù)方案:
采用下述工藝步驟:
I)將碳化硅的微粉、微粒、晶須或短纖維(晶須或短纖維能夠提供更好的抗拉抗折彎強(qiáng)度)，短切碳纖維，與其它原料(浙青、焦炭、助劑等傳統(tǒng)石墨電極的原料)一起混配料、混捏，形成面漿料。所述的面漿料中，碳化硅的重量比為1_5%，碳纖維的重量比為1-10%，碳化硅和碳纖維交錯混合在一起，能夠形成網(wǎng)絡(luò)狀的內(nèi)在支撐結(jié)構(gòu)，兩種材料的優(yōu)勢以及其它原料的性能能夠有機(jī)結(jié)合起來，帶來優(yōu)越的綜合性能。另外，碳化硅優(yōu)選β _Sic，焦炭優(yōu)選采用針狀焦炭。助劑指傳統(tǒng)石墨電極制造中需要使用的溶劑、濕潤劑、惰性填料等輔助成份。
[0009]2)將其它原料單獨配料、混捏，形成芯部漿料。
[0010]3)在生坯成型階段，將面漿料先擠出或涂覆在模具的型腔內(nèi)表面，再擠出其它原料組成的芯部漿料(或者，采用共擠出機(jī)械配套雙層共擠出?？?，使得面漿料包裹芯部漿料。然后，共同加壓干燥定型，成為復(fù)合生坯。其中，面漿料層的厚度占整個石墨電極徑向尺寸的2-30% (進(jìn)一步優(yōu)選5-15%，過薄不易制造，過厚成本偏高)。
[0011]4)將復(fù)合生坯焙燒和浸潰，反復(fù)進(jìn)行多次，然后固化；焙燒的溫度為700-1500°C，使得浙青碳化；浸潰漿料為浙青，浸潰容器的氣壓為負(fù)壓，浸潰使得制品密實度提高。
[0012]5)固化后，表面形成一層纖維或粒子增強(qiáng)的復(fù)合材料層。而且，由于浙青是共同的基體材料，表面層與芯部結(jié)合牢固，沒有明顯的分層，對石墨電極的力學(xué)強(qiáng)度和石墨化處理后導(dǎo)電性能的提升比較有利。
[0013]6)最后的石墨化處理工序中，最高溫度控制在2730°C ( a-Sic的熔點)或者29730C ( β -Sic的熔點)之內(nèi)，使得對復(fù)合材料層中的纖維沒有損傷，而且其中的碳纖維有同步的石墨化轉(zhuǎn)變過程。
[0014]由于碳化硅和碳纖維的導(dǎo)熱性好于粒狀碳材料，本發(fā)明的石墨化溫度即使稍低于傳統(tǒng)配方的石墨化轉(zhuǎn)變溫度(3000 V左右)，電極內(nèi)部的傳熱及石墨化效果均不低于傳統(tǒng)的石墨電極廣品)。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點:
本發(fā)明中，由于采用了具有良好導(dǎo)電性的碳纖維，使得制成的石墨電極保持了傳統(tǒng)石墨電極的高導(dǎo)電率、耐高電壓、耐大電流的優(yōu)點。
[0016]同時，本發(fā)明的制品兼具了碳化硅的耐磨、耐火、耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)熱性好、抗沖擊的特點，提高了石墨電極的抗氧化性以及耐火耐蝕耐磨等級。
[0017]該方法制成的石墨電極表面形成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的表面層，對芯部有良好的保護(hù)作用，整個電極的比強(qiáng)度、比剛性提高了很多，抗折彎和抗沖擊性能提高了 20-50%，在產(chǎn)品的制造、機(jī)加工、運輸和使用中減少了破損率，延長了使用壽命。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明的石墨電極的表面改性方法，采用下述工藝步驟:
1)配料:選取重量比為2%的β-Sic的晶須、重量比為5%的l_5mm長度的短切碳纖維、浙青、針狀焦炭粒、助劑等原料，一起配料、混捏，形成面衆(zhòng)料；另將浙青、針狀焦炭粒、助劑這些原料單獨配料，混捏，形成芯部漿料；
2)生坯成型:采用共擠出機(jī)械配套雙層共擠出模口，使得整個石墨電極徑向尺寸的10%的面漿料外層包裹芯部漿料內(nèi)層，共同加壓干燥預(yù)成型，成為復(fù)合生坯；
3)焙燒和浸潰:將復(fù)合生坯焙燒和浸潰反復(fù)進(jìn)行二次后固化，隔絕空氣焙燒的溫度為1000度左右，浸潰采用的氣壓為負(fù)壓，在表面形成厚度為3mm (占直徑6%)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層；
4)石墨化處理:溫度控制在2970°C左右完成石墨化轉(zhuǎn)變過程；
5)對制品進(jìn)行車、銑、磨等機(jī)加工處理工序，獲得耐蝕性好、抗折彎強(qiáng)度高的石墨電極成品。
【主權(quán)項】
1.一種石墨電極的表面改性方法，先將原料進(jìn)行配料，接著生坯成型，然后浸潰和焙燒，最后進(jìn)行石墨化處理，其特征在于:具有下述工藝步驟: 1)配料: 選取碳化硅的微?；蚓ы?、短切碳纖維，加入浙青、焦炭、助劑為主的原料中，一起配料、混捏，形成面漿料； 將浙青、焦炭粒、助劑的原料單獨配料，混捏，形成芯部漿料； 2)生坯成型: 將面漿料先擠出或涂覆在模具的型腔內(nèi)表面，再擠出芯部漿料；或者，采用共擠出機(jī)械配套雙層共擠出?？冢沟妹鏉{料包裹芯部漿料；然后共同加壓干燥定型，成為復(fù)合生坯； 3)焙燒和浸潰:將復(fù)合生坯焙燒和浸潰反復(fù)進(jìn)行多次后固化，在表面形成一層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層； 4)石墨化處理:最高溫度控制在2730°C左右，既對復(fù)合材料層中的碳化硅的微粒或短切纖維沒有損傷，而且其中的短切碳纖維與芯部有基本同步的石墨化轉(zhuǎn)變。
2.如權(quán)利要求1所述的石墨電極的表面改性方法，其特征在于:所述的面漿料中，碳化硅的重量比為1-5%，碳纖維的重量比為1-10%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的石墨電極的表面改性方法，其特征在于:所述的面漿料層的厚度占整個石墨電極徑向尺寸的5-15%。
4.如權(quán)利要求1或3所述的石墨電極的表面改性方法，其特征在于:1)中所述的碳化硅為β-Sic時，4)中所述的最高溫度控制在2973°C左右。
5.如權(quán)利要求3或4所述的石墨電極的表面改性方法，其特征在于:所述的焦炭為采用針狀焦炭粉碎獲得。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種石墨電極的表面改性方法，采用含碳化硅晶須和短切碳纖維的面漿料與芯部漿料復(fù)合制成復(fù)合生胚，接著焙燒、浸漬和固化，然后在合適的溫度進(jìn)行石墨化處理得到石墨電極。本發(fā)明的制品既具有高導(dǎo)電率、耐腐蝕，同時抗折彎和抗沖擊性能均明顯提高。
【IPC分類】C04B35-83, C04B35-622, C04B35-532
【公開號】CN104591771
【申請?zhí)枴緾N201510000236
【發(fā)明人】劉明, 李志宏, 周曉紅
【申請人】南通揚子碳素股份有限公司
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月3日