專利名稱：一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法
技術領域：
本發明屬于石墨電極表面處理和表面改性技術，特別是涉及一種電弧爐煉鋼和爐外精煉用石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法。
背景技術：
石墨電極主要是以石油焦、針狀焦為原料、煤浙青為結合劑，經原料煅燒、配料、混捏、壓型、焙燒、石墨化和機械加工而制成的一種耐高溫石墨質導電材料，具有良好的高溫性能、低熱膨脹系數、強耐腐蝕性和易加工等特性，是現代電爐煉鋼工業不可缺少的耐高溫導電材料。但是在鋼鐵冶煉的高溫和吹氧環境中，石墨電極易與氧發生氧化反應，產生消耗。石墨電極的氧化從400°C左右開始，超過750°C后氧化急劇增加，且隨著溫度的升高不斷加劇。氧化氣體介質腐蝕會導致石墨電極表面結構疏松、表面硬度和機械強度大幅度降低。石墨電極的氧化消耗所帶來的成本占煉鋼總成本的1/3左右，因此提高石墨電極抗氧化性能對于鋼鐵行業的成本控制至關重要。目前，工業上普遍采用的石墨電極抗氧化技術主要包括兩類技術方法一是涂層法，二是浸漬法。中國專利200510047757. 7公開了一種用于減少石墨電極消耗的保護涂料及制作方法，以氧化物和樹脂混合的保護涂料涂覆于石墨電極表面，干燥后使用。盡管涂料的熱膨脹系數與石墨電極接近，但是由于氧化物保護涂層與石墨電極結合力有限，且本身的裂紋擴展不可避免，長期使用仍將帶來涂層的剝落。而中國專利200410010023. 7為代表的石墨電極抗氧化方法則是石墨電極浸漬處理法，該方法將石墨電極高壓浸漬于磷酸鹽溶液或者樹脂類溶液中，實現對表面和微孔的有效保護。 利用該方法可以實現石墨電極各表面在較低溫度區間的抗氧化保護，且適用于異型石墨件抗氧化處理，但是在高溫區間，特別是在750°C以上乃至1500°C的工作溫度區間，浸漬液的分解會導致其保護效果會隨著溫度上升顯著下降。SiC具有導熱系數高、熱膨脹系數低、化學性能穩定(高溫抗氧化)等優點，常被用于高級耐火材料。以SiC為主要原料的表面防護層已被用于石墨坩堝、C/C復合材料的表面抗氧化。SiC防護層的制備包括包埋法、等離子噴涂法等多種方法。其中包埋法將需進行表面處理的材料包埋于反應粉末中，讓材料表面與反應粉末在高溫發生反應。該方法對設備條件要求較低，工藝簡單，容易得到較厚的SiC防護層。等離子噴涂利用等離子體產生熱源，將SiC粉末加熱到熔融狀態，并利用氣體將熔融態的SiC噴涂到需處理的材料表面。通過控制工藝條件，能夠在需處理的材料表面形成均勻的高質量SiC涂層。
發明內容
本發明的目的在于針對石墨電極在冶煉過程中出現的電極側壁氧化導致石墨電極損耗等問題，提供一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法。實現本發明目的的技術解決方案為利用包埋法在石墨電極表面制備較厚的SiC 表面防護層，然后進一步利用真空等離子噴涂提高SiC表面防護層的質量，有效地提高石墨電極在高溫使用過程中的抗氧化性，具體包括以下步驟
3步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥； 步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于一定比例的Si和Al2O3的粉末中，爐內抽真空并通入Ar氣，將石墨電極與包埋粉末加熱至反應溫度后保溫，反應完全后爐冷降溫，得到石墨電極表面的SiC防護層；
步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC，噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。本發明中包埋法得到SiC的基本反應原理為Si+C —SiC，即以Si和C為反應物， 反應得到SiC;其中Si來自包埋法中的Si粉末，C來自于石墨電極基體；該反應需要以Al2O3 粉末作為促滲劑，促進熔融Si在石墨基體中的滲透和擴散，有助于SiC表面層的形成。與石墨電極表面防氧化的現有技術相比，本發明具有顯著的優點(1)本發明利用包埋法在石墨材料上制備SiC防氧化層，使得Si粉在熔融液相狀態下，在石墨電極基體表面滲透、擴散，并與石墨基體反應結合，這一過程決定了 SiC表面防氧化層界面結合強度高于涂層法和浸漬法，在高溫應用過程中不易剝落；(2)本發明中得到的防氧化層的厚度， 可明顯大于氣相沉積和單獨的噴涂工藝得到的防氧化層，確保了高溫防氧化所需的厚度； (3)本發明采用真空等離子噴涂技術在包埋法得到的SiC層表面進一步噴涂高溫熔融的 SiC液體，有助于填補包埋法防護層中由于疏松引起的裂紋和孔隙，確保了表面防護層的抗氧化效果。根據本發明處理過的石墨電極，其抗氧化性在生產環境中進行了實際的評估，結果表明，與未處理的石墨電極相比，相同條件下的噸鋼消耗量降低了 25%以上，其抗氧化效果優于浸漬法、涂層法。根據本發明對石墨電極進行表面處理后，石墨電極的高溫抗氧化性可更好地滿足大型煉鋼電爐等應用的嚴苛要求。
具體實施例方式本發明的一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法，具體包括以下步驟 步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥；
步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于均勻混合的Si和Al2O3粉末中，其中 Si粉末的平均粒度在1(Γ92μπι之間，Al2O3粉末的平均粒度在2(Γ95 μ m之間，兩者重量比例為Si占85、5%、Al2O3占5 15%，其中Al2O3用作促滲劑；爐內抽真空至壓力值不高于 3 X 10 ,通入Ar氣，將石墨電極與包埋粉末加熱至165(T1850°C，并保溫廣3h，反應完全后爐冷降溫，得到石墨電極表面的SiC防護層，該層防護層厚度在4(Γ250μπι ；
步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC，噴涂SiC涂層的平均厚度在3 11 μ m,噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。下面以直徑450mm、長1200mm的超高功率石墨電極為基體，結合實施例對本發明做進一步詳細的描述
實施例1
步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥； 步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于均勻混合的Si和Al2O3粉末中，兩者的粉末平均粒度分別為52 μ m、43 μ m，其重量比例為=Si占85%、Al2O3占15%，其中Al2O3用作促滲劑；爐內抽真空壓力值為1. 5X 10 ,通入Ar氣，將石墨電極與包埋粉末加熱至 1700°C，并保溫池，反應完全后爐冷降溫，得到石墨電極表面的SiC防護層，該層防護層厚度在 250μπι ；
步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC，噴涂SiC涂層的平均厚度在3 μ m,噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。經過該工藝處理過的石墨電極與未處理過的石墨電極、以及浸漬法或涂層法處理過的石墨電極相比，在75(T150(TC的溫區，氧化消耗有了顯著的降低。其噸鋼電極消耗量由未處理石墨電極的2. 4kg、浸漬石墨電極的1. ^cg、涂層法處理過石墨電極的^ig,降低至 1. 3kg ；與未處理石墨電極相比降低約46%，超過浸漬法和涂層法的效果。實施例2
步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥； 步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于均勻混合的Si和Al2O3粉末中，兩者的粉末平均粒度分別為10μπι、20μπι，其重量比例為=Si占87. 5%、Α1203占12. 5，其中Al2O3 用作促滲劑；爐內抽真空壓力值為3Χ 10_3Pa，通入Ar氣，將石墨電極與包埋粉末加熱至 1750°C，并保溫2. 5h，反應完全后爐冷降溫，得到石墨電極表面的SiC防護層，該層防護層厚度在40 μ m ；
步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC，噴涂SiC涂層的平均厚度在7 μ m,噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。經過該工藝處理過的石墨電極，其噸鋼電極消耗量降低至1. mcg，與未處理石墨電極相比，降低約25%，超過浸漬法和涂層法的效果。實施例3
步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥； 步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于均勻混合的Si和Al2O3粉末中，兩者的粉末平均粒度分別為92 μ m、61 μ m，其重量比例為=Si占90%、Al2O3占10%，其中Al2O3用作促滲劑；爐內抽真空至壓力值為2.5X10_3Pa，通入Ar氣，將石墨電極與包埋粉末加熱至 1850°C，并保溫池，反應完全后爐冷降溫，得到石墨電極表面的SiC防護層，該層防護層厚度在 192μπι ；
步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC，噴涂SiC涂層的平均厚度在9 μ m,噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。經過該工藝處理過的石墨電極，其噸鋼電極消耗量降低至l.Wkg，與未處理石墨電極相比，降低約39%，超過浸漬法和涂層法的效果。實施例4
步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥； 步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于均勻混合的M和々1203粉末中，兩者的粉末平均粒度為36 μ m、95 μ m，其重量比例為Si占95%、A1203占5%，其中Al2O3用作促滲劑； 爐內抽真空至壓力值為lX10_3Pa，通入Ar氣，將石墨電極與包埋粉末加熱至1650°C，并保溫lh，反應完全后爐冷降溫，得到石墨電極表面的SiC防護層，該層防護層厚度在87μπι ；
步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC，噴涂SiC涂層的平均厚度在5 μ m,噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。經過該工藝處理過的石墨電極，其噸鋼電極消耗量降低至1. 72kg，與未處理石墨電極相比，降低約觀％，超過浸漬法和涂層法的效果。實施例5
步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥； 步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于均勻混合的Si和Al2O3粉末中，兩者的粉末平均粒度分別為76 μ m、79 μ m，其重量比例為=Si占92. 5%、A1203占7. 5%，其中Al2O3 用作促滲劑；爐內抽真空至壓力值為2X10_3Pa，通入Ar氣，將石墨電極與包埋粉末加熱至 1800°C，并保溫1. 5h，反應完全后爐冷降溫，得到石墨電極表面的SiC防護層，該層防護層厚度在137μπι;
步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC，噴涂SiC涂層的平均厚度在11 μ m，噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。經過該工藝處理過的石墨電極，其噸鋼電極消耗量降低至1. 55kg，與未處理石墨電極相比，降低約35%，超過浸漬法和涂層法的效果。
權利要求
1.一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1、對石墨電極進行表面預處理，即表面拋光、清洗和干燥；步驟2、將石墨電極固定在高溫真空爐內，包埋于均勻混合的Si和Al2O3粉末中，其中 Al2O3用作促滲劑；爐內抽真空后通入Ar氣，對石墨電極與包埋粉末進行高溫熱處理并保溫，降溫后得到石墨電極表面的SiC防護層；步驟3、將步驟2制備的石墨電極置于真空等離子噴涂設備腔室中，利用等離子噴涂技術在石墨電極側壁表面噴涂SiC涂層，噴涂結束后得到表面改性的石墨電極。
2.根據權利要求1所述的一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法，其特征在于步驟2中所述的Si粉末的平均粒度為1(Γ92μπι，所述的Al2O3粉末的平均粒度為 20^95 μ m ；所述的Si粉末的百分含量為85 95%，所述的Al2O3粉末的百分含量為5 15%。
3.根據權利要求1所述的一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法，其特征在于步驟2中所述的爐內抽真空后壓力值彡3X10_3Pa，所述的處理溫度為165(T185(TC，所述的保溫時間廣池。
4.根據權利要求1所述的一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法，其特征在于步驟2中所述的SiC防護層厚度為40 250 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種石墨電極表面改性提高抗氧化性能的方法，其特征在于步驟3中所述的噴涂SiC涂層平均厚度為3 11 μ m。
全文摘要
本發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粉中高溫反應得到SiC表面防護層；又運用真空等離子噴涂技術在已得到的SiC防護層表面噴涂熔融SiC涂層，填補修飾包埋法SiC防護層中的表面缺陷，提高了表面防護層的質量。該方法對石墨電極進行表面改性處理，可以大幅提高石墨電極的高溫抗氧化能力。本發明可廣泛應用于電弧爐煉鋼和爐外精煉用石墨電極的制造行業。
文檔編號H05B7/06GK102497689SQ20111039517
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者徐鋒, 李偉, 楊曉智 申請人:南京理工大學, 南通揚子碳素股份有限公司