大規格低灰金屬硅專用電極的研制

王金鐸、楊海春、唐濟革、陶國新、李鵬

 河北順天電極有限公司   河北 保定074100

摘  要：本文介紹了大規格低灰金屬硅專用電極的研發背景以及生產工藝條件，包括配方的選擇，混捏、壓型、焙燒、機加工等技術，將所制得的低灰電極應用于高品位金屬硅冶煉，通過生產的高品位硅，滿足采用冶金法生產多晶硅的要求，達到了研制開發目標。

關鍵詞：大規格  低灰  金屬硅專用電極

    隨著世界經濟的快速發展，金屬硅已被廣泛應用于電子、化工、新能源等領域，特別是對高品位硅的需求量與日俱增。因而金屬硅的生產廠家，為了生產2字頭以上品位的硅滿足冶金法生產多晶硅的要求，紛紛向高功率大爐型轉變，進而對冶煉金屬硅用大規格低灰電極提出了需求。

1.大規格低灰金屬硅專用電極的研制

1.1 研制背景

2012年1月，河北順天電極有限公司先后應巴西某公司、湖北三新硅業有限公司承約試制大規格低灰金屬硅專用電極。此前通過與巴西某公司溝通，得知他們使用德國某公同規格的電極，因隨著原料價格的上升和人工成本的升高，巴西某公司通過了解，中國河北順天電極有限公司有能力和實力生產大規格低灰金屬硅專用電極。在這種背景下，順天電極公司承擔了研制Φ1272、Φ1321mm低灰專用電極課題。公司研發、生產技術人員，通過到客戶生產現場進行實地考察了解其冶煉條件和電氣參數，并依托多年來生產炭電極的經驗，通過在實驗室進行小樣試驗，經多次優化組合原料配方和生產工藝，攻克了一道又一道難關，最終采用新配方和新工藝，研制成功了大規格低灰金屬硅專用電極，該產品填補了國內空白，達到了國際先進水平。

1.2研制目標及主要技術指標

    通過客戶提供的冶煉條件和相關爐型電氣參數，結合硅爐冶煉特點和該公司的應用實踐，根據預期成品電極理化指標目標值，選用煅燒石油焦、焙燒碎、石墨碎等主要原材料，以改質瀝青為粘結劑，研制大規格低灰電極，以提高電極的熱導率、抗折強度、抗熱震性能和降低電極灰分含量。主要技術指標：體積密度≥1.60g/cm³，電阻率≤23.0μΩ·m，灰分≤0.5%，抗折強度≥6.0Mpa，微量元素：P≤20ppm、B≤8ppm。

1.3主要生產設備

主要設備有強力高效混捏機、抽真空振動成型機、自動溫控環式焙燒爐、數控加工車床

1.4  原料的選擇

1.4.1石油焦

采用撫順二廠石油焦，該原料具有灰分低、熱膨脹系數低，電阻率低，真密度和強度高等特點，有助于電極理化指標的提高，是理想的電極生產原料。

1.4.2  中溫改質瀝青

采用中溫改質瀝青為粘結劑、該瀝青具有軟化點適中、粘結性能好、結焦值高等特點，有助于提高產品體積密度和強度；對瀝青中所硼、磷有害微量元素嚴格控制，以保證低灰電極的研制成功。

1.4.3人造石墨

采用適當比例的人造石墨，有助于改善提高電極的導熱性，抗氧化性能。

1.5配方

根據多年來生產電極的經驗，結合配方中原料性能，確定配方中骨料的最大粒度為30mm。配方中適當增加大顆粒用量，可以提高電極的抗熱震性；混合料采用振實容重法，以確定其配方中原料的最佳比例。

1.6混捏、壓型工藝

根據改質瀝青特性制定工藝參數，按瀝青的粘度制定溫度制度，采用混捏涼料一體化的強力高效混捏機進行混捏，提高混捏溫度，并加入少量硬脂酸降低瀝青粘度，以提高糊料塑性和流動性。

采用大型抽真空振動成型設備，結合變頻加壓振動成型工藝法，以保障電極整體質量的均勻性。

為防止因設備因素對電極灰分增加造成的影響，我們制定并采取出了一系列措施，如整個工藝過程的每個環節增加了超強除鐵裝置（這只是其中之一），以保證電極的生產工藝可靠、生產過程穩定。

1.7焙燒工藝

因電極尺寸較大，采用慢速、恒溫焙燒曲線，焙燒最高溫度1250℃。揮發期爐室上下溫差控制在不超50℃，不同階段采用不同的升溫速度和恒溫制度，采用自動溫控加熱系統進行調整，以使電極均勻受熱。出爐溫度控制在350℃以下，以免電極因出爐溫度高內外應力的變化出現裂紋廢品。

1.8機加工

采用數控機床加工，有效地保證了電極的加工精度，保障了電極連接的可靠性，降低了電極連接部位的接觸電阻。與普通機床加工相比連接部位的接觸電阻降低了50%，大大降低了冶煉過程中連接部位出現故障的可能性。

2.研制結果

2.1產品檢測結果

試驗生產的大規格低灰電極生坯制品共計50根，試驗生坯電極的壓型合格品率為100%。生坯電極體積密度在1.695～1.730g/cm³之間，平均體積密度1.711 g/cm³。對電極的檢驗除按常規方法檢測體積密度、外觀外，還采用了超聲波無損探傷檢測儀，以此來判斷電極內部有無缺陷。

焙燒品出爐檢測合格率100%，加工以后檢測電極平均體積密度為1.63 g/cm³，最大值為1.65 g/cm³，最小值為1.60 g/cm³，電阻率平均值為21.3μΩ·m，最大值為23.0μΩ·m，最小值為19.5 μΩ·m，熱膨脹系數2.5×10^-6/℃，抗折強度6.5Mpa，灰分0.38%，硼含量、磷含量：各項理化性能指標均達到了預期目標值。成品電極與國外同類產品相比，該電極具有三方面特性：（1）體積密度高，電阻率低，機械強度高；（2）熱膨脹率低，抗熱沖擊性能好；（3）鐵、鋁、鈣、磷、硼、鈦微量元素低，適于客戶冶煉1字頭和2字頭的金屬硅。

2.2 產品指標

大規格低灰電極擬劃分的等級標準

灰分小于0.5 %炭質電極微量元素典型值   

單位：ppm

2.3 未來產品方向

多年來公司不斷創新、技術裝備水平不斷提升，為滿足客戶對大規格低灰電極的需求，在擴充產品線方面我們除生產大規格低灰炭電極外，還生產大規格低灰石墨電極。特別是繼成功研發Φ1272mm大規格石墨電極后，還開發成功了   Φ1320mm大規格低灰石墨電極，適應于客戶冶煉2字頭以上品位的金屬硅，為金屬硅爐向大容量高品位發展起到了推動作用。

3.結論

工業性試驗的結果證明：通過優化配方和工藝技術條件，能夠生產出符合客戶冶煉高品位金屬硅所需產品的需求；符合國內外電爐煉硅向大容量、大電流、大規格方向發展的需求，該產品填補了國內空白，達到了國際先進水平。

(1)   在大規格低灰金屬硅專用電極的配方中加入適當的低灰優質無煙煤、人造石墨，可以提高電極的導熱性、抗氧化性能，改善電極的綜合理化指標。

(2)   因產品規格特大，特別是應用改質瀝青生產，采用混捏、涼料一體化的強力高效混捏設備，對提高電極的均質性十分有利。

(3)   焙燒過程中考慮改質瀝青的熱失重及焙燒溫度場分布，采用慢速、恒溫焙燒曲線，有效的提高了焙燒合格品率，保證了產品質量。

(4)   通過優選原料、改善生產工藝，嚴格生產過程控制，是能夠生產出滿足客戶需求的大規格低灰金屬硅專用電極的。

河北順天電極有限公司，愿意為新老客戶提供優質的售前、售后服務，愿為中國乃至國際硅行業的發展做出新的貢獻。歡迎各界朋友蒞臨指導，共謀發展。

參考文獻

[1] 許斌.炭素材料工業生產用粘結劑和浸漬煤瀝青的再認識.炭素技術，2011。

[2] 蔣文忠.炭素工藝學.北京：冶金工業出版社，2009。