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电极糊密闭糊掉头现象之深究

文章出处:www.electrodepaste.cn文章作者:荣鑫碳素 人气:发表时间:2019-08-02 18:05:17

 1907年,索德伯格博士发明了自焙电极。百年来,尽管炭素工作者对这个小产品的研究方兴未艾,但在其科技成果上,终究属于技术中的古董,一直未有重大突破。由于其技术属于古董,所以使用中出现的问题肯定不太复杂,总能找到原因的。

 

电极糊在使用中总会出现多种多样的问题,今天,我就讨论掉头这一常见的现象。关于掉头的原因,智者见智,仁者见仁,说法不一。对于自然科学来讲,对于某种事物正确的规律只有一种,是唯一的。它不像社会科学,可以用不同的的思想来改造社会成员的思想,达到这种思想所设计的目标。

 

 

我们从工艺配方设计的合理性出发,着重讨论下面的情形:

 

我们先从日常生活中的一个现象谈起,我想大家都经历过这样的事情;在寒冷的冬季,我们取一个冰冷的玻璃杯,然后,往杯子里面倒入滚烫的热开水,会发生怎样的现象呢?为什么?

 

结果,众所周知。轻则,玻璃杯杯壁变裂;重则,玻璃杯底端完全脱落。

 

实际上,这是由于玻璃杯在承受热应力的时候,玻璃杯受热底部与非受热杯壁部分,在瞬间产生温度梯度,此时,如果玻璃材质热应变能力差,不能及时将热量带走,热应力过于集中,所以,会导致玻璃杯的变裂,甚至底端脱落。

 

有人会问了,这和电极糊没关联哦!

 

毕竟玻璃杯和电极糊都属于无机非金属,具有相似性。

 

我们将思维再回到矿热炉中,电极好比玻璃杯,强大的电流就像热开水。不过,这里还有一个重要因素加剧了掉头。

 

于是,我们引进了一个物理量:集肤效应。

 

集肤效应,电学上定义为:当导体通过交流电时,导体表面处的电流密度比较大,内部和中心的电流密度比较小,这种现象叫做集肤效应。

 

据有关资料,电极糊直径超过510毫米,就存在集肤效应。而且直径越大,集肤效应越明显。

 

大家可以想象,强大的电流通过电极,电极端头由于产生电弧,温度可达3500度左右,而热量自下向上传导,加上电流通过电极本身产生电阻热、物料的电阻电热,以及炉面的辐射热;还有不可避免的集肤效应存在。这些叠加因素,使得电极内外、上下温度梯度大。此时,如果电极不能及时把集中的热应力带走,轻则,电极就会出现表面裂纹、剥落及掉块;重则,就会掉头。

 

哦!原来是电极糊抗热震性能差。

 

 

为了提高电极糊的抗热震性,应该从减小热应力的产生、缓冲热应力的发展以及增强热应力的能力三方面综合考虑。

 

一,减小热应力的产生。措施:高的热导率、低的线膨胀系数以及高的强度(有争论)

 

二,缓冲热应力的发展。方法:低的弹性模量(有争议)

 

三,增强热应力的能力。途径:石墨材质的添加及比例的增大,大颗粒骨料粒度及比例适当增大,高的体积密度,适当提高沥青的软化点,导热性能好的添加剂的添加。

 

事件到此似乎结束了。事实上,事情并不是想象的那么简单,争论性很大的问题还在后头呢!

 

实际上,电极糊有好多的指标相矛盾。此长彼消,此消彼长,成正比例关系的太少了。其中,抗热震性指标也不例外,而且一直以来争论性很大。

 

低弹性模量(需要多的微孔)——高的体积密度之矛盾

 

大颗粒骨料粒度增大及比例的提高——强度之矛盾

 

高的软化点——低的挥发分之冲突

 

最主要的是热弹性理论与能量理论之争成为焦点,到现在为止还没有结束!

 

一,热弹性理论,以金格里为代表的学者,认为材料的热应力超过材料的极限强度时,导致瞬时断裂,即所谓的“热震断裂”。根据不同的热震断裂条件,导出抗热震断裂指标和抗热冲击性参数表达式(由于没有数学软件,公式没法写),为了避免热震断裂的发生,要求具有较高的强度,高的热导率或热扩散,以及低的线膨胀系数和低的弹性模量。

 

二,能量理论,以哈塞曼为代表的教授,认为材料中不可避免地存在着或大或小数量不等的微裂纹,材料的热震损伤是裂纹扩展的结果。他们用断裂力学中的能量平衡原理分析热应力引起的裂纹扩展,适用于比较断裂能不同材料的抗热震性,对多数无机非金属材料,为减小热震裂纹扩展的程度,要求具有较高的断裂能和较高的弹性模量和较低的强度。

 

在此,对弹性模量和强度的要求,刚好与热弹性理论相反。

 

聪明的你,你会选择哪一种?

 

有朋友说了,通过上面的理论之争,以及相关的这矛盾、那矛盾;搞得一头雾水,一时不知如何改进抗热震性能,还有没有直观明了的办法,一看就懂,不用考虑矛盾的冲突。

 

答案是肯定的。

 

电极糊的还有一句口头禅——导电好,导热就好。

 

其实,这里人们有个误解,导电好,导热就好,指的是石墨,通俗讲也就是石墨化后的产品

 

电极糊远未有达到石墨化,只能算炭质材料。

 

从微观的角度讲石墨的导热是由于存在传导热的载流子(传导电子和空穴)的作用和晶格振动传导热。而影响石墨电阻率的主要因素是晶界的散射和载流子的浓度。由于散射的存在,也就是介质的不均匀性,使晶格振动的自由程降低,即热导系数减少。所以石墨的导热和导电基本是密不可分的。

 

从宏观的角度讲,石墨导电和导热和原料本身的性质有关,以及石墨化程度有关。石墨化程度越高——电阻率越小,虽然表征抗热震性的因素很多,可是,最主要的还是热导率和线胀系数。石墨化度愈高——热导率愈高,石墨的线胀系数比金属小很多,而且石墨化愈高,线热胀系数越小。

 

由此可见,石墨的导电和导热在一定意义上是成正比的。

 

由于电极糊在使用过程中,温度趋向并接近石墨化,勉强能接受石墨的这一特性。

 

所以,导电好——导热就好。

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