大规格低灰金属硅专用电极的研制

王金铎、杨海春、唐济革、陶国新、李鹏

河北顺天电极有限公司 河北 保定074100

摘 要：本文介绍了大规格低灰金属硅专用电极的研发背景以及生产工艺条件，包括配方的选择，混捏、压型、焙烧、机加工等技术，将所制得的低灰电极应用于高品位金属硅冶炼，通过生产的高品位硅，满足采用冶金法生产多晶硅的要求，达到了研制开发目标。

关键词：大规格 低灰 金属硅专用电极

随着世界经济的快速发展，金属硅已被广泛应用于电子、化工、新能源等领域，特别是对高品位硅的需求量与日俱增。因而金属硅的生产厂家，为了生产2字头以上品位的硅满足冶金法生产多晶硅的要求，纷纷向高功率大炉型转变，进而对冶炼金属硅用大规格低灰电极提出了需求。

1.大规格低灰金属硅专用电极的研制

1.1 研制背景

2012年1月，河北顺天电极有限公司先后应巴西某公司、湖北三新硅业有限公司承约试制大规格低灰金属硅专用电极。此前通过与巴西某公司沟通，得知他们使用德国某公同规格的电极，因随着原料价格的上升和人工成本的升高，巴西某公司通过了解，中国河北顺天电极有限公司有能力和实力生产大规格低灰金属硅专用电极。在这种背景下，顺天电极公司承担了研制Φ1272、Φ1321mm低灰专用电极课题。公司研发、生产技术人员，通过到客户生产现场进行实地考察了解其冶炼条件和电气参数，并依托多年来生产炭电极的经验，通过在实验室进行小样试验，经多次优化组合原料配方和生产工艺，攻克了一道又一道难关，最终采用新配方和新工艺，研制成功了大规格低灰金属硅专用电极，该产品填补了国内空白，达到了国际先进水平。

1.2研制目标及主要技术指标

通过客户提供的冶炼条件和相关炉型电气参数，结合硅炉冶炼特点和该公司的应用实践，根据预期成品电极理化指标目标值，选用煅烧石油焦、焙烧碎、石墨碎等主要原材料，以改质沥青为粘结剂，研制大规格低灰电极，以提高电极的热导率、抗折强度、抗热震性能和降低电极灰分含量。主要技术指标：体积密度≥1.60g/cm³，电阻率≤23.0μΩ·m，灰分≤0.5%，抗折强度≥6.0Mpa，微量元素：P≤20ppm、B≤8ppm。

1.3主要生产设备

主要设备有强力高效混捏机、抽真空振动成型机、自动温控环式焙烧炉、数控加工车床

1.4 原料的选择

1.4.1石油焦

采用抚顺二厂石油焦，该原料具有灰分低、热膨胀系数低，电阻率低，真密度和强度高等特点，有助于电极理化指标的提高，是理想的电极生产原料。

1.4.2 中温改质沥青

采用中温改质沥青为粘结剂、该沥青具有软化点适中、粘结性能好、结焦值高等特点，有助于提高产品体积密度和强度；对沥青中所硼、磷有害微量元素严格控制，以保证低灰电极的研制成功。

1.4.3人造石墨

采用适当比例的人造石墨，有助于改善提高电极的导热性，抗氧化性能。

1.5配方

根据多年来生产电极的经验，结合配方中原料性能，确定配方中骨料的最大粒度为30mm。配方中适当增加大颗粒用量，可以提高电极的抗热震性；混合料采用振实容重法，以确定其配方中原料的最佳比例。

1.6混捏、压型工艺

根据改质沥青特性制定工艺参数，按沥青的粘度制定温度制度，采用混捏凉料一体化的强力高效混捏机进行混捏，提高混捏温度，并加入少量硬脂酸降低沥青粘度，以提高糊料塑性和流动性。

采用大型抽真空振动成型设备，结合变频加压振动成型工艺法，以保障电极整体质量的均匀性。

为防止因设备因素对电极灰分增加造成的影响，我们制定并采取出了一系列措施，如整个工艺过程的每个环节增加了超强除铁装置（这只是其中之一），以保证电极的生产工艺可靠、生产过程稳定。

1.7焙烧工艺

因电极尺寸较大，采用慢速、恒温焙烧曲线，焙烧最高温度1250℃。挥发期炉室上下温差控制在不超50℃，不同阶段采用不同的升温速度和恒温制度，采用自动温控加热系统进行调整，以使电极均匀受热。出炉温度控制在350℃以下，以免电极因出炉温度高内外应力的变化出现裂纹废品。

1.8机加工

采用数控机床加工，有效地保证了电极的加工精度，保障了电极连接的可靠性，降低了电极连接部位的接触电阻。与普通机床加工相比连接部位的接触电阻降低了50%，大大降低了冶炼过程中连接部位出现故障的可能性。

2.研制结果

2.1产品检测结果

试验生产的大规格低灰电极生坯制品共计50根，试验生坯电极的压型合格品率为100%。生坯电极体积密度在1.695～1.730g/cm³之间，平均体积密度1.711 g/cm³。对电极的检验除按常规方法检测体积密度、外观外，还采用了超声波无损探伤检测仪，以此来判断电极内部有无缺陷。

焙烧品出炉检测合格率100%，加工以后检测电极平均体积密度为1.63 g/cm³，最大值为1.65 g/cm³，最小值为1.60 g/cm³，电阻率平均值为21.3μΩ·m，最大值为23.0μΩ·m，最小值为19.5 μΩ·m，热膨胀系数2.5×10^-6/℃，抗折强度6.5Mpa，灰分0.38%，硼含量、磷含量：各项理化性能指标均达到了预期目标值。成品电极与国外同类产品相比，该电极具有三方面特性：（1）体积密度高，电阻率低，机械强度高；（2）热膨胀率低，抗热冲击性能好；（3）铁、铝、钙、磷、硼、钛微量元素低，适于客户冶炼1字头和2字头的金属硅。

2.2 产品指标

大规格低灰电极拟划分的等级标准

项目	规格、型号
	Φ1020～1400
	DM20	DM18	DM16
体积密度 g/cm3	≥1.58	≥1.60	≥1.62
电阻率 μΩ·m	≤20.0	≤18.0	≤16.0
抗折强度 Mpa	≥5.5	≥6.0	≥6.0
灰分 %	≤0.8	≤0.5	≤0.5
P ppm	≤20	≤20	≤20
B ppm	≤8	≤8	≤8

灰分小于0.5 %炭质电极微量元素典型值

单位：ppm

Fe	Al	Ca	Ti
131	121	279	24

 

2.3 未来产品方向

多年来公司不断创新、技术装备水平不断提升，为满足客户对大规格低灰电极的需求，在扩充产品线方面我们除生产大规格低灰炭电极外，还生产大规格低灰石墨电极。特别是继成功研发Φ1272mm大规格石墨电极后，还开发成功了 Φ1320mm大规格低灰石墨电极，适应于客户冶炼2字头以上品位的金属硅，为金属硅炉向大容量高品位发展起到了推动作用。

3.结论

工业性试验的结果证明：通过优化配方和工艺技术条件，能够生产出符合客户冶炼高品位金属硅所需产品的需求；符合国内外电炉炼硅向大容量、大电流、大规格方向发展的需求，该产品填补了国内空白，达到了国际先进水平。

(1) 在大规格低灰金属硅专用电极的配方中加入适当的低灰优质无烟煤、人造石墨，可以提高电极的导热性、抗氧化性能，改善电极的综合理化指标。

(2) 因产品规格特大，特别是应用改质沥青生产，采用混捏、凉料一体化的强力高效混捏设备，对提高电极的均质性十分有利。

(3) 焙烧过程中考虑改质沥青的热失重及焙烧温度场分布，采用慢速、恒温焙烧曲线，有效的提高了焙烧合格品率，保证了产品质量。

(4) 通过优选原料、改善生产工艺，严格生产过程控制，是能够生产出满足客户需求的大规格低灰金属硅专用电极的。

河北顺天电极有限公司，愿意为新老客户提供优质的售前、售后服务，愿为中国乃至国际硅行业的发展做出新的贡献。欢迎各界朋友莅临指导，共谋发展。

参考文献

[1] 许斌.炭素材料工业生产用粘结剂和浸渍煤沥青的再认识.炭素技术，2011。

[2] 蒋文忠.炭素工艺学.北京：冶金工业出版社，2009。