电极成型 (forming of electrode)

炭素糊料在外部压力作用下产生塑性变形，最终成为具有一定外形及较高密实度的石墨电极生坯(或称生制品)的工艺过程。成型是生产炭素制品的主要生产工序之一，炭素制品的成型方法有挤压成型、模压成型、振动成型及等静压成型4种，但生产石墨电极主要用挤压成型，也有些炭素厂用振动成型，生产炭决、炭质电极、预焙阳极可用挤压成型或振动成型，模压成型和等静压成型多用于生产细颗料结构的炭制品或特殊用途的炭制品。

挤压成型挤压成型的实质是糊料在挤压嘴子内的塑性变形过程(图1)。塑性变形需要在外加压力大于糊料的屈服应力时才能发生，装入挤压机料室内的糊料在加压柱塞的压力下、排出糊料团块内夹杂的气体，并不断趋向密实，经过挤压型嘴时产生塑性变形，再通过直线定型段最后被挤压出来，挤出产品的横截面形状和尺寸由挤压型嘴的内截面形状和尺寸所决定。挤压成型生产效率高，装入一批糊料后可以连续挤压出若干根生坯，适合于长条形制品的生产，而且挤压出的生坯沿长轴方向的密度分布比较均匀，挤出后的生坯按需要长度切断，并浸入水中冷却。挤压成型过程中、糊料经过曲线变形的挤压型嘴要克服由此产生的弯曲应力及外摩擦阻力，曲线变形量越大(压缩比越大)所产生的弯曲应力及外摩擦阻力也随之增加，而且由于沿压料室及挤压型嘴内壁的糊料与压料室中心部位的糊料前进速度不一样，因此在糊料内部也产生一定的内摩擦力。外摩擦力的大小主要取决于摩擦面的温度(糊料温度和压料室及挤压型嘴的温度)，图2为外摩擦系数与沥青软化点及加热温度之间的关系曲线。糊料内摩擦力的大小主要决定于配料的粒度组成、黏结剂的软化点及用量、糊料温度和挤压压力等多方面的因素。混捏时加入少量矿物油、硬脂酸或皂片有助于改善糊料的塑性、降低两种摩擦系数，提高挤压成型的成品率。

中温沥青工艺挤压成型在水压机或油压机上进行，两种设备只是工作介质不同，设备结构与操作工艺没有多大区别。挤压成型可分解为5项单元操作：即凉料、装料、预压、挤压及生坯冷却，挤压成型的主要工艺参数为凉料温度、料室与挤压型嘴温度、预压压力及预压时间、挤出压力及挤出速度等，这些工艺参数是互相制约的。(1)凉料，凉料的目的是将混捏机卸出的糊料均匀冷却到适宜的温度，并充分排出夹杂的气体，凉料设备有圆筒凉料机、双轴搅拌凉料机、圆盘凉料机或糊料在一定长度的运输皮带上喷水雾冷却，凉料的温度如何掌握要视混捏机卸出糊料的温度、黏结剂的软化点及用量等工艺参数综合确定。(2)装料，挤压成型是间歇性生产，装入一批糊料挤出若干根生坯，装料前先将挤压型嘴前部出口用挡板堵上，料室的温度应略高于黏结剂的软化点，视料室容积大小和糊料数量、一批糊料可分成2--4次加入料室，每批糊料加入后加压柱塞将糊料推向料室的前部进行压实。(3)预压，当一批糊料全部加入料室后，在糊料挤出以前，压机的加压柱塞对料室内的糊料施加一定的压力，预压压力应视产品规格不同而有所区别，必要时可施加压机安全允许的最大压力，在指定预压压力下保持一定时间，使糊料进一步密实并继续排出糊料团块内夹杂的气体。(4)挤压，预压结束后、将挤压型嘴前部的挡板降落复位，在适当的挤压压力下糊料即从挤压型嘴前部出口挤出、获得具有一定直径或截面形状的生坯。挤压型嘴前部出口需保持较高的温度。挤出压力和挤出速度受多种因素的影响，如料室和挤压型嘴的温度，挤压型嘴曲线变形的大小，糊料的塑性状态等，在正常情况下压制大规格石墨电极的挤出压力一般为8～15MPa，压制中小规格石墨电极时挤出压力经常达到15--20MPa，有时可能达到20MPa以上。挤出速度不仅受挤出压力大小的影响，并和挤出半成品的截面大小成反比，吨位为25MN的挤压机生产直径300～400n21T1电极时，当挤出压力为8～15mPa时、挤出速度一般可达1.5～3.5cm/s，挤出速度快、可以提高压机的产量，但适当放慢挤出速度有利于提高生坯的体积密度。(5)生坯冷却，刚离开挤压型嘴的生坯还保持较高的温度，因此应淋水冷却、按需要长度切断后浸泡在冷水中冷却以防止生坯变形，如用中温沥青为黏结剂生产大规格石墨电极时，应在20℃左右的冷水中浸泡3--5h。

振动成型振动成型机由振动台、重锤或上部油压装置及模具组成(图3)。振动成型时固定在振动台上的成型模及装在模具内的糊料处于强烈的振动状态，这种振动虽然振幅不大但频率很高，一般为20～30Hz，由于强烈振动使糊料获得相当大的交变速度与加速度，这样就使糊料颗粒间的接触界面上的应力超过了糊料颗粒间的内聚力，从而引起糊料颗粒间的相对位移，与此同时在强烈的振动下糊料颗粒间的内摩擦力和糊料对成型模的外摩擦力也急剧下降，几乎呈流动状态的糊料很快充填到成型模内的全部空间，在上部重锤(或油压装置)的一定压力配合下达到成型目的，在糊料上部表面所加的压力只需0．1～0．3MPa。因此振动成型主要是依靠“振动致密”而不是依靠“压力致密”，振动成型多用于铝工业生产炭阳极(预焙阳极)，20世纪80年代初西德KHD公司为西德联合铝公司(VAw)制造了一台振动成型机，用于生产直径200～900ITlnl的石墨电极或炭电极，中国吉林炭素厂于20世纪70年代研制成功的结构比较简单的振动成型机，可以生产直径300～500ITllTl的石墨电极或直径达1200mm、高1m左右的石墨制品，这种造价较低的成型设备已有十多台在中国中小炭素厂使用。

挤压成型产品与振动成型产品质量的比较这两种成型方法从最终成品质量而言各有优缺点，挤压成型产品骨料颗粒的长轴大部分沿挤压方向排列，因而表现出产品一些物理机械指标的各向异性较大(如电阻率、热导率、线膨胀系数)，而振动成型产品不会引起骨料颗粒的定向排列因而产品的各向异性不明显，如振动成型电极的径向电阻率与轴向电阻率差别较小。振动成型电极和挤压成型电极在轴向电阻率方面差别不大，在配料及石墨化温度相似的情况下，振动成型产品的径向热导率优于挤压45成型产品。从弹性模量这一指标看，振动成型产品较小。卧振时最终产品的抗拉强度较低，因而振动成型不适合于生产要求抗拉强度大的接头坯料。振动成型产品的黏结剂含量较低有利于提高成品的密度，但振动成型产品存在沿高度方向密度的不均匀性(立振时)或半径方向密度的不均匀性(卧振时)。