石墨電極與接頭的“理想連接”及實現

陳敬全 周麗華 陳善元 朱 強

（泰興市晨光高新技術開發有限公司，江蘇泰興 225400）

1 石墨電極與接頭在通電過程中的集膚效應

德國著名炭素專家赫爾穆特·威爾斯戴特在《石墨電極生產、檢驗與應用基本原理》一書中指出：“石墨電極與接頭在使用中大約80%的電流是流經電極端面的。”

這段話來自電學的基本原理。就是說在電流傳導過程中，80%的電流從導體最大直徑處流過，即所謂的“集膚效應”。而電極與接頭在使用過程中也是電導體，所以也適用“集膚效應”。

那么，“集膚效應”與電極和接頭的“理想連接”有什么關系呢？

2 集膚效應是電極與接頭“理想連接”的理論基礎

毫無疑問，“集膚效應”對電極與接頭的使用是極為有利的。首先，由于“集膚效應”，電極與接頭在使用過程中大約80%的電流是流經電極端面的，而電極端面如果實現大面積接觸，接觸電阻很小，因而功耗大大減少，從而可降低冶煉企業的單位電極損耗，提高經濟效益。

其次，電極與接頭在使用過程中僅20%的電流流經其螺紋連接處，與傳統的電極端面不接觸或接觸不良、100%電流流經螺紋連接處相比，功耗下降80%以上，發熱量大大減少，可以杜絕傳統電極與接頭螺紋連接處因電流大而產生局部高溫燒化以致折斷的現象。

但是，由圖1可見，“集膚效應”的存在并發揮作用是有條件的。條件為：

（1）電極端面接觸率趨近100%，通電面積最大化，特別是電極最大直徑處接觸良好。這是“集膚效應”存在的基礎。如果這一條件做不到，通電時由于電極端面不接觸或接觸不良，電流只能從螺紋連接處通過，其“集膚效應”只能是螺紋連接最大直徑處的“集膚效應”，傳導電阻和功耗將大大增加。

（2）螺紋連接處各項有關精度匹配良好，連接緊密可靠，不但使20%電流通過時電阻和發熱量降到最低，而且確保端面接觸良好。

符合以上兩個條件的電極和接頭的連接就是“理想連接”。

3 實現石墨電極與接頭“理想連接”的加工要求

首先從上述第1條件來分析，為達到電極與接頭連接端面接觸率趨近100%，則加工必須符合以下要求：

（1）電極端面高度平整，平面度誤差 ≤0.012 mm；

（2）電極端面不得中凸，只能中凹，中凹量 ≤0.05 mm；

（3）電極端面與螺紋中心線垂直度誤差≤0.01 mm；

（4）電極與接頭螺紋的4點偏差≤0.04 mm。

其次，從第2條件來分析，為達到螺紋連接處各項有關精度匹配良好，連接緊密，則加工精度必須達到以下要求：

（1）單牙螺距誤差≤0.012 mm，螺距累積誤差≤0.03 mm/152.4 mm，從而保證連接螺紋每個螺牙都能緊密均勻配合；

（2）電極與接頭螺紋直徑分別為（d+1/2t）mm 和（d+1/2t4）mm，其中 t為根據電極與接頭材料的熱膨脹系數及經驗而定的直徑方向保證間隙值，使其未通電時螺牙連接良好，通電發熱后不會因膨脹而壓潰和燒斷；

（4）螺紋牙形半角為30°±10′，牙面粗糙度Ra≤3.2!m，此外，電極與接頭連接處外徑錯開量必須≤0.15 mm，以防止夾持通電時夾斷。因此要求電極螺紋中心線與外圓的同軸度≤0.07 mm。

顯而易見，電極與接頭的“理想連接”對加工精度提出了很多超出常規的要求，傳統加工技術已難以解決，因此推廣數控技術，實現高精度加工是必由之路。

4 推廣數控技術，實現“理想連接”

20世紀90年代，我國除吉炭、蘭炭從美、日進口了幾條電極與接頭自動加工線外，對大多數中小炭素廠來講，使用自動加工線或數控加工機床來解決電極與接頭的精密加工還只能是遙不可及的夢想。

進入21世紀以來，我國陸續研制成功了各種具有自主知識產權的電極與接頭加工機床單機和數控自動加工線。國產設備的高技術、高性能和高性價比毫不遜色于國外進口同類設備，經過幾年的努力，已得到了大面積推廣。截至目前為止，我國已建成和正在新建CGK·RZ·01數控接頭自動加工線15條，改造接頭自動線3條，CGK·RZ·02數控電極自動加工線6條。廣大中小炭素企業，特別是出口炭素企業，認識到數控加工的重要性，積極推廣應用數控機床，數控化率已達到80%以上，為實現電極與接頭的“理想連接”打下了堅實的基礎。

我國的數控加工電極與接頭技術的推廣得到了世界特別是歐、美、日等工業發達國家的認可，并形成了自己獨特的優勢：

（1）國產機床突出了“全數控加工”，消除傳動鏈誤差，使螺紋螺距、錐度、精度優于進口設備，引導了電極與接頭精密加工的新潮流；

（2）直徑尺寸采用數控方法精細調整，特別方便，尺寸變化范圍極小；

（3）數控技術先進，單機采用國產專用高性能數控系統，整線采用西門子PLC和自行開發的數控軟件控制，并帶上位計算機，可實現遠程監控和診斷；

（4）電極螺紋與端面加工方法特殊，其端面加工不同于美國線的車削，也不同于日本線的銑削（只能銑平或銑凸，不能銑凹）和德國線的二次銑削，而是由同一根主軸帶動下進行螺紋加工和端面刮削，端面平直度好而且可以輕而易舉地實行中凹，端面與螺紋軸心線的垂直度明顯領先；

（5）自行配套經高精度磨削的鑲嵌硬質合金梳刀，價廉物美，便于推廣。

由于國產電極與接頭數控機床及數控自動加工線具有上述優勢，現已開始出口印度HEG公司等，并受到好評，有望進一步出口德、意等國家。

隨著鋼鐵冶煉技術的現代化發展，對電極與接頭使用的安全性和經濟性日益凸顯出來。建立在其高精度的基礎上，提出了電極與接頭“理想連接”的新概念，實現電極與接頭的“理想連接”，其在使用過程中燒損、松脫的危險性大大減小，部分彌補材質缺陷帶來的強度不足等影響，并且明顯地降低電能和材料損耗從而提高了經濟效益。