表面沉积非晶碳薄膜降低石墨电极消耗的方法技术

石墨电极是现代电炉炼钢技术不可或缺的耐高温导电材料。降低石墨电极的氧化消耗对于降低钢铁冶炼成本具有至关重要的意义。本发明专利技术提供了一种表面沉积非晶碳薄膜降低石墨电极消耗的方法，利用电弧离子镀技术，以石墨为阴极靶材，在石墨电极表面上低温沉积非晶碳薄膜，其与石墨基材结合紧密且具有较强的抗氧化性能。实践应用表明，表面沉积非晶碳薄膜处理后的石墨电极与未处理石墨电极相比，吨钢电极消耗量下降了20％以上。本发明专利技术可广泛应用于钢铁冶金行业领域。

Method for reducing consumption of graphite electrode by surface depositing amorphous carbon film

Graphite electrode is an indispensable high temperature resistant conductive material for modern EAF steelmaking. Reducing the oxidation consumption of graphite electrode is of great importance to reduce the cost of smelting steel. The invention provides a surface deposition of amorphous carbon film and method of reducing consumption of graphite electrodes, by arc ion deposition on graphite cathode material, graphite electrode surface in the low temperature deposition of amorphous carbon films, and the graphite substrate closely and has strong antioxidant properties. The practical application shows that the Dun Gang electrode consumption drops by more than 20% when compared with the untreated graphite electrode. The invention can be widely applied in the field of iron and steel and metallurgy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石墨电极表面处理和表面改性技术，特别是一种电弧炉炼钢和炉外精 炼用石墨电极表面保护层的制备方法。
技术介绍
石墨电极主要是以石油焦、针状焦为原料，煤浙青为结合剂，经原料煅烧、配料、混 捏、压型、焙烧、石墨化和机械加工而制成的一种耐高温石墨质导电材料，具有良好的高温 性能、低热膨胀系数、强耐腐蚀性和易加工等特性，是现代电炉炼钢工业不可缺少的耐高温 导电材料。在炼钢过程中石墨电极的正常使用是保证电炉炼钢稳定运行的一个重要保证， 其质量已成为影响电炉炼钢关键技术之一。石墨电极在高温下突出缺陷是容易发生氧化， 从450°C开始，超过750°C后则氧化急剧增加，且随着温度的升高不断加剧。由于受氧化气 体介质腐蚀会导致石墨电极表面结构疏松、表面硬度和机械强度大幅度降低。通常石墨电 极在冶炼过程中主要有电极端头挥发、电极侧壁氧化、电极折断、电极残头损失和电极端头 剥落等消耗。石墨电极的消耗不仅增加了炼钢总成本，而且石墨电极的质量及稳定程度对 炼钢连续生产产生重大影响，甚至会导致生产中断。因此，对石墨电极表面处理以提高其质 量和表面性能并降低消耗非常重要。减少电极侧壁表面的氧化损失是降低石墨电极消耗的 最有效途径之一。目前常用的方法是涂层法和浸渍法，在石墨电极表面上形成一层陶瓷涂 层保护层。中国专利CN1052878以磷硅玻璃等结合碳化物、氮化物和二氧化钛等制成石墨 电极防氧化涂层；中国专利CN1994967通过氧化物溶液浸渍法在石墨碳套表面和孔内制备 了陶瓷保护薄膜；中国专利CN13M206以水玻璃作为粘结剂结合耐火材料制备了石墨电极 防氧化涂料，这些方法在一定程度上对石墨电极起到保护作用，但由于涂层与石墨电极热 膨胀系数有较大差异，使用过程中容易发生剥落，直接影响保护效果和使用效果。非晶碳薄膜同时含有石墨结构(SP2)和金刚石结构(SP3)，其SP2碳和SP3碳的相 对含量可通过工艺参数调控，SP3杂化的碳原子可形成0-0键，而SP2杂化的碳原子可形 成H-η键，薄膜性能与SP3键和SP2键的相对含量关系很大。非晶碳薄膜具有良好的物理 性能和化学械性能，如硬度高、弹性模量大、摩擦系数低、优异的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化 性、低热膨胀系数及良好的化学稳定性，是一种良好的表面防护膜。非晶碳薄膜制备工艺简 单，实用性好，在机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域得到广泛应用。因此非晶碳薄膜是石墨电极表面处理和表面改性的理想材料，通过调控Sp2碳和 SP3碳的相对含量在石墨电极表面制备一层与石墨电极热膨胀系数匹配、抗热震性能优良、 结合强度高的非晶碳薄膜，能有效降低石墨电极的氧化消耗。但是现有技术中不存在在石 墨电极表面利用电弧离子镀沉积碳膜降低石墨电极消耗的方法。
技术实现思路
针对石墨电极在冶炼过程中出现的电极侧壁氧化等氧化机理，本专利技术所解决的技 术问题在于提供一种表面沉积非晶碳薄膜的方法，能够有效降低氧化引起的石墨电极的消耗 ο实现本专利技术目的的技术解决方案为一种，采用电弧离子镀技术，以石墨为阴极靶材，在石墨电极表面上沉积非晶碳薄膜，具 体包括以下步骤步骤1，对石墨电极表面进行预处理；步骤2，将表面预处理好的石墨电极固定在电弧离子镀设备真空室内的支架上，并 对电弧离子镀设备真空室抽真空；步骤3，将氩气通入真空室，之后引燃电弧，在石墨电极上施加高偏压对其表面进 行轰击清洗；步骤4，向真空室内通入沉积气体，调整沉积气氛，降低偏压，调整石墨电极的温 度，控制石墨靶电弧源的弧电流和弧电压，调控沉积工艺参数在石墨电极表面沉积非晶碳 薄膜；步骤5，沉积结束后，关闭弧电源和偏压，关闭气体，待石墨电极在真空室中冷却到 室温，打开真空室取出表面沉积一层非晶碳薄膜的石墨电极。本专利技术与现有技术相比，具有显著的优点首先非晶碳薄膜本身具有较强的高温 抗氧化性能；其次，非晶碳薄膜与石墨基体结合强度高、热膨胀系数接近，因此非晶碳薄膜 的保护层具有很强的抗热震性能，可避免保护层的剥落和失效；再次，非晶碳薄膜采用低温 气相沉积，不仅均勻致密，且能够深入石墨制品表面孔隙的内部覆盖实现有效保护。本专利技术 通过表面沉积非晶碳薄膜降低石墨电极消耗，可广泛用于电弧炉炼钢等领域，有效降低了 石墨电极消耗。具体实施例方式电弧离子镀为制备非晶碳薄膜的一种常用设备，本专利技术的表面沉积非晶碳薄膜降 低石墨电极消耗的方法，采用电弧离子镀，以石墨为阴极靶材，在石墨电极表面上沉积非晶 碳薄膜，具体包括以下步骤步骤1，对石墨电极表面进行预处理；具体为用砂纸和铁刷对石墨电极表面进行 打磨，然后压缩空气清理，之后用丙酮或酒精清洗，气体吹干。步骤2，将表面预处理好的石墨电极固定在电弧离子镀设备真空室内的支架 上，并对电弧离子镀设备真空室抽真空；电弧离子镀设备抽真空后的真空度小于或等于 3 X KT3Pa。步骤3，将氩气通入真空室，之后引燃电弧，在石墨电极上施加高偏压对其表面进 行轰击清洗，石墨电极在电动机带动下可控速旋转，转速为0 60转/分钟；石墨靶材与石 墨电极的距离在50 300mm范围内可调；通入氩气后真空室的真空度为0. 1 IPa ；电弧 的弧电流为20 50A、弧电压为20 30V ；在石墨电极上施加的高偏压为脉冲偏压，该高偏 压为-500 -800V，占空比为10% 40% ；轰击清洗时间为1 5分钟。步骤4，向真空室内通入沉积气体，调整沉积气氛，降低石墨电极的偏压，调整石墨 电极表面温度，控制石墨电弧源的弧电流和弧电压，调控沉积工艺参数在石墨电极表面沉 积非晶碳薄膜；上述真空室内通入的沉积气体为氩气、氢气、氮气、碳氢气体中的一种或两 种及以上的混合，通入气体后的压强为0. 05 5Pa ；石墨电极的偏压为0 -400V、占空比10% 40% ；石墨电极表面温度为25 200°C ；石墨电弧源的弧电流为20 50A、弧电压 为20 30V。步骤5，沉积结束后，关闭弧电源和偏压，关闭气体，待石墨电极在真空室中冷却到 室温，打开真空室取出表面沉积一层非晶碳薄膜的石墨电极。下面结合实施例对本专利技术做进一步详细的描述实施例1 选择直径450mm、长1500mm的超高功率石墨电极为基体，对石墨电极按以下工艺 进行处理(1)用毛刷和压缩空气清除石墨电极表面的污垢，然后依次用400 1200#砂纸打 磨石墨电极表面，再用压缩空气吹洗，之后用丙酮或酒精清洗，气体吹干，以供使用。(2)将表面预处理好的石墨电极固定在电弧离子镀设备真空室内的支架上，石墨 电极在电动机带到下可控速连续旋转，转速为5转/分钟。非晶碳膜的制备采用石墨靶材， 靶材距石墨电极表面的距离为80mm。关闭真空室，利用机械泵和扩散泵抽真空至本底真空 度小于或等于3X10_3Pa。(3)待达到本底真空时，打开气阀通入高纯氩气；当真空度稳定于0.5Pa时，开启 石墨电弧源，弧电流为25A、弧电压为20V ；脉冲偏压调至-500V、占空比为40%，对石墨电极 表面进行轰击清洗，轰击清洗时间为:3min。(4)继续通入氩气，在石墨电极表面沉积非晶碳薄膜。将施加在石墨电极上的脉 冲偏压降到0V，工作压强为0. lPa，沉积温度为100°C，弧电流为20A、弧电压为20V，沉积时 间20min ；之后调整工艺参数继续沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种表面沉积非晶碳薄膜降低石墨电极消耗的方法，其特征在于采用电弧离子镀技术，以石墨为阴极靶材，在石墨电极表面上沉积非晶碳薄膜，具体包括以下步骤：步骤１，对石墨电极表面进行预处理；步骤２，将表面预处理好的石墨电极固定在电弧离子镀设备真空室内的支架上，并对电弧离子镀设备真空室抽真空；步骤３，将氩气通入真空室，之后引燃电弧，在石墨电极上施加高偏压对其表面进行轰击清洗；步骤４，向真空室内通入沉积气体，调整沉积气氛，降低偏压，调整石墨电极的温度，控制石墨靶电弧源的弧电流和弧电压，调控沉积工艺参数在石墨电极表面沉积非晶碳薄膜；步骤５，沉积结束后，关闭弧电源和偏压，关闭气体，待石墨电极在真空室中冷却到室温，打开真空室取出表面沉积一层非晶碳薄膜的石墨电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邹友生，徐锋，杨晓智，刘明，
申请(专利权)人：南通扬子碳素股份有限公司，南京理工大学，
类型：发明
国别省市：32