[发明专利]用于碳素材料的抗氧化剂及其制作、使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及抗氧化剂，该抗氧化剂是为提高碳素材料的使用寿命和扩大其使用范围，尤其是大气环境下，提高高温工程用碳素材料的抗氧化性能。

背景技术

高温工程用碳素材料的绝大部分是电弧炉炼钢用石墨电极。石墨电极具有高温强度大，导电性好的优点，但不足之处在于抗氧化能力差。在电弧炉炼钢中，石墨电极的氧化损失达电极消耗总量的40～70％。

因石墨电极的消耗引起的费用占炼钢总生产费用的15％以上，石墨电极本身同时也是高耗能产品，生产1吨石墨电极仅电能就需要4000kwh以上，降低石墨电极的消耗可以有效地降低电弧炉炼钢生产的能耗和成本。

通过在碳素材料表面形成高效隔氧层，使碳素材料和高温氧化性气氛脱离接触，可以达到保护碳素材料不被氧化，或降低其和氧的反应速度的目的。至今已开发了以下技术：

(1)在电极表面涂高温抗氧化涂料

此技术曾经作为降低电弧炉用石墨电极氧化损失最有效的方法之一而在电弧炉炼钢厂得到推广。但用此方法在电极表面生成的抗氧化薄膜，其抵抗机械冲击和热冲击的性能差，很容易从电极表面剥落，且随着电弧炉炼钢功率的大幅增加带来的通过电极的电流密度的不断提高，电极把持器处喷水冷却喷头的使用，用此方法形成的抗氧化薄膜已完全不能达到导电性和耐水性的要求而被终止使用。

(2)向碳素材料浸渍熔融金属、熔融玻璃

通过高温下加压、减压的手段，在碳素材料表面形成抗氧化薄膜的同时，将熔融金属、熔融玻璃浸入碳素材料的孔隙中，以提高其抗氧化能力。但因为需要高温下的浸渍设备，成本高，对大型碳素材料制品在高温下实施加压、减压浸渍操作相当困难而没有得到推广应用。

(3)碳素材料制品原料中添加抗氧化剂粉末材料

碳素材料制品的原料中添加B₄C、SiC、SiB₂等粉末，经成形及高温煅烧后在碳素材料制品的表面及孔隙的内表面生成硅酸硼的抗氧化薄膜。用此方法生产的碳素材料，在低于摄氏1200度的温度范围内，具有很好的抗氧化性和强度。但是，因这种材料中B₄C、SiC、SiB₂的含量达40wt％以上，造成其导电性和抗热冲击性能的恶化，生产成本高，不适用于要求良好导电性和抗热冲击性的石墨电极。

(4)浸渍硼酸溶液

将硼酸溶解在有机溶液中，然后将其浸入碳素材料，在碳素材料表面及其孔隙的内表面生成硼酸薄膜。在表面形成了硼酸薄膜的碳素材料在使用温度低于摄氏1000度时，具有很好的抗氧化性。但是，当使用温度高于摄氏1000度时，因硼酸的挥发而失去抗氧化性。现在的电弧炉炼钢的大部分都在电极把持器处安装了冷却电极的水冷喷头，此硼酸溶液抗氧化剂已没有效果。

(5)用浸渍方法在碳素材料表面生成SiO₂-Al₂O₃-磷系陶瓷薄膜

在此发明专利提出之前，本发明人已获得专利号为第2749767号的“石墨制品的氧化防止剂”日本专利。已获得专利权的石墨制品的氧化防止剂是将硅、铝及磷安定地分散在水溶液中，通过浸渍-干燥工序在碳素材料制品的表面及孔隙的内表面形成SiO₂-Al₂O₃-磷系陶瓷薄膜。通过在安装了电极冷却喷头装置的电弧炉炼钢炉上长时间实用证明，采用这种经氧化防止剂浸渍的石墨电极，可以降低石墨电极消耗14.4％，并降低了电耗，提高了生产效率。

浸渍已获得专利权的石墨制品的氧化防止剂在碳素材料表面形成的SiO₂-Al₂O₃-磷系陶瓷薄膜，当碳素材料的使用温度低于摄氏1200度时，能在碳素材料表面稳定存在，有良好的隔离氧的作用。但是，当碳素材料的使用温度高于摄氏1200度时，SiO₂-Al₂O₃-磷系陶瓷薄膜熔融而在碳素材料表面收缩成液滴而破坏了薄膜的连续性。即已获得专利权的石墨制品的氧化防止剂仅适用于碳素材料的使用温度低于摄氏1200度时提高碳素材料的抗氧化性。请参考附图2的照片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的浸渍型碳素材料的抗氧化剂。向碳素材料浸渍这种抗氧化剂，在碳素材料表面及孔隙内表面形成的陶瓷薄膜能在摄氏1200度以上的温度也能稳定地覆盖在碳素材料表面，提高碳素材料在摄氏1200度以上的温度条件下的使用寿命。