炭制品的均质质量与超声波声速检测

2002年第2期总第110期

文章编号:1001-8948(2002)02-0041-03

炭　　素CARBON

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炭制品的均质质量与超声波声速检测

李　平,于立群,李婉秋

1

2

1

(1.哈尔滨电炭研究所;2.哈尔滨电炭厂,哈尔滨　150030)

摘要:分析了炭制品的均质结构及其影响因素,概述了超声波在炭制品中的传播情况及在炭制品均质结构检测中特点。介绍了独联体国家利用超声波声速对石墨电极进行检测的情况。认为超声波声速检测手段应用

在炭制品均质结构的检测方面是可行的,也是目前炭制品均质结构的一种简便易行和经济有效的检测方法。关键词:炭制品;均质结构;超声波声速;检测中图分类号:　TQ175.714　　文献标识码:　A

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MEASUREMENTFORHOMOGENEOUSQUALITYAND

ULTRASONICSPEEDOFCARBONPRODUCT

LIPing1,YULi-qun2,LIWan-qiu1

(1HarbinElectricalCarbonResearchInstituteHarbin150030,China;

2HarbinElectricalCarbonplant,Harbin150030,China)

Abstract:Thehomogeneousstructureandinfluencefactorsofcarbonproductsareanalyzed,thespreadsi-tuationofultrasonicspeedincarbonproductandcharacteristicwithhomogeneousstructureincarbonproduct,andthemeasurmentwaysforgraphiticelectrodusingultrasonicspeedinindependent-unionareintroduced.Itispracticableinmeasurmentofcarbonproductwithhomogeneousstructurethemeansoful-rassnicspeedanditisalsoaeasyandeconomicmeansatpresent.

Keywords:carbonproduct;homogeneousstructure;ultrasonicspeed;measurment

1　前言

材料的良好均质结构,是其稳定性能的基础。炭制品的骨料成份和生产工艺影响着它的均质结构及理化性能。炭制品结构的均质问题可导致其体积密度,抗压强度和耐烧蚀性等技术指标的下降,严重时还会造成产品报废,分析炭制品的均质质量和讨论炭制品的均质结构的检测方法,就成了稳定和提高炭制品质量的问题之一。下面将对影响炭制品均质

收稿日期:2002-01-07

结构的因素和超声波声速检测炭制品均质结构进行讨论。

2　炭制品的均质结构及其影响因素

炭制品一般是由骨料和粘结剂组成的。骨料有石油焦、沥青焦、天然石墨和炭黑等,粘结剂有煤焦油沥青或其它的粘结剂。粘结剂的使用是使骨料颗粒彼此结合在一起。粘结剂经焙烧炭化,其中残炭量占粘结剂重量的60%～70%

[1]

,并以焦炭形式残留

作者简介:李平,男(1953-),工程师,哈尔滨电炭研究所从事炭材料技术信息工作。

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炭　　素

2002年

E为杨氏模量,N/mm;

3

P为体积密度,g/mm;

σ为泊松比

由公式可见,声速的大小与材料的体积密度和

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下来。经过焙烧和石墨化的炭制品的组成成份,骨料炭与粘结剂的比例大致在70∶30至85∶15范围。[1]由于炭制品生产工艺不同,对料粉粒度的选择各异,炭制品结构也各有差异。

炭制品的成型分挤压成型、模压成型、等静压成型和振动成型等方式。成型方式不同的炭制品,其内部结构、体积密度,缺陷种类也各有差异。为了增加体积密度、抗压强度、导电性和耐磨性等,还对炭制品进行浸渍处理。炭制品在焙烧过程中,沥青会产生流动性,制品的摆放方式不同也会产生非均质结构缺陷。

经过多年的生产实践,人们已从更多的方面认识到了炭制品不均质结构的产生及对制品质量的影响。

结构的均质性等有密切关系,所以炭素行业在实验的基础上,已用超声波声速检测石墨电极和电极接头的内部均质质量。3.3　超声波与炭制品的特性

炭制品属非金属材料,体积密度一般在1.5g/33

cm～2.0g/cm之间。炭材料是电和热的良导体,还具有耐热性,耐腐蚀性和润滑性等许多独特的性质,这些均取决于它的成份,晶体结构及电子排布。它不仅有金属性质也有陶质特性,是一种脆性材料。炭材料的结构呈多晶体,炭的生成过程和微晶的成长程度及它的集合状态的多样性造成炭制品结构的各异性。在炭制品的制造过程中,因原材料种类、粒度组成、压型方式、焙烧和石墨化等各种生产状况的不同而进一步带来次要变化。

作为固体的炭制品可满足超声波在固体中传播的基本要求,采用纵波声速比较法和脉冲反射法可对炭制品内部进行质量检测。

利用超声波在炭制品中传播、衰减和反射进行炭制品超声波检测。造成超声波衰减和反射的原因有距离、密度、裂纹和气孔等因素。就炭材料本身而言声波衰减变化的主要因素;材料是由不同物质质点构成的;即使材料由同一种物质质点构成,晶粒也是各向同性的,但由于材料受热不均引起材质密度的局部变化,从而使整个材质声阻抗也不一致;虽然材料由同一种物质质点构成,但是多晶粒状态,由于晶体在不同方向上的弹性数值不一样,在不同方向上的声速呈各向异性,声阻抗也就不一致;材料的晶粒粗大,超声波在粗大晶粒的晶界上也会产生散射衰减。再有,散射衰减和超声波的波长与晶粒平均直径之比也有关。

由于超声波在物质中的衰减是比较复杂的,所以炭制品的超声波检测及对缺陷等的判断还要靠实践经验的总结和积累。

3　超声波的特性及超声波声速对炭制品的检测

3.1　超声波的特性

利用声音进行检测已有悠久的历史。利用超声波对工件进行检测是人们随着科学技术的发展和生产工艺的进步逐渐发展起来的。超声波是振动频率在20000Hz以上的机械振动波,也有人称超高音。超声波可在固体、液体、气体三种介质中传播。利用超声波能在固体介质中传播、衰减和电声转换、指向性、斜反射、折射、界面反射、缺陷反射等特性,可对工件进行内部缺陷检查,确定缺陷位置,测定缺陷大小、分析判断缺陷的性质。这在金属材料检测中已得到广泛应用,但在炭制品检测方面应用甚少,其它超声波检测炭制品的方法还属研究实验阶段。3.2　声速与体积密度

超声波借助介质质点弹性振动传递能量,声速大小与介质密度和弹性模量密切相关,所以在固体中声速最大,液体中次之,气体中最小。炭制品是以固体形式存在,几何形状简单,符合超声波的传播条件,所以我们只讨论固体的超声波声速。固体介质中传播的超声波声速与介质的弹性模量和体积密度以及超声波波形有关。下面,以常用的纵波声速为例进行讨论。

纵波声速的计算公式:

[2]

4　炭制品的超声波检测

目前,国内外都在开展炭制品的超声波检测工作,国外开展较早,在40、50年代就有少数国家对质量要求高的炭材料如核石墨就开展过超声波检测研E(1-σ)CL=P(1-2σ)(1+σ)CL为纵波声速,m/s;

第2期

李平等　炭制品的均质质量与超声波声速检测

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究。近年来,独联体国家的炭制品超声波检测工作取

得了较快的进展。我国哈尔滨电炭研究所和部分军工单位开展过这方面的研究实验,但发展较快的还是炭素行业。吉林炭素厂已在石墨电极接头的加工生产线上使用了该项检测技术,用于对电极接头的均质质量控制。

4.1　独联体国家的炭制品超声波检测概况独联体国家自60年代末开始采用超声波检测来研究声速在石墨制品中的传播与石墨制品气孔大小的相互关系,并取得了一些有规律的技术参数。在此基础上,首先对铝电解槽阴极板进行了质量检测,并取得了可行性结论。70年代实现了铝电解槽阴极板的超声波控制。80年代取得了炭素焙烧品浸渍煤沥青均质性和炭制品压型粒度与多孔的超声波检测可行性结论。90年代对石墨电极的石墨化裂纹、细颗料炭制品焙烧毛坯与石墨化毛坯的内部缺陷和大规格炭毛坯生产的超声波检测控制。2000年后又公布了炭、石墨底块与熔融金属用炭素坩埚超声波控制的新成果。4.2　独联体国家的石墨电极声速检测情况

独联体国家检测石墨电极时,采用声速控制方法,多采用YK-14Ⅱ型仪器。根据石墨电极的特性和经验,超声波声频一般选择60kHz,测量声速的相对误差为15%。取声速值1550m/s以下作为报废标准。在检测面上要求每个检测点都要达到1550m/s以上,哪怕在一点上穿过的声速低于报废标准,则此电极也被认为是低质量或报废品。但是1550m/s的标准不是对所有规格电极都实用。声速与电极直径的大小有关,随电极直径增大而降低,如Υ400mm的电极声速标准为1800m/s,而Υ600mm的电极声速标准则为1540m/s就可保持与Υ400mm电极的均质程度相似。下表列出了独联体国家对几批石墨电极的超声波声速检测实验情况。

通过比较不难看出,美国联合炭化物公司UCARΥ600mm石墨电极质量很好,声速较高、声速差值在120m/s之间。其它牌号同规格石墨电极的声速明显偏低,最高声速1720m/s与UCAR的最低声速1860m/s还差140m/s,声速在1720m/s～1380m/s之间,声速差为340m/s,比UCAR声速

范围大2倍,电极单耗也差约2/3。

表　独联体国家对几批石墨电极声速

检测情况[3]

牌号电极直径超声波声速范围平均超声波速度样品数量合格率电极单耗

单位mmm/sm/s根100Kg/t

UCARΥ6101980～1860

192046100<8

зTCOΥ6101720～1380

15401354513.9～14.9

эг-15、20Υ4001960～1600

180026510010

由此可见,我们通过电极中声速的分析,可以看

到制品内部结构均质制品质量有着重要影响。由于炭制品工艺的特殊性,在同一批,同一根石墨电极及其它炭制品的生产过程中都存在均质结构问题。采用声速检测和其它超声波检测方法均可检测炭制品均质结构和其它缺陷。另外采用脉冲反射法检测炭制品中的气孔、夹杂、裂纹等缺陷,通过反射波判断缺陷的性质。

5　结论

炭制品的超声波检测,无论是声速测量,还是脉冲波反射检测,均可得到不同的检测参量,从而分析和控制产品质量,以提高产品质量和产品质量稳定性、可靠性,避免和消除各种危险性缺陷和原材料等的浪费。

炭制品生产工艺等的变化会造成制品检测参数的变化。选择合适的检测条件是必要的,也是超声波检测的基础,但是实践工作中经验的积累和总结也是很重要的。总之大规格炭制品的超声波检测是一项简便、快捷、经济、实用的检测方法。参考文献:

[1]　陆玉峻,等译.新炭素工业[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1990.

[2]　王庆华,等.无损探伤[M].劳动出版社,

1982.[3]　张红译.石墨化电极的超声波检测[J].电炭,

1999,1.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kt87.html