عملية إنتاج أقطاب الجرافيت

المواد الخام وعملية تصنيع قطب الجرافيت

قطب الجرافيت هو مادة موصلة من الجرافيت مقاومة لدرجات الحرارة العالية، يتم إنتاجها عن طريق عجن البترول، وفحم الكوك الإبري كمادة مضافة، وبيتومين الفحم كمادة رابطة، ويتم إنتاجها من خلال سلسلة من العمليات مثل العجن، والتشكيل، والتحميص، والتشريب، والجرافيتة، والمعالجة الميكانيكية.

يُعدّ قطب الجرافيت مادةً موصلةً مهمةً في درجات الحرارة العالية لصناعة الصلب الكهربائية. يُستخدم قطب الجرافيت لتزويد الفرن الكهربائي بالطاقة الكهربائية، وتُستخدم درجة الحرارة العالية الناتجة عن القوس الكهربائي بين طرف القطب والشحنة كمصدر حراري لصهر الشحنة في صناعة الصلب. كما تستخدم أفران خامات أخرى، مثل الفوسفور الأصفر والسيليكون الصناعي والمواد الكاشطة، أقطاب الجرافيت كمواد موصلة. وتُستخدم الخصائص الفيزيائية والكيميائية الممتازة والمميزة لأقطاب الجرافيت على نطاق واسع في قطاعات صناعية أخرى.

المواد الخام المستخدمة في إنتاج أقطاب الجرافيت هي فحم الكوك البترولي، وفحم الكوك الإبري، وقطران الفحم.

فحم الكوك البترولي منتج صلب قابل للاشتعال يُستخلص من مخلفات فحم الكوك وقطران البترول. لونه أسود ومسامي، وعنصره الأساسي الكربون، ومحتواه من الرماد منخفض جدًا، عادةً أقل من 0.5%. ينتمي فحم الكوك البترولي إلى فئة الكربون سهل التبلور. وله استخدامات واسعة في الصناعات الكيميائية والمعدنية، فهو المادة الخام الرئيسية لإنتاج منتجات الجرافيت الاصطناعي ومنتجات الكربون المستخدمة في إنتاج الألومنيوم الإلكتروليتي.

يمكن تقسيم فحم الكوك البترولي إلى نوعين: فحم الكوك الخام وفحم الكوك المكلس، وذلك حسب درجة حرارة المعالجة الحرارية. يحتوي فحم الكوك الخام، الناتج عن عملية التكويك المتأخر، على نسبة عالية من المواد المتطايرة، كما أن قوته الميكانيكية منخفضة. أما فحم الكوك المكلس فيُستخلص من تكليس فحم الكوك الخام. وتنتج معظم مصافي التكرير في الصين فحم الكوك فقط، وتُجرى عمليات التكليس في الغالب في مصانع الكربون.

يمكن تقسيم فحم الكوك البترولي إلى فحم عالي الكبريت (يحتوي على أكثر من 1.5% كبريت)، وفحم متوسط ​​الكبريت (يحتوي على 0.5% إلى 1.5% كبريت)، وفحم منخفض الكبريت (يحتوي على أقل من 0.5% كبريت). ويُستخدم فحم منخفض الكبريت عادةً في إنتاج أقطاب الجرافيت وغيرها من منتجات الجرافيت الاصطناعية.

فحم الكوك الإبري نوع من أنواع فحم الكوك عالي الجودة يتميز بنسيج ليفي واضح، ومعامل تمدد حراري منخفض للغاية، وسهولة تحوله إلى جرافيت. عند تكسير فحم الكوك، يمكن تقسيمه إلى شرائح رفيعة وفقًا لنسيجه (نسبة الطول إلى القطر عادةً ما تكون أعلى من 1.75). يمكن ملاحظة بنية ليفية غير متجانسة تحت المجهر المستقطب، ولذلك يُطلق عليه اسم فحم الكوك الإبري.

تتجلى بوضوح ظاهرة التباين في الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لفحم الكوك الإبري. فهو يتمتع بموصلية كهربائية وحرارية جيدة موازية لمحوره الطولي، ومعامل تمدد حراري منخفض. عند تشكيله بالبثق، يتجه المحور الطولي لمعظم الجزيئات في اتجاه البثق. لذلك، يُعد فحم الكوك الإبري المادة الخام الأساسية لتصنيع أقطاب الجرافيت عالية القدرة أو فائقة القدرة. يتميز قطب الجرافيت الناتج بمقاومة كهربائية منخفضة، ومعامل تمدد حراري صغير، ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية.

ينقسم فحم الكوك الإبري إلى فحم الكوك الإبري المصنوع من الزيت والمستخرج من مخلفات البترول، وفحم الكوك الإبري المصنوع من الفحم والمستخرج من المواد الخام المكررة من قطران الفحم.

يُعدّ قطران الفحم أحد المنتجات الرئيسية للمعالجة العميقة لقطران الفحم. وهو خليط من هيدروكربونات متنوعة، أسود اللون عند درجات الحرارة العالية، وشبه صلب أو صلب عند درجات الحرارة العالية، وليس له نقطة انصهار ثابتة، ويلين بعد التسخين، ثم ينصهر، بكثافة تتراوح بين 1.25 و1.35 غ/سم³. وبناءً على نقطة تليينه، يُصنّف إلى أسفلت منخفض الحرارة، وأسفلت متوسط ​​الحرارة، وأسفلت عالي الحرارة. وتبلغ نسبة إنتاج الأسفلت متوسط ​​الحرارة 54-56% من قطران الفحم. يتميز تركيب قطران الفحم بتعقيده الشديد، والذي يرتبط بخصائص قطران الفحم ومحتوى الذرات غير الكربونية، ويتأثر أيضًا بنظام عملية التكويك وظروف معالجة قطران الفحم. وهناك العديد من المؤشرات لتوصيف قطران الفحم، مثل نقطة تليين البيتومين، والمواد غير القابلة للذوبان في التولوين، والمواد غير القابلة للذوبان في الكينولين، وقيم التكويك، وخواص قطران الفحم الريولوجية.

يُستخدم قطران الفحم كمادة رابطة ومادة تشريب في صناعة الكربون، ويؤثر أداؤه بشكل كبير على عملية الإنتاج وجودة منتجات الكربون. يستخدم الأسفلت الرابط عادةً أسفلتًا متوسط ​​الحرارة أو أسفلتًا مُعدَّلًا متوسط ​​الحرارة، يتميز بنقطة تليين معتدلة، وقيمة تكويك عالية، وراتنج بيتا عالي. أما مادة التشريب فهي أسفلت متوسط ​​الحرارة يتميز بنقطة تليين منخفضة، ومؤشر جودة منخفض، وخصائص انسيابية جيدة.