القطب الجرافيتي هو مادة موصلة من الجرافيت مقاومة لدرجات الحرارة العالية يتم إنتاجها عن طريق عجن البترول وفحم الإبرة كمواد مجمعة وبتومين الفحم كمادة رابطة، والتي يتم إنتاجها من خلال سلسلة من العمليات مثل العجن والقولبة والتحميص والتشريب والجرافيت والمعالجة الميكانيكية. المواد.
يُعدّ قطب الجرافيت مادةً موصلةً مهمةً لدرجات الحرارة العالية في صناعة الصلب الكهربائي. يُستخدم قطب الجرافيت لإمداد الفرن الكهربائي بالطاقة الكهربائية، وتُستخدم درجة الحرارة العالية الناتجة عن القوس الكهربائي بين طرف القطب والشحنة كمصدرٍ للحرارة لصهر الشحنة في صناعة الصلب. كما تستخدم أفران الخامات الأخرى التي تُصهر مواد مثل الفوسفور الأصفر والسيليكون الصناعي والمواد الكاشطة أقطاب الجرافيت كمواد موصلة. وتُستخدم خصائص أقطاب الجرافيت الفيزيائية والكيميائية الممتازة والمتميزة على نطاق واسع في قطاعات صناعية أخرى.
المواد الخام لإنتاج أقطاب الجرافيت هي فحم البترول وفحم الإبرة وقطران الفحم.
فحم الكوك البترولي منتج صلب قابل للاشتعال، يُستخرج من بقايا فحم الكوك وزفت البترول. لونه أسود ومسامي، وعنصره الرئيسي هو الكربون، ونسبة الرماد فيه منخفضة جدًا، وعادةً ما تكون أقل من 0.5%. ينتمي فحم الكوك البترولي إلى فئة الكربون سهل الجرافيت. يُستخدم فحم الكوك البترولي على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية والمعدنية. وهو المادة الخام الرئيسية لإنتاج منتجات الجرافيت الصناعي ومنتجات الكربون للألمنيوم الكهربائي.
يمكن تقسيم فحم البترول إلى نوعين: فحم الكوك الخام وفحم الكوك المُكلس، وذلك وفقًا لدرجة حرارة المعالجة الحرارية. يحتوي فحم البترول المُنتَج بالتفحم المُؤجل على كمية كبيرة من المواد المتطايرة، وقوته الميكانيكية منخفضة. أما فحم الكوك المُكلس، فيُنتَج بتحميص فحم الكوك الخام. تُنتج معظم مصافي التكرير في الصين فحم الكوك فقط، وتُجرى عمليات التكليس غالبًا في مصانع الكربون.
يمكن تقسيم فحم البترول إلى فحم عالي الكبريت (يحتوي على أكثر من 1.5% كبريت)، وفحم متوسط الكبريت (يحتوي على 0.5%-1.5% كبريت)، وفحم منخفض الكبريت (يحتوي على أقل من 0.5% كبريت). يُستخدم فحم الكوك منخفض الكبريت عادةً في إنتاج أقطاب الجرافيت ومنتجات الجرافيت الصناعي الأخرى.
فحم الكوك الإبري هو نوع من فحم الكوك عالي الجودة يتميز بقوام ليفي واضح، ومعامل تمدد حراري منخفض جدًا، وسهولة في التكسير. عند كسر الكوك، يمكن تقسيمه إلى شرائح رفيعة حسب قوامه (نسبة العرض إلى الارتفاع عادةً ما تكون أعلى من 1.75). يمكن ملاحظة بنية ليفية متباينة الخواص تحت المجهر المستقطب، ولذلك يُطلق عليه اسم فحم الكوك الإبري.
يتميز فحم الكوك الإبري بتباين واضح في الخواص الفيزيائية والميكانيكية. يتميز بموصلية كهربائية وحرارية جيدة موازية لاتجاه المحور الطويل للجسيم، ومعامل تمدد حراري منخفض. عند التشكيل بالبثق، يكون المحور الطويل لمعظم الجسيمات في اتجاه البثق. لذلك، يُعد فحم الكوك الإبري المادة الخام الرئيسية لتصنيع أقطاب الجرافيت عالية أو فائقة القدرة. يتميز قطب الجرافيت المنتج بمقاومة منخفضة، ومعامل تمدد حراري صغير، ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية.
ينقسم فحم الإبرة إلى فحم الإبرة القائم على الزيت المنتج من بقايا البترول وفحم الإبرة القائم على الفحم المنتج من مواد خام من قاع الفحم المكرر.
قطران الفحم هو أحد المنتجات الرئيسية للمعالجة العميقة لقطران الفحم. وهو خليط من هيدروكربونات مختلفة، أسود اللون عند درجات حرارة عالية، شبه صلب أو صلب عند درجات حرارة عالية، بدون نقطة انصهار ثابتة، يُلين بعد التسخين ثم يُذاب، بكثافة تتراوح بين 1.25 و1.35 جم/سم3. يُصنف حسب نقطة التليين إلى أسفلت منخفض الحرارة، متوسط الحرارة، وعالي الحرارة. تبلغ نسبة إنتاج الأسفلت متوسط الحرارة 54-56% من قطران الفحم. تركيب قطران الفحم معقد للغاية، ويرتبط بخصائصه ومحتوى الذرات غير المتجانسة، ويتأثر أيضًا بنظام عملية التكوير وظروف معالجة قطران الفحم. هناك العديد من المؤشرات التي تُميز قار قطران الفحم، مثل نقطة تليين البيتومين، ومواد التولوين غير القابلة للذوبان (TI)، ومواد الكينولين غير القابلة للذوبان (QI)، وقيم التكوير، وريولوجيا قار الفحم.
يُستخدم قطران الفحم كمادة رابطة ومُشَرِّبة في صناعة الكربون، ولأدائه تأثير كبير على عملية إنتاج منتجات الكربون وجودتها. عادةً ما يستخدم الأسفلت الرابط أسفلتًا متوسط الحرارة أو مُعَدَّلًا بدرجة حرارة متوسطة، يتميز بنقطة تليين معتدلة، وقيمة تكويك عالية، ونسبة راتنج بيتا عالية. أما عامل التشريب فهو أسفلت متوسط الحرارة، يتميز بنقطة تليين منخفضة، ومعامل جودة منخفض، وخصائص ريولوجية جيدة.
الصورة التالية توضح عملية إنتاج قطب الجرافيت في مؤسسة الكربون.
التكليس: تُعالَج المادة الخام الكربونية حرارياً عند درجة حرارة عالية للتخلص من الرطوبة والمواد المتطايرة الموجودة فيها، وتُسمى عملية الإنتاج التي تُحسِّن أداء الطهي الأصلي بالتكليس. عادةً، تُكليس المادة الخام الكربونية باستخدام الغاز وموادها المتطايرة كمصدر للحرارة، وتتراوح درجة الحرارة القصوى بين 1250 و1350 درجة مئوية.
يؤدي التكليس إلى تغييرات عميقة في بنية وخصائص المواد الخام الكربونية، وخاصة في تحسين كثافة وقوة الميكانيكا والتوصيل الكهربائي للكوك، وتحسين الاستقرار الكيميائي ومقاومة الأكسدة للكوك، ووضع الأساس للعملية اللاحقة.
تشمل معدات التكليس بشكل رئيسي فرن التكليس الخزاني، والفرن الدوار، والفرن الكهربائي. ويتم تحديد مؤشر جودة التكليس على أن الكثافة الحقيقية لفحم البترول لا تقل عن 2.07 غ/سم3، والمقاومة الكهربائية لا تزيد عن 550 ميكرو أوم.متر، والكثافة الحقيقية لفحم الإبرة لا تقل عن 2.12 غ/سم3، والمقاومة الكهربائية لا تزيد عن 500 ميكرو أوم.متر.
سحق المواد الخام والمكونات
قبل عملية التجميع، يجب سحق كميات كبيرة من فحم البترول المحروق وفحم الإبرة، وطحنها وغربلتها.
يتم إجراء التكسير المتوسط عادة عن طريق معدات التكسير التي يبلغ حجمها حوالي 50 مم من خلال كسارة الفك وكسارة المطرقة وكسارة الأسطوانة وما شابه ذلك لتكسير المواد بحجم 0.5-20 مم المطلوبة للدفعة.
الطحن هو عملية طحن مادة كربونية إلى جزيئات صغيرة مسحوقة بحجم 0.15 مم أو أقل وحجم جزيئات 0.075 مم أو أقل عن طريق مطحنة أسطوانية حلقية من النوع المعلق (مطحنة ريموند) أو مطحنة كرات أو ما شابه ذلك.
الغربلة هي عملية يتم فيها تقسيم مجموعة واسعة من المواد، بعد التكسير، إلى عدة نطاقات حجمية للجسيمات، بنطاق ضيق من الأحجام، من خلال سلسلة من المناخل ذات فتحات موحدة. يتطلب إنتاج الأقطاب الكهربائية حاليًا عادةً 4-5 حبيبات و1-2 درجة مسحوق.
المكونات هي عمليات الإنتاج المستخدمة لحساب ووزن وتركيز مختلف أنواع الركام والمساحيق والمواد الرابطة وفقًا لمتطلبات التركيبة. وتُعد الملاءمة العلمية للتركيبة واستقرار عملية التجميع من أهم العوامل المؤثرة على مؤشر جودة المنتج وأدائه.
تحتاج الصيغة إلى تحديد 5 جوانب:
1- حدد نوع المواد الخام؛
2 تحديد نسبة أنواع المواد الخام المختلفة؛
3 تحديد تركيب حجم الجسيمات للمادة الخام الصلبة؛
4 تحديد كمية المادة الرابطة؛
5 تحديد نوع وكمية المواد المضافة.
العجن: خلط وقياس أحجام مختلفة من حبيبات ومساحيق الكربون مع كمية معينة من المادة الرابطة عند درجة حرارة معينة، وعجن عجينة اللدونة في عملية تسمى العجن.
عملية العجن: الخلط الجاف (20-35 دقيقة) الخلط الرطب (40-55 دقيقة)
دور العجن:
1 عند الخلط الجاف، يتم خلط المواد الخام المختلفة بشكل موحد، ويتم خلط المواد الكربونية الصلبة ذات أحجام الجسيمات المختلفة وتعبئتها بشكل موحد لتحسين تماسك الخليط؛
بعد إضافة قار الفحم، تُخلط المادة الجافة مع الأسفلت بشكل متجانس. يُغطي الأسفلت السائل سطح الحبيبات ويُبللها بالتساوي، مُشكلاً طبقة رابطة أسفلتية، وتلتصق جميع المواد ببعضها البعض لتكوين طبقة بلاستيكية متجانسة. مُساعد على التشكيل.
تتغلغل ثلاثة أجزاء من قطران الفحم في المساحة الداخلية للمادة الكربونية، مما يزيد من كثافة وتماسك العجينة.
القولبة: إن قولبة مادة الكربون تشير إلى عملية تشويه عجينة الكربون المعجونة بلاستيكيًا تحت القوة الخارجية التي تطبقها معدات القولبة لتشكيل جسم أخضر (أو منتج خام) له شكل وحجم وكثافة وقوة معينة.
أنواع القوالب والمعدات والمنتجات المنتجة:
طريقة التشكيل
المعدات المشتركة
المنتجات الرئيسية
صب
مكبس هيدروليكي عمودي
الكربون الكهربائي، الجرافيت ذو البنية الدقيقة منخفض الدرجة
ضغط
الطارد الهيدروليكي الأفقي
آلة بثق اللولب
قطب الجرافيت، قطب مربع
صب الاهتزاز
آلة تشكيل الاهتزاز
طوب الكربون الألومنيوم، طوب الكربون لفرن الصهر
الضغط المتساوي القياس
آلة صب متساوية الضغط
الجرافيت المتساوي الخواص، الجرافيت المتباين الخواص
عملية الضغط
1 مادة التبريد: مادة تبريد القرص، مادة تبريد الأسطوانة، مواد تبريد الخلط والعجن، وما إلى ذلك.
تفريغ المواد المتطايرة، وخفضها إلى درجة حرارة مناسبة (90-120 درجة مئوية) لزيادة الالتصاق، بحيث تكون كتلة المعجون موحدة لمدة 20-30 دقيقة
2 التحميل: اضغط على حاجز الرفع —– 2-3 مرات قطع—-ضغط 4-10 ميجا باسكال
3 ضغط مسبق: ضغط 20-25 ميجا باسكال، وقت 3-5 دقائق، أثناء التنظيف بالمكنسة الكهربائية
4 البثق: اضغط لأسفل على الحاجز — بثق 5-15 ميجا باسكال — قطع — في حوض التبريد
المعايير الفنية للبثق: نسبة الضغط، درجة حرارة غرفة الضغط والفوهة، درجة حرارة التبريد، وقت ضغط التحميل المسبق، ضغط البثق، سرعة البثق، درجة حرارة مياه التبريد
فحص الجسم الأخضر: الكثافة الظاهرية، والتنصت على المظهر، والتحليل
التكليس: عملية يُملأ فيها الجسم الأخضر الناتج عن الكربون في فرن تسخين مصمم خصيصًا، تحت حماية مادة الحشو، لإجراء معالجة حرارية عالية الحرارة لكربنة قار الفحم في الجسم الأخضر. يُجمّد فحم البيتومين المتشكل بعد كربنة بيتومين الفحم الركام الكربوني وجزيئات المسحوق معًا، ويتميز منتج الكربون المُكلس بقوة ميكانيكية عالية، ومقاومة كهربائية منخفضة، وثبات حراري وكيميائي جيدين.
يُعد التكليس إحدى العمليات الرئيسية في إنتاج منتجات الكربون، وهو أيضًا جزء مهم من عمليات المعالجة الحرارية الرئيسية الثلاث لإنتاج أقطاب الجرافيت. تتميز دورة إنتاج التكليس بطولها (22-30 يومًا للخبز، و5-20 يومًا للأفران للخبز مرتين)، واستهلاكها العالي للطاقة. تؤثر جودة التحميص الأخضر على جودة المنتج النهائي وتكلفة الإنتاج.
يُكوَّن قار الفحم الأخضر في الجسم الأخضر أثناء عملية التحميص، ويُفرَّغ حوالي 10% من المواد المتطايرة، وينتج الحجم عن انكماش بنسبة 2-3%، ويتراوح فقدان الكتلة بين 8-10%. كما تغيرت الخصائص الفيزيائية والكيميائية لسبائك الكربون بشكل ملحوظ. انخفضت المسامية من 1.70 غ/سم3 إلى 1.60 غ/سم3، وانخفضت المقاومة من 10000 ميكرو أوم·متر إلى 40-50 ميكرو أوم·متر نتيجةً لزيادة المسامية. كما كانت القوة الميكانيكية للسبائك المحروقة كبيرة. للتحسين.
الخبز الثانوي هو عملية يُغمر فيها المنتج المُكلس، ثم يُكلس لتفحيم القار المغمور في مسام المنتج المُكلس. تتطلب الأقطاب الكهربائية التي تتطلب كثافة عالية (جميع الأنواع باستثناء RP) وألواح التوصيل خبزًا مزدوجًا، كما تُخضع ألواح التوصيل لعملية خبز ثلاثية الغمس ورباعية الغمس أو ثنائية الغمس ورباعية الغمس.
نوع الفرن الرئيسي للمحمصة:
التشغيل المستمر - فرن حلقي (مع غطاء، بدون غطاء)، فرن نفقي
التشغيل المتقطع - الفرن العكسي، المحمصة تحت الأرضية، المحمصة الصندوقية
منحنى التكليس ودرجة الحرارة القصوى:
تحميص لمرة واحدة—-320، 360، 422، 480 ساعة، 1250 درجة مئوية
التحميص الثانوي—-125، 240، 280 ساعة، 700-800 درجة مئوية
فحص المنتجات المخبوزة: فحص المظهر، المقاومة الكهربائية، الكثافة الظاهرية، قوة الضغط، تحليل البنية الداخلية
التشريب عمليةٌ تُوضع فيها مادة كربونية في وعاء ضغط، ويُغمر القطران السائل المُشَرَّب في مسام قطب المنتج تحت ظروف ضغط ودرجة حرارة مُحددة. الهدف هو تقليل مسامية المنتج، وزيادة كثافته الكلية ومتانته الميكانيكية، وتحسين موصليته الكهربائية والحرارية.
عملية التشريب والمعايير الفنية ذات الصلة هي: تحميص السبيكة - تنظيف السطح - التسخين المسبق (260-380 درجة مئوية، 6-10 ساعات) - تحميل خزان التشريب - الشفط (8-9 كيلو باسكال، 40-50 دقيقة) - حقن البيتومين (180-200 درجة مئوية) - الضغط (1.2-1.5 ميجا باسكال، 3-4 ساعات) - العودة إلى الأسفلت - التبريد (داخل أو خارج الخزان)
فحص المنتجات المشربة: معدل زيادة وزن التشريب G = (W2-W1) / W1 × 100٪
معدل زيادة الوزن ≥14%
معدل زيادة وزن المنتج المشبع الثانوي ≥ 9%
معدل زيادة الوزن لثلاثة منتجات غمس ≥ 5%
تشير عملية الجرافيت إلى عملية المعالجة الحرارية عالية الحرارة حيث يتم تسخين منتج الكربون إلى درجة حرارة 2300 درجة مئوية أو أكثر في وسط واقٍ في فرن كهربائي عالي الحرارة لتحويل الكربون الهيكلي الطبقي غير المتبلور إلى بنية بلورية جرافيت منظمة ثلاثية الأبعاد.
غرض وتأثير الجرافيت:
1 تحسين الموصلية والتوصيل الحراري لمادة الكربون (يتم تقليل المقاومة بمقدار 4-5 مرات، ويتم زيادة الموصلية الحرارية بنحو 10 مرات)؛
2 تحسين مقاومة الصدمات الحرارية والاستقرار الكيميائي لمادة الكربون (يتم تقليل معامل التمدد الخطي بنسبة 50-80٪)؛
3 لجعل مادة الكربون أكثر قابلية للتشحيم ومقاومة للتآكل؛
4 شوائب العادم، تحسين نقاء مادة الكربون (يتم تقليل محتوى الرماد في المنتج من 0.5-0.8٪ إلى حوالي 0.3٪).
تنفيذ عملية الجرافيت:
تُجرى عملية تحويل مادة الكربون إلى جرافيت عند درجة حرارة عالية تتراوح بين 2300 و3000 درجة مئوية، لذا لا يمكن تحقيقها في الصناعة إلا بالتسخين الكهربائي، أي يمر التيار الكهربائي مباشرةً عبر المنتج المُكلس المُسخّن، فيتولد المنتج المُكلس المشحون في الفرن بواسطة التيار الكهربائي عند درجة حرارة عالية. الموصل هو أيضًا جسم يُسخّن إلى درجة حرارة عالية.
تشمل الأفران المستخدمة على نطاق واسع حاليًا أفران الجرافيت أتشيسون وأفران الشلال الحراري الداخلي (LWG). يتميز الأول بإنتاجية عالية، وفرق كبير في درجة الحرارة، واستهلاك عالٍ للطاقة. أما الثاني، فيتميز بقصر وقت التسخين، وانخفاض استهلاك الطاقة، ومقاومته الكهربائية المنتظمة، وهو غير مناسب للتركيب.
يتم التحكم في عملية الجرافيت عن طريق قياس منحنى الطاقة الكهربائية المناسب لظروف ارتفاع درجة الحرارة. يتراوح وقت إمداد الطاقة بين 50 و80 ساعة لفرن أتشيسون، و9 إلى 15 ساعة لفرن LWG.
إن استهلاك الطاقة في عملية الجرافيت كبير جدًا، ويصل عمومًا إلى 3200-4800 كيلووات ساعة، وتمثل تكلفة العملية حوالي 20-35% من إجمالي تكلفة الإنتاج.
فحص المنتجات الجرافيتية: اختبار المظهر، اختبار المقاومة
التصنيع: الغرض من التصنيع الميكانيكي لمواد الجرافيت الكربوني هو تحقيق الحجم والشكل والدقة المطلوبة وما إلى ذلك عن طريق القطع لصنع جسم القطب والمفاصل وفقًا لمتطلبات الاستخدام.
تنقسم عملية معالجة أقطاب الجرافيت إلى عمليتين مستقلتين للمعالجة: جسم القطب والمفصل.
تشمل معالجة الهيكل ثلاث خطوات: ثقب وتنعيم السطح النهائي المسطح، والدائرة الخارجية، والسطح النهائي المسطح، وخيط الطحن. يمكن تقسيم معالجة المفصل المخروطي إلى ست عمليات: القطع، والسطح النهائي المسطح، والسطح المخروطي، وخيط الطحن، ومسامير الحفر، والشق.
ربط وصلات الأقطاب الكهربائية: ربط وصلة مخروطية (ثلاثة مشابك وإبزيم واحد)، ربط وصلة أسطوانية، ربط وصلة نتوء (ربط ذكر وأنثى)
التحكم في دقة التشغيل: انحراف مخروط الخيط، وميل الخيط، وانحراف قطر الوصلة (الثقب) الكبير، ومحورية الوصلة، وعمودية الوصلة، واستواء طرف القطب، وانحراف الوصلة الرباعي. يتم الفحص باستخدام مقاييس حلقات خاصة ومقاييس ألواح.
فحص الأقطاب الكهربائية النهائية: الدقة، الوزن، الطول، القطر، الكثافة الظاهرية، المقاومة، التسامح قبل التجميع، الخ.
وقت النشر: ٣١ أكتوبر ٢٠١٩