عملية إنتاج أقطاب 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.

تُظهر الصورة التالية عملية إنتاج قطب الجرافيت في شركة الكربون.
التكليس: تُعالج المادة الخام الكربونية حراريًا عند درجة حرارة عالية للتخلص من الرطوبة والمواد المتطايرة الموجودة فيها، وتُسمى عملية الإنتاج التي تُحسّن من خصائص الطهي الأصلية بالتكليس. عمومًا، تُكلس المادة الخام الكربونية باستخدام الغاز وموادها المتطايرة كمصدر للحرارة، وتتراوح درجة الحرارة القصوى بين 1250 و1350 درجة مئوية.

يُحدث التكليس تغييرات عميقة في بنية وخصائص المواد الخام الكربونية الفيزيائية والكيميائية، وخاصة في تحسين كثافة فحم الكوك وقوته الميكانيكية وموصليته الكهربائية، وتحسين استقراره الكيميائي ومقاومته للأكسدة، مما يمهد الطريق للعملية اللاحقة.

تشمل معدات التكليس بشكل رئيسي التكليس الخزاني، والفرن الدوار، والتكليس الكهربائي. ويتمثل مؤشر مراقبة جودة التكليس في ألا تقل الكثافة الحقيقية لفحم الكوك البترولي عن 2.07 غ/سم³، وألا تزيد المقاومة النوعية عن 550 ميكرو أوم.متر، وألا تقل الكثافة الحقيقية لفحم الكوك الإبري عن 2.12 غ/سم³، وألا تزيد المقاومة النوعية عن 500 ميكرو أوم.متر.
سحق المواد الخام والمكونات

قبل عملية التجميع، يجب سحق وطحن وغربلة فحم الكوك البترولي المكلس وفحم الكوك الإبري بكميات كبيرة.

عادة ما يتم إجراء عملية التكسير المتوسطة بواسطة معدات تكسير بحجم حوالي 50 مم من خلال كسارة فكية، وكسارة مطرقة، وكسارة أسطوانية وما شابه ذلك لتكسير المواد ذات الحجم 0.5-20 مم المطلوبة للخلط.

الطحن هو عملية طحن مادة كربونية إلى جسيمات صغيرة مسحوقية بحجم 0.15 مم أو أقل وحجم جسيمات 0.075 مم أو أقل عن طريق مطحنة حلقية من نوع التعليق (مطحنة ريموند) أو مطحنة كروية أو ما شابه ذلك.

الغربلة هي عملية يتم فيها تقسيم مجموعة واسعة من المواد بعد سحقها إلى عدة نطاقات من أحجام الجسيمات ذات نطاق ضيق من الأحجام من خلال سلسلة من المناخل ذات الفتحات المنتظمة. يتطلب إنتاج أقطاب التيار الكهربائي عادةً 4-5 حبيبات و1-2 درجة من المساحيق.

المكونات هي عمليات الإنتاج التي تشمل حساب ووزن وتركيز مختلف أنواع الركام والمساحيق والمواد الرابطة وفقًا لمتطلبات التركيبة. وتُعدّ الملاءمة العلمية للتركيبة واستقرار عملية الخلط من أهم العوامل المؤثرة على مؤشر جودة المنتج وأدائه.

يجب أن تحدد الصيغة 5 جوانب:
1- حدد نوع المواد الخام؛
2- تحديد نسبة أنواع المواد الخام المختلفة؛
3- تحديد تركيبة حجم الجسيمات للمادة الخام الصلبة؛
4- تحديد كمية المادة الرابطة؛
5- حدد نوع وكمية المواد المضافة.

العجن: خلط وتحديد كمية حبيبات ومساحيق كربونية مختلفة الأحجام 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 خلط المواد الجافة، يتم خلط المواد الخام المختلفة بشكل متجانس، ويتم خلط المواد الكربونية الصلبة ذات أحجام الجسيمات المختلفة بشكل متجانس وملء الخليط لتحسين تماسك الخليط؛
٢- بعد إضافة قطران الفحم، يتم خلط المادة الجافة والأسفلت جيداً. يغطي الأسفلت السائل سطح الحبيبات ويرطبه بشكل متجانس لتشكيل طبقة رابطة أسفلتية، وترتبط جميع المواد ببعضها البعض لتكوين طبقة لدنة متجانسة. وهذا يساعد على التشكيل.
تتغلغل ثلاثة أجزاء من قطران الفحم في الفراغ الداخلي للمادة الكربونية، مما يزيد من كثافة وتماسك المعجون.

التشكيل: يشير تشكيل مادة الكربون إلى عملية تشكيل عجينة الكربون المعجونة بشكل لدني تحت تأثير القوة الخارجية التي تطبقها معدات التشكيل، وذلك لتكوين جسم أولي (أو منتج خام) ذي شكل وحجم وكثافة وقوة محددة.

أنواع القوالب والمعدات والمنتجات المصنعة:
طريقة التشكيل
المعدات المشتركة
المنتجات الرئيسية
صب
قوة هيدروليكية رأسية
الكربون الكهربائي، الجرافيت ذو البنية الدقيقة منخفضة الجودة
ضغط
طارد هيدروليكي أفقي
طارد لولبي
قطب جرافيت، قطب مربع
التشكيل بالاهتزاز
آلة التشكيل بالاهتزاز
طوب الكربون المصنوع من الألومنيوم، طوب الكربون المستخدم في أفران الصهر
الضغط المتساوي
آلة التشكيل بالضغط المتساوي
الجرافيت المتجانس، الجرافيت غير المتجانس

عملية الضغط
1. مواد التبريد: مواد تبريد الأقراص، مواد تبريد الأسطوانات، مواد تبريد الخلط والعجن، إلخ.
قم بتفريغ المواد المتطايرة، وخفّض درجة الحرارة إلى درجة مناسبة (90-120 درجة مئوية) لزيادة الالتصاق، بحيث يكون قوام المعجون متجانسًا لمدة 20-30 دقيقة
٢- التحميل: اضغط وارفع الحاجز —– قطع ٢-٣ مرات —– ضغط ٤-١٠ ميجا باسكال
3. الضغط المسبق: ضغط 20-25 ميجا باسكال، مدة 3-5 دقائق، أثناء عملية التفريغ
٤- عملية البثق: اضغط على الحاجز لأسفل - بثق ٥-١٥ ميجا باسكال - ثم قم بالقطع - داخل مشتت التبريد

المعايير الفنية للبثق: نسبة الضغط، درجة حرارة غرفة الضغط والفوهة، درجة حرارة التبريد، زمن ضغط التحميل المسبق، ضغط البثق، سرعة البثق، درجة حرارة ماء التبريد

فحص الجسم الأخضر: الكثافة الظاهرية، واللمس، والتحليل

التكليس: هي عملية يتم فيها وضع جسم الكربون الخام في فرن تسخين مصمم خصيصًا، تحت حماية مادة مالئة، لإجراء معالجة حرارية بدرجة حرارة عالية لتفحيم قطران الفحم الموجود في الجسم الخام. يتصلب فحم البيتومين الناتج عن تفحيم بيتومين الفحم، ويربط بين الركام الكربوني وجزيئات المسحوق، ويتميز منتج الكربون المكلس بقوة ميكانيكية عالية، ومقاومة كهربائية منخفضة، وثبات حراري وكيميائي جيد.

يُعدّ التكليس إحدى العمليات الرئيسية في إنتاج منتجات الكربون، كما أنه جزءٌ هامٌ من عمليات المعالجة الحرارية الثلاث الرئيسية لإنتاج أقطاب الجرافيت. تتسم دورة إنتاج التكليس بطولها (22-30 يومًا للخبز، و5-20 يومًا للأفران للخبز المزدوج)، واستهلاكها العالي للطاقة. وتؤثر جودة التحميص الأولي على جودة المنتج النهائي وتكلفة الإنتاج.

يتحول قطران الفحم الأخضر الموجود في الكتلة الخضراء إلى فحم كوك أثناء عملية التحميص، ويُفقد حوالي 10% من المواد المتطايرة، وينتج عن ذلك انكماش بنسبة 2-3% في الحجم، وفقدان في الكتلة بنسبة 8-10%. كما تغيرت الخصائص الفيزيائية والكيميائية لكتلة الكربون بشكل ملحوظ. انخفضت المسامية من 1.70 جم/سم³ إلى 1.60 جم/سم³، وانخفضت المقاومة النوعية من 10000 ميكرو أوم·م إلى 40-50 ميكرو أوم·م نتيجة لزيادة المسامية. في المقابل، كانت المتانة الميكانيكية للكتلة المكلسة عالية. لذا، يُنصح بتحسينها.

تُعدّ عملية الخبز الثانوي عملية يتم فيها غمر المنتج المُكلّس ثم تكليسه لتفحيم القار الموجود في مسام المنتج المُكلّس. تتطلب الأقطاب الكهربائية التي تحتاج إلى كثافة أعلى (جميع الأنواع باستثناء RP) وقطع التوصيل خبزًا مزدوجًا، كما تخضع قطع التوصيل أيضًا لعملية خبز ثلاثية الغمر رباعية أو ثنائية الغمر ثلاثية الخبز.

نوع الفرن الرئيسي للمحمصة:
التشغيل المستمر - فرن حلقي (مع غطاء، بدون غطاء)، فرن نفق
تشغيل متقطع - فرن عكسي، محمصة تحت الأرضية، محمصة صندوقية

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: المظهر الخارجي، والمقاومة الكهربائية، والكثافة الظاهرية، وقوة الضغط، وتحليل البنية الداخلية

التشريب عملية يتم فيها وضع مادة كربونية في وعاء ضغط، ثم يُغمر القطران السائل في مسام قطب المنتج تحت ظروف معينة من درجة الحرارة والضغط. والهدف من ذلك هو تقليل مسامية المنتج، وزيادة كثافته وقوته الميكانيكية، وتحسين توصيله الكهربائي والحراري.

تتضمن عملية التشريب والمعايير الفنية ذات الصلة ما يلي: تحميص البليت – تنظيف السطح – التسخين المسبق (260-380 درجة مئوية، 6-10 ساعات) – تحميل خزان التشريب – التفريغ (8-9 كيلو باسكال، 40-50 دقيقة) – حقن البيتومين (180-200 درجة مئوية) – الضغط (1.2-1.5 ميجا باسكال، 3-4 ساعات) – إعادة الأسفلت – التبريد (داخل الخزان أو خارجه).

فحص المنتجات المشبعة: معدل زيادة وزن التشريب G=(W2-W1)/W1×100%
معدل زيادة الوزن بعد انخفاض واحد ≥14%
معدل زيادة وزن المنتج المشرب الثانوي ≥ 9%
معدل زيادة الوزن لثلاثة منتجات غمس ≥ 5%

يشير مصطلح "الغرافيتة" إلى عملية معالجة حرارية بدرجة حرارة عالية يتم فيها تسخين منتج الكربون إلى درجة حرارة 2300 درجة مئوية أو أكثر في وسط واقٍ في فرن كهربائي عالي الحرارة لتحويل الكربون ذي البنية الطبقية غير المتبلورة إلى بنية بلورية جرافيتية ثلاثية الأبعاد مرتبة.

الغرض من عملية التغرافيت وتأثيرها:
1 تحسين الموصلية والتوصيل الحراري لمادة الكربون (تنخفض المقاومة بمقدار 4-5 مرات، وتزداد الموصلية الحرارية بحوالي 10 مرات)؛
2 تحسين مقاومة الصدمات الحرارية والاستقرار الكيميائي لمادة الكربون (انخفاض معامل التمدد الخطي بنسبة 50-80٪)؛
3 لجعل مادة الكربون قابلة للتشحيم ومقاومة للتآكل؛
4. التخلص من الشوائب، وتحسين نقاء مادة الكربون (يتم تقليل محتوى الرماد في المنتج من 0.5-0.8٪ إلى حوالي 0.3٪).

تحقيق عملية تحويل المادة إلى جرافيت:

تُجرى عملية تحويل المواد الكربونية إلى غرافيت عند درجة حرارة عالية تتراوح بين 2300 و3000 درجة مئوية، ولذلك لا يمكن تحقيقها صناعيًا إلا بالتسخين الكهربائي. أي أن التيار الكهربائي يمر مباشرةً عبر المنتج المُكلس المُسخّن، ويُولد هذا المنتج المُكلس المُدخل إلى الفرن بواسطة التيار الكهربائي عند درجة حرارة عالية. والموصل هو بدوره الجسم الذي يُسخّن إلى درجة حرارة عالية.

تشمل الأفران الشائعة الاستخدام حاليًا أفران أتشيسون للجرافيت وأفران التسخين المتتالي الداخلي (LWG). يتميز النوع الأول بقدرة إنتاجية عالية، وفرق كبير في درجة الحرارة، واستهلاك عالٍ للطاقة. أما النوع الثاني، فيتميز بوقت تسخين قصير، واستهلاك منخفض للطاقة، ومقاومة كهربائية منتظمة، وهو غير مناسب للتركيب.

تُضبط عملية تحويل المواد إلى جرافيت عن طريق قياس منحنى الطاقة الكهربائية المناسب لظروف ارتفاع درجة الحرارة. ويتراوح وقت تزويد الطاقة بين 50 و80 ساعة لفرن أتشيسون، وبين 9 و15 ساعة لفرن LWG.

يُعد استهلاك الطاقة لعملية التغرافيت كبيرًا جدًا، حيث يبلغ عادةً 3200-4800 كيلوواط ساعة، وتمثل تكلفة العملية حوالي 20-35% من إجمالي تكلفة الإنتاج.

فحص المنتجات المُجرافنة: فحص المظهر، اختبار المقاومة الكهربائية

التصنيع: الغرض من التصنيع الميكانيكي لمواد الكربون الجرافيتي هو تحقيق الحجم والشكل والدقة المطلوبة، وما إلى ذلك، عن طريق القطع لصنع جسم القطب الكهربائي والوصلات وفقًا لمتطلبات الاستخدام.

تنقسم عملية معالجة قطب الجرافيت إلى عمليتين معالجة مستقلتين: جسم القطب والوصلة.

تتضمن معالجة جسم القطعة ثلاث مراحل: التخريم، وتسوية السطح النهائي، وتشكيل الدائرة الخارجية، وتسوية السطح النهائي، ثم تشكيل الخيوط. أما معالجة الوصلة المخروطية فتنقسم إلى ست مراحل: القطع، وتسوية السطح النهائي، وتشكيل سطح المخروط، وتشكيل الخيوط، وحفر البراغي، وتشكيل الأخاديد.

توصيل وصلات الأقطاب الكهربائية: وصلة مخروطية (ثلاثة مشابك ومشبك واحد)، وصلة أسطوانية، وصلة نتوء (وصلة ذكر وأنثى).

مراقبة دقة التشغيل: انحراف مخروطية السن اللولبي، خطوة السن اللولبي، انحراف القطر الكبير للوصلة (الثقب)، محورية ثقب الوصلة، استقامة ثقب الوصلة، استواء سطح نهاية القطب، انحراف الوصلة رباعي النقاط. يتم التحقق باستخدام مقاييس حلقية وصفائحية خاصة.

فحص الأقطاب الكهربائية النهائية: الدقة، الوزن، الطول، القطر، الكثافة الظاهرية، المقاومة، التفاوت قبل التجميع، إلخ.