L'elèctrode de grafit és un material conductor de grafit resistent a altes temperatures produït per pastat de petroli, coc d'agulla com a agregat i betum de carbó com a aglutinant, que es produeixen mitjançant una sèrie de processos com ara pastat, modelat, torrat, impregnació, grafitització i processament mecànic del material.
L'elèctrode de grafit és un material conductor d'alta temperatura important per a la fabricació d'acer elèctric. L'elèctrode de grafit s'utilitza per introduir energia elèctrica al forn elèctric, i l'alta temperatura generada per l'arc entre l'extrem de l'elèctrode i la càrrega s'utilitza com a font de calor per fondre la càrrega per a la fabricació d'acer. Altres forns de mineral que fonen materials com el fòsfor groc, el silici industrial i els abrasius també utilitzen elèctrodes de grafit com a materials conductors. Les excel·lents i especials propietats físiques i químiques dels elèctrodes de grafit també s'utilitzen àmpliament en altres sectors industrials.
Les matèries primeres per a la producció d'elèctrodes de grafit són el coc de petroli, el coc d'agulla i la brea de quitrà d'hulla.
El coc de petroli és un producte sòlid inflamable obtingut de la cocció de residus de carbó i brea de petroli. El color és negre i porós, l'element principal és el carboni i el contingut de cendres és molt baix, generalment inferior al 0,5%. El coc de petroli pertany a la classe del carboni fàcilment grafititzat. El coc de petroli té una àmplia gamma d'usos en les indústries química i metal·lúrgica. És la principal matèria primera per a la producció de productes de grafit artificial i productes de carboni per a l'alumini electrolític.
El coc de petroli es pot dividir en dos tipus: coc cru i coc calcinat segons la temperatura del tractament tèrmic. El primer coc de petroli obtingut per cocificació retardada conté una gran quantitat de volàtils i la resistència mecànica és baixa. El coc calcinat s'obté per calcinació de coc cru. La majoria de les refineries de la Xina només produeixen coc, i les operacions de calcinació es duen a terme principalment en plantes de carbó.
El coc de petroli es pot dividir en coc amb alt contingut de sofre (que conté més de l'1,5% de sofre), coc amb sofre mitjà (que conté entre el 0,5% i l'1,5% de sofre) i coc amb baix contingut de sofre (que conté menys del 0,5% de sofre). La producció d'elèctrodes de grafit i altres productes de grafit artificial generalment es produeix amb coc amb baix contingut de sofre.
El coc d'agulla és un tipus de coc d'alta qualitat amb una textura fibrosa evident, un coeficient d'expansió tèrmica molt baix i una grafitització fàcil. Quan el coc es trenca, es pot dividir en tires primes segons la textura (la relació d'aspecte és generalment superior a 1,75). Es pot observar una estructura fibrosa anisotròpica sota un microscopi polaritzador i, per tant, es coneix com a coc d'agulla.
L'anisotropia de les propietats fisicomecàniques del coc d'agulla és molt evident. Té una bona conductivitat elèctrica i tèrmica paral·lela a la direcció de l'eix longitudinal de la partícula, i el coeficient d'expansió tèrmica és baix. Quan es modela per extrusió, l'eix longitudinal de la majoria de les partícules es disposa en la direcció d'extrusió. Per tant, el coc d'agulla és la matèria primera clau per a la fabricació d'elèctrodes de grafit d'alta o ultra alta potència. L'elèctrode de grafit produït té una baixa resistivitat, un petit coeficient d'expansió tèrmica i una bona resistència al xoc tèrmic.
El coc d'agulla es divideix en coc d'agulla a base de petroli produït a partir de residus de petroli i coc d'agulla a base de carbó produït a partir de matèries primeres de brea de carbó refinada.
El quitrà de carbó és un dels principals productes del processament profund del quitrà de carbó. És una barreja de diversos hidrocarburs, negre a alta temperatura, semisòlid o sòlid a alta temperatura, sense punt de fusió fix, que s'estova després de l'escalfament i després es fon, amb una densitat d'1,25-1,35 g/cm3. Segons el seu punt de reblaniment, es divideix en asfalt de baixa temperatura, temperatura mitjana i temperatura alta. El rendiment de l'asfalt a temperatura mitjana és del 54-56% del quitrà de carbó. La composició del quitrà de carbó és extremadament complicada, cosa que està relacionada amb les propietats del quitrà de carbó i el contingut d'heteroàtoms, i també es veu afectada pel sistema del procés de cocció i les condicions de processament del quitrà de carbó. Hi ha molts indicadors per caracteritzar la brea de quitrà de carbó, com ara el punt de reblaniment del betum, els insolubles de toluè (TI), els insolubles de quinolina (QI), els valors de cocció i la reologia de la brea de carbó.
El quitrà de carbó s'utilitza com a aglutinant i impregnant a la indústria del carboni, i el seu rendiment té un gran impacte en el procés de producció i la qualitat del producte de carboni. L'asfalt aglutinant generalment utilitza un asfalt de temperatura mitjana o modificat a temperatura mitjana que té un punt de reblaniment moderat, un valor de cocció alt i una resina β alta. L'agent impregnant és un asfalt de temperatura mitjana que té un punt de reblaniment baix, un QI baix i bones propietats reològiques.
La imatge següent mostra el procés de producció d'elèctrodes de grafit en una empresa de carboni.
Calcinació: La matèria primera carbonosa es tracta tèrmicament a alta temperatura per eliminar la humitat i la matèria volàtil que conté, i el procés de producció corresponent a la millora del rendiment de cocció original s'anomena calcinació. Generalment, la matèria primera carbonosa es calcina utilitzant gas i els seus propis volàtils com a font de calor, i la temperatura màxima és de 1250-1350 °C.
La calcinació produeix canvis profunds en l'estructura i les propietats fisicoquímiques de les matèries primeres carbonoses, principalment millorant la densitat, la resistència mecànica i la conductivitat elèctrica del coc, millorant l'estabilitat química i la resistència a l'oxidació del coc, i establint les bases per al procés posterior.
Els equips calcinats inclouen principalment un calcinador de tanc, un forn rotatori i un calcinador elèctric. L'índex de control de qualitat de la calcinació és que la densitat real del coc de petroli no sigui inferior a 2,07 g/cm3, la resistivitat no sigui superior a 550 μΩ.m, la densitat real del coc d'agulla no sigui inferior a 2,12 g/cm3 i la resistivitat no sigui superior a 500 μΩ.m.
Trituració de matèries primeres i ingredients
Abans del dosificació, el coc de petroli calcinat a granel i el coc d'agulla s'han de triturar, moldre i tamisar.
La trituració mitjana se sol dur a terme mitjançant equips de trituració d'uns 50 mm a través d'una trituradora de mandíbules, una trituradora de martells, una trituradora de rodets i similars per triturar encara més el material de mida de 0,5-20 mm necessari per al dosificació.
La mòlta és un procés de moldre un material carbonos fins a obtenir una partícula petita en pols de 0,15 mm o menys i una mida de partícula de 0,075 mm o menys mitjançant un molí de rodets d'anell de suspensió (molí Raymond), un molí de boles o similar.
El cribratge és un procés en què una àmplia gamma de materials, després d'una trituració, es divideix en diversos rangs de mida de partícula amb un rang estret de mides a través d'una sèrie de sedàs amb obertures uniformes. La producció actual d'elèctrodes normalment requereix de 4 a 5 pellets i d'1 a 2 graus de pols.
Els ingredients són els processos de producció per calcular, pesar i concentrar els diversos agregats d'agregats, pols i aglutinants segons els requisits de formulació. L'adequació científica de la formulació i l'estabilitat de l'operació de dosificació es troben entre els factors més importants que afecten l'índex de qualitat i el rendiment del producte.
La fórmula ha de determinar 5 aspectes:
1Seleccioneu el tipus de matèries primeres;
2 determinar la proporció de diferents tipus de matèries primeres;
3 determinar la composició granulomètrica de la matèria primera sòlida;
4 determinar la quantitat d'aglutinant;
5 Determineu el tipus i la quantitat d'additius.
Amassament: barrejar i quantificar grànuls i pols carbonosos de diverses mides de partícules amb una certa quantitat d'aglutinant a una temperatura determinada i pastar la pasta de plasticitat en un procés anomenat amassament.
Procés d'amassat: barreja en sec (20-35 min) barreja en humit (40-55 min)
El paper de l'amassat:
1 Quan es barreja en sec, les diverses matèries primeres es barregen uniformement i els materials carbonosos sòlids de diferents mides de partícula es barregen i s'omplen uniformement per millorar la compacitat de la barreja;
2 Després d'afegir la brea de quitrà de carbó, el material sec i l'asfalt es barregen uniformement. L'asfalt líquid recobreix i mulla uniformement la superfície dels grànuls per formar una capa d'unió d'asfalt, i tots els materials s'uneixen entre si per formar una capa de plàstic homogènia. Propi per al modelat;
3 parts de brea de quitrà de hulla penetren a l'espai interior del material carbonos, augmentant encara més la densitat i la cohesió de la pasta.
Emmotllament: L'emmotllament de material de carboni es refereix al procés de deformar plàsticament la pasta de carboni amassada sota la força externa aplicada per l'equip d'emmotllament per formar finalment un cos verd (o producte en brut) amb una determinada forma, mida, densitat i resistència.
Tipus de modelat, equips i productes produïts:
Mètode de modelat
Equipament comú
productes principals
Moldeig
Premsa hidràulica vertical
Carboni elèctric, grafit d'estructura fina de baixa qualitat
Apretar
Extrusora hidràulica horitzontal
extrusora de cargol
Elèctrode de grafit, elèctrode quadrat
Moldeig per vibració
Màquina de modelat per vibració
Maó de carboni d'alumini, maó de carboni d'alt forn
Premsat isostàtic
Màquina de modelat isostàtic
Grafit isotròpic, grafit anisotròpic
Operació de compressió
1 material fred: material de refrigeració de disc, material de refrigeració de cilindres, materials de refrigeració per barrejar i pastar, etc.
Descarregueu els volàtils, reduïu-los a una temperatura adequada (90-120 °C) per augmentar l'adhesió, de manera que la textura de la pasta sigui uniforme durant 20-30 minuts.
2 Càrrega: premeu el deflector d'elevació —– 2-3 vegades tallant—- compactació de 4-10 MPa
3 prepressió: pressió 20-25MPa, temps 3-5min, mentre s'aspira
4 extrusió: premeu el deflector —extrusió de 5-15 MPa — talleu — al lavabo de refrigeració
Paràmetres tècnics de l'extrusió: relació de compressió, temperatura de la cambra de premsa i del broquet, temperatura de refredament, temps de pressió de precàrrega, pressió d'extrusió, velocitat d'extrusió, temperatura de l'aigua de refrigeració
Inspecció de cos verd: densitat aparent, aparença, anàlisi
Calcinació: és un procés en què el cos verd del producte de carboni s'omple en un forn de calefacció especialment dissenyat sota la protecció del farciment per realitzar un tractament tèrmic d'alta temperatura per carbonitzar la brea de carbó en el cos verd. El coc bituminós format després de la carbonització del betum de carbó solidifica l'agregat carbonos i les partícules de pols juntes, i el producte de carboni calcinat té una alta resistència mecànica, baixa resistivitat elèctrica, bona estabilitat tèrmica i estabilitat química.
La calcinació és un dels processos principals en la producció de productes de carboni, i també és una part important dels tres processos principals de tractament tèrmic de la producció d'elèctrodes de grafit. El cicle de producció de calcinació és llarg (22-30 dies per a la cocció, 5-20 dies per als forns per a la cocció) i té un consum d'energia més elevat. La qualitat de la torrada en verd té un impacte en la qualitat del producte acabat i en el cost de producció.
La brea de carbó verda del cos verd es coqueja durant el procés de torrefacció, i aproximadament un 10% de la matèria volàtil es descarrega, i el volum es produeix per una contracció del 2-3%, i la pèrdua de massa és del 8-10%. Les propietats físiques i químiques del toll de carboni també van canviar significativament. La porositat va disminuir d'1,70 g/cm3 a 1,60 g/cm3 i la resistivitat va disminuir de 10000 μΩ·m a 40-50 μΩ·m a causa de l'augment de la porositat. La resistència mecànica del toll calcinat també va ser gran. Per millorar.
La cocció secundària és un procés en què el producte calcinat s'immergeix i després es calcina per carbonitzar la brea submergida als porus del producte calcinat. Els elèctrodes que requereixen una densitat aparent més alta (totes les varietats excepte RP) i els espais en blanc de les juntes han de ser bicocats, i els espais en blanc de les juntes també se sotmeten a una cocció de tres immersions de quatre o dues immersions de tres coccions.
Tipus principal de forn de torradora:
Funcionament continu: forn circular (amb coberta, sense coberta), forn de túnel
Funcionament intermitent: forn invers, torrador sota terra, torrador de caixa
Corba de calcinació i temperatura màxima:
Torrat únic: 320, 360, 422, 480 hores, 1250 °C
Torrat secundari: 125, 240, 280 hores, 700-800 °C
Inspecció de productes de forn: anàlisi d'aspecte, resistivitat elèctrica, densitat aparent, resistència a la compressió, anàlisi de l'estructura interna
La impregnació és un procés en què es col·loca un material de carboni en un recipient a pressió i la brea impregnant líquida s'immergeix als porus de l'elèctrode del producte sota certes condicions de temperatura i pressió. L'objectiu és reduir la porositat del producte, augmentar la densitat aparent i la resistència mecànica del producte i millorar la conductivitat elèctrica i tèrmica del producte.
El procés d'impregnació i els paràmetres tècnics relacionats són: torrefacció del toll – neteja superficial – preescalfament (260-380 °C, 6-10 hores) – càrrega del tanc d'impregnació – buit (8-9KPa, 40-50 min) – injecció de betum (180-200 °C) – pressurització (1,2-1,5 MPa, 3-4 hores) – retorn a l'asfalt – refredament (dins o fora del tanc)
Inspecció de productes impregnats: taxa d'augment de pes d'impregnació G=(W2-W1)/W1×100%
Taxa d'augment de pes per immersió ≥14%
Taxa d'augment de pes del producte impregnat secundari ≥ 9%
Taxa d'augment de pes de tres productes de immersió ≥ 5%
La grafitització es refereix a un procés de tractament tèrmic a alta temperatura en què un producte de carboni s'escalfa a una temperatura de 2300 °C o més en un medi protector en un forn elèctric d'alta temperatura per convertir un carboni d'estructura en capes amorfa en una estructura cristal·lina de grafit ordenada tridimensional.
El propòsit i l'efecte de la grafitització:
1 millorar la conductivitat i la conductivitat tèrmica del material de carboni (la resistivitat es redueix de 4 a 5 vegades i la conductivitat tèrmica augmenta unes 10 vegades);
2 millorar la resistència al xoc tèrmic i l'estabilitat química del material de carboni (coeficient d'expansió lineal reduït entre un 50 i un 80%);
3 per augmentar la lubricitat i la resistència a l'abrasió del material de carboni;
4 Eliminar les impureses, millorar la puresa del material de carboni (el contingut de cendres del producte es redueix del 0,5-0,8% a aproximadament el 0,3%).
La realització del procés de grafitització:
La grafitització del material de carboni es duu a terme a una temperatura elevada de 2300-3000 °C, per la qual cosa només es pot aconseguir mitjançant escalfament elèctric a la indústria, és a dir, el corrent passa directament a través del producte calcinat escalfat i el producte calcinat carregat al forn es genera pel corrent elèctric a alta temperatura. El conductor és de nou un objecte que s'escalfa a alta temperatura.
Els forns que s'utilitzen àmpliament actualment inclouen els forns de grafitització Acheson i els forns de cascada de calor interna (LWG). Els primers tenen una gran potència, una gran diferència de temperatura i un alt consum d'energia. Els segons tenen un temps d'escalfament curt, un baix consum d'energia, una resistivitat elèctrica uniforme i no són adequats per a la instal·lació.
El control del procés de grafitització es fa mesurant la corba de potència elèctrica adequada per a la condició d'augment de temperatura. El temps de subministrament d'energia és de 50 a 80 hores per al forn Acheson i de 9 a 15 hores per al forn LWG.
El consum d'energia de la grafitització és molt gran, generalment de 3200-4800 kWh, i el cost del procés representa aproximadament el 20-35% del cost total de producció.
Inspecció de productes grafititzats: assalt d'aspecte, prova de resistivitat
Mecanitzat: L'objectiu del mecanitzat mecànic de materials de grafit de carboni és aconseguir la mida, la forma i la precisió necessàries mitjançant el tall per fer el cos de l'elèctrode i les unions d'acord amb els requisits d'ús.
El processament d'elèctrodes de grafit es divideix en dos processos de processament independents: cos d'elèctrode i junta.
El processament del cos inclou tres passos: perforació i desbast de la cara plana, cercle exterior i cara plana i fresat de rosca. El processament de la unió cònica es pot dividir en 6 processos: tall, cara plana, cara cònica, fresat de rosca, perforació de cargols i ranurat.
Connexió de les unions d'elèctrodes: connexió cònica (tres sivelles i una sivella), connexió cilíndrica, connexió de protuberància (connexió mascle i femella)
Control de la precisió del mecanitzat: desviació de la conicitat del fil, pas del fil, desviació de gran diàmetre de la junta (forat), coaxialitat del forat de la junta, verticalitat del forat de la junta, planitud de la cara final de l'elèctrode, desviació de quatre punts de la junta. Comproveu amb calibres d'anell especials i calibres de placa.
Inspecció d'elèctrodes acabats: precisió, pes, longitud, diàmetre, densitat aparent, resistivitat, tolerància prèvia al muntatge, etc.
Data de publicació: 31 d'octubre de 2019