Grafitová elektroda je vysokoteplotní vodivý grafitový materiál vyrobený z ropného hnětení, jehlového koksu jako kameniva a uhelného bitumenu jako pojiva, které se vyrábějí řadou procesů, jako je hnětení, lisování, pražení, impregnace, grafitizace a mechanické zpracování.
Grafitová elektroda je důležitý vysokoteplotní vodivý materiál pro elektrotechnickou výrobu oceli. Grafitová elektroda se používá k přívodu elektrické energie do elektrické pece a vysoká teplota generovaná obloukem mezi koncem elektrody a vsázkou se používá jako zdroj tepla k tavení vsázky pro výrobu oceli. Jiné pece na tavení rudných materiálů, které taví materiály, jako je žlutý fosfor, průmyslový křemík a abraziva, také používají grafitové elektrody jako vodivé materiály. Vynikající a speciální fyzikální a chemické vlastnosti grafitových elektrod se široce používají i v jiných průmyslových odvětvích.
Surovinami pro výrobu grafitových elektrod jsou ropný koks, jehlicový koks a černouhelná dehtová smůla.
Ropný koks je hořlavý pevný produkt získaný koksováním uhelných zbytků a ropné smůly. Barva je černá a porézní, hlavním prvkem je uhlík a obsah popela je velmi nízký, obvykle pod 0,5 %. Ropný koks patří do třídy snadno grafitizovatelného uhlíku. Ropný koks má široké využití v chemickém a metalurgickém průmyslu. Je hlavní surovinou pro výrobu umělých grafitových produktů a uhlíkových produktů pro elektrolytickou výrobu hliníku.
Ropný koks lze podle teploty tepelného zpracování rozdělit na dva typy: surový koks a kalcinovaný koks. Ropný koks získaný zpožděným koksováním obsahuje velké množství těkavých látek a má nízkou mechanickou pevnost. Kalcinovaný koks se získává kalcinací surového koksu. Většina rafinérií v Číně vyrábí pouze koks a kalcinační operace se většinou provádějí v rafinériích na uhlík.
Ropný koks lze rozdělit na koks s vysokým obsahem síry (obsahující více než 1,5 % síry), koks se středním obsahem síry (obsahující 0,5 %–1,5 % síry) a koks s nízkým obsahem síry (obsahující méně než 0,5 % síry). Výroba grafitových elektrod a dalších umělých grafitových produktů se obvykle provádí za použití koksu s nízkým obsahem síry.
Jehlový koks je druh vysoce kvalitního koksu s výraznou vláknitou texturou, velmi nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a snadnou grafitizací. Po rozdrcení koksu jej lze podle textury rozdělit na tenké proužky (poměr stran je obvykle vyšší než 1,75). Pod polarizačním mikroskopem lze pozorovat anizotropní vláknitou strukturu, a proto se označuje jako jehlový koks.
Anizotropie fyzikálně-mechanických vlastností jehlového koksu je velmi zřejmá. Má dobrou elektrickou a tepelnou vodivost rovnoběžně se směrem dlouhé osy částic a nízký koeficient tepelné roztažnosti. Při extruzi je dlouhá osa většiny částic uspořádána ve směru extruze. Jehlový koks je proto klíčovou surovinou pro výrobu grafitových elektrod s vysokým nebo ultra vysokým výkonem. Vyrobená grafitová elektroda má nízký měrný odpor, malý koeficient tepelné roztažnosti a dobrou odolnost vůči tepelným šokům.
Jehlový koks se dělí na jehlový koks na bázi ropy vyrobený z ropných zbytků a jehlový koks na bázi uhlí vyrobený z rafinovaných uhelných dehtových surovin.
Uhelný dehet je jedním z hlavních produktů hlubokého zpracování uhelného dehtu. Je to směs různých uhlovodíků, která je při vysoké teplotě černá, při vysoké teplotě polotuhá nebo pevná, bez pevného bodu tání, po zahřátí změkne a poté se roztaví, s hustotou 1,25–1,35 g/cm3. Podle bodu měknutí se dělí na nízkoteplotní, středněteplotní a vysokoteplotní asfalt. Výtěžnost asfaltu při střední teplotě je 54–56 % uhelného dehtu. Složení uhelného dehtu je extrémně složité, což souvisí s vlastnostmi uhelného dehtu a obsahem heteroatomů a je také ovlivněno systémem koksování a podmínkami zpracování uhelného dehtu. Existuje mnoho ukazatelů pro charakterizaci uhelné dehtové smůly, jako je bod měknutí bitumenu, látky nerozpustné v toluenu (TI), látky nerozpustné v chinolinu (QI), hodnoty koksovatelnosti a reologie uhelné dehtové smůly.
Uhelný dehet se používá jako pojivo a impregnační prostředek v uhlíkovém průmyslu a jeho vlastnosti mají velký vliv na výrobní proces a kvalitu uhlíkových produktů. Pojivový asfalt se obvykle používá středněteplotním nebo středněteplotně modifikovaný asfalt se středním bodem měknutí, vysokou hodnotou koksovatelnosti a vysokým obsahem β pryskyřice. Impregnační činidlo je středněteplotní asfalt s nízkým bodem měknutí, nízkým indexem kvality (QI) a dobrými reologickými vlastnostmi.
Následující obrázek ukazuje proces výroby grafitové elektrody v uhlíkovém podniku.
Kalcinace: Uhlíková surovina se tepelně zpracovává při vysoké teplotě, aby se odstranila vlhkost a těkavé látky v ní obsažené. Výrobní proces odpovídající zlepšení původního varného výkonu se nazývá kalcinace. Uhlíková surovina se obvykle kalcinuje za použití plynu a vlastních těkavých látek jako zdroje tepla a maximální teplota je 1250–1350 °C.
Kalcinace způsobuje zásadní změny ve struktuře a fyzikálně-chemických vlastnostech uhlíkatých surovin, zejména zlepšením hustoty, mechanické pevnosti a elektrické vodivosti koksu, zlepšením chemické stability a oxidační odolnosti koksu a položením základů pro následný proces.
Kalcinační zařízení zahrnuje hlavně tankovou kalcinační pec, rotační kalcinační pec a elektrickou kalcinační pec. Index kontroly kvality kalcinace spočívá v tom, že skutečná hustota ropného koksu není menší než 2,07 g/cm3, měrný odpor není větší než 550 μΩ.m, skutečná hustota jehlového koksu není menší než 2,12 g/cm3 a měrný odpor není větší než 500 μΩ.m.
Drcení surovin a přísad
Před dávkováním musí být kalcinovaný ropný koks a jehličkovitý koks rozdrcen, namlet a proset.
Střední drcení se obvykle provádí drticím zařízením o velikosti cca 50 mm pomocí čelistního drtiče, kladivového drtiče, válcového drtiče a podobně, aby se dále drtil materiál o velikosti 0,5-20 mm potřebný pro dávkování.
Mletí je proces mletí uhlíkatého materiálu na práškovité malé částice o velikosti 0,15 mm nebo méně a velikosti částic 0,075 mm nebo méně pomocí prstencového válcového mlýna suspenzního typu (Raymondův mlýn), kulového mlýna nebo podobného zařízení.
Třídění je proces, při kterém se široká škála materiálů po drcení dělí na několik velikostních rozsahů částic s úzkým rozsahem velikostí pomocí řady sít s rovnoměrnými otvory. Výroba současných elektrod obvykle vyžaduje 4–5 pelet a 1–2 jakosti prášku.
Ingredience jsou výrobní procesy pro výpočet, vážení a zaostřování různých agregátů kameniva, prášků a pojiv podle požadavků receptury. Vědecká vhodnost receptury a stabilita dávkování patří mezi nejdůležitější faktory ovlivňující index kvality a výkonnost produktu.
Vzorec musí určit 5 aspektů:
1Vyberte druh surovin;
2 určit poměr různých druhů surovin;
3 stanovení složení velikosti částic pevné suroviny;
4 stanovit množství pojiva;
5 Určete druh a množství přísad.
Hnětení: Míchání a kvantifikace uhlíkatých granulí a prášků o různých velikostech částic s určitým množstvím pojiva při určité teplotě a hnětení plastické pasty do procesu zvaného hnětení.
Hnětení: suché míchání (20–35 min) mokré míchání (40–55 min)
Úloha hnětení:
1 Při suchém míchání se různé suroviny rovnoměrně promíchají a pevné uhlíkaté materiály s různými velikostmi částic se rovnoměrně promíchají a naplní, aby se zlepšila kompaktnost směsi;
2 Po přidání černouhelné dehtové smoly se suchý materiál a asfalt rovnoměrně promíchají. Tekutý asfalt rovnoměrně pokryje a smáčí povrch granulí a vytvoří vrstvu asfaltového spojovacího materiálu, přičemž všechny materiály se vzájemně spojí a vytvoří homogenní plastický nátěr. To vede k formování;
3 díly černouhelné dehtové smoly pronikají do vnitřního prostoru uhlíkatého materiálu, čímž dále zvyšují hustotu a soudržnost pasty.
Tvarování: Tvarování uhlíkového materiálu označuje proces plastické deformace hnětené uhlíkové pasty působením vnější síly aplikované tvarovacím zařízením za účelem konečného vytvoření surového tělesa (nebo surového produktu) s určitým tvarem, velikostí, hustotou a pevností.
Typy lisovacích forem, zařízení a vyráběných produktů:
Metoda formování
Běžné vybavení
hlavní produkty
Lití
Vertikální hydraulický lis
Elektrokarbon, nízkokvalitní jemnostrukturní grafit
Sevření
Horizontální hydraulický extruder
Šnekový extruder
Grafitová elektroda, čtvercová elektroda
Vibrační lisování
Vibrační lis na plasty
Hliníkovo-uhlíková cihla, vysokopecní uhlíková cihla
Izostatické lisování
Izostatický lis na plasty
Izotropní grafit, anizotropní grafit
Stlačení operace
1 chladicí materiál: chladicí materiál pro disky, chladicí materiál pro válce, chladicí materiály pro míchání a hnětení atd.
Uvolněte těkavé látky a snižte teplotu na vhodnou (90–120 °C) pro zvýšení přilnavosti, aby byla blokovitost pasty rovnoměrná po dobu 20–30 minut.
2 Nakládání: lisování, zvedání přepážky —– 2–3krát řezání —-4–10 MPa zhutnění
3 předběžný tlak: tlak 20-25 MPa, doba 3-5 minut, během vysávání
4. vytlačování: zatlačte přepážku —vytlačování 5-15 MPa — řez — do chladicí jímky
Technické parametry extruze: kompresní poměr, teplota lisovací komory a trysky, teplota chlazení, doba předpětí, extruzní tlak, rychlost extruze, teplota chladicí vody
Inspekce surového tělesa: objemová hmotnost, poklepáním na povrch, analýza
Kalcinace: Jedná se o proces, při kterém se surový uhlíkový produkt plní do speciálně navržené topné pece pod ochranou plniva, kde se provádí vysokoteplotní tepelné zpracování, které vede k karbonizaci uhelné pryskyřice v surovém produktu. Asfaltový koks vzniklý po karbonizaci uhelného asfaltu ztuhne uhlíkatý agregát a částice prášku dohromady a kalcinovaný uhlíkový produkt má vysokou mechanickou pevnost, nízký elektrický odpor, dobrou tepelnou a chemickou stabilitu.
Kalcinace je jedním z hlavních procesů při výrobě uhlíkových produktů a je také důležitou součástí tří hlavních procesů tepelného zpracování při výrobě grafitových elektrod. Výrobní cyklus kalcinace je dlouhý (22–30 dní pro pečení, 5–20 dní pro pece pro 2 pečení) a má vyšší spotřebu energie. Kvalita zeleného pražení má vliv na kvalitu hotového výrobku a výrobní náklady.
Zelená uhelná smůla v surovém těle se během procesu pražení koksuje a uvolňuje se asi 10 % těkavých látek, objem se zvětšuje smrštěním o 2–3 % a ztráta hmotnosti je 8–10 %. Fyzikální a chemické vlastnosti uhlíkového polotovaru se také významně změnily. Pórovitost se snížila z 1,70 g/cm3 na 1,60 g/cm3 a měrný odpor se snížil z 10 000 μΩ·m na 40–50 μΩ·m v důsledku zvýšení pórovitosti. Mechanická pevnost kalcinovaného polotovaru byla také velká. Pro zlepšení.
Sekundární vypalování je proces, při kterém se kalcinovaný produkt ponoří do kapaliny a poté se kalcinuje za účelem karbonizace dehtu ponořeného v pórech kalcinovaného produktu. Elektrody, které vyžadují vyšší objemovou hmotnost (všechny varianty kromě RP), a polotovary spojů musí být dvojnásobně vypáleny a polotovary spojů se také podrobují tří-, čtyř- nebo dvou-, tří-vypalování.
Hlavní typ pece pražírny:
Nepřetržitý provoz – kruhová pec (s krytem, bez krytu), tunelová pec
Přerušovaný provoz – reverzní pec, podlahová pražírna, komorová pražírna
Kalcinační křivka a maximální teplota:
Jednorázové pražení – -320, 360, 422, 480 hodin, 1250 °C
Sekundární pražení – 125, 240, 280 hodin, 700–800 °C
Kontrola pečených výrobků: vzhled poklepáním, elektrický odpor, objemová hmotnost, pevnost v tlaku, analýza vnitřní struktury
Impregnace je proces, při kterém se uhlíkový materiál umístí do tlakové nádoby a kapalná impregnační smůla se za určitých teplotních a tlakových podmínek ponoří do pórů elektrody produktu. Účelem je snížit pórovitost produktu, zvýšit objemovou hmotnost a mechanickou pevnost produktu a zlepšit elektrickou a tepelnou vodivost produktu.
Proces impregnace a související technické parametry jsou: pražení polotovaru – čištění povrchu – předehřev (260-380 °C, 6-10 hodin) – plnění impregnační nádrže – vakuové odsávání (8-9 kPa, 40-50 min) – vstřikování bitumenu (180-200 °C) – natlakování (1,2-1,5 MPa, 3-4 hodiny) – návrat do asfaltu – chlazení (uvnitř nebo vně nádrže)
Kontrola impregnovaných výrobků: míra přírůstku hmotnosti impregnace G=(W2-W1)/W1×100%
Míra přírůstku hmotnosti po jednom namáčení ≥14 %
Míra přírůstku hmotnosti sekundárně impregnovaného produktu ≥ 9 %
Tři namáčecí produkty s přírůstkem hmotnosti ≥ 5 %
Grafitizace označuje proces tepelného zpracování za vysoké teploty, při kterém se uhlíkový produkt zahřívá na teplotu 2300 °C nebo více v ochranném médiu ve vysokoteplotní elektrické peci, čímž se amorfní vrstevnatá struktura uhlíku přemění na trojrozměrnou uspořádanou krystalickou strukturu grafitu.
Účel a účinek grafitizace:
1 zlepšit vodivost a tepelnou vodivost uhlíkového materiálu (rezistivita se sníží 4–5krát a tepelná vodivost se zvýší přibližně 10krát);
2 zlepšit odolnost vůči tepelným šokům a chemickou stabilitu uhlíkového materiálu (koeficient lineární roztažnosti snížený o 50–80 %);
3, aby uhlíkový materiál měl mazivost a odolnost proti oděru;
4 Nečistoty ve výfukových plynech, zlepšení čistoty uhlíkového materiálu (obsah popela v produktu se sníží z 0,5-0,8 % na přibližně 0,3 %).
Realizace procesu grafitizace:
Grafitizace uhlíkového materiálu se provádí při vysoké teplotě 2300–3000 °C, takže v průmyslu ji lze realizovat pouze elektrickým ohřevem, tj. proud prochází přímo zahřátým kalcinovaným produktem a kalcinovaný produkt vsázený do pece je generován elektrickým proudem při vysoké teplotě. Vodič je opět předmět, který se zahřívá na vysokou teplotu.
Mezi v současnosti široce používané pece patří Achesonovy grafitizační pece a pece s vnitřní kaskádou ohřevu (LWG). První z nich má velký výkon, velký teplotní rozdíl a vysokou spotřebu energie. Druhá má krátkou dobu ohřevu, nízkou spotřebu energie, rovnoměrný elektrický odpor a není vhodná pro montáž.
Řízení procesu grafitizace se provádí měřením křivky elektrického výkonu, která je vhodná pro podmínky nárůstu teploty. Doba napájení je 50–80 hodin pro pec Acheson a 9–15 hodin pro pec LWG.
Spotřeba energie při grafitizaci je velmi vysoká, obvykle 3200-4800 kWh, a náklady na proces tvoří asi 20-35 % celkových výrobních nákladů.
Kontrola grafitizovaných výrobků: poklepáním na povrch, zkouška rezistivity
Obrábění: Účelem mechanického obrábění uhlíkových grafitových materiálů je dosáhnout požadované velikosti, tvaru, přesnosti atd. řezáním, aby tělo elektrody a spoje odpovídaly požadavkům použití.
Zpracování grafitové elektrody se dělí na dva nezávislé procesy zpracování: tělo elektrody a spoj.
Zpracování tělesa zahrnuje tři kroky: vyvrtávání a hrubování ploché čelní plochy, vnější kružnice a ploché čelní plochy a frézování závitu. Zpracování kuželového spoje lze rozdělit do 6 procesů: řezání, plochá čelní plocha, kuželová plocha automobilu, frézování závitu, vrtání šroubů a drážkování.
Spojení elektrodových spojů: kuželové spojení (tři přezky a jedna přezka), válcové spojení, spoj s výstupkem (samec a samice)
Kontrola přesnosti obrábění: odchylka kuželovitosti závitu, stoupání závitu, odchylka velkého průměru spoje (otvoru), souosost spojového otvoru, svislost spojového otvoru, rovinnost čelní plochy elektrody, čtyřbodová odchylka spoje. Kontrola pomocí speciálních prstencových kalibrů a deskových kalibrů.
Kontrola hotových elektrod: přesnost, hmotnost, délka, průměr, objemová hmotnost, odpor, tolerance před montáží atd.
Čas zveřejnění: 31. října 2019