Herstellungsprozess von Graphitelektroden

Eine Graphitelektrode ist ein hochtemperaturbeständiges leitfähiges Graphitmaterial, das durch Erdölkneten, Nadelkoks als Zuschlagstoff und Kohlebitumen als Bindemittel hergestellt wird. Die Herstellung erfolgt durch eine Reihe von Prozessen wie Kneten, Formen, Rösten, Imprägnieren, Graphitieren und mechanische Verarbeitung.

Die Graphitelektrode ist ein wichtiges leitfähiges Material für hohe Temperaturen in der Elektrostahlerzeugung. Sie dient der Energiezufuhr in den Elektroofen. Die durch den Lichtbogen zwischen Elektrodenende und Charge erzeugte hohe Temperatur dient als Wärmequelle zum Schmelzen der Charge bei der Stahlherstellung. Auch andere Erzöfen, die Materialien wie gelben Phosphor, Industriesilizium und Schleifmittel schmelzen, verwenden Graphitelektroden als leitfähiges Material. Die hervorragenden und besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Graphitelektroden finden auch in anderen Industriezweigen breite Anwendung.
Die Rohstoffe für die Herstellung von Graphitelektroden sind Petrolkoks, Nadelkoks und Steinkohlenteerpech.

Petrolkoks ist ein brennbares Feststoffprodukt, das durch Verkokung von Kohlerückständen und Petroleumpech gewonnen wird. Es ist schwarz und porös, das Hauptelement ist Kohlenstoff, und der Aschegehalt ist sehr gering, in der Regel unter 0,5 %. Petrolkoks gehört zur Klasse der leicht graphitierbaren Kohlenstoffe. Petrolkoks findet vielfältige Anwendung in der chemischen und metallurgischen Industrie. Es ist der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Kunstgraphitprodukten und Kohlenstoffprodukten für elektrolytisches Aluminium.

Petrolkoks lässt sich je nach Wärmebehandlungstemperatur in zwei Arten unterteilen: Rohkoks und kalzinierter Koks. Ersterer, durch verzögerte Verkokung gewonnener Petrolkoks enthält einen hohen Anteil flüchtiger Bestandteile und weist eine geringe mechanische Festigkeit auf. Kalzinierter Koks wird durch Kalzinierung von Rohkoks gewonnen. Die meisten Raffinerien in China produzieren ausschließlich Koks, und die Kalzinierung erfolgt meist in Kohlekraftwerken.

Petrolkoks kann in Koks mit hohem Schwefelgehalt (mit mehr als 1,5 % Schwefel), Koks mit mittlerem Schwefelgehalt (mit 0,5–1,5 % Schwefel) und Koks mit niedrigem Schwefelgehalt (mit weniger als 0,5 % Schwefel) unterteilt werden. Die Herstellung von Graphitelektroden und anderen künstlichen Graphitprodukten erfolgt im Allgemeinen unter Verwendung von Koks mit niedrigem Schwefelgehalt.

Nadelkoks ist ein hochwertiger Koks mit ausgeprägter Faserstruktur, sehr niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und leichter Graphitisierung. Beim Brechen kann der Koks je nach Textur in schmale Streifen gespalten werden (das Längenverhältnis liegt in der Regel über 1,75). Unter einem Polarisationsmikroskop ist eine anisotrope Faserstruktur erkennbar, weshalb er als Nadelkoks bezeichnet wird.

Die Anisotropie der physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Nadelkoks ist deutlich erkennbar. Er weist eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit parallel zur Partikellängsachse auf und hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Beim Extrusionsformen liegt die Längsachse der meisten Partikel in Extrusionsrichtung. Daher ist Nadelkoks der wichtigste Rohstoff für die Herstellung von Hochleistungs- und Ultrahochleistungs-Graphitelektroden. Die hergestellte Graphitelektrode weist einen niedrigen spezifischen Widerstand, einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Thermoschockbeständigkeit auf.

Nadelkoks wird in ölbasierten Nadelkoks, der aus Erdölrückständen hergestellt wird, und kohlebasierten Nadelkoks, der aus raffinierten Kohlenpechrohstoffen hergestellt wird, unterteilt.

Kohlenteer ist eines der Hauptprodukte der Teeraufbereitung. Er ist ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe, das bei hohen Temperaturen schwarz, bei hohen Temperaturen halbfest oder fest ist, keinen festen Schmelzpunkt hat und nach dem Erhitzen erweicht und dann schmilzt. Die Dichte beträgt 1,25–1,35 g/cm³. Nach seinem Erweichungspunkt wird er in Niedertemperatur-, Mitteltemperatur- und Hochtemperaturasphalt unterteilt. Der Mitteltemperaturasphaltanteil liegt bei 54–56 % Kohlenteer. Die Zusammensetzung von Kohlenteer ist äußerst komplex und hängt von seinen Eigenschaften und seinem Gehalt an Heteroatomen ab. Auch das Verkokungsverfahren und die Teeraufbereitungsbedingungen beeinflussen ihn. Kohlenteerpech kann anhand vieler Indikatoren charakterisiert werden, wie z. B. dem Erweichungspunkt von Bitumen, in Toluol unlöslichen Bestandteilen (TI), in Chinolin unlöslichen Bestandteilen (QI), der Verkokungswerte und der Rheologie des Kohlenteerpechs.

Kohlenteer wird in der Kohlenstoffindustrie als Bindemittel und Imprägniermittel eingesetzt. Seine Eigenschaften haben großen Einfluss auf den Produktionsprozess und die Produktqualität von Kohlenstoffprodukten. Als Bindemittel wird üblicherweise ein Mitteltemperatur- oder mitteltemperaturmodifizierter Asphalt mit mittlerem Erweichungspunkt, hohem Verkokungswert und hohem β-Harz verwendet. Das Imprägniermittel ist ein Mitteltemperatur-Asphalt mit niedrigem Erweichungspunkt, niedrigem QI und guten rheologischen Eigenschaften.

Das folgende Bild zeigt den Produktionsprozess von Graphitelektroden in einem Kohlenstoffunternehmen.
Kalzinierung: Der kohlenstoffhaltige Rohstoff wird bei hohen Temperaturen wärmebehandelt, um die darin enthaltene Feuchtigkeit und flüchtigen Bestandteile zu entfernen. Der Herstellungsprozess zur Verbesserung der ursprünglichen Kochleistung wird als Kalzinierung bezeichnet. Im Allgemeinen wird der kohlenstoffhaltige Rohstoff mit Gas und seinen eigenen flüchtigen Bestandteilen als Wärmequelle kalziniert. Die maximale Temperatur beträgt 1250–1350 °C.

Durch die Kalzinierung werden die Struktur und die physikochemischen Eigenschaften kohlenstoffhaltiger Rohstoffe grundlegend verändert. Sie verbessert vor allem die Dichte, mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit des Kokses und verbessert seine chemische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit. Damit wird eine Grundlage für den nachfolgenden Prozess geschaffen.

Zu den Kalzinieranlagen gehören hauptsächlich Tankkalzinatoren, Drehrohröfen und elektrische Kalzinatoren. Der Qualitätskontrollindex der Kalzinierung besteht darin, dass die tatsächliche Dichte von Petrolkoks nicht weniger als 2,07 g/cm³, der spezifische Widerstand nicht mehr als 550 μΩ.m, die tatsächliche Dichte von Nadelkoks nicht weniger als 2,12 g/cm³ und der spezifische Widerstand nicht mehr als 500 μΩ.m beträgt.
Rohstoffzerkleinerung und Zutaten

Vor der Dosierung müssen der kalzinierte Petrolkoks und der Nadelkoks in großen Mengen zerkleinert, gemahlen und gesiebt werden.

Das mittlere Zerkleinern wird üblicherweise durch Zerkleinerungsgeräte von etwa 50 mm durch einen Backenbrecher, einen Hammerbrecher, einen Walzenbrecher und dergleichen durchgeführt, um das für die Dosierung erforderliche Material mit einer Größe von 0,5 bis 20 mm weiter zu zerkleinern.

Beim Mahlen handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein kohlenstoffhaltiges Material mithilfe einer Ringwalzenmühle vom Suspensionstyp (Raymond-Mühle), einer Kugelmühle oder dergleichen zu pulverförmigen kleinen Partikeln von 0,15 mm oder weniger und einer Partikelgröße von 0,075 mm oder weniger gemahlen wird.

Beim Sieben wird ein breites Spektrum an Materialien nach dem Zerkleinern durch eine Reihe von Sieben mit gleichmäßigen Öffnungen in mehrere Partikelgrößenbereiche mit einem engen Größenbereich aufgeteilt. Die derzeitige Elektrodenproduktion erfordert üblicherweise 4–5 Pellets und 1–2 Pulversorten.

Zutaten sind die Produktionsprozesse zum Berechnen, Wiegen und Fokussieren der verschiedenen Zuschlagstoffe, Pulver und Bindemittel entsprechend den Formulierungsanforderungen. Die wissenschaftliche Eignung der Formulierung und die Stabilität des Dosiervorgangs gehören zu den wichtigsten Faktoren, die den Qualitätsindex und die Leistung des Produkts beeinflussen.

Die Formel muss 5 Aspekte bestimmen:
1Wählen Sie die Art der Rohstoffe aus;
2. Bestimmen Sie den Anteil verschiedener Rohstoffarten.
3 Bestimmen der Partikelgrößenzusammensetzung des festen Rohmaterials;
4 Bestimmen Sie die Bindemittelmenge.
5 Art und Menge der Zusatzstoffe bestimmen.

Kneten: Mischen und Quantifizieren von kohlenstoffhaltigen Granulaten und Pulvern unterschiedlicher Partikelgröße mit einer bestimmten Menge Bindemittel bei einer bestimmten Temperatur und Kneten der plastischen Paste in einem als Kneten bezeichneten Prozess.

Knetvorgang: Trockenmischen (20-35 min) Nassmischen (40-55 min)

Die Rolle des Knetens:
1 Beim Trockenmischen werden die verschiedenen Rohstoffe gleichmäßig vermischt und die festen kohlenstoffhaltigen Materialien unterschiedlicher Partikelgröße gleichmäßig gemischt und eingefüllt, um die Kompaktheit der Mischung zu verbessern.
2 Nach Zugabe von Kohlenteerpech werden das trockene Material und der Asphalt gleichmäßig vermischt. Der flüssige Asphalt bedeckt und benetzt die Oberfläche des Granulats gleichmäßig und bildet eine Asphaltbindeschicht. Alle Materialien verbinden sich zu einem homogenen Kunststoffbelag. Fördert die Formgebung.
3 Teile Kohlenteerpech dringen in den Innenraum des kohlenstoffhaltigen Materials ein und erhöhen so die Dichte und Kohäsion der Paste weiter.

Formen: Unter Formen von Kohlenstoffmaterial versteht man den Prozess der plastischen Verformung der gekneteten Kohlenstoffpaste unter der von der Formanlage ausgeübten äußeren Kraft, um schließlich einen Grünkörper (oder Rohprodukt) mit einer bestimmten Form, Größe, Dichte und Festigkeit zu bilden.

Arten von Formteilen, Geräten und hergestellten Produkten:
Formverfahren
Gemeinsame Ausrüstung
Hauptprodukte
Formen
Vertikale Hydraulikpresse
Elektrokohle, minderwertiger Feinstrukturgraphit
Quetschen
Horizontaler Hydraulikextruder
Schneckenextruder
Graphitelektrode, quadratische Elektrode
Vibrationsformen
Vibrationsformmaschine
Aluminium-Kohlenstoffstein, Hochofen-Kohlenstoffstein
Isostatisches Pressen
Isostatische Formmaschine
Isotroper Graphit, anisotroper Graphit

Quetschvorgang
1 Kühlmaterial: Scheibenkühlmaterial, Zylinderkühlmaterial, Misch- und Knetkühlmaterialien usw.
Entladen Sie die flüchtigen Bestandteile und reduzieren Sie die Temperatur auf eine geeignete Temperatur (90-120 ° C), um die Haftung zu erhöhen, sodass die Blockierung der Paste 20-30 Minuten lang gleichmäßig ist.
2 Laden: Presshubblech —– 2-3 mal Schneiden—-4-10MPa Verdichtung
3 Vordruck: Druck 20-25MPa, Zeit 3-5min, beim Staubsaugen
4 Extrusion: Drücken Sie die Schallwand nach unten – 5-15 MPa Extrusion – schneiden Sie – in die Kühlwanne

Technische Parameter der Extrusion: Kompressionsverhältnis, Presskammer- und Düsentemperatur, Kühltemperatur, Vordruckzeit, Extrusionsdruck, Extrusionsgeschwindigkeit, Kühlwassertemperatur

Grünkörperprüfung: Rohdichte, Oberflächenbeschaffenheit, Analyse

Kalzinierung: Bei diesem Verfahren wird der Grünkörper des Kohlenstoffprodukts unter dem Schutz des Füllmaterials in einen speziell entwickelten Heizofen gefüllt, um das Kohlenpech im Grünkörper durch Hochtemperaturwärmebehandlung zu karbonisieren. Der nach der Karbonisierung des Kohlebitumens entstehende Bitumenkoks verfestigt das kohlenstoffhaltige Aggregat und die Pulverpartikel. Das kalzinierte Kohlenstoffprodukt weist eine hohe mechanische Festigkeit, einen niedrigen elektrischen Widerstand sowie eine gute thermische und chemische Stabilität auf.

Die Kalzinierung ist einer der Hauptprozesse bei der Herstellung von Kohlenstoffprodukten und zudem ein wichtiger Bestandteil der drei wichtigsten Wärmebehandlungsprozesse bei der Herstellung von Graphitelektroden. Der Kalzinierungsproduktionszyklus ist lang (22–30 Tage beim Brennen, 5–20 Tage bei Öfen für zwei Brennvorgänge) und mit einem höheren Energieverbrauch verbunden. Die Qualität der Grünröstung beeinflusst die Qualität des Endprodukts und die Produktionskosten.

Das Grünkohlepech im Grünkörper verkokt während des Röstprozesses, wobei etwa 10 % der flüchtigen Bestandteile freigesetzt werden. Das Volumen schrumpft um 2–3 %, der Masseverlust beträgt 8–10 %. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kohlenstoffblocks verändern sich ebenfalls deutlich. Die Porosität verringerte sich von 1,70 g/cm³ auf 1,60 g/cm³ und der spezifische Widerstand von 10.000 μΩ·m auf 40–50 μΩ·m. Die mechanische Festigkeit des kalzinierten Blocks ist ebenfalls hoch. Verbesserungswürdig.

Beim Sekundärbrennen wird das kalzinierte Produkt eingetaucht und anschließend kalziniert, um das in den Poren des kalzinierten Produkts enthaltene Pech zu karbonisieren. Elektroden mit höherer Schüttdichte (alle Sorten außer RP) und Verbindungsrohlinge müssen doppelt gebrannt werden. Die Verbindungsrohlinge werden außerdem einem Drei-Tauch-Vier-Brennen oder einem Zwei-Tauch-Drei-Brennen unterzogen.

Hauptofentyp des Rösters:
Kontinuierlicher Betrieb – Ringofen (mit Deckel, ohne Deckel), Tunnelofen
Intermittierender Betrieb – Umkehrofen, Unterflurröster, Kastenröster

Kalzinierungskurve und Maximaltemperatur:
Einmaliges Rösten – 320, 360, 422, 480 Stunden, 1250 °C
Sekundärröstung – 125, 240, 280 Stunden, 700–800 °C

Prüfung von Backwaren: Aussehen, Klopffestigkeit, elektrischer Widerstand, Rohdichte, Druckfestigkeit, Analyse der inneren Struktur

Imprägnierung ist ein Verfahren, bei dem Kohlenstoffmaterial in einen Druckbehälter gegeben und das flüssige Imprägnierpech unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen in die Poren der Produktelektrode eingetaucht wird. Ziel ist es, die Porosität des Produkts zu verringern, die Schüttdichte und mechanische Festigkeit des Produkts zu erhöhen sowie die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Produkts zu verbessern.

Der Imprägnierprozess und die damit verbundenen technischen Parameter sind: Rösten des Knüppels – Oberflächenreinigung – Vorwärmen (260–380 °C, 6–10 Stunden) – Befüllen des Imprägniertanks – Vakuumieren (8–9 kPa, 40–50 Min.) – Einspritzen von Bitumen (180–200 °C) – Druckbeaufschlagung (1,2–1,5 MPa, 3–4 Stunden) – Rückverwandlung in Asphalt – Abkühlen (innerhalb oder außerhalb des Tanks)

Prüfung imprägnierter Produkte: Gewichtszunahmerate der Imprägnierung G=(W2-W1)/W1×100%
Gewichtszunahmerate nach einmaligem Eintauchen ≥14 %
Gewichtszunahmerate des sekundär imprägnierten Produkts ≥ 9 %
Gewichtszunahmerate bei drei Dip-Produkten ≥ 5 %

Graphitisierung bezeichnet einen Hochtemperatur-Wärmebehandlungsprozess, bei dem ein Kohlenstoffprodukt in einem Schutzmedium in einem Hochtemperatur-Elektroofen auf eine Temperatur von 2300 °C oder mehr erhitzt wird, um einen Kohlenstoff mit amorpher Schichtstruktur in eine dreidimensional geordnete Graphitkristallstruktur umzuwandeln.

Zweck und Wirkung der Graphitisierung:
1. Verbessern Sie die Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstoffmaterials (der spezifische Widerstand wird um das 4- bis 5-fache reduziert und die Wärmeleitfähigkeit um etwa das 10-fache erhöht);
2 Verbesserung der Wärmeschockbeständigkeit und chemischen Stabilität des Kohlenstoffmaterials (linearer Ausdehnungskoeffizient um 50–80 % reduziert);
3, um dem Kohlenstoffmaterial Gleitfähigkeit und Abriebfestigkeit zu verleihen;
4 Abgasverunreinigungen, Verbesserung der Reinheit des Kohlenstoffmaterials (der Aschegehalt des Produkts wird von 0,5–0,8 % auf etwa 0,3 % reduziert).

Die Durchführung des Graphitierungsprozesses:

Die Graphitisierung von Kohlenstoffmaterial erfolgt bei hohen Temperaturen von 2300–3000 °C und ist daher industriell nur durch elektrische Beheizung möglich. Dabei fließt der Strom direkt durch das erhitzte kalzinierte Produkt, und das in den Ofen eingebrachte kalzinierte Produkt wird durch den elektrischen Strom auf hohe Temperatur gebracht. Der Leiter ist wiederum ein Objekt, das auf eine hohe Temperatur erhitzt wird.

Zu den derzeit weit verbreiteten Öfen gehören Acheson-Graphitisierungsöfen und Innenwärmekaskadenöfen (LWG). Erstere zeichnen sich durch eine hohe Leistung, einen großen Temperaturunterschied und einen hohen Stromverbrauch aus. Letztere zeichnen sich durch eine kurze Aufheizzeit, einen geringen Stromverbrauch und einen gleichmäßigen elektrischen Widerstand aus und sind nicht für den Einbau geeignet.

Die Steuerung des Graphitierungsprozesses erfolgt durch Messung der für den Temperaturanstieg geeigneten elektrischen Leistungskurve. Die Stromversorgungszeit beträgt beim Acheson-Ofen 50–80 Stunden und beim LWG-Ofen 9–15 Stunden.

Der Stromverbrauch bei der Graphitisierung ist sehr hoch, im Allgemeinen 3200–4800 kWh, und die Prozesskosten machen etwa 20–35 % der gesamten Produktionskosten aus.

Inspektion graphitierter Produkte: Sichtprüfung, Widerstandsprüfung

Bearbeitung: Der Zweck der mechanischen Bearbeitung von Kohlenstoffgraphitmaterialien besteht darin, durch Schneiden die erforderliche Größe, Form, Präzision usw. zu erreichen, um den Elektrodenkörper und die Verbindungen entsprechend den Verwendungsanforderungen herzustellen.

Die Verarbeitung von Graphitelektroden gliedert sich in zwei unabhängige Verarbeitungsprozesse: Elektrodenkörper und Verbindung.

Die Körperbearbeitung umfasst drei Schritte: Bohren und Schruppen der flachen Stirnfläche, des äußeren Kreises und der flachen Stirnfläche sowie des Fräsens des Gewindes. Die Bearbeitung der konischen Verbindung kann in sechs Prozesse unterteilt werden: Schneiden, flache Stirnfläche, Autokegelfläche, Fräsen des Gewindes, Bohren des Bolzens und Schlitzen.

Anschluss der Elektrodenverbindungen: konische Verbindung (drei Schnallen und eine Schnalle), zylindrische Verbindung, Stoßverbindung (männliche und weibliche Verbindung)

Kontrolle der Bearbeitungsgenauigkeit: Gewindekegelabweichung, Gewindesteigung, Abweichung des großen Durchmessers der Verbindung (Loch), Koaxialität der Verbindungslöcher, Vertikalität der Verbindungslöcher, Ebenheit der Elektrodenstirnfläche, Vierpunktabweichung der Verbindung. Überprüfung mit speziellen Ringlehren und Plattenlehren.

Prüfung fertiger Elektroden: Genauigkeit, Gewicht, Länge, Durchmesser, Schüttdichte, spezifischer Widerstand, Toleranz vor der Montage usw.